基于串擾耦合的BGA焊點裂紋故障非接觸測試方法

楊 哲， 尚玉玲

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

球柵陣列(ball grid array，簡稱BGA)封裝技術已成為一種可靠的電氣互連方法，采用凸焊點實現(xiàn)芯片與基底之間的機械和電器連接，滿足了電子產品對高密度、小尺寸以及最優(yōu)性能的要求[1]。由于回流焊工藝、焊點疲勞等原因，BGA焊點會產生裂紋、空洞、缺失等物理結構故障，也可以分為開路故障和短路故障。焊接后BGA焊點隱藏在封裝下面，很難直接檢測焊接質量，這就需要一種非接觸測試方法來測試焊點的缺陷。

國內外對BGA焊點故障測試進行了很多研究，Lu等[2]利用主動紅外熱成像法對焊點進行了實驗缺陷測試，并采用K均值算法對焊球進行聚類分析和缺陷識別，但由于加熱溫度不好控制，受外界影響大。吳浩[3]提出了一種與遺傳算法相結合的光學檢測方法提取焊點缺陷特征，實現(xiàn)焊點缺陷檢測，其缺點是檢測受環(huán)境影響大，檢測系統(tǒng)會出現(xiàn)漏判和誤判的情況，而且圖像處理算法復雜，計算時間長。Liu等[4]利用激光超聲和干涉儀采集BGA焊點陣列的聲學圖像來提取特征，通過神經網(wǎng)絡實現(xiàn)對焊點缺陷的分類，但檢測結果受電子元器件的封裝結構影響較大，且實驗所用的聲學耦合介質會對焊點造成損害。Song等[5]將圖像處理算法與X射線檢測方法相結合，實現(xiàn)BGA焊點的缺陷識別與定位，缺點是對于重疊方向的缺陷難以識別，會出現(xiàn)漏判，且成本高，對人體會造成一定的危害。Abdelghani等[6]提出了一種非接觸電路板結構，通過電路板上傳輸線之間的耦合，根據(jù)感測線的耦合響應判斷BGA焊點故障。為此，提出一種非接觸測試方法來測試BGA焊點的裂紋故障，以避免傳統(tǒng)接觸式測試給電子元器件帶來物理性損傷。

1 BGA焊點裂紋故障的非接觸測試結構

當2根傳輸線之間無屏蔽緊靠在一起時，由于傳輸線電磁場的相互作用，傳輸線之間存在功率耦合，這2根傳輸線稱為耦合傳輸線[7]。常用的耦合傳輸線結構有耦合帶狀線、耦合微帶線、耦合寬邊帶狀線。針對耦合寬邊帶狀線結構，提出一種非接觸測試結構來測試BGA焊點的裂紋故障。

圖1為BGA焊點非接觸測試結構示意圖。測試結構中的傳輸線稱為攻擊線，用來感知待測試對象中傳輸線兩端連接的BGA焊點是否存在故障。待測試對象中BGA焊點連接的傳輸線稱為受害線。非接觸測試板是獨立可拆卸的，由地參考層、過孔和攻擊線組成。

閉合時的測試結構示意圖如圖2所示。測試時，測試板位于待測試對象上方，待測試對象的芯片在測試板上的對應區(qū)域是被挖空的，以保證攻擊線和受害線緊靠在一起，兩者之間的耦合間距僅是兩層阻焊層的厚度。當測試板與待測試對象閉合時，攻擊線和受害線通過兩者之間的阻焊層形成具有高耦合的耦合寬邊帶狀線結構。

圖1 非接觸測試結構示意圖

圖2 閉合時的測試結構示意圖

非接觸測試結構與BGA焊點結構模型如圖3所示。攻擊線作為信號攻擊載體，待測試對象中的受害線與BGA焊點作為信號受害載體。在外加激勵的情況下，攻擊線與受害線之間存在耦合關系形成的電場強度為1.71 kV/m，電場在待測試BGA焊點中形成耦合電流[8]。當BGA焊點存在裂紋故障時，焊點阻抗發(fā)生變化[9]，整個電路諧振時的固有頻率改變，從而影響諧振頻率。因此，可通過諧振頻率實現(xiàn)對故障的診斷。

圖3 非接觸測試結構模型

攻擊線的特性阻抗為50 Ω，非接觸測試結構能通過PCB雙面板實現(xiàn)。攻擊線與受害線之間由0.012 7×2=0.025 4 mm厚度的阻焊層隔開，耦合長度設置為25 mm，且攻擊線與受害線除長度不同，其傳輸線寬度、厚度以及疊層結構完全一致。

測試板和BGA的材料屬性如表1所示。其中：εr,air為空氣的相對介電常數(shù)；εr,Si為Si的相對介電常數(shù)；εr,mask為阻焊層的相對介電常數(shù)；εr,FR4為介質層FR4相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；εi為IMC層的介電常數(shù)；ρ為焊點材料的電阻率；μ0為材料的真空磁導率；σ為銅導體的電導率。

表1 測試板和BGA的材料屬性

2 BGA焊點裂紋故障建模

在服役過程中，由于應力作用，焊點會出現(xiàn)裂紋，若裂紋發(fā)展，會完全斷裂為開路故障。裂紋故障可分為部分斷裂和全部斷裂2種情況。假設部分斷裂的裂紋最長為0.5 mm，焊點裂紋故障建模中將焊點看成小段的扁平導體，將焊點內部裂紋故障等效成寬度為焊點寬度的長方體[10]。圖4為BGA焊點裂紋故障示意圖。其中：L為焊點長度；w為焊點寬度；H為焊點厚度；I為焊點通過的電流，方向如圖中箭頭所示。為方便分析，假設焊點內裂紋寬度為焊點寬度w，長度為l，間距為d，裂紋面積為Sc。

圖4 BGA焊點裂紋故障示意圖

2.1 焊點電阻

直流無損焊點電阻為

(1)

直流受損焊點電阻為

(2)

當l=L時，焊點斷裂。趨膚效應時導體電阻為厚度δ的薄層電阻，δ薄層的面積為

Sδ=2δ(w+L-2δ),L>2δ，

(3)

因此，高頻無損焊點電阻為

(4)

高頻受損焊點電阻為

(5)

2.2 焊點電感

無損焊點的電感為

(6)

焊點受損時，未損區(qū)域的橫截面流過傳導電流，此時的焊點電感Lball為

(7)

2.3 焊點電容

(8)

其中di為焊點IMC層的厚度。焊點無損的電容C0為

(9)

焊點裂紋等效電容Cl為

(10)

受損焊點的總電容Cball為

(11)

BGA焊點裂紋故障等效電路如圖5所示。

圖5 BGA焊點裂紋故障等效電路圖

以橫截面為1 mm×1 mm、厚度為0.8 mm的矩形焊點為研究對象，IMC層厚度為0.001 mm，經計算，無故障電阻為0.319 mΩ，無故障電感為0.134 nH，無故障電容為7.080 pF。當裂紋長度為0.5 mm、間距為0.001 mm時，焊點故障電阻為0.810 mΩ，故障電感為0.156 nH，故障電容為3.933 pF。由此可見，當焊點產生裂紋故障時，電阻和電感增大，電容減小。

3 焊點裂紋故障模型測試

通過非接觸測試結構模型提取攻擊線與受害線的電容、電感、電阻矩陣。利用公式以及參數(shù)提取得到等效電路模型中各結構的參數(shù)值，建立非接觸測試結構的等效電路模型[11]如圖6所示。

圖6 非接觸測試結構的等效電路模型

4 仿真實驗

當輸入信號的頻率與RLC電路的固有頻率相同時，電路才會激起諧振，所以可通過測量諧振頻率的方法進行故障測試。在攻擊線源端施加激勵后，監(jiān)測一定頻率范圍內的受害線遠端電壓與源端電壓之比。通過實驗發(fā)現(xiàn)，故障BGA焊點和無故障BGA焊點的諧振頻率不同[12]。攻擊線遠端測試到的信號由諧振頻率決定，且諧振頻率主要受焊點電參數(shù)影響。

測試樣本包括2種情況：1)兩端均無故障焊點；2)一端無故障焊點，另一端有裂紋故障焊點。當受害線遠端和近端分別端接一個裂紋故障焊點和一個無故障焊點時，攻擊線上測得的耦合響應如圖7所示。從圖7可看出，隨著諧振頻率的增加，攻擊線遠端電壓與源端電壓比先減小至0，再增大到接近0.5后減小，且在諧振頻率處，攻擊線端電壓與源端電壓比為0。焊點無故障的諧振頻率為f0，裂紋故障0.1 mm焊點的諧振頻率為fm1，裂紋故障0.5 mm焊點的諧振頻率為fm2，fm1、fm2均大于f0，且fm1為4.7 GHz，fm2為2.2 GHz。

焊點裂紋長度與諧振頻率的關系如圖8所示。從圖8可看出，與無故障焊點相比，裂紋故障會導致諧振頻率增大，隨著裂紋長度增大，諧振頻率減小。

圖7 無故障與裂紋故障焊點的諧振頻率對比圖

圖8 諧振頻率與焊點裂紋長度的關系

5 結束語

針對耦合寬邊帶狀線結構，提出了一種非接觸測試方法，通過諧振頻率來診斷BGA焊點裂紋故障。從實驗結果可看出，依據(jù)諧振頻率診斷焊點故障，裂紋故障測得的諧振頻率大于無故障時的諧振頻率參考值。同時，采用非接觸測試方法，避免了傳統(tǒng)測試對BGA焊點造成的損傷，減少了成本開銷。