第四章_云纹干涉法

根本方法在于改变两路光的光程差，相移/2, 光程差 需改变/4, 一般采用压电陶瓷控制，但方式有多种
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第四章：云纹干涉法及其应用 8、云纹干涉法的测试一般步骤和技术要点
• 试件固定在加载架上 （方位最好六维可调） • 精确对试件表面成像，尽量使用大光圈 （思考：为什么？）
• 来自百度文库件加载前进行光路调节（标定），得到NULL场。真正的NULL 场是优质光学系统的体现和消除系统误差的保障。 • 机械或热加载，记录条纹，切换U、V场
U Exp. result Simulation result -1.00 m -1.04 m
V -1.40 m -1.04 m
W (Warpage) -8.50 m -10.50 m
The 3D FEM model and boundary conditions, totally 26842 Hex elements are used in this model.
CHE=1902.8 (ppm/1% weight gain).
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第四章：云纹干涉法及其应用
塑料电子封装件的吸湿变形测试及湿应力分析
0.7 mm 0.095 mm 1.3 mm 10.1 mm
A B
24 mm
0.3 mm
Moulding compound Underfill Chip Solder bump BT Substrate

q m,i
Specimen

Camera
Fourier 波前模型
sin q m,i sin mf i
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第四章：云纹干涉法及其应用 4、对称入射光的1级衍射光的干涉 • 两束光以特定角对称入射在无畸变的光栅上，使其 1级衍射光沿光栅法向方向。
两衍射光不产生干涉，记录不到条纹 (Null 场）
实验设计
Step1 Step2 光栅 在150 C时转移 、 冷却
在125 C环境下 12小 时 除湿
Step3
Y 15.2 mm Z X 30 mm
Step4
3维吸湿变形的 测试
试件三个月室内环境 置放
flip chip PBGA 的结构
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第四章：云纹干涉法及其应用
塑料电子封装件的吸湿变形测试结果
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第四章：云纹干涉法及其应用
电 迁 移 引 起 的 永 久 性 变 形
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第四章：云纹干涉法及其应用
谢谢！
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第四章：云纹干涉法及其应用
第四章：云纹干涉法
一、云纹干涉法原理
1. 相交平行光的干涉
满足干涉条件下，两相交平行 光干涉形成等间距干涉条纹 2 sin 空间频率 fv
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第四章：云纹干涉法及其应用 2. 光栅衍射方程
sin m sin mf
如果： 令 1 = 0.
sin f
OPL1 =A1PB – A1* P' = CP + PB = (FB + BE) + PB
变形后P’点处的两根出射衍 射光线1、2可以表示为：
A1' ' a cos2 (t A2' ' a cos2 (t OPL1( x, y )

k
) )


OPL2( x, y )
Copper Pad Silicon Die A Solder Ball B –8 –7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 1 2 3 4 5 6 7 8 BT
Overmold
PCB
A
B
o
130 110 90
B A C E F G H I J K L M N O P
D
Temperature ( C)
湿应变: 347.5 三个月后 湿应变: 382.3
Weight gain Vs storage time for samples in group A and B
If define CHE as the hygro-strain upon 1% weight gain under sutured & uniform moisture content:
k N x
同样可以理解V场条纹图的含义
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第四章：云纹干涉法及其应用
云纹干涉法的技术特征： • 分辨率 受制于以光栅的空间频 率，以1200 l/mm为例， 测试分辨率为417nm • 分辨率与相干光的波 长无关
• 图像的信噪比较高
• 适于测量面积较小、 变形微小的试件
如果 =632.8 nm (He-Ne laser)
位相型光栅的衍射
且
f =1200 l/mm
则有 =49.4.
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第四章：云纹干涉法及其应用 3.波前(wavefront)及波前干涉
qm
Specimen Camera
• 平行光的波前为平面
• 如果衍射光栅没有畸变 或均匀畸变，平行光的各 级衍射光的波前为平面 • 如果衍射光栅有非均匀 畸变，平行光的各级衍射 光的波前为曲面，并且可 以看成多个不同衍射方向 的平面波前的组合

两入射光线在P’点的光程差
S (x, y) = OPL1 – OPL2 – k = 2U(x, y) sin – k = f U (x, y) – k
这里的f ＝2sin/ ,是两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率
是物理光栅空间频率的2倍！
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第四章：云纹干涉法及其应用
S (x, y) = f U (x, y) – k
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第四章：云纹干涉法及其应用 • 光栅发生均匀变形
两衍射光发生干涉，产生均匀的、等间距平行条纹
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第四章：云纹干涉法及其应用 • 光栅发生非均匀变形
两衍射光发生干涉，产生非均匀、非等间距的条纹，条 纹级数与分布形式与两个翘曲的波前间距直接相关： N (x, y)=S (x, y)/
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第四章：云纹干涉法及其应用 5、1级衍射光干涉条纹的力学意义
测量面内变形的云纹干涉法光路
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第四章：云纹干涉法及其应用 6、试件栅的转移技术
光栅转移注意事项：
• 光栅基底材料的选择 • 试件表面的处理
• 环氧胶的选择（固化条件， 高温性能等）
• 胶厚度的控制（微米级）、 余胶去除等 • 试件的固定、压制与剥离
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第四章：云纹干涉法及其应用
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第四章：云纹干涉法及其应用 7. 云纹干涉法中的相移技术
Room temperature (25 o C)
70 50 30 10 -10 -30 -50 0 10 20 30 40 50 60 70
Time (min.)
Nm f p C
Coffin-Mansion Model for fatigue life prediction
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第四章：云纹干涉法及其应用
6维可调架
非理想Null场及其带来的测试误差
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第四章：云纹干涉法及其应用 9、几何云纹法与云纹干涉法的异同
• 条纹形成机制不同：几何光学干涉与物理光学干涉 • 测试分辨率相差很大 • 测试分辨率都决定于光栅的空间频率 • 云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解 （交叉入 射光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题）
= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin
P移至P’后，光线2的光程改变量 OPL2 = A2PB – A2*P' = A2P – A2*P' + PB = – (CP')+PB = –(EP' – BF) + PB
= – (U sin – W cos) +W = W (1 + cos ) – U sin
云纹干涉法的测量原理
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第四章：云纹干涉法及其应用
变形前P点处的两根出射衍 射光线1、2可以表示为：
A (t ) 1 a cos2
'
A2 a cos2 (t k / )
'
k是两入射光线在p点的光程差，
P移至P’后，光线1的光程改变量 OPL1 =A1PB – A1* P' = CP + PB = (FB + BE) + PB
在干涉条纹图上，P点所对应 的条纹级数Nx
Nx = S (x, y) /=[fU (x, y)-k] /
xz平面内双光束对称入射条件下，条纹图的含义：
• 与离面位移信息无关, 反映了试件在x方向的面内位移信息;
• 每一条纹代表了x方向的等位移线
U ( x, y) 1 f
习惯上，这样的干涉条纹图称为U场条纹
塑料封装材料吸湿膨胀系数的测量
试件准备
在125 C环境下 12小时 除湿
光栅25 C转移
部分试件置于室温环境 下三个月
部分试件置于干燥 箱三个月做对比
试件重量和变形测试、对比
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第四章：云纹干涉法及其应用
吸湿膨胀系数测量结果
室温环境置放的试件变形
实验开始
一个月后 湿应变: 282.6
两个月后
•变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅）
• 条纹处理方法相同 • 实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）
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第四章：云纹干涉法及其应用 10、云纹干涉法的应用
• 在断裂力学中的应用－裂尖位移场/应变场的测量，塑性区 的确定， 断裂力学理论的验证
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第四章：云纹干涉法及其应用
• 在电子器件热－机械可靠性评价方面的应用 焊球热变形及疲劳寿命的确定
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第四章：云纹干涉法及其应用
= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin OPL2 = A2PB – A2*P' = A2P – A2*P' + PB = – (CP')+PB = –(EP' – BF) + PB = – (U sin – W cos) +W = W (1 + cos ) – U sin
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第四章：云纹干涉法及其应用
三维变形的实验测试结果
Chemical shrinkage induced deformation Thermal deformation
U
V
W
t = 0 min t = 10 min
130C
t = 20 min
100C 25C
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第四章：云纹干涉法及其应用
三维有限元模拟结果
t =2 month; W=1.96275 g
A
B
t =3 month; W=1.96287 g
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第四章：云纹干涉法及其应用
塑料电子封装件内部的湿应力与UBM Opening失效原因分析
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第四章：云纹干涉法及其应用
Flip Chip由于Underfill的使用造成的残余应力分析
分析方法：测试芯片的三维变形 ＋有限元分析，杂交法