以相位移式陰影雲紋法及數位投影雲紋法探討電子構裝體之表面行為

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研究生：	黃煒展 HUANG, WEI-ZHAN
論文名稱：	以相位移式陰影雲紋法及數位投影雲紋法探討電子構裝體之表面行為 INVESTIGATION OF THE SURFACE BEHAVIOR OF ELECTRONIC PACKAGINGS BY PHASE-SHIFTING SHADOW MOIRĔ AND DIGITAL PROJECTION MOIRĔ METHODS
指導教授：	王偉中博士 Dr. WANG, WEI-CHUNG
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2003
畢業學年度：	91
語文別：	中文
論文頁數：	100
中文關鍵詞：	相位移式陰影雲紋法、數位投影雲紋法、機械負載、熱負載、BGA錫球、銲錫凸塊
外文關鍵詞：	phase-shifting shadow moire, digital projection moire, mechanical loading, thermal loading, BGA solder ball, Solder Bump
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在本研究中，主要在建立兩套精密光學量測設備，應用在電子產品的量測與檢測。首先以相位移陰影雲紋法來探討電子構裝受機械或熱負載下之表面行為，接著利用商用有限元素分析軟體ANSYS，來探討機械或熱負載對結果之影響。接著以數位投影雲紋法檢測電子構裝體錫球與solder bump之共面度。
本文中首先將對陰影雲紋法原理作介紹，同時加上相位移技術增加解析度，接著將光學元件結合所設計之三維微調機構、高溫加熱爐及機械負載設備進行量測。接著介紹投影雲紋法原理，同時結合數位投影機、光學顯微鏡及光學鏡組進行錫球與solder bump之共面度檢測。最後探討這兩種光學方法在實用價值與應用方式。

一、前言 1
二、文獻回顧 3

三、理論 6

3-1 陰影雲紋法 6

3-2 陰影雲紋法之相位移原理 7

3-3 投影雲紋法 10

3-4 投影雲紋法之相位移理 11

四、實驗裝置與試片 12

4-1 實驗裝置 12

    4-1.1 冷光光源 12

    4-1.2 高溫精密烤爐 12

    4-1.3 相位移式陰影雲紋儀 12

4-1.4 投影雲紋儀 13

    4-1.5 機械負載備 14

    4-1.6 即時影像處理系統 14

4-2 試片規劃 15

    4-2.1陰影雲紋法之實驗試片規劃 15

    4-2.2投影雲紋法之實驗試片規劃 15

五、實驗程序 16

5-1 電子構裝體受負載的量測 16

5-2 電子構裝錫球的量測 19

六、結果與討論 22

6-1 電子構裝之外形量測 22

   6-1.1 噴白漆之PBGA錫球量測 22

   6-1.2 噴白漆之FR-4板綠漆孔厚度量測 25

   6-1.3  PBGA錫球量測 25

   6-1.4  FR-4板綠漆孔厚度量測 26

   6-1.5  FR-4板焊錫厚度量測 26

   6-1.6 覆晶構裝銲錫凸塊之量測 27

   6-1.7 誤差原因探討 27

6-2 電子構裝受機械及熱負載下的外形量測 29

   6-2.1 變形量計算方式 29

   6-2.2 受機械負載下的量測結果 29

   6-2.3 受熱負載下的量測結果 31

   6-2.4 結構參數之模擬與探討 32

       6-2.4-1 基板楊氏模數與錫球應變探討 33

       6-2.4-2 基板熱膨脹係數與錫球應變探討 34

       6-2.4-3  FR-4板楊氏模數與錫球應變探討 34

       6-2.4-4  FR-4板熱膨脹係數與錫球應變探討 34

   6-2.5誤差原因探討 35

6-3投影雲紋法與陰影雲紋法在使用上的比較 35

七、結論 37

八、未來展望 39

九、參考文獻 41

圖目錄

圖一 陰影雲紋法擺置示意圖(光源以平行光形態入射) ….46

圖二 陰影雲紋法擺置示意圖(光源以點光源形態入射)  46

圖三 投影雲紋法擺置示意圖 47

圖四 光柵移動滑台 48

圖五 測微計 49

圖六 DLP投影機 49

圖七 立體顯微鏡 50

圖八 光路設計示意圖 51

圖九 透鏡光路設計示意圖 51

圖十 機械負載設備示意圖 52

圖十一 覆晶構裝試片 53

圖十二 PBGA試片示意圖 53

圖十三 覆晶構裝試片示意圖 54

圖十四 僅塗上綠漆之FR-4板 54

圖十五 塗上綠漆和焊錫之FR-4板 55

圖十六 相位移式陰影雲紋法光路示意圖 56

圖十七 相位移式陰影雲紋法實驗架設圖 57

圖十八 PBGA試片相位移像 58

圖十九 PBGA試片相位圖 59

圖二十 重建PBGA試片三維曲面圖 59

圖二十一  消除剛體旋轉效應後所重建之三維曲面圖 60

圖二十二  迴焊升溫曲線示意圖 60

圖二十三 熱負載加熱曲線 61

圖二十四 數位投影雲紋法光路示意圖 62

圖二十五 數位投影雲紋法實驗架設 63

圖二十六 投影光柵 63

圖二十七 數位投影雲紋法影像處理 64

圖二十八 影像濾波處理 65

圖二十九 相位圖 66

圖三十   噴白漆之PBGA錫球實驗影像 67

圖三十一 噴白漆之PBGA錫球相位圖 69

圖三十二 由圖三十(a)取斷面AB灰度值分佈 69

圖三十三 由相位圖求取斷面AA’灰度值分佈 70

圖三十四 光路架設角度示意圖 71

圖三十五 在錫球邊緣產生高度落差 71

圖三十六 噴白漆之PBGA錫球斷面AB剖面圖 72

圖三十七 噴白漆之FR-4板綠漆孔實驗影像 73

圖三十八 噴白漆之FR-4板綠漆孔相位圖 75

圖三十九 噴白漆之FR-4板綠漆孔斷面AB剖面圖 75

圖四十   PBGA錫球實驗影像 76

圖四十一 噴白漆之PBGA錫球相位圖 77

圖四十二 PBGA錫球斷面AB剖面圖 77

圖四十三 FR-4板綠漆孔實驗影像 79

圖四十四 FR-4板綠漆孔相位圖 81

圖四十五 FR-4板綠漆孔斷面AB剖面圖 81

圖四十六 FR-4板焊錫厚度實驗影像 82

圖四十七 FR-4板焊錫相位圖 84

圖四十八 FR-4板焊錫斷面AB剖面圖 84

圖四十九 覆晶構裝銲錫凸塊實驗影像 85

圖五十   覆晶構裝銲錫凸塊相位圖 88

圖五十一 覆晶構裝銲錫凸塊斷面AB剖面圖 88

圖五十二 變形量計算方式 89

圖五十三 覆晶構裝未受負載時之實驗影像 90

圖五十四 覆晶構裝受機械負載0.408㎏時之實驗影像 90

圖五十五 覆晶構裝受機械負載1.408㎏時之實驗影像 90

圖五十六 覆晶構裝受機械負載2.408㎏時之實驗影像 91

圖五十七 錫球隨溫度而改變之應力-應變關係 91

圖五十八 底膠隨溫度而改變之應力-應變關係 92

圖五十九 有限元素分析模型 93

圖六十   覆晶構裝受機械負載時之位移量之有限元素值 94

圖六十一 覆晶構裝受機械負載最大應變發生處 94

圖六十二 覆晶構裝受熱負載25℃--100℃時之實驗影像 95

圖六十三 覆晶構裝受熱負載25℃--125℃時之實驗影像 95

圖六十四 覆晶構裝受熱負載時之位移量之有限元素值 95

圖六十五 覆晶構裝受熱負載最大應變發生處 96

圖六十六 覆晶構裝基板楊氏模數與錫球應變關係 96

圖六十七 覆晶構裝基板楊氏模數與錫球應變關係 97

圖六十八 覆晶構裝基板熱膨脹係數與錫球應變關係 97

圖六十九  FR-4板楊氏模數與錫球應變關係 98

圖七十    FR-4板楊氏模數與錫球應變關係 98

圖七十一  FR-4板熱膨脹係數與錫球應變關係 99

表目錄

表一 覆晶構裝材料性質 100

表二 覆晶構裝尺寸參數 100

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