数字图像相关性:材料表征的关键技术

数字图像相关(DIC)是一种非接触、全场位移、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
• 试样疲劳和失效试验
  • 位移和应变的现场监测
• 位移或变形测量
• 高速/高频场景
  • 碰撞测试、振动

球栅阵列(BGA)示意图。工程师可以使用数字图像相关(DIC)来评估其热膨胀或因热、机械引起的翘曲
还有热机械负荷。

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)设备的CTE和翘曲。

热机械载荷如何影响球栅阵列

BGA是由多个元素组成的复杂半导体封装，包括:

• 一个或多个硅芯片
• 一种硅填充环氧胶
• 铜和玻璃纤维增强环氧树脂的层状复合材料
• 成百上千的焊锡球

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

翘曲结果来自DIC

当BGA焊接到印刷电路板(PCB)时，它可以在回流过程中翘曲。这可能会导致焊料缺陷，如头枕(HiP)，这会降低首次通过率并增加保修问题。

在运行过程中，BGA功耗会使封装温度升高。如果BGA和PCB具有不同的cte，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。

如何进行球格阵的数字图像相关

为了更好地理解DIC，工程师可以通过下面的例子来了解如何测量虚拟BGA的CTE和翘曲。

要了解如何执行DIC，请考虑带有斑点图案的BGA
焊锡球被移除。

首先，工程师通过用焊锡棒去除DIC的焊锡球来准备样品。

这样做是因为某些部件(如大盖组件和四平无引线[QFN]过模)必须一块一块地解构和分析。

一旦焊料球被移除，工程师们就会在零件上撒上斑点。这是手动完成的，需要大量的练习。重要的是要确保底漆不厚，因为这会影响读数。斑点也需要是一个适当的大小为DIC相机的焦距深度。

然后，工程师们将带斑点的BGA放入相机室中，随着温度的变化，它会跟踪斑点在不同图像之间移动的距离。工程师可以利用整个样本的这些信息来估计CTE。

平面位移由DIC产生

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图。

评估平均应变与温度关系的图表。10ppm /摄氏度(5.4 ppm/华氏度)的斜率等于CTE。

如果一切顺利，一个线性函数可以拟合这个数据。在本例中，斜率表示CTE。

在一个内部的例子中，工程师们发现坡度在温度范围内略有变化。然而，可以比较准确地说，CTE大约是10 ppm/摄氏度(在20到150摄氏度之间)，或5.4 ppm/华氏度(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和翘曲配置文件插入万博Ansys机械模拟，看看在峰值回流温度(250摄氏度或392华氏度)下所经历的扭曲是否会导致锡球从锡膏中分离。

在一个内部的例子中，总翘曲，即最大负翘曲和正翘曲之间的绝对差，是60微米。这个结果可以通过与BGA的对角线长度进行比较来评估。如果总翘曲与对角线长度之间的百分比低于0.3%或0.7%的行业标准，一切都应该是好的。

更可靠的评估翘曲的方法是将BGA模型置于PCB模型之上，并在Mechanical中运行热机械模拟。BGA和PCB之间的总分离不应超过100微米，因为这比典型的锡膏厚度要大。

可以采用类似的方法来降低客户层面的风险。测量的平面内CTE可以输入万博Ansys夏洛克然后可以进行1D和3D模拟，以预测失效的温度循环次数。

DIC与Ansys仿真工具相结合，为工程师在最终万博设计和测试之前深入了解组件的可制造性和可靠性。欲了解更多关于DIC的信息，请注册参加网络研讨会:使用数字图像相关(DIC)确保精确的材料性能模拟．