基于DIC 的多層板熱翹曲實(shí)驗(yàn)及仿真研究1)

葛一銘 沈 飛 柯燎亮

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300072)

引言

板殼等固體結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、機(jī)械等領(lǐng)域[1].在多層板結(jié)構(gòu)中,各層材料熱膨脹系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致熱變形的失配,從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和翹曲[2].在微電子封裝領(lǐng)域,熱翹曲現(xiàn)象普遍存在于元器件生產(chǎn)及服役的各個(gè)環(huán)節(jié),例如,芯片生產(chǎn)工藝中涉及到的介質(zhì)層烘烤固化、晶圓減薄、電鍍退火等過程都會(huì)引起芯片熱翹曲.常規(guī)封裝結(jié)構(gòu)一般是由塑封料、芯片和基板堆疊成的多層板結(jié)構(gòu),工作狀態(tài)下芯片自發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起元件翹曲變形.過大的翹曲將會(huì)導(dǎo)致芯片開裂、芯片分層、焊點(diǎn)失效等問題.對(duì)于大部分發(fā)生熱翹曲的結(jié)構(gòu),通過對(duì)各層級(jí)材料的均勻化處理,都可以簡(jiǎn)化為典型的多層板結(jié)構(gòu).因此為了實(shí)現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)熱翹曲的合理預(yù)測(cè)與有效控制,針對(duì)典型多層板結(jié)構(gòu)的熱翹曲問題的研究非常有必要.

在結(jié)構(gòu)熱翹曲的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中,重點(diǎn)是測(cè)量由于熱翹曲引起的離面位移.翹曲測(cè)量技術(shù)可分為接觸式和非接觸式兩大類,接觸式測(cè)量方法主要包括墊片法和接觸探針法[3],非接觸式測(cè)量方法主要包括陰影Moiré紋法、光學(xué)干涉法和三維數(shù)字圖像相關(guān)法.在接觸式測(cè)量方法中,墊片法是最早測(cè)量印制板翹曲的機(jī)械方法[4],這種方法成本低且操作簡(jiǎn)單,但測(cè)量精度較低.接觸探針法是使用垂直的觸頭或探針來測(cè)量樣品表面的高度變化,與墊片法相比,探針法具有較高的精度,且相對(duì)于非接觸式測(cè)量方法成本較低,早期有大量研究借助探針法用于封裝結(jié)構(gòu)表面翹曲輪廓的測(cè)量[5-7].

非接觸式測(cè)量方法大多數(shù)是全場(chǎng)測(cè)量方法,主要通過接收光在物理部件表面的反射,分析接收到的光信號(hào)來確定表面形狀.Moiré紋測(cè)量法使用由兩條周期光柵線重疊產(chǎn)生的Moiré條紋,通過樣品上方的相機(jī)獲取光柵圖像,并由分析軟件進(jìn)行相位調(diào)制,以生成Moiré條紋圖像.Ume 等[8-9]用Moiré紋法對(duì)模擬回流過程中印制線路板或球柵陣列 (BGA) 封裝的熱翹曲進(jìn)行了大量研究,目前該方法已廣泛用于BGA 封裝[10-12]、疊層封裝 (PoP)[13-14]和扇出型晶圓級(jí)封裝[15]的翹曲測(cè)量.然而,Moiré紋法在測(cè)量時(shí)必須非常接近被測(cè)樣品表面,導(dǎo)致在高溫環(huán)境下的測(cè)量受到諸多限制.

干涉法主要依賴于兩個(gè)或多個(gè)光波的干涉,主要包括Twyman-Green 干涉法、Fizeau 干涉法和散斑干涉法.Twyman-Green 干涉法具備與激光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)母呔葴y(cè)量能力,但該方法的信號(hào)處理相對(duì)簡(jiǎn)單.Tsai 等[16]、Qing 等[17]和Jang 等[18]學(xué)者采用Twyman-Green 干涉法測(cè)量封裝結(jié)構(gòu)的翹曲.Fizeau干涉法采用長(zhǎng)波長(zhǎng)的光源,減少試樣表面粗糙度和污染的影響[19],與Twyman-Green 干涉儀相比,Fizeau干涉儀更易調(diào)諧,對(duì)振動(dòng)和表面反射率更強(qiáng)大.除以上兩種干涉方法外,電子散斑干涉測(cè)量法 (ESPI) 也常用于封裝翹曲的測(cè)量,它的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的算法,散斑條紋圖像存在對(duì)比度差和噪聲大等問題.Toh等[20]使用基于激光的ESPI 來分析表面貼裝過程中薄四邊形封裝的實(shí)時(shí)翹曲和分層.Ye 等[21]開發(fā)了一種基于散斑干涉測(cè)量的集成裝置,用于評(píng)估紅外探測(cè)器芯片的翹曲變形.干涉法的測(cè)量精度較高,但由于鏡頭與樣品間的緊密性,不適用于高溫下的測(cè)量,此外還存在視場(chǎng)范圍小、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、光學(xué)裝置復(fù)雜昂貴等缺點(diǎn).

數(shù)字圖像相關(guān)法 (digital image correlation,DIC)由文獻(xiàn)[22-25]提出,作為一種高精度的全場(chǎng)測(cè)量手段,DIC 已廣泛應(yīng)用于各類力學(xué)測(cè)量領(lǐng)域[26].該方法基于雙目立體視覺原理對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),獲取兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù),然后利用相關(guān)算法通過每個(gè)點(diǎn)的視差數(shù)據(jù)和預(yù)先獲得的校準(zhǔn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)物體表面三維形貌的復(fù)現(xiàn),最后通過比較加載前后測(cè)量區(qū)域中每個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)的變化情況實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)三維位移及應(yīng)變的計(jì)算.Baek 等[27]采用DIC 方法測(cè)量了環(huán)氧樹脂 (EMC) 固化過程中EMC-Al 雙層帶材的翹曲情況.Shishido 等[28]開發(fā)了一種與光學(xué)顯微鏡相結(jié)合的DIC 方法,用于測(cè)量印制線路板微米級(jí)的熱應(yīng)變.Lall 等[29]使用DIC 方法進(jìn)行了PoP 組件熱翹曲的測(cè)量,并與數(shù)值仿真的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,討論了模型各參數(shù)變化對(duì)組件熱翹曲的影響.

目前大部分測(cè)量方法對(duì)樣品及鏡頭的緊密性要求較高,導(dǎo)致高溫環(huán)境下測(cè)量時(shí)易灼傷鏡頭.DIC 技術(shù)不受此限制,且測(cè)量速度快,可有效應(yīng)用于熱翹曲過程的實(shí)時(shí)觀測(cè).因此為實(shí)現(xiàn)熱翹曲的有效觀測(cè),本文基于DIC 技術(shù)搭建熱翹曲測(cè)量平臺(tái),開展典型疊層結(jié)構(gòu)熱翹曲的實(shí)驗(yàn)與仿真研究,實(shí)現(xiàn)多層板在升溫過程中熱翹曲的實(shí)時(shí)觀測(cè),并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.同時(shí)借助DIC 測(cè)量了QFN128 封裝芯片的表面翹曲,通過與白光干涉儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了DIC 技術(shù)測(cè)量翹曲的準(zhǔn)確性.

1 基于DIC 技術(shù)的熱翹曲測(cè)量系統(tǒng)

1.1 VIC-3D 全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x

為了研究典型疊層結(jié)構(gòu)在熱加載下的翹曲變化情況,本文利用VIC-3D 全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x搭建高溫翹曲實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分別測(cè)量不同厚度和不同材料下典型雙層板及三層板的熱翹曲過程.

VIC-3D 非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x是以三維數(shù)字圖像相關(guān)法 (即DIC) 的基本原理作為理論核心,采用優(yōu)化的三維數(shù)字圖像相關(guān)性運(yùn)算法則,為實(shí)驗(yàn)提供三維空間內(nèi)的全場(chǎng)位移、變形及應(yīng)變的數(shù)據(jù)結(jié)果[30].利用VIC-3D 進(jìn)行全場(chǎng)三維變形測(cè)量,主要包括如下幾個(gè)步驟[31]: (1) 首先在待測(cè)樣品表面均勻噴涂白色漆料作為背景,然后在待測(cè)表面噴涂、刷涂或印制少量黑色漆料,作為對(duì)比標(biāo)記散斑[32];(2) 借助具備易被識(shí)別和能夠精確提取位置特征的標(biāo)定靶實(shí)現(xiàn)相機(jī)的標(biāo)定,利用立體匹配方法來精確匹配兩個(gè)攝像機(jī)所拍攝圖像的對(duì)應(yīng)點(diǎn);(3) 選定ROI (region of interest) 區(qū)域,進(jìn)行物品表面三維模型的重構(gòu)及后續(xù)的測(cè)量分析.

1.2 疊層結(jié)構(gòu)熱翹曲實(shí)驗(yàn)

圖1 是熱翹曲實(shí)驗(yàn)所采用的VIC-3D 全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x及加熱實(shí)驗(yàn)臺(tái),臺(tái)面配備了絕熱罩及觀察窗以降低空氣流動(dòng)對(duì)樣品造成的擾動(dòng),加熱試驗(yàn)臺(tái)可以將溫度最高升到400 °C.采用兩個(gè)CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 工業(yè)相機(jī)(Prosilica GT 5400) 來采集樣品變形時(shí)散斑圖像,成像區(qū)域的光學(xué)分辨率為5472 (H)×3084 (V),采用的鏡頭型號(hào)為施耐德工業(yè)鏡頭Xenoplan 2.0/28.同時(shí)利用紅外熱像儀 (Filr X6520 sc) 來測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中樣品表面實(shí)時(shí)溫度.紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)可以通過分析熱量的吸收特性和本身熱量輻射特性,可用于印制線路板發(fā)熱研究和測(cè)量集成電路內(nèi)部缺陷等,具備非接觸、高精度、大面積和簡(jiǎn)單快速等優(yōu)點(diǎn).

圖1 翹曲實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)Fig.1 Experimental setup for thermal warpage measurement

實(shí)驗(yàn)選用物理性質(zhì)差異較大的定制合金板材作為樣品,分別為TC4 鈦合金、6061 鋁合金和T2 銅合金,3 種平板尺寸均為50 mm×50 mm,單個(gè)板厚度分別為0.8 mm 和1.0 mm,中部填充高導(dǎo)熱且耐高溫的柔性有機(jī)硅灌封膠以完成黏接,同時(shí)用于制作散斑的材料可適用于200 °C 高溫,且樣品在該溫度下無明顯的“退相關(guān)”問題.圖2 為實(shí)驗(yàn)使用的3 種合金平板和黏接完成并進(jìn)行了散斑制作的樣品平板,其中3 層樣品板從下至上材料分別為鈦、銅和鋁,雙層樣品板為鈦和鋁.在實(shí)驗(yàn)過程中,首先將樣品置于加熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,將紅外熱像儀對(duì)準(zhǔn)樣品完成對(duì)焦,獲取樣品表面清晰的實(shí)時(shí)溫度情況,然后調(diào)整相機(jī)的焦距及曝光,直至樣品上的散斑清晰可見,借助標(biāo)定靶完成相機(jī)內(nèi)部和外部參數(shù)的標(biāo)定,最后為實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)定好溫度并開始實(shí)驗(yàn).依照實(shí)驗(yàn)時(shí)間,圖像采集頻率設(shè)置為每1.0 s 一張.完成整個(gè)翹曲過程的圖像采集后進(jìn)入后處理階段,在窗口中選定的ROI 區(qū)域?yàn)闃悠返娜可媳砻?并在軟件中進(jìn)行3D 模型的重建及相關(guān)參數(shù)的后處理.

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品Fig.2 Experimental samples

2 疊層結(jié)構(gòu)熱翹曲仿真分析

2.1 等效仿真模型

在ANSYS Workbench 軟件中依照實(shí)驗(yàn)樣品1 : 1建立多層板熱翹曲的仿真模型,單個(gè)平板尺寸為50 mm×50 mm.3 種合金及填充膠的材料參數(shù)如表1所示.由于該模型具有對(duì)稱性,為了提升計(jì)算效率,選擇1/4 模型建模.根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,將模型置于剛性平面上,設(shè)置樣品與剛性平面間的無摩擦接觸,約束多層板下表面中心點(diǎn)的垂直自由度及角點(diǎn)的水平自由度.考慮標(biāo)準(zhǔn)地球重力的作用,重力加速度為9.806 6 m/s2,溫度載荷施加在多層板模型底面上,設(shè)定外表面的對(duì)流系數(shù)為25 W/m2·°C.在模型的黏接處均采用共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分,填充膠的厚度約為0.3 mm,單層材料設(shè)置4 層單元,單元類型為Solid 186.圖3 為單層厚度均為1.0 mm 的鈦-鋁雙層板及鈦-銅-鋁3 層板模型網(wǎng)格最終劃分結(jié)果,經(jīng)網(wǎng)格收斂性分析,單元數(shù)量分別為120 225 個(gè)和200 225 個(gè).

表1 多層板結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 1 Material parameters of multilayer structures

圖3 多層板模型網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Meshing results of multilayer plate model

2.2 加載曲線參數(shù)修正

實(shí)驗(yàn)采用的加熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要通過控制臺(tái)面溫度來控制加載.為保障仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)過程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品表面溫度,并以此修正仿真分析中的溫度加載曲線.在實(shí)驗(yàn)與仿真過程中,溫度設(shè)置為由22 °C 逐漸升高至150 °C,這是為了避免超高溫造成的散斑脫色脫落、光路擾動(dòng)、圖像畸變及熱輻射引起的圖像“退相關(guān)”問題,另外常規(guī)芯片服役環(huán)境溫度及自發(fā)熱溫度一般不超過200 °C,150 °C也是《GJB 548B-2005 微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中有關(guān)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的常見指標(biāo).在仿真分析中需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)中紅外熱像儀給出的上表面溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果,調(diào)整仿真中設(shè)置的升溫速率并完成熱仿真計(jì)算,直至計(jì)算得到的上表面溫度場(chǎng)與紅外熱像儀測(cè)量結(jié)果一致,從而保證實(shí)驗(yàn)與仿真中溫度載荷的一致性.

如圖4 所示,修正后的溫度加載曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合,由于材料本身物理參數(shù)及相關(guān)界面參數(shù)的影響,存在少許誤差.考慮到平板結(jié)果各層均較薄,各層沿厚度方向的傳熱時(shí)間誤差較小,因此對(duì)于后續(xù)不同材料不同厚度的分析選用同一組溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行加載.采用ANSYS Workbench 軟件中的耦合模塊進(jìn)一步完成結(jié)構(gòu)場(chǎng)的完全熱力耦合分析,獲得結(jié)構(gòu)上表面的法向位移,即為熱翹曲結(jié)果.經(jīng)計(jì)算,在給定的溫度場(chǎng)條件下,最終時(shí)刻單層厚度均為1.0 mm 的鈦-鋁雙層板及鈦-銅-鋁3 層板結(jié)構(gòu)的1/4 模型熱翹曲情況如圖5 所示,結(jié)構(gòu)的翹曲模式為中間向上凸起,其等高線自中心向周圍遞減.單層厚度為1.0 mm 的鈦-鋁雙層板上表面最大離面位移為43.3 μm,鈦-銅-鋁3 層板上表面最大離面位移約為27.37 μm.

圖4 多層板上表面溫度仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Simulation and experimental results of upper surface temperature of multilayer plates

圖5 多層板模型翹曲云圖Fig.5 Thermal warpage of multilayer plates

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 雙層板面內(nèi)位移分析

圖6 和圖7 是單層厚度為1.0 mm 的鈦-鋁雙層板在最終時(shí)刻沿面內(nèi)x與y方向位移場(chǎng)分布的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果非常接近,越靠近平板邊緣,面內(nèi)位移越大.沿x和y方向最大位移的仿真結(jié)果均為66.162 μm,沿x方向平板兩側(cè)位移的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分別為72.06 μm 和-75.39 μm,沿y方向的兩側(cè)位移測(cè)量結(jié)果分別為74.34 μm 和-74.85 μm.

圖6 雙層板沿x 方向最大位移場(chǎng)Fig.6 Maximum displacement field of double-layer plate along x direction

圖7 雙層板沿y 方向最大位移場(chǎng)Fig.7 Maximum displacement field of double-layer plate along y direction

結(jié)構(gòu)的面內(nèi)水平位移主要來源于材料的熱膨脹和翹曲位移的水平分量,其中后者對(duì)水平位移的影響很小幾乎可以忽略不計(jì).分別針對(duì)單層厚度為1.0 mm 和0.8 mm 的兩組鈦-鋁雙層板樣品,提取如圖8 中標(biāo)注的沿平板上表面切向路徑上各節(jié)點(diǎn)水平位移的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果,得到沿兩條路徑上各節(jié)點(diǎn)的x和y方向位移曲線.通過對(duì)比兩條曲線不難看出,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合非常好,且均呈現(xiàn)出中心為0,沿路徑方向上向兩邊遞增的趨勢(shì).根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和金屬材料的熱膨脹特性,可以判斷該結(jié)果是合理的,同時(shí)也證明基于DIC 的測(cè)量技術(shù)對(duì)多層板面內(nèi)位移的測(cè)量結(jié)果可靠.

圖8 路徑上各點(diǎn)最大位移的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果Fig.8 Experimental and simulation results of the maximum displacement along the path

3.2 雙層板熱翹曲分析

板結(jié)構(gòu)熱翹曲過程中上表面的離面位移主要來源于兩點(diǎn),即結(jié)構(gòu)沿自身縱向的熱膨脹和熱膨脹失配產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)翹曲.圖9 和圖10 分別針對(duì)單層厚度為1.0 mm 和0.8 mm 的兩組鈦-鋁雙層板樣品,提取在高溫階段的離面位移得到翹曲分布.從圖中可以看出,實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果呈現(xiàn)相近的趨勢(shì),均呈現(xiàn)向上凸起的翹曲,在翹曲時(shí)中心位置高度最大,等高線自中心向四周遞減.單層厚度為1.0 mm 的鈦-鋁雙層板最大翹曲的仿真結(jié)果為37.80 μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果約為35.76 μm;單層厚度為0.8 mm 的鈦-鋁雙層板最大翹曲的仿真結(jié)果為61.01 μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果約為60.14 μm,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差極小.

圖9 單層厚度為1.0 mm 的雙層板最大翹曲云圖Fig.9 Maximum warpage of double-layer plate with thickness of 1.0 mm

圖10 單層厚度為0.8 mm 的雙層板最大翹曲云圖Fig.10 Maximum warpage of double-layer plate with thickness of 0.8 mm

高溫穩(wěn)定階段沿對(duì)角線上各點(diǎn)翹曲的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果如圖11 所示,可以看出,兩組樣品的熱翹曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在溫度穩(wěn)定階段基本吻合,誤差主要來源于樣品制備過程中金屬板中間膠層的不均勻分布.此外高溫環(huán)境造成的散斑脫色、光路擾動(dòng)、圖像畸變和樣品燒蝕等問題也可能造成較大的測(cè)量誤差[33].圖12 對(duì)比了雙層板中心點(diǎn)離面位移隨時(shí)間的變化情況,可以看出在升溫階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果出現(xiàn)了較大的誤差,但是在溫度穩(wěn)定階段二者趨勢(shì)基本吻合.根據(jù)圖4 可知,在進(jìn)行溫度加載曲線修正時(shí),最終兩者的溫度場(chǎng)存在一定誤差,該誤差也主要出現(xiàn)在升溫的時(shí)間段內(nèi),這是導(dǎo)致升溫階段離面位移結(jié)果出現(xiàn)誤差的主要原因.此外,由于高溫及熱流造成的散斑質(zhì)量下降及光路擾動(dòng)也是造成誤差的另一可能原因.

圖11 雙層板沿對(duì)角線最大翹曲的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果Fig.11 Experimental and simulation results of the maximum warpage along diagonal direction of double-layer plate

圖12 雙層板中心點(diǎn)離面位移隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Out-of-plane displacement curve of the center point of doublelayer plate with time

3.3 三層板翹曲分析

圖13 和圖14 分別為單層厚度為1.0 mm 和0.8 mm 的兩組鈦-銅-鋁三層板樣品高溫穩(wěn)定階段仿真與實(shí)驗(yàn)的翹曲結(jié)果.從實(shí)驗(yàn)云圖來看,3 層板的翹曲基本和仿真結(jié)果一致,主要為中間向上凸起.其誤差一方面來源于樣品金屬板內(nèi)部缺陷及膠層內(nèi)部氣泡和不均勻分布等,另一方面,高溫環(huán)境造成的散斑變化及圖像畸變也可能對(duì)結(jié)果誤差產(chǎn)生較大的影響.

圖13 單層厚度為1.0 mm 的3 層板最大翹曲云圖Fig.13 Maximum warpage of triple-layer plate with thickness of 1.0 mm

圖14 單層厚度為0.8 mm 的3 層板最大翹曲云圖Fig.14 Maximum warpage of triple-layer plate with thickness of 0.8 mm

提取沿對(duì)角線各節(jié)點(diǎn)的離面位移,圖15 得到沿對(duì)角線最大翹曲的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果.單層厚度為1.0 mm 的鈦-銅-鋁3 層板最大翹曲的仿真結(jié)果為19.12 μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果約為20.58 μm;單層厚度為0.8 mm 的鈦-銅-鋁3 層板最大翹曲仿真結(jié)果為31.32 μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為30.30 μm.整體上來看,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致,大小也吻合較好.圖16 為3 層板中心點(diǎn)離面位移隨時(shí)間變化曲線,實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差也主要出現(xiàn)在升溫階段,溫度穩(wěn)定階段二者吻合較好.

圖15 3 層板沿對(duì)角線最大翹曲的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果Fig.15 Experimental and simulation results of the maximum warpage along diagonal direction of triple-layer plate

圖16 3 層板中心點(diǎn)離面位移隨時(shí)間變化曲線Fig.16 Out-of-plane displacement curve of the center point of triplelayer plate with time

3.4 不同因素對(duì)最大翹曲值的影響

表2 列出了選用不同層數(shù)、材料及厚度時(shí)最大翹曲的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果,由于DIC 方法對(duì)初始校準(zhǔn)和測(cè)量過程中的機(jī)械振動(dòng)很敏感,相對(duì)相機(jī)位置的微小變化會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量不準(zhǔn)確性[34].從結(jié)果中也能看出,實(shí)驗(yàn)與仿真最大誤差約為7.58%,最小誤差僅為0.18%.0.8 mm 樣品的測(cè)量誤差值均小于1.0 mm 樣品,可以看出對(duì)于同種類樣品,翹曲越小,翹曲變形帶來的特征點(diǎn)像素變化越不易被識(shí)別,故翹曲越大的樣品,DIC 的測(cè)量準(zhǔn)確度越高.

表2 不同層數(shù)、材料及厚度時(shí)最大翹曲結(jié)果Table 2 Maximum warpage results for different layers,materials and thicknesses

在材料及層數(shù)相同時(shí),單層厚度的變化會(huì)對(duì)翹曲值產(chǎn)生較大影響,單層厚度較薄時(shí)翹曲更大,這是由于平板變薄后剛性降低,使得其對(duì)熱翹曲更為敏感.在厚度相同時(shí),鈦-銅雙層板翹曲相對(duì)較小,鈦-鋁雙層板熱翹曲較大,這是由于鈦合金和鋁合金熱膨脹系數(shù)的差異較大.與鈦-鋁雙層板結(jié)果相比,鈦-銅-鋁3 層板翹曲顯著降低,這是由于銅的膨脹系數(shù)介于鈦鋁之間,起到了緩解翹曲的作用,同時(shí)也增加了整體板厚.

4 芯片封裝殘余翹曲測(cè)量

利用本文發(fā)展的基于DIC 的翹曲測(cè)量技術(shù),本節(jié)進(jìn)一步測(cè)量某QFN128 封裝芯片出廠后的表面翹曲.該芯片的封裝尺寸約為12.3 mm×12.3 mm×1 mm,制備如圖17 所示的散斑樣品,采用DIC 技術(shù)對(duì)其出廠后封裝表面形貌進(jìn)行了三維重構(gòu),完成了翹曲的計(jì)算,樣品表面形貌分布如圖17 所示,封裝表面呈現(xiàn)向下凹陷形式的翹曲,且翹曲形貌較為對(duì)稱,通過提取并計(jì)算沿對(duì)角線各點(diǎn)高度坐標(biāo)的極差,得到沿對(duì)角線最大高度差,即為表面翹曲值,約為49.52 μm.

圖17 芯片翹曲DIC 測(cè)量結(jié)果Fig.17 Warpage of the chip measured by DIC

為了驗(yàn)證DIC 技術(shù)對(duì)芯片翹曲形貌測(cè)量的準(zhǔn)確性,本文還利用了白光干涉儀 (ZeGage? Plus) 來測(cè)量同一芯片出廠后的表面翹曲,并對(duì)比了兩種方法的測(cè)量結(jié)果.白光干涉儀可對(duì)各種精密器件的表面形貌實(shí)現(xiàn)納米級(jí)測(cè)量,具有非接觸、高精度的優(yōu)點(diǎn).但是相比于DIC 技術(shù),白光干涉儀較難實(shí)現(xiàn)高溫下的翹曲測(cè)量,且受鏡頭尺寸的限制,單次掃描下一般無法觀測(cè)到樣品的全貌,需要采用圖像拼接算法,通過設(shè)置掃描起止位置以測(cè)量特定路徑或區(qū)域內(nèi)的形貌,較難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的全場(chǎng)觀測(cè).此外DIC 也可大量節(jié)約時(shí)間成本,在本文的實(shí)驗(yàn)中,10 倍鏡頭下白光干涉儀的單張全場(chǎng)圖像掃描及計(jì)算時(shí)間達(dá)到3 h,而DIC 單張圖像處理時(shí)間僅需1.6 s 左右.

圖18 為白光干涉儀的翹曲測(cè)量結(jié)果,與DIC 的測(cè)量結(jié)果相比,兩種方法得出的形貌分布基本一致,提取對(duì)角線上各數(shù)據(jù)點(diǎn)沿高度方向坐標(biāo),得到如圖19 所示的翹曲曲線.兩條實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好,白光干涉技術(shù)測(cè)量出最大翹曲值約為52.83 μm,與DIC的測(cè)量結(jié)果49.52 μm 較為接近,誤差約為6.27%.

圖18 芯片翹曲白光干涉儀測(cè)量結(jié)果Fig.18 Warpage of the chip measured by white light interferometer

圖19 芯片對(duì)角線翹曲結(jié)果對(duì)比Fig.19 Comparison of the diagonal warpage results of the chip

5 結(jié)論

本文基于DIC 技術(shù)搭建了疊層結(jié)構(gòu)熱翹曲測(cè)量平臺(tái),完成了雙層和3 層板熱翹曲的測(cè)量,并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證.討論了層數(shù)、層厚、材料等因素對(duì)多層板最大熱翹曲的影響.進(jìn)一步測(cè)量了某封裝芯片的表面翹曲,并與白光干涉法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.本文得出結(jié)論如下.

(1) 基于DIC 技術(shù)測(cè)量得到的多層板翹曲結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,本文發(fā)展的翹曲測(cè)量技術(shù)可有效測(cè)量多層板的熱翹曲.

(2) 層厚越小,多層板翹曲值越大;層厚相同時(shí)鈦-銅雙層板翹曲相對(duì)較小,而鈦-鋁雙層板熱翹曲較大;在鈦-鋁之間添加一層銅板可有效降低翹曲.

(3) 針對(duì)QFN128 封裝芯片,使用DIC 技術(shù)和白光干涉技術(shù)測(cè)量得出的翹曲結(jié)果一致,DIC 技術(shù)可以準(zhǔn)確測(cè)量芯片表面翹曲,在10 倍白光干涉儀鏡頭下,DIC 測(cè)量效率遠(yuǎn)高于白光干涉儀.