数字图像相关:材料表征的关键技术

数字图像相关(DIC)是一种非接触式、全场位移的光学测量技术。它通常用于以下应用:

• 材料表征
  • 热膨胀系数(CTE)
  • 玻璃化转变温度
  • 杨氏模量
  • 泊松比
• 疲劳和失效的样品测试
  • 位移和应变的现场监测
• 位移或变形测量
• 高速/高频场景
  • 碰撞试验、振动

球栅阵列(BGA)示意图。工程师可以使用数字图像相关(DIC)来评估其热膨胀或翘曲，由于热，机械
以及热机械负荷。

DIC是捕获电子元件对模拟热、热机械和机械负载响应的重要工具。DIC价值的一个最好的例子是它能够测量球栅阵列(BGA)器件的CTE和翘曲。

热机械负荷如何影响球栅阵列

BGA是由多个元件组成的复杂半导体封装，包括:

• 一个或多个硅模
• 一种硅填充的环氧密封剂
• 一种铜和玻璃纤维增强环氧树脂的层状复合材料
• 成百上千个焊锡球

这种复杂的结构虽然是满足性能和成本目标所必需的，但可能导致热膨胀行为，从而导致现场制造缺陷和故障。

翘曲是DIC引起的

当BGA焊接到印刷电路板(PCB)时，它会在回流过程中翘曲。这可能会导致焊料缺陷，如头枕式(HiP)，从而降低首次合格率并增加保修问题。

在工作时，BGA功耗会使封装发热。如果BGA和PCB具有不同的cte，则焊料球可能会受到应力，最终导致疲劳，裂纹扩展和失效。

为了帮助检测和预防这些问题，工程师们使用DIC，因为使用其他方法很难估计这些复杂系统的翘曲和CTE。

如何实现球栅阵列的数字图像相关

为了更好地理解DIC，这里有一个示例研究，工程师可以使用它来学习如何测量虚拟BGA的CTE和翘曲。

要了解如何执行DIC，请考虑具有斑点模式的BGA
并将其焊球移走。

首先，工程师们通过用焊锡芯去除其焊锡球来准备DIC样品。

这样做是因为某些部件(如大型盖子组件和四平面无引线[QFN]覆盖模具)必须逐块解构和分析。

一旦移除焊料球，工程师就会对零件进行斑点处理。这是手工完成的，需要大量的练习。重要的是要确保底层涂层不厚，因为这会影响读数。斑点的大小也需要与DIC相机的焦深相适应。

然后，工程师们将斑点BGA放入相机室中，随着温度的变化，相机可以跟踪不同图像之间斑点的移动距离。工程师可以使用来自整个样本的信息来估计CTE。

平面位移是由DIC引起的

如何处理BGA数字图像相关数据

为了评估DIC的结果，工程师需要绘制BGA的平均应变与温度的关系。

评估平均应变随温度变化的图表。10 ppm/摄氏度(5.4 ppm/华氏度)的斜率等于CTE。

如果一切顺利，可以对该数据拟合一个线性函数。在这种情况下，斜率将表示CTE。

在一个内部的例子中，工程师发现斜坡在温度范围内略有变化。然而，可以准确地说，CTE大约是10 ppm/摄氏度(温度在20到150摄氏度之间)，或5.4 ppm/华氏度(温度在68到302华氏度之间)。

有了这些信息，工程师可以使用Ansys仿真工具来评估特定的BGA是否会在运行过程中万博发生故障。要做到这一点，他们可以将CTE和翘曲轮廓插入万博Ansys机械模拟，看看在峰值回流温度(250摄氏度或392华氏度)下所经历的翘曲是否会导致锡球与锡膏分离。

在内部示例中，总翘曲，即最大负翘曲和正翘曲之间的绝对差值，为60微米。这个结果可以通过比较BGA的对角线长度来评估。如果总翘曲量与对角线长度之间的百分比低于行业标准的0.3%或0.7%，则一切正常。

评估翘曲的一种更可靠的方法是将BGA模型放在PCB模型之上，并在Mechanical中运行热力学模拟。BGA和PCB之间的总间距不应超过100微米，因为这比典型的焊膏厚度要大。

可以采用类似的方法来降低客户级别的风险。测量的平面内CTE可以输入万博Ansys夏洛克然后进行一维和三维模拟，预测温度循环到失效的次数。

DIC与Ansys仿真工具相结合，为工程师提供了万博在最终设计和测试之前对组件可制造性和可靠性的深刻见解。欲了解更多有关DIC的资讯，请报名参加以下网络研讨会:确保数字图像相关(DIC)模拟中准确的材料特性．