X-ray，热阻法，瞬态热阻法——无损质量全检技术比较（一）

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3月份写过一篇文章，提到了如何在质量检测中应用瞬态热测试技术，收到了一些读者的反馈，也提出了一些疑问，今天用这篇文章详细地为大家解析无损质量检测技术。据我了解，在该领域，也没有行业标准，纯粹是个人的理解和实践总结，仅供参考。

电子元器件无损质量全检技术，比较常见的一种是使用X-ray检测，既通过X射线的透射和散射原理，实现对电子元器件内部结构和缺陷的检测。当X射线穿过样品时，不同密度的材料对X射线的吸收程度不同，因此可以通过测量透射或散射后的X射线能量，得到样品内部的密度分布和缺陷信息。

图一电子产品质量检测 X-ray

检测前，需要做一定的准备，在进行电子元器件X-ray检测前，需要先对样品有可能产生的质量问题，做充分的了解，包括样品的结构、材料、工艺以及可能存在缺陷的形态，位置等。因为，为了尽可能获得有效数据，需要根据样品的特性和要求，选择合适的X-ray设备和技术参数。

准备工作完成后，就可以进行检测，将样品放置在X-ray设备中，调整设备参数和角度，使X射线能够充分照射到样品的各个部位。设备采集透射或散射后的X射线能量并通过计算机系统处理，转换成图像数据和信息。

图像数据处理和分析目前主要依靠人工，有经验的工作人员观测样品内部的组织和结构，以及可能存在的缺陷，并对这些信息进行判断和评估，可以确定产品的质量和性能是否符合要求。也有一些设备开发了图像设别技术，但该技术尚处于开始阶段，并未在工业中大面积的应用。

X-ray无损检测技术的工业应用，主要有：

集成电路的封装工艺检测：层剥离、开裂、空洞和打线工艺；
印刷电路板制造工艺检测：焊线偏移，桥接，开路；
表面贴装工艺焊接性检测：焊点空洞的检测和测量；
连接线路检查：开路，短路，异常或不良连接的缺陷；
锡球数组封装及覆芯片封装中锡球的完整性检验；
高密度的塑料材质破裂或金属材质检验；
芯片尺寸量测，打线线弧量测，组件吃锡面积比例量测。

X-ray可以很好的检测电子产品的大部分质量问题，因为对图片的处理和评估主要靠人工，如果评估人员的经验不足，或者质量问题无法用图像来显示（比如孔隙微小的虚焊），所隐含的质量问题，并不能很好的被检测出来。

电子产品内部的散热，主要依赖材料和材料之间的热传导，如果产品中存在质量隐患，会导致产品的热传导能力下降，从而导致产品的热阻增大，用热阻法检测电子产品的质量问题，也是一种比较常见的方法。

搭建热阻测试台架，包括上位机，测试主机，夹具，下位机等等。把样品放入台架中，测试样品某一个特点的热阻值。在测试前，和X-ray一样，也需要做一定的准备工作。

图二，热阻法质量检测流程

热阻的定义是温度梯度除以功率，测量热阻的方法参考JESD 51-1的标准（参考文章：热测试（一）——ETM法测量结温），热阻法测量质量问题的大致步骤如下：

一般以样品中主要的半导体热源作为电学法测试对象，根据该半导体选择合适的测试电流，并测试该电流相应的电压温度响应系数K；
选择合适的加热电流；
加热至热平衡；
测量热平衡状态下的结温T1；
设定散热路径上某特点温度测量点，并测试其温度T2；
ΔT=T1-T2 ，得到温度差，并除以加热功率P，计算出结到某特定点的热阻值
对比基准热阻值，相减后得到热阻的偏移值，若偏移值超过上限，则样品为不良品。

要得温度梯度，需要检测两个温度，实际工程应用中，通常是以环境温度作为T2，这样就只要测量芯片的稳态结温，最终会转化成测量结电压，既基于良品做芯片结温电参数（结电压）的测量，测试值作为对标基准。通过标准工装夹具，对被测样品做结电压的测量，计算实际测量电压和基准电压的差值，若差值超过一定的数额则为不良品。

热阻法的判据比较简单直接，如果测试条件规范，其应用简单快速，一定程度上，可以满足大批量样品的全检要求，但是热阻法也存在一些问题及风险：

加热到热平衡，需要一定的时间，这和被测样品的总热容有关；
电压表征的是温度值，但是不同芯片的电压温度系数K，可能会存在差异，实际检测中又不可能对每个芯片的K系数做标定；
如果被测芯片的一致性不是很好，测量结果也会存在差异；
无法计算0秒的结温，误差不可避免；
偏离值设置也是问题，偏离过小，导致大批良品被检测出来，而偏离过大，就有漏检的风险；
电子产品的质量问题，可能出现在多个位置，比如焊料，基板，封装等等，最终的温度增量是每个质量隐患的叠加和统合，而质量问题一般不会在整个散热路径上均匀分布。

热阻法的本质是测系统的稳态热阻，核心测量设备技术难度低，操作简单，价格便宜。因此，热阻法对于简单的散热结构的质量检测，比如单一部位的质量问题，如果给与适当的冗余，还是具备一定应用价值的。但是，如果被测样品的散热路径比较复杂，有可能是多个质量问题并存的情况下（工业上大概率是如此），热阻法就力不从心了。

最近几年，一种新兴的无损质量全检技术——瞬态热阻法，逐步被行业认知并应用。

图三瞬态热阻法

瞬态热阻法和热阻法都是电学法，瞬态热阻法是在降温区，以高频信号连续采集结温信息，得到结温随着时间变化的曲线（参考JESD 51-14的标准，或者文章《热测试（二）——瞬态热测试与结构函数》）。应用瞬态测试技术，一定程度上可以解决热阻法难以解决的问题。

瞬态热测试技术得到的数据都有时间坐标，关注的是温度随时间的变化，因此，并不需要把系统加热到热平衡，这可以大大缩短每个检测周期的时间。

从热源（Chip）到环境，材料的时间常数分布，大致如下：

芯片层（Die），其时间常数大概是数10us-ms；

Die Attach，其时间常数大概是数10ms；

封装结构，其时间常数大概是几百ms-秒级；

散热结构，其时间常数大概是几十秒到几千秒。

从上述的时间常数谱，可以看出如果质量问题出现在Die Attach层，加热时长只有几十ms最多是几百ms即可，因此可以根据实际需要检测部位的时间常数来确定加热时间，无需加热至热平衡。

图四脉冲功率和热平衡下Zth的对比

从上图可以看出，在4ms之前脉冲功率的Zth曲线和热平衡的Zth曲线，几乎是完全重合的。也就是说，如果需要检测这部分材料，加热时长只要数十ms即可。

来源：今昔CAE随笔

电路半导体电子芯片焊接材料

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首次发布时间：2024-05-19

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