用散斑干涉技术研究印制板的热机械行为

摘要

本工作采用散斑干涉技术来测定带有磁带播放器和扬声器的收音机的印制线路板(PWB)(电路)的热力学行为。在单个电子元件(硅晶体管)上进行了热瞬态和稳态的初步实验。通过对两种情况的相关实验分析，得到了铸坯的热变形和应力。结果表明，散斑技术对像印制板这样的不规则物体表面具有很好的适用性。

1.介绍

电子封装中的应力会导致其组件的过早机械故障:模具断裂、连接断开、模具键合失效、焊料和组件疲劳失效，等等。这些应力往往是由热膨胀系数不匹配导致的各种装配材料不均匀膨胀和收缩引起的[1- - - - - -3.］．

对电子封装进行了大量的实验和数值分析。特别是对焊点的局部应变和应力进行了集中研究。考虑到pcb在热应力焊点的力矩和力作用下会发生变形，本研究旨在实现对带式放音机和扬声器集成的收音机印刷线路板的光学测量。另一方面，即使电路板的超应力是罕见的，运行在表面的线路应进行应力检查。

许多可用的全场和非接触光学技术，如Moiré及其变体，Moiré干涉测量法，已用于这类问题[3.］．然而，这些方法大多需要物体表面良好的平整度来实现光栅的复制。考虑每个技术的适用性的限制与模型分析,散斑技术无疑已经被证明是唯一的方法,我们的目的,这也验证了作者的经验在一个硅晶体管热瞬态和稳态4］．

2.散斑干涉法

散斑干涉技术依赖于不同加载状态下散斑图的循环相关分析。如果将ccd相机在不同负载下获得的物体表面散斑图进行模拟或数字减除，则可分别作为电子散斑干涉术(ESPI)或数字散斑干涉术(DSPI)实时进行[5- - - - - -10］．

通过散斑技术如图所示1时，可以得到试样在机械和热载荷作用下的面内位移场。位移组件和是在每个像素处测量的．这种位移场用带有亮区和暗区的散斑条纹表示。

对于明亮的区域，以下是适用的: 在哪里是附加命令，是照明角度，和是激光束的波长。

对于暗区(也称为相关区)，以下是成立的: 根据得到的位移，可以确定测量场中各点的应变 根据胡克定律，应力可以计算如下: 在哪里杨氏模量,是剪切模量，和泊松比。

整个场条纹分析可以通过简单的手工绘制曲线或最近发展起来的自动条纹分析方法如傅里叶变换和相移来完成。

用散斑干涉法分析印制板的优点是（1）能够实时进行测试并跟踪热瞬态过程;(2）在其他方法中对测量表面平整度的非强制性要求，例如Moiré干涉测量法，其中光栅复制需要一个良好的平面;（３）在印制板背面的焊点也可能有斑纹分布;然而在其他实验技术中，它们被认为是纯缺陷。自动条纹分析方法[10- - - - - -14]极大地加强了散斑方法的应用，克服了散斑方法条纹少、对比度低的缺点。

3.试验装置

光学装置如图所示2．35 mW的He-Ne激光器() 632.8 nm。采用抛物面镜M1作为反射镜和准直镜。

10的空间滤光片(针孔)μM放置在扩束器之后，以保证散斑强度图的质量。反射镜M2垂直于样品表面，以获得与直接从反射镜M1角度入射的对称光束．物镜光圈用于控制散斑图案的尺寸和形式。通过ccd相机记录斑纹图案并将其处理到“图像处理系统”中。

4.硅晶体管实验

晶体管(图3.)，以分析约束点对接线板的影响。晶体管被认为受到平面应变场的影响(如图所示)4(一)）.每个点在平面上有两个位移分量:在方向和在方向。

条纹分析直接给出了位移，因此可以不考虑的解析解来计算应变和．通过分析两种不同的试验，计算出两种位移分量:一种是试件处于水平位置(图)4 (b))，另一颗在旋转90°后垂直放置(图4 (c)）.在瞬态和稳态时，对这两种测试都进行了多项测量。

数字5分别显示水平位移和垂直位移的散斑条纹图案。晶体管的尺寸是= 14.7毫米和= 10毫米。考虑到He-Ne激光波长nm和光束入射角θ= 40°时，可以确定平均伸长率对于整个晶体管表面由于热负载: 在哪里和的边缘数和方向,分别。因此，平均应变也可以用 数字6给出了两个方向的平均应变随时间的函数。平均和稳态时计算为2.97 × 10⁻⁴3.83 × 10⁻⁴,分别。张力由于焊接过程中产生的不同程度的运动约束，方向相当高。

当地的菌株和在下文(-)和(-)如图所示7测定。应变和应力分布[2沿剖面(-)，如图所示8．

的当移动到晶体管的边缘时，值降低。如图所示的图表8，在靠近其他两个约束条件(金属焊接板)的位置观察到一个小的增量。的最大值为109.4 MPa。

5.在印刷线路板上的测量

本实验采用了一种集成了磁带播放器和扬声器的收音机的印刷线路板(PWB)9）.在板的背面，应用了散斑干涉技术。印制板的自然表面由聚酰亚胺材料的基板组成，基板上覆盖着印刷电路板和焊点图案。为了获得良好的散斑图案，表面被涂上绝缘的银喷雾剂，如图所示10．

在电子实验中,不同组件之间的连接保持不变,但董事会的广播帧暴露表面的激光,这显然低估了热弹性行为在现实操作条件减少冷却转移比实验。然而，该板已安装在相同的约束条件，在其操作。

一系列的重复实验表明，PWB在运行后的15分钟内达到了热稳定状态，约90%的最大功率可用。因此，为了实现对整个场的测量，印制板中每个测量区域的起始点后15分钟的条纹图案被作为稳态得到。

数字11显示整体的散斑条纹图案-稳态位移场，从中勾画出应力分布。图像使用最先进的图像处理软件Holo Moiré Strain Analyzer (HMSA)进行处理，该软件由C. A. sciamarella和他的合作者开发[15］．很明显，板上的应力分布不是很均匀。如图所示，右上方的应力集中是由于在该区域集成的功率放大器的沉降造成的10由于力矩和力锚定这些高热应力焊点作用在板上。

这种应力集中具有明显的拉/压特性，因为条纹几乎是垂直的，而在其他位置的条纹几乎是水平的，这表明剪应力占优势。这种不均匀的应力分布，由于局部印刷线和焊点的断裂，使失效时间非常不方便。

普通聚酰亚胺板的弹性模量约为2.7 GPa，泊松比介于0.23 ~ 0.35之间，铜的弹性模量约为124 GPa [1］．散斑干涉仪的灵敏度约为0.48μm。分布图中显示了三个控制段(即“上”、“中”和“下”)的位移12．可以看出，在功率放大器位置附近，位移梯度急剧增大。

基于以上测量，简化了给出了应力集中区域的方向应力计算。由于相关条纹主要是垂直方向的，因此可以认为方向为主。因此,(4)可以简化为: 对于板材，张力是由(7)为0.45 × 10⁻³．这个值表示与功率放大器焊点对应的相关条纹的频率(见图中的虚线/蚀刻线)11和12）.采取平均绩点,为董事会和平均绩点,对于感兴趣的区域(即功率放大器焊接到板上的地方)的印刷铜线板的方向应力为3.4 MPa，线的方向应力为75 MPa。这些应力比测量的应力要低焊接方向为垂直方向，从而限制变形，增加反作用力。

6.结论

实验结果表明，散斑技术对所研究的问题具有很好的适用性。得到了整个领域的位移图，可以作为电子封装设计阶段的验证。高应力值在单个组件的约束点和PWB上的功率组件的位置是明显的。应力状态与约束反应和热处理密切相关。因此，为了有一个好的设计，考虑上述两个因素是非常重要的，以避免在结构中可能和危险的裂缝。考虑到钢丝受到循环热载荷，板的设计也应该非常仔细，考虑到可能的疲劳失效。

除了从散斑测量中获得的位移和应变的经典信息，我们还确定了关键位置的应力集中。相对于电子封装热力学行为的其他研究而言，这是一个有趣的改进[16- - - - - -19］．

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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