CN101091109B - 微冲击测试设备 - Google Patents

Abstract

一种微冲击测试设备，用于测量其上受到冲击的微电子样品的冲击特性。该设备包括容纳待测样品的样品架，和冲击装置。冲击装置包括冲击头、支撑部件、至少一个连接元件和第一挠性弹簧。由于第一挠性弹簧牢固地一端连接到支撑部件，另一端连接到连接元件，所以支撑部件连接到连接元件。至少基本与第一挠性弹簧相同的第二挠性弹簧牢固地一端连接到连接元件，另一端连接到冲击头，以使第一和第二挠性弹簧的端部在其未加载状态形成矩形。冲击头可相对于第一和第二挠性弹簧沿弹簧加载位置和其冲击位置之间的线性线平移移动。样品架与冲击装置对准，以使样本布置在冲击头冲击位置，使冲击头能够在从加载位置释放时沿线性线在从加载位置朝向冲击位置移动后冲击在样品上。

Description

微冲击测试设备

技术领域

本发明涉及微电子连接的冲击测试领域，更具体地，涉及用于测试所述微电子连接的冲击性能的设备。

背景技术

目前消费者可用到数量一直增加的便携式装置，例如移动电话、便携式媒体播放器和便携式计算机等。因此，由于装置变成了便携式的，所以其受到的使用情况将会发生很大变化，例如从静态使用下的装置，例如台式计算机等。便携式装置更可能经受来自冲击的振动和由于其可能使用的不同环境产生的变化的热工作情况。意识到这点，微电子行业已经采用了标准来测量直接处于这样的情况下的各种微电子部件的情况如何，例如印刷电路板(PCB)及其安装的部件。

所述标准的一个例子是JEDEC标准(JESD22-B111)，该标准能够在冲击测试下确认部件-板连接的合格。但是JEDEC测试需要将部件组装到PCB上，当单独出于测试目的这样做时，该过程成本效率不高。关于测试，由于至少两个原因，使得本行业使用标准的球状压接端切变强度测试机实行的锡球剪切不是令人满意的。首先，由于其低的剪切速度，该球状压接端切变强度测试机不能产生测试失败的期望模式。其次，锡球的微小的样本提出了挑战，因为当使用例如Charpy或Izod测试机等标准冲击测试机时，由于其缺少足够的测试分辨率，锡球的尺寸和形状阻碍了失败的精确特性。

在PCB部件的情况下，Siviour等[Dynamic Properties of Solders and SolderJoints，J.Phys.IV France 110(2003)]描述了使用Instron加载机来研究变化的应变速率对PCB焊锡连接的影响的试验。该焊锡连接包括锡球，固定到聚合物基底上的铜焊盘。在研究中，黄铜刀片以给定速度冲击锡球，并且记录了剪切所述锡球所需的载荷。但是，剪切速度在略高于1m/s的速度达到最大值，这意味着在该研究中获得的剪切速度的范围相当有限。

更近期的Date等的[Impact Reliability of Solder Joints，2004 ElectronicComponents and Technology Conference，2004]描述了用于焊锡连接的机械测试设备。该机械测试使用摆动冲击测试进行，其中该摆动机构使测试剪切速率在0.1mm/s-1.4m/s的范围之间。该焊锡连接的断裂能被认为等于该摆动在其已经冲击该焊锡连接之后的动能的减少。但是Date等人描述的方法的缺陷在于，只提供了断裂能，没有测量关于断裂强度的信息。而且，将摆装置的动能损失(期望)归结于焊锡连接的断裂能的准确性是可疑的，因为动能的变化可能由其他损失造成，例如除了在冲击焊锡连接时消耗的能量，还有由于摆装置的振动和热及声音造成的损失。

虽然已经进行了上述的研发，仍然存在对微电子连接冲击测试仪的需要，其能够产生期望的失败测试模式来提供不仅关于断裂能的定量的和准确的测量，而且提供关于微电子连接的断裂强度的测量。还期望提供一种冲击测试仪，通过该冲击测试仪，可获得微小尺寸和形状的测试样本上的简单可重现的结构。而且，还期望提供一种成本效益高的测试仪，其对于微电子行业应用在大规模生产上也是商业可行的。

为了解决上述问题，并且实现上述需要，根据本发明提供了一种具有根据本独立权利要求的特征的冲击测试仪。

发明内容

根据本发明，微冲击测试设备，用于测量其上受到冲击的微电子样品的冲击特性，包括用于容纳待测样品的样品架，和冲击装置。该冲击装置包括，根据本发明的一个方面，冲击头、支撑部件、至少一个连接元件和第一挠性弹簧。支撑部件连接到连接元件，以使第一挠性弹簧牢固地以其一端连接到支撑部件，并且以其另一端连接到连接元件。该冲击装置还包括至少基本与所述第一挠性弹簧相同的第二挠性弹簧，其中，由于第二挠性弹簧牢固地以其一端连接到连接元件，并且以其另一端连接到冲击头，所以该连接元件连接到该冲击头。该第二挠性弹簧相对于该第一挠性弹簧的布置使得在挠性弹簧的未加载状态中，该第一和第二挠性弹簧的端部形成矩形。

根据本发明的第二方面，用于测量受到冲击的微电子样品的冲击特性的微冲击测试设备包括用于容纳待测样品的样品架，和冲击装置。该冲击装置包括冲击头、支撑部件和至少第一挠性弹簧，该第一挠性弹簧以其一端连接到支撑部件，并且以其另一端连接到冲击头的第一侧。该冲击装置还包括至少第二挠性弹簧，该第二挠性弹簧至少基本与所述第一挠性弹簧相同，并且以其一端连接到支撑部件，以其另一端连接到冲击头的第二侧，所述第二侧与其所述第一侧相对。

根据上述冲击测试设备的实施方式，该冲击头可相对于该第一和第二挠性弹簧沿弹簧加载位置(加载位置)和其冲击位置之间的线性线平移移动。而且，样品架与该冲击装置对准，以使容纳在所述测试样品架中的测试样品布置在所述冲击头的冲击位置中。这使得该冲击头在沿所述线性线从其加载位置朝向其冲击位置移动后，能够精确地冲击样品。为了使该冲击头在释放时向该测试样品提供所需的精确的剪切力，该线性移动很重要。该冲击头的线性移动也是使该测试设备能够在微小尺寸和形状的测试样品上进行测试必不可少的。

另外，使用上述包括挠性弹簧的布置的其他优点还在于，所述挠性弹簧是无摩擦的，当放置在相对于该支撑部件垂直的布置中时，提供冲击头无振动的线性运动，并且具有高的硬度。

关于上述实施例，应注意到，由第一和第二弹簧端部限定的矩形的形成不总是必需的。如果平行的相对应的弹簧的长度互不相同，仍然可能通过改变弹簧的特性，例如硬度等获得相同的线性效果，即冲击头的精确的线性运动。

在本发明的另一个实施例中，如上所述的微冲击测试设备还包括第三和第四挠性弹簧，其至少基本与所述第一和第二挠性弹簧相同。该第三和第四挠性弹簧以与该第一和第二挠性弹簧相同的方式分别连接到支撑部、连接元件和冲击头。

在另一个实施例中，上述的微冲击测试设备只包括第三挠性弹簧。在该实施例中，以与该第一挠性弹簧相同的方式，该第三挠性弹簧的一端连接到支撑部，并且该挠性弹簧的另一端连接到连接元件。该第一和第二挠性弹簧的端部在该第二挠性弹簧的一侧上形成矩形，并且该第二和第三挠性弹簧的端部在该第二挠性弹簧的相对侧上形成矩形。该挠性弹簧的特性设计成确保冲击头可沿所述线性线移动。在任何上述实施例中，该挠性弹簧可以相对于彼此至少基本重叠的关系在冲击头的一侧上布置在一起。换句话说，当在冲击头的移动方向看时(俯视)，该挠性弹簧将显示为至少基本相互重叠。在上述实施例中，当微冲击测试设备的挠性弹簧以相对于彼此至少基本重叠的关系布置在冲击头的一侧上时，该挠性弹簧可连接到单个的连接元件。

但是，在本发明其他的示例性实施例中，该设备还可包括第二套挠性弹簧。该第二套挠性弹簧的每一个挠性弹簧至少基本与所述第一挠性弹簧相同。该第二套挠性弹簧连接到该冲击头的基本相对侧上的另一个连接元件。如上所述，当在该冲击头的移动方向看时，在该冲击头的相对侧上的所述第二套挠性弹簧的该挠性弹簧以相对于彼此至少基本重叠的关系布置。在这些本发明的实施例中，该挠性弹簧在该冲击头每一侧上的布置可有利地关于所述线性线对称。换句话说，该第二套挠性弹簧的布置基本上以镜像反映出该第一套挠性弹簧的布置。

在该方面中，应注意，术语“基本相对”可以理解为该第一和第二套弹簧可如上所述成镜像，即以分开180度放置。但是，该术语也可理解为这两套弹簧以给定角度分开，该角度由这两套弹簧之间的径向关系产生，当在所述线性运动方向看时，以该冲击头作为原点。

另外，在这些实施例中，当两套弹簧将该冲击头在每套弹簧的每一侧连接到各自的连接元件时，该弹簧在相对侧上的布置也可以是不对称的。

此时，应注意，在任何前述实施例或下述实施例中，术语挠性弹簧指弹簧相对于本设备的作用方式，即通过沿单条直线的线性方向的振动。该挠性弹簧的线性运动沿所述单条直线是单向的，当释放时该挠形弹簧在沿从加载位置(挠曲状态)到未加载位置(未挠曲状态)的方向线性运动。

因此，该挠形弹簧可以是，但是不限于，板簧(monolithic)、片簧或槽口弹簧。槽口弹簧可以是例如沿其外边缘具有楔形特征或部分切除特征的板簧。当槽口弹簧经受挠曲时，楔形部分既可以张开又可以缩短到偏置状态，只有在释放时才返回到其初始状态。挠性弹簧的意思也可以延伸到包括例如挠性梁，其满足根据本发明的冲击测试设备的冲击头的弹性要求。

微冲击测试设备的上述实施例的冲击头包括载荷元件、芯棒、载荷单元和击针尖。该载荷单元、载荷元件和击针尖可通过芯棒以共轴布置相互连接，以使所述布置沿线性位移直线延伸，该冲击头被撞击时沿该线性位移直线移动。

上述实施例中的击针尖适于在冲击时在微电子测试样品上施加剪切力。在其他实施例中，该击针尖也可适于施加其他方向的力来模拟不同的失败模式。关于这点，如果适当地调整和施加，除了施加剪切力，击针尖也可以例如在测试样品上施加张力(用于抗拉强度测试)或产生弯矩(用于弯曲测试)。

根据本发明的又一个实施例，该支撑部件在其中设置有通孔，其中该芯棒延伸穿过所述通孔，并且从所述通孔垂直地向外伸出。该芯棒的伸出端包括柱塞，来辅助芯棒的手动移动(当可应用时)。该芯棒可进一步由压缩弹簧或拉伸弹簧支撑，其中该压缩弹簧/拉伸弹簧共轴安装在所述通孔中的芯棒的该部分上，以使弹簧的一端连接到支撑部件，弹簧的另一端连接到芯棒。

该压缩弹簧可通过圆柱状轴环驱动。该圆柱状轴环的半径大于芯棒的，并且在所述通孔的内壁部分和该圆柱状轴环之间至多允许滑动接触。该圆柱状轴环布置成邻接冲击头的顶部，并且与该芯棒共轴，以当芯棒升起时，其穿过所述通孔，直到其接触该固定的压缩弹簧时。在与该压缩弹簧接触后，芯棒的任何进一步的位移会导致该圆柱状轴环压缩该压缩弹簧。在本发明的该实施例中，在击针尖从其加载位置释放时为了进一步增加该击针尖的速度，提供了这样的压缩或拉伸弹簧。

在加载过程中，整个冲击头，包括击针尖、载荷单元和载荷元件，沿所述线性线由芯棒平移。在平移过程中，连接到冲击头的挠性弹簧变为偏置，来使该冲击头返回到初始平衡位置。在实施例中，当需要附加的加速度时(所述附加的加速度通过包括附加的势能来提供)，可按照下面所述包括之前提到的压缩或拉伸弹簧。

例如，如在上面的实施例中所提到的，包括压缩弹簧，当冲击头进入加载位置时，共轴布置在芯棒上的圆柱状轴环开始压缩该压缩弹簧，由此产生又一种增加势能的方法，该势能可在冲击头释放时转化为动能。

载荷单元传感器为转换器，其将力转换为可测量的电输出。虽然有很多种载荷单元，压缩载荷单元可用在本发明的设备中。但是代替压缩载荷单元，可使用各种力转换器，例如压电转换器和应力仪。关于这点，根据所使用的力测量装置，所述传感器既可以直接位于冲击头上，也可以其他方式。

再另一个实施例中，该微冲击测试设备还包括线性可变差动变压器(LVDT)传感器。该LVDT传感器嵌入在支撑部件中。其布置成圆柱状地连接到通孔的内壁部分，并且与该支撑部件的通孔共轴对准。这样，芯棒可至多与该LVDT传感器的内表面滑动接触。该LVDT传感器提供关于芯棒的位移数据，其反过来可用来确定冲击头组件的速度和加速度。

LVDTs通常包括初级磁线圈、次级磁线圈和安装在其位置正在被测量的目标物(芯棒)上的柱塞。在本设备中，芯棒的位移引起次级线圈互感系数相对于初级线圈的变化，因而从初级线圈到次级线圈感应的相对电压也将变化。这使得芯棒(及连接的冲击头组件)的位移能够被精确地测量。除了使用LVDTs来测量芯棒的位移，例如也可使用磁阻、光学三角、光电、位置位移、超声波和可变电阻技术传感器。

在本发明的另一个实施例中，微冲击测试设备还包括速度控制块，通过引导元件安装在支撑部件的顶上。速度控制块精确定位成其位于基本沿与芯棒(因此冲击头也一样)的移动相同的线性线。速度控制块具有连接装置，用于以可拆卸的方式连接到从支撑部件的通孔向外伸出的芯棒的部分，特别地，连接到位于顶上的柱塞。这使得该速度控制块能够接合芯棒的顶部伸出部分，由此将芯棒和整个冲击头组件保持在加载位置，直到其准备释放来到达冲击位置。如前面所述，芯棒的顶部伸出部分可包括柱塞。当冲击头在加载位置中时，所述柱塞起辅助将芯棒连接到速度控制块或将芯棒从速度控制块脱离的作用。

引导元件提供速度控制块沿所述线性线的调节，并且由此调节与冲击头有关的挠性弹簧的变形程度。这反过来改变该冲击头组件的势能。所使用的引导元件可以是滑轨或狭槽系统，只要其能够使速度控制块沿所述线性线移动。

在包括速度控制块的实施例中，该连接装置可以是，但不限于，机械螺钉、夹紧装置或磁体。该磁体可以是电磁铁的形式，通过分别接通和切断电流来起作用和不起作用。

本发明设备的所有前述实施例都包括样品架。该样品架包括样品夹紧装置、安装板和三维转台。该安装板安装在转台上。安装板的顶上固定有用于夹持测试样品的样品夹紧装置。转台的位置(因此也是夹具的位置)可通过用于X、Y和Z方向中之一的三个千分尺的每一个精确地调节。也可通过包括旋转给定角度θ的样品夹具调节测试样品上的冲击角度。

在本发明的又一个实施例中，微冲击测试设备的样品架还包括显微镜或电荷耦合装置(CCD)摄影机或其组合。该显微镜能够监控和检查非常小的测试样品在样品架中的精确定位，以获得准确的用于撞击的冲击位置。

在另一个微冲击测试设备的实施例中，所述设备还包括测试样品温度调节装置。该样品温度调节装置可适于在例如-40℃-100℃的宽的范围内改变测试样品周围环境的温度。

如上所述，根据本发明的第二方面，用于测量受到冲击的微电子样品的冲击特性的微冲击测试设备包括用于容纳待测样品的样品架，和冲击装置。该冲击装置包括冲击头、支撑部件和至少第一挠性弹簧，该第一挠性弹簧以其一端连接到支撑部件，以其另一端连接到冲击头的第一侧。该冲击装置还包括至少第二挠性弹簧，该第二挠性弹簧至少基本与所述第一挠性弹簧相同，并且以其一端连接到支撑部件，以其另一端连接到冲击头的第二侧，所述冲击头的第二侧基本与其所述第一侧相对。

根据本发明该方面的冲击头，可相对于该挠性弹簧沿弹簧加载位置和冲击位置之间的线性线平移移动。样品架与冲击装置对准，以使样品布置在该冲击头的所述冲击位置，使样品头能够在释放时沿所述线性线从其加载位置朝向其冲击位置移动后冲击在样品上。

根据本发明该方面的又一个实施例，该设备还包括附加的偶数个基本相同的挠性弹簧。该偶数个挠性弹簧以与那些第一和第二挠性弹簧相同的方式连接到该设备的各结构元件，以使相等数量的挠性弹簧连接到冲击头的每一侧上。

在示例性的实施例中，挠性弹簧可以并排的方式布置在冲击头的每一侧上，即弹簧可位于一个平面中。可选地，当在冲击头的移动方向看时，冲击头每一侧上的挠性弹簧可以至少基本相互重叠的关系布置。

还应注意，为了使冲击头沿所述线性线移动，根据上面描述的本发明第二方面，该微冲击测试设备的挠性弹簧应每一个在其纵向方向具有一定弹力。可选地，该挠性弹簧可连接到支撑部件和/或冲击头来确保当挠曲时所发生的挠性弹簧长度的变化视为相同。这可在例如冲击头包含凹槽的情况下来获得，在该凹槽中挠性弹簧可滑动地被支撑。

通常，还应注意，本发明的一个重要特征在于，提供一种微冲击测试设备，其中冲击头以这样的方式由挠性弹簧悬挂：确保该冲击头在其弹簧加载位置和其冲击位置之间的精确线性移动。虽然至此已经描述了根据本发明的微冲击测试设备的不同的具体实施例，但是应可理解，实现上述要求的其他实施方式也应落入本发明的范围和精神内。

作为一个例子，与本发明的第一方面有关的所描述的挠性弹簧可以不必相同。例如，一个挠性弹簧可比另一个长。与挠性弹簧的特性应该使其相互设计来确保冲击头的由所述悬挂系统产生的所述线性移动，该悬挂系统由在本发明某个实施例中所使用的所有挠性弹簧形成。

还应注意，所有上述和后面的实施例中的每一个可以垂直或水平的方式布置。垂直布置可以是这样的一个，其中在冲击头从更高的重力势能位置向更低的重力势能位置移动时，利于了重力的作用。在水平布置中，重力没有起作用，而是所需的势能只由挠性弹簧的作用产生，并且在可适用的情况下，与附加的压缩(或扭)弹簧结合使用。

下面的附图和本发明及实施方式的例子的详细描述将进一步辅助理解该微冲击测试设备及其根据本发明的不同的实施例。但是所述附图和实施例不应被解释为将本发明限制到所示出的实施例。

附图说明

图1显示了根据本发明的微冲击测试设备的立体视图，包括样品架、C形支撑部件和冲击头组件；

图2显示了图1的示例性实施例的侧视图，其中冲击头通过连接元件直接连接到C形支撑部件；

图3显示了图2的另一个示例性实施例的侧视图，其中冲击头通过单个挠性弹簧直接连接到连接元件；

图4示出冲击测试设备的另一个实施例，其中挠性弹簧将冲击头连接到成角度的支撑部件；

图5是如图4中所示的又一个示例性实施例，其中冲击头的两侧通过分开180°的挠性弹簧间接地通过连接元件以对称方式连接到倒U型支撑部件；

图6是本发明第二方面的实施例，其具有两个挠性弹簧，每一个以一端连接到冲击头的相对侧，并且以另一端直接连接到倒U型支撑部件；

图7是本发明第二方面示例的侧视图，除了两对弹簧改为直接将倒U型支撑部件连接到冲击头，如图6中所示的一样。

图8示出在冲击测试过程中由冲击头撞击之前的测试样品(焊锡连接)；

图9A-9C为分别模拟各种失败模式的基底和击针尖的可能的布置和调整的例子；

图10显示了当进行使用本设备的冲击测试时用于各种锡基焊锡合金的载荷对时间的曲线图。

具体实施方式

下面，将参考附图对本发明的各种实施方式的例子进行描述。

图1显示了根据本发明的微冲击测试设备的立体视图，包括样品架12，13，14和15、C形支撑部件7和冲击头112。冲击头包括击针尖2、载荷单元5、载荷元件4和芯棒8。柱塞32安装在组件112顶上，具体地安装在芯棒顶上，柱塞32在下面的所有实施例中都存在。

该实施例还包括四个挠性弹簧101，102，103和104，用于产生移动部件，即冲击头112的冲击能。速度控制块9安装在C形支撑部件7的顶上，并且用于在设备加载过程中将柱塞32固定在位。随后，速度控制块9能够释放柱塞32，并且因此也释放冲击头组件112。速度控制块9在支撑部件7上方的高度可通过滑动导向装置11来调节。速度控制块9包括能够固定并且随后释放柱塞32的连接机构10。将速度控制块9安装在滑动导向装置11可使挠性弹簧101，102，103和104经受的变形的调节通过速度控制块9的高度来控制。所述速度控制块9高度的调节在冲击头组件112释放之前对应于由挠性弹簧101，102，103和104提供的势能的变化。

如上所述，图1的实施例还包括样品架12，13，14和15。样品架12，13，14和15包括转台14，样品夹紧装置12，安装板13和三个千分尺。转台14可在用于样品位置调节的三个轴内移动。样品夹紧装置12牢固地安装在安装板13上。安装板13反过来安装在转台14上。转台14的位置可通过三个千分尺15在X，Y和Z方向精确地调节。

也可通过包括可旋转约给定角度θ的样品支架来调节样品上的冲击角度。在其他示例性实施例中，可包括千分尺(未显示)来使样品精确对准。在这样的实施例中，千分尺可设置来在两个方向中监控对准，一个方向是从设备前面(即沿挠性弹簧的长度)，和/或从侧面(即沿挠性弹簧的宽度)。

图2显示了本发明一个示例性实施例的侧视图，其中冲击头112通过连接元件200间接地连接到C形支撑部件7。挠性弹簧102和103将冲击头的一侧连接到连接元件200。如上所述，冲击头组件112的撞击速度主要通过挠性弹簧101，102，103和104控制。

在加载过程中，如上所述，冲击头组件112朝向速度控制块9移动。在冲击头组件112到速度控制块9的移动和随后柱塞32到速度控制块9的连接过程中，挠性弹簧102和103在移动方向中偏转。因此，挠性弹簧102和103的偏转使冲击头112朝向连接元件200向上和向里平移(即沿挠性弹簧的长度向里)。因此，连接元件200还在上述冲击头112的位移方向移动。挠性弹簧101和104的对应的向上偏转导致连接元件200朝向冲击头112平移(即沿所述挠性弹簧的长度向外)。

因此，连接元件200的向外平移和冲击头112的向里平移(其中所述平移以相等速率发生)导致抵消作用，这使冲击头112在自然平衡位置(未加载状态)到加载位置之间向上移动时，保持在单个平面中(在直线上)。

冲击头112的撞击速度还可如所显示的通过将压缩弹簧16插入C形支撑部件7的通孔中来增加。在图中，压缩弹簧16共轴地安装于芯棒8上。芯棒8可与所述压缩弹簧16滑动接触。可通过调节螺纹块17来预加载压缩弹簧16。当冲击头组件112朝向速度控制块9移动时，压缩弹簧16通过圆柱状轴环18而被压缩，该圆柱状轴环18可与芯棒8共轴安装，并且可存在于前面或后面的实施例中，起和这里所描述的相同的作用。由压缩弹簧16产生的附加势能加入到冲击头112可得到的势能。在释放时，由压缩弹簧16产生的附加的势能将转化为动能，由此将击针尖2沿线性路径发送来冲击在测试下的焊锡连接样品。

本实施例的C形支撑部件7还包括通孔，其中设置有LVDT传感器6。上述压缩弹簧16、螺纹块17和芯棒8的布置在所述通孔中进行。芯棒8以共轴布置穿过布置在通孔中的压缩弹簧16和LVDT传感器6，芯棒8的一部分从该通孔的顶部伸出。在通孔的大约一半的部分，存在收缩部特征，由此所述收缩部为减小直径的台阶特征。该具有减小直接的通孔部分(更靠近速度控制块9一侧上的开口设置)对于至多与LVDT传感器6滑动接触的芯棒是足够的。LVDT传感器6沿通孔的所述减小直径部分设置，并且可至多与芯棒8滑动接触。

图3显示了图2的另一个示例性实施例的侧视图，其中冲击头组件112通过单个挠性弹簧102直接连接到连接元件200。C形支撑部件7通常在C形的自由端具有向里弯曲的部分。所述向里弯曲的部分的弯曲程度基本相同，如实施例中所示，但是不限于恰好是直角。在这些向里弯曲的部分处，挠性弹簧101和104的一端连接到C形支撑部件7，另一端连接到连接元件200。挠性弹簧101和104以相同的方式连接，以使所述挠性弹簧彼此平行。第三挠性弹簧103也布置成平行于前述弹簧101和104。关于三个挠性弹簧101，103和104的长度，在该特定实施例中，其为等长。但是，如上所述，每一个弹簧的长度可根据每一个单独弹簧的硬度改变，只要最终的结果是冲击头112以前面描述的线性方式移动。

本实施例的运动本质上与上面描述的相同。当冲击头112升高到加载位置时，冲击头112将趋向于以弧形移动，由此组件112和连接元件之间的距离减小。该移动在弹簧102朝向C形支撑部件7的上部水平部分向上挠曲和弯曲时发生。

但是，冲击头112的升高还同时使连接元件200也升高。由于连接元件200的向上运动，弹簧104和102也向上挠曲，使连接元件200和间接连接的冲击头向外平移，如上所述。

因此，虽然在向上移动过程中冲击头112关于连接元件200的距离减小，但是连接元件200关于C形支撑框7的垂直部分的距离同时增加，即连接元件向外移动。这两种运动的组合相互抵偿，并且使冲击头组件112保持在一个垂直平面中。因此，组件112的移动是线性的，同时所述组件在加载位置到冲击位置之间平移。

图4是冲击测试设备的又一个实施方式的示例，其中四对挠性弹簧101，102，103和104在冲击头组件112的相对侧连接到成角度的支撑部件400。该成角度的支撑部件400例如从顶面看，可以实质上看作是两个连接在一起的C形支撑部件，或者看作是围绕中心轴侧向弯曲形成V型的倒U型支撑部件30。图4的实施例中所示的V型的角度为直角(90度)。但是，在其他实施例中，该角度可以在0度到180度之间任意变化。

每一对挠性弹簧101，102，103和104位于其各自的水平面中，即每个平面至少有两个挠性弹簧，布置在组件112的每一侧。换句话说，挠性弹簧在组件112相对侧上的布置可实质上是第一套挠性弹簧的镜像。挠性弹簧对例如102和103连接到冲击头组件112的载荷元件4。其余对挠性弹簧将连接元件200连接到成角度支撑部件400。

图5示出本发明第一方面的又一个示例性实施例。在该示例性实施例中，冲击头112的相对侧通过两个连接元件200间接连接到倒U型支撑部件30。在该示例性实施例中，冲击头包括载荷元件4、载荷单元5、击针尖2和芯棒8。载荷元件4的这两个相对端通过四对挠性弹簧101，102，103和104连接到位于冲击头组件112相对侧上的两个连接元件200。挠性弹簧102和103到载荷元件的布置与图1和2中的相同。连接元件200通过另外两对挠性弹簧101和104连接到倒U型支撑部件30。挠性弹簧对101，102，103和104和连接元件200相对于冲击头布置和连接成挠性弹簧101，102，103和104及连接元件200关于线性移动路径对称。实质上，挠性弹簧在上述实施例中可以直接相对的方式或彼此成角度布置在冲击头的任一侧上。

在冲击头组件112加载过程中，芯棒8将向上移动，由此使挠性弹簧102和103朝向速度控制块9偏转。速度控制块9可以两种方式连接到冲击头。首先，速度控制块9可沿滑动导向装置11调节来到达柱塞32，或可选地，在又一个例子中，柱塞32朝向速度控制块9向上拉动。在每一种方法中，在柱塞32到达速度控制块9时，连接装置10可被用来将柱塞32固定在所述的预定高度，直到随后释放。连接元件在本实施例中的作用与上面描述的相同。如果芯棒朝向速度控制块9移动足够多，并且螺纹块17允许压缩弹簧16的任何预加载，则圆柱状轴环18将还用于压缩该压缩弹簧16来为冲击头组件112提供附加的势能。

图6是冲击测试设备的第二方面实施例的示例的测试图，其中冲击头组件112的相对侧直接连接到倒U型支撑部件30。如图1-5中所示的前述实施例，冲击头组件112、芯棒8和速度控制块9的连接/脱离装置的对准是垂直和共线的。在该示例性实施例中，载荷元件4通过挠性弹簧对101直接连接到倒U型支撑元件30。挠性弹簧101以非刚性滑动方式连接到载荷元件4，以当冲击头112被加载时，挠性弹簧101的端部在载荷元件4中滑动。换句话说，载荷元件4可具有小的凹部，例如挠性弹簧的所述端部布置成能够在其中滑动。

可选地，挠性弹簧101可以是这样的材料，其允许存在一定程度的弹性应变。换句话说，除了在侧向(宽度方向)有弹性，挠性弹簧101还可以在纵向(长度方向)有弹性。

图7是图6的又一个实施例的侧视图，具有两对挠性弹簧101，102，每一对以一端连接到冲击头的相对侧，另一端直接连接到倒U型支撑部件30。如上所述，加载过程与图6中描述的实施例相同。图6的实施例与图7的区别特征在于存在另外一对将载荷元件4连接到倒U型支撑元件30的挠性弹簧102。该另外一对挠性弹簧102以与第一对挠性弹簧101相同的平行方式连接到载荷元件4。

图8示出冲击测试过程中通过击针尖2的焊锡连接的撞击。样品固定组件包括底部固定块12a和夹紧部件12b。测试样品3可由螺钉12c固定。当击针尖2在图7中所示的方向中线性平移时，将以相同的方向在测试样品3上施加剪切力。

图9A-9C为分别模拟各种失败模式的基底和击针尖的可能的布置和调整的例子。图9A显示了在其他实施例中击针尖2怎样可调整来在受到张力时进行测试样品3的强度测试。在该示出的实施例中，击针尖2包括两个关于共同的对称线向外延伸的臂。显示的测试样品(焊锡球)3为连接两个基底，并且冲击由击针尖的两个臂对着下部基底施加，顶部基底保持固定。这使得测试样品3在失败发生前经受均匀状态的张力。

图9B是张力测试怎样实现的又一个示例性实施例。在该具体实施例中，冲击力施加到下部基底的一侧。因此，在该实施例中，撞击部件(未显示)不需要如前述实施例中的两个臂。

图9C是使用本发明冲击测试设备的弯曲测试应用的例子。在该实施例中，击针尖2在顶部基底上施加力。同时，底部基底也具有至少两个施加的力，以使顶部基底上的力的方向传送到施加在底部基底上的两个力之间。因此，这导致固定测试样品3的基底弯曲。如图9A中使用的击针尖可在应用前述弯曲测试时用于冲击底部基底。

图10显示了用于各种经受使用如图2中所示的实施例的冲击测试的锡基焊锡合金的载荷对时间的曲线图。样本包括安装在具有有机表面保护层(OSP)的有机基底上的直径为400μm的焊锡球。使用微冲击设备施加到各测试样本的剪切速度为600mm/s。图8中示出的结果显示出，样本(a)和(b)比样本(c)-(e)更具延展性。

出于说明和描述目的已经提供了对各实施例的描述。其不是旨在详尽或将本发明限制到公开的精确形式，明显地，可能在本公开的教导的启发下做出很多改进和改变。应可理解，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (19)

1.一种微冲击测试设备，用于测量其上受到冲击的微电子样品的冲击特性，所述设备包括：

样品架，用于容纳待测样品，和

冲击装置，包括：

冲击头，

支撑部件，

至少一个连接元件，

第一挠性弹簧，

其中，由于所述第一挠性弹簧牢固地以其一端连接到所述支撑部件，并且以其另一端连接到所述连接元件，所以所述支撑部件连接到所述连接元件上，和

第二挠性弹簧，至少基本与所述第一挠性弹簧相同；

其中，由于所述第二挠性弹簧牢固地以其一端连接到所述连接元件，并且以其另一端连接到所述冲击头，所以所述连接元件连接到冲击头上，以在所述挠性弹簧的未加载状态中，使所述第一和第二挠性弹簧的端部形成矩形，由此所述冲击头可相对于所述第一和第二挠性弹簧沿线性线在弹簧加载位置和其冲击位置之间横向移动，并且

其中所述样品架与所述冲击装置对准，以使所述样本布置在冲击头的所述冲击位置中，使所述冲击头在其从所述加载位置释放时，从其加载位置沿所述线性线朝向其冲击位置移动后，能够冲击在所述样品上。

2.根据权利要求1所述的微冲击测试设备，还包括至少基本与所述第一挠性弹簧相同的第三和第四挠性弹簧，其中所述第三和第四挠性弹簧分别以与所述第一和第二挠性弹簧相同的方式连接到所述支撑部件、所述连接元件和所述冲击头上。

3.根据权利要求1所述的微冲击测试设备，还包括第三挠性弹簧，其中所述第三挠性弹簧以与所述第一挠性弹簧相同的方式连接到所述支撑部件和所述连接元件，以使所述第一和第二挠性弹簧的端部在所述第二挠性弹簧的一侧上形成矩形，所述第二和第三挠性弹簧的端部在所述第二挠性弹簧的相对侧上形成矩形，并且其中所述挠性弹簧的特性设计成能够确保冲击头可沿所述线性线移动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的微冲击测试设备，其中当在所述冲击头的移动方向看时，所述挠性弹簧以相对于彼此至少基本重叠的关系布置在所述冲击头的相同侧上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的微冲击测试设备，其中当在所述冲击头的移动方向看时，所述挠性弹簧连接到一个连接元件，并且以相对于彼此至少基本重叠的关系布置在所述冲击头的一侧上，所述设备还包括第二套挠性弹簧，其至少基本与所述挠性弹簧相同，并且当在所述冲击头的移动方向看时，以相对于彼此至少基本重叠的关系在所述冲击头的相对侧上连接到另一个连接元件，以使所述挠性弹簧和所述第二套挠性弹簧的布置关于所述线性线对称。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的微冲击测试设备，其中所述挠性弹簧为板簧、片簧和槽口弹簧。

7.根据权利要求1所述的微冲击测试设备，其中所述冲击头包括：

载荷元件，

芯棒，

载荷单元，和

击针尖，

其中所述载荷单元、载荷元件和击针尖通过所述芯棒相互连接，以使所述击针尖和所述芯棒沿所述线性线延伸。

8.根据权利要求7所述的微冲击测试设备，其中所述击针尖用于在冲击时将剪切力施加在所述微电子测试样品上。

9.根据权利要求7所述的微冲击测试设备，其中所述支撑部件具有通孔，所述芯棒延伸穿过所述通孔并且从所述通孔向外伸出，并由同轴安装在所述芯棒上的弹簧支撑在所述通孔中，其中所述弹簧的一端连接到所述支撑部件上，所述弹簧的另一端连接到所述芯棒上。

10.根据权利要求9所述的微冲击测试设备，还包括线性可变差动变压器传感器，其圆柱状围绕所述通孔并与所述通孔同轴地嵌入所述支撑部件中，以使所述芯棒至多与所述线性可变差动变压器传感器的内表面滑动接触。

11.根据权利要求9所述的微冲击测试设备，还包括速度控制块，其具有以可拆卸的方式连接到所述芯棒的从所述支撑部件的通孔向外伸出的部分的连接装置，以使所述冲击头预加载进入所述加载位置中。

12.根据权利要求11所述的微冲击测试设备，其中所述连接装置为机械螺钉、夹具或磁体。

13.根据权利要求11所述的微冲击测试设备，其中所述速度控制块通过引导元件而安装在所述支撑部件上，所述引导元件提供速度控制模块沿线性线的调节，由此调节所述冲击头的所述加载位置，从而调节所述冲击头的预加载。

14.根据权利要求1所述的微冲击测试设备，其中所述样品架包括显微镜或电荷耦合装置摄影机或其组合，和用于将测试样品沿X、Y和Z轴牢固地保持的夹持部件。

15.根据权利要求1所述的微冲击测试设备，还包括样品温度调节设备，用于使围绕所述样品的环境的温度从-40℃变化到100℃。

16.一种微冲击测试设备，用于测量其上受到冲击的微电子样品的冲击特性，所述设备包括：

样品架，用于容纳待测样品，和

冲击装置，包括：

冲击头，

支撑部件，

至少第一挠性弹簧，以其一端连接到所述支撑部件，以其另一端连接到所述冲击头的第一侧，和

至少第二挠性弹簧，至少基本与所述第一挠性弹簧相同，并且以其一端连接到所述支撑部件，以其另一端连接到所述冲击头的第二侧，所述冲击头的第二侧与其所述第一侧相对，由此所述冲击头可相对于所述挠性弹簧沿线性线在弹簧加载位置和冲击位置之间横向移动，并且

其中，所述样品架与所述冲击装置对准，以使所述样品布置在所述冲击头的所述冲击位置中，使所述冲击头能够在其从所述加载位置释放时沿所述线性线从其加载位置朝向其冲击位置移动后冲击在所述样品上。

17.根据权利要求16所述的微冲击测试设备，还包括附加的偶数个基本相同的挠性弹簧，其中所述偶数个挠性弹簧以与那些第一和第二挠性弹簧相同的方式连接到相应的元件上，以使相同数量的挠性弹簧连接到所述冲击头的每一侧上。

18.根据权利要求16或17所述的微冲击测试设备，其中在所述冲击头每一侧上的所述挠性弹簧以并排方式布置。

19.根据权利要求16或17所述的微冲击测试设备，其中当从所述冲击头的移动方向看时，在所述冲击头每一侧上的所述挠性弹簧以至少基本相互重叠的关系布置。

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