利用四探针法原位实时监测引脚封装的引脚可靠性的方法与流程

1.本发明属于半导体封装技术领域，具体的说，涉及一种利用四探针法原位实时监测引脚封装的引脚可靠性的方法。


背景技术：

2.随着工业产品的轻型化、智能化发展，芯片的市场需求提高，全球封测市场保持平稳增长，国内封测市场持续发展壮大，可靠性测试需求快速增长。在电子封测领域，焊料接头通常被视为封装系统中最薄弱的部位，在应用中失效概率最大，所以焊料互连的可靠性是评价封装质量的重要因素。器件老化加速测试是广泛使用的可靠性评估方案，这一方案发展多年技术成熟，但在新型焊料材料，装载条件，测试时间，损伤监视和故障识别方面仍然面临许多挑战。实际在加速测试中，引脚裂纹扩展的时间与总失效时间相比可以忽略不计，在测试周期中产生裂纹失效使得其后测试过程成为无效时间。所以如果可以识别出裂纹萌生点，那么一旦产生裂纹，通过提前终止测试来缩短可靠性测试时间便能节省能源同时提高效率。目前，有几类方法能够检测引脚裂纹，例如dye and pry inspection、micro
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sectioning inspection、tomographic scan、strain gauge with backface strain technique 和 high resolution x
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ray imaging等。但这些方法都并不适用于原位裂纹产生的识别。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种利用四探针法原位实时监测引脚封装的引脚可靠性的方法。针对以上提出的问题，本发明提出对封装引脚电阻测量的方法来进行裂纹检测。利用高精度电阻测量装置，可以检测出裂纹产生前的粘塑性变形和引脚中裂纹的扩展。比起其他方案，电阻监测能够在测试过程中进行，在过程中监控每个引脚的电阻并适当配置电极，可以在并行测试的多个引脚中实现准确的原位裂纹识别，同时，因为四探针法原理简单，测试精度高，操作方便，能够避免因接触电阻过大造成的测试困难，以及测试结果误差大等问题。
4.本发明的技术方案具体介绍如下。
5.一种利用四探针法原位实时监测引脚封装的引脚可靠性的方法，利用四探针法对封装结构中的引脚的电阻进行监控测量，基于电阻变化检测出裂纹产生前的粘塑性变形、引脚中裂纹的扩展，其中裂纹的扩展和电阻值的变化呈现正相关的关系，监测微小电阻信号变化为裂纹产生带来判断依据，从而实现准确的原位裂纹识别。
6.本发明中，引脚为dip封装引脚、to
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247引脚或贴片电阻引脚。
7.本发明中，采用四探针法测量引脚的电阻时，其中的四个探针作用于引脚时，探针呈并排型、斜向双排型、针向可调节型或夹持型。
8.本发明中，探针针须直径500～700μm，针尖直径≤50μm。
9.和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于引脚中裂纹产生引起的微电阻变化的特性，通过精确测量引脚电阻变化快速准确地判断引脚出裂纹产生和失效问题，对引脚可靠性进行原位监测，能够在器件的可靠性测试中进行裂纹判定，提前终止实验，相比于其他测量方法更加简单高效，节省时间和成本；由于被测引脚尺寸小，对应的电阻变化值小，本发明基于四探针法进行电阻测量，能有效的避免由于接触电阻产生的测量误差，达到精确测量目的；本发明采用多种探针引脚接触方案，实现探针与被测点的良好接触，能进一步提升测试的精确性。
附图说明
10.图1是本发明方法所有监测设备的逻辑示意图。
11.图2是四探针法的测试原理图。
12.图3是探针夹具方案等轴测试图。
13.图4是探针夹具方案等轴测试图。
14.图5是探针夹具方案俯视图。
15.图6是本发明仿真结果示意图。
16.图7是本发明电阻变化仿真结果。
具体实施方式
17.本发明基于四探针法测量电阻，通过对体电阻率的四探针实时监测方法进行引脚封装的可靠性性能与加速测试。
18.本发明方法的测量原理如图2；当探针１、２、３、４四根金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体材料上，在探针１、４两处探针间通过电流i，则探针２、３间产生电位差v。
19.材料电阻率：
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（1）探针系数
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（2）式中：s1、s2、s3分别为探针１与２，２与３，３与４之间距，每个探针都有自己的系数。
20.由于块状和棒状样品外形尺寸与探针间距比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由（１）、（２）式求出。而薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度形状和测量位置的修正系数。
21.利用四探针方法进行电阻测试可以应用于大多数封装结构的引脚电阻监测，基于探针夹具对引脚进行接触监测；其中探针直接与引脚接触，夹具用于对探针的固定以及方向调节，探针使用金属钨或碳化钨，夹具通常使用塑料，探针针须直径500～700μm，针尖直径≤50μm；本发明包括四类不同的探针引脚接触方案，如图3所示。
22.（1）探针并排型（图3a）
打弯处是易发生失效的位置，结合引脚的形状特点，设计弧度与引脚弯曲处相匹配的探针，这样能够实现有效的接触，通过在长度方向上并排使用探针，使得对探针的半径要求降低，从而降低制造设备工艺难度。
23.（2）斜向双排型（图3b）双向接触能够提高探针控制的灵活度，能够针对具体的被测对象进行探针间距的调整，避免影响测量结果的误差的产生。
24.（3）针向可调节型（图3c）相比于斜向双排型，这一结构每个探针朝向都是可调的，自由度得到提高。朝向根据引脚的结构进行适应性调节，能够针对不同规格的器件，从而提高本产品的通用性。
25.（4）夹持型（图3d）利用引脚背面的可接触性，探针夹具能够适用于各类复杂的引脚结构，能够增大探针间距，避免测量误差。夹持型探针确保了测量时有效的接触，使得测试合理可行。
26.下面结合实施对本发明的技术方案进行详细阐述。
27.一、测试方案与设备测量设备主要由温度冲击炉，探针测试头，高精度电阻测试仪、恒流源、电源、dc
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dc电源变换器组成。为了实现实时监测功能，需要额外连接电脑和编写matlab 软件。
28.测试方案适用于各类引脚，如dip封装引脚、to
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247引脚、贴片电阻引脚，这里以to
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247封装的引脚为例。如图1所示，被测器件置于温度冲击箱中进行可靠性测试，温度冲击能够促进裂纹产生以及扩展，用于电阻测试的四探针夹具安装在引脚端并能够实时监测电阻变化，将信号输出到控制单元，同时温度数据也会记录上传，用于裂纹产生的分析，所有的监测结果通过控制单元上传到上位机里，实现分类和整理。探针夹具的连接方法如图4所示，探针夹具结构上类似于晶元检测用探针夹具，探针针头材料为钨。四探针选取的检测区域为引脚打弯部分，这是在热循环测试中最容易出现裂纹失效的区域，探针的朝向分居两侧，为探针夹具加持方式的调整预留空间，探针1，4的水平位置距离需要大于探针2，3之间距离，要确保针头与引脚要实现接触。探针1，4施加电流源负载，探针2，3作为电势检测点获取电压信息。
29.为了验证这一方法的有效性，首先对引脚本征电阻值进行模拟计算，建立实际封装引脚的模型并利用有限元仿真的方法模拟四探针方法测量引脚电阻，最终模拟结果中引脚本征电阻测量为0.522mω。
30.仿真测试结构及结果示意如图6；仿真使用的材料参数数值如表1所示。
31.表1材料电导率铝合金3.60e 07钨1.89e 06由上已知铝合金引脚本征电阻值，通过仿真中预设裂纹进行电阻变化模拟，裂纹长度设置为变量，模拟四探针的方法进行电阻值测试，得到电阻随裂纹长度变化曲线如图7
所示。结果表明电阻变化与裂纹传播成正相关关系，监测电阻能够提供裂纹产生的判断依据。