电路板级互连焊点故障监测与预警

论文摘要

在电子封装与组装技术中，高密度封装和组装技术已经得到广泛的应用，导致互连焊点数目众多、尺寸微小精细；焊点的主要功能是实现芯片与封装基板之间、元器件之间的电气连接以及芯片或元器件的机械支撑；焊点的功能虽然简单,但其影响却至关重要，统计表明：在电子产品的故障原因中，互连焊点失效是电子组件、设备和整机系统故障的主要原因之一。另一方面，随着电子装备可靠性保障技术的发展，传统的事后维修可靠性保障技术逐步向视情维修保障技术发展。这一技术转变，要求整机系统中的重要组成部件，如互连焊点，必须实现故障的事前预测。PHM，即产品故障预测与健康管理，该技术是用于评估产品在实际使用环境中的可靠性，并进行故障诊断、预测，实现系统基于状态的维修。焊点的故障监测与预警技术是电子系统PHM(ePHM)技术的一个重要组成部分。利用具有预警功能的嵌入式监测结构对焊点进行现场测试、实时监测成为目前微电子封装与组装可靠性研究的热点。首先，针对互连焊点在长期应力作用下的蠕变失效，探讨了焊点阻值退化的一般性趋势，在此基础上提出了基于电阻电桥原理的焊点故障监测和预警电路设计方案，并基于电子产品可靠性保障工程应用，提出了电路板级互连焊点故障监测和预警电路的实现路径。嵌入式监测电路在电阻缓慢退化阶段和快速退化阶段设置合理的监测起始和终止点，适合对服役中的焊点健康状况进行实时监测和评估。一旦焊点性能发生退化，在退化初期及时发出预警信息，并实时采集焊点阻值数据用于焊点剩余寿命的预测，实现焊点退化的及时预警和退化焊点剩余寿命的预计。基于低频电阻参数的测量，对于焊点引起的信号畸变的监测，却不是一种有效的手段；同时，电信号的频率对焊点的监测影响较大，高频信号要比低频信号灵敏许多。针对上述两方面的问题，通过软件仿真和试验实测的方式初步研究了焊点中裂纹的存在对其高频电性能的影响。并在此基础上，提出了一种相应的实时、现场监测电路设计的简捷方案。最后，针对数字电路中焊点的信号完整性问题进行了研究，并基于verilog HDL实现了一种FPGA焊点的内建测试电路，该设计所占资源少，适合于FPGA焊点的可靠性评估，满足现场、实时监测的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 集成电路封装技术概述
• 1.2 焊点材料组成和可靠问题性概述
• 1.2.1 焊点组成
• 1.2.3 微连接焊点的可靠性问题
• 1.3 焊点故障监测及预测方法概述
• 1.3.1 PHM的概念和方法概述
• 1.3.2 焊点故障预测、监测技术以及发展趋势
• 1.4 课题的提出以及意义
• 第二章 基于电阻电桥法的焊点故障监测和预警
• 2.1 焊点低频电性能的蜕化
• 2.2 焊点监测电路的设计
• 2.2.1 焊点直流电阻监测电路
• 2.2.2 基于低频交流电桥的监测电路
• 2.3 焊点剩余寿命预测
• 2.4 监测电路的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 焊点高频电性能的退化与监测
• 3.1 高频电路特点概述
• 3.1.1 趋肤效应
• 3.1.2 分布参数
• 3.1.3 阻抗匹配与信号的反射
• 3.2 射频/微波测试一般方法
• 3.2.1 散射系数
• 3.2.2 时域反射（TDR）测量
• 3.3 焊点损伤对高频参数影响的仿真分析
• 3.3.1 AnsoftHFSS仿真软件介绍
• 3.3.2 仿真模型以及参数设置
• 3.3.3 仿真结果分析
• 3.4 焊点监测电路设计
• 3.4.1 焊点TDR分析
• 3.4.2 焊点实时监测电路设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 FPGA焊点内建测试电路
• 4.1 焊点的信号完整性问题
• 4.2 焊点内建测试电路原理
• 4.3 焊点内建测试电路的实现
• 4.3.1 焊点监测核心电路的实现
• 4.3.2 焊点内建测试核心电路的功能仿真
• 4.3.3 失效判据设置电路
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件