CN101400983A - 牵引测试校准装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置和方法，允许对用于测试电粘结沉积物的机械强度的牵引测试装置进行绝对和相对校准。本发明提供可通过铁砧(17)转位的诸如金属丝(11)的测试样本的可重复断裂。通过诸如辊子(13)的低摩擦支撑件约束测试工具(12)从牵引轴线的运动。支持物(14)限定了起始位置。测试工具面向测试样本移动以使测试样本断裂。提供一种测量装置，以测量使测试样本断裂所必需的作用力。

Description

牵引测试校准装置和方法
技术领域
本发明涉及一种校准用于测试电子设备的微型导电键合(bond)的强度的牵引测试装置的方法。
背景技术
用于诸如移动电话的电子设备的基片，典型地限定了用于连接其电子元件的电子路径。在微型装置中，经由钎焊或者焊接制成到基片的电连接，并且为此目的，例如焊料的导电球在所述元件上形成并且当组装到配合基片时回流或者焊接。
典型地，元件可以在5-50mm的范围内并且其上具有焊球。这种元件经常称为BGA(球栅阵列)。这些球具有低圆顶或者压扁球体的外观，并且具有在0.1-1.0mm范围内的直径。
有必要测试焊球和基片之间的键合的机械强度，以便确信生产粘结方法适当，并且粘结强度足够。一种测试通过夹持和牵引向焊球施加拉伸载荷。在使用中，随着逐渐变形直至焊球脱离，强粘结将导致焊球的延性破坏；在这种破坏模式中，焊球的一部分保持附着到基片。弱粘结典型地将展现出脆性破坏并且从基片撕裂，仅留下很少的残余附着于其上。
尺寸非常小的球，以及探测到的低作用力已经导致了对专用测试设备的开发。
特别地，已经开发出具有钳夹(jaw)以夹持焊球以便施加拉伸载荷的装置。通过使用特殊的低摩擦技术和敏感测量设备探测到非常低的作用力。
已知的牵引测试装置是可从英国Aylesbury的Dage PrecisionIndustries有限公司获得的型号4000系列机器。该装置包括具有支撑表面和能够相对于该支撑表面以受控方式移动的测试头的机器。测试头承载待执行的测试专用的并且在其上具有几个可互换夹持工具中的一个的夹头(cartridge)。在美国专利6,301,971中示出了这种夹头的实例。典型地，将确定工具的尺寸和/或形状以适合待测试的球沉积物。在使用中，在执行所需测试之前，将待测试的基片附接到支撑表面，并且将工具安装在夹头中并且定位以夹持球沉积物。典型地，工具相对于静止沉积物移动。
将会理解，典型的夹持工具非常小，并且因此夹头具有其上安装有一个或者多个测力计(例如应变计)的柔性元件。因此，通过夹头的柔性元件中的偏转在一定距离处测量工具和球沉积物之间的牵引作用力。
在牵引测试装置中的一个困难在于能够比较性能和/或能够对照已知的且可重复的标准来校准作用力测量设备。因为焊球的粘结方法不能以绝对的保证重复，需要一些其它的技术。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种比较方法，用于确定牵引测试装置的性能并且包括以下步骤：
确定牵引测试装置的牵引轴线，
将具有垂直于所述轴线并且面向牵引方向的支承面的测试工具装配到所述装置中；
邻近所述支承面的边缘提供相对固定的元件，所述元件在其中具有孔，所述孔具有垂直于所述牵引轴线的纵向轴线；
穿过所述孔插入诸如金属丝的密配合测试样本，以在测试工具侧上从那里凸出；
逆着趋于引起从所述轴线错位的作用力，以低摩擦方式支撑所述工具；
通过测试工具在所述轴线上的运动，利用所述支承面来使所述金属丝断裂；并且
测量使所述金属丝断裂所需的断裂作用力。
这种装置允许通过使金属丝断裂来模拟牵引测试。通常来说，以非常一致的材料含量、形状和尺寸挤出金属丝，而且，如果使用焊丝，则它能够近似地复制焊球的材料。工具应该布置成使靠近孔口的金属丝断裂，金属丝从所述孔口凸出，以便最小化金属丝弯曲；然而应该避免在工具和固定元件之间的接触，因为任何摩擦作用力将掩盖所测得的断裂作用力。
因此，本发明允许参考一致的测试材料即具有已知组分和尺寸的挤出金属丝来确定的相对标准，和在具有与在使用中反复测试的导电球相同的材料的测试金属丝的情况下来确定的绝对标准。在其中相同的金属丝组分不可知的情况下，使用具有类似材料的金属丝足以给出接近于绝对标准的结果。通常能够广泛地获得有关金属丝的物理和材料性质的信息，使得便于校准成绝对数值。
这种比较方法可以是一致的且可重复。通过对金属丝通过所述孔进行转位(indexing)，能够多次重复相同的测试。每次需要时，牵引测试装置能够校准并且再次校准，以便确信所探测到的作用力是准确的。
另外，能够比较两个名义上相同的牵引测试装置的性能，以便允许待记录或者待调节的任何变化。
在一种改进中，测试工具可以加速成与凸出的金属丝接触，以便模拟冲击测试。为此目的，所述方法可以包括在所述牵引轴线上提供支持物(rest)用于在执行测试之前邻靠所述工具的步骤。所述方法还可包括相对于所述金属丝的位置调节所述支持物的步骤。所述步骤还可用来正好在金属丝孔的远端定位支承面。
在另外的改进中，所述方法包括选择具有与用于牵引测试的传统钳夹装置基本相同质量的测试工具的步骤。这种改进保证由所述工具和所述钳夹装置施加类似的惯性载荷。
根据第二方面，本发明提供了一种设备，用于对牵引测试装置进行比较测试，所述牵引测试装置具有表示由此施加的牵引作用力的输出，所述设备包括具有穿过其中的孔的铁砧，所述孔被选择用于诸如金属丝测试样本的紧密滑动配合，适于在牵引测试装置上安装并且具有支承面的测试工具，以及低摩擦支撑构件，用于约束所述测试工具在所述牵引轴线上的运动，由此所述工具在所述轴线上的运动引起所述支承面使从所述孔凸出的金属丝断裂，所述设备包括用于测量使所述金属丝断裂所需的作用力的构件。
在优选实施例中，所述铁砧具有平行于所述轴线并且在使用中金属丝从其突出的凸出面。所述低摩擦支撑构件可以包括抵靠所述工具的一个或者多个侧面的一个或者多个辊子。所述支承面优选在紧邻所述凸出面的垂直边缘处终止。
所述设备还可设置有工具支持物，优选为可调节支持物，具有在所述轴线上并且与之垂直的支撑表面，并且与所述支承面面向相同方向。这种支持物提供起始位置，所述工具从该位置处与金属丝形成接触。所述起始位置可以远离所述孔，以允许工具加速用于冲击测试。
附图说明
从优选实施例的下列描述，其它特征将会明显，所述优选实施例仅以实例的方式在附图中示出，其中：
图1是处于停止状态中的根据本发明的测试设备的示意性侧视图；
图2示出测试正在进行中的图1的设备；
图3是根据本发明的测试设备的透视图。
具体实施方式
参考图1，以虚轮廓线示意性地表示牵引轴10，例如在美国专利6，301,971中所示的测试夹头，或者测试头。夹头10的精确形式是不重要的，除了它包括用于探测作为测试工具由夹头在其上施加的牵引作用力的构件。典型的测试工具具有适于在测试样本上闭合的钳夹或者夹持器，使得能够沿着箭头A的方向施加牵引作用力。作用力测量可以例如通过具有电输出的应变计。这种测试夹头要求对照标准进行校准，并且本发明提供进行这种校准的构件。
本发明提供一种可替代测试工具12，其代替夹持器并且具有垂直于牵引轴线的支承面15。底板16具有在其上安装并且包括孔的铁砧17，所述孔具有基本恒定的直径，具有垂直于牵引轴线的纵向轴线，金属丝11能够穿过所述孔。金属丝紧密配合到所述孔，以便从而能够通过所述孔自由地移动，但是不具有过多的侧向窜动(play)。
螺钉14拧入底板16中，以提供构成用于测试工具的下支撑的支持物14。螺钉14能够上下调节，以设置支持物的位置。
通过如所示的在工具12的侧面上行进，辊子13提供低摩擦的侧向支撑。如果期望或者有必要，则可以在其它平面中设置类似的辊子以保证侧向稳定性，并且能够提供用于例如通过在工具的狭槽中行进轮子来防止所述工具围绕牵引轴线的弧形运动的构件。通常，与功能相称的最小支撑是足够的，以便将摩擦降至最小。将会理解，张力测试具有优良的固有侧向稳定性。
图2示出在操作中的牵引测试。金属丝11穿过铁砧17转位，并且被处于向上运动B中的工具断裂，使得部分18脱离。通过穿过孔转位金属丝的新的部分，可以重复进行测试。由于金属丝的一致性特征，这种比较测试的结果是非常可重复的，并且可以根据金属丝的已知物理性质来与所测量作用力的绝对数值相关。
将会理解，通过更替铁砧17，测试设备适用于不同规格的金属丝以及不同直径的金属丝。
特别地在焊料方面，所述测试金属丝能够具有与焊球完全相同的组分。
为了保证测试工具尽可能接近地复制夹持工具，优选的是它们均具有基本相同的质量。
所述设备适用于基本静态的测试，由此在于测试工具上施加稳态牵引之前支承面处于或者面向金属丝表面。
可替代地，动态测试可以允许支承面加速一段距离以与金属丝接触，该段距离由支持物14的位置确定。沿着牵引方向驱动测试工具的构件当然是可调节的，以保证期望的加速度和/或终端速度，并且提供这种驱动的构件是常规的，例如，如可在铣床中发现的三轴线机床驱动器。因此在使用中，测试工具从由可调节支持物14的位置确定的起始位置面向金属丝加速，根据工具的加速度以及支持物和金属丝之间的距离确定终端速度。能够经由在机床中发现的那类常规的位移传感器技术来确定测试工具的坐标，并且从坐标相对于在任何常规的计算机处理器中发现那类的电子时钟的改变来确定速度/加速度特性。
如将要说明的，可以侧向地调节辊子13的位置以控制支承面15的接触边缘和铁砧17的凸出面19之间的距离。
图3以透视图示出了根据本发明的测试设备的典型实施例。示出了相应的X、Y和Z轴。
底板21具有围绕可根据要求在Z轴线上移动的测试工具23以三角形结构在其上形成或者安装的三个支撑块22。每一个块22为圆柱形辊子支撑件24a、24b、24c沿着X方向限定了通道，并且利用相应的埋头螺钉25锁定每一个支撑件的凸出。
临近工具23的支撑件24的端部开有狭槽，并且沿着Z轴线排列。如所示的，在每个狭槽26中，辊子27可绕Y轴线旋转。
如将要进一步说明的，在使用中轴向调节支撑件24，使得相应的辊子抵靠在测试工具上，以限制其除了沿Z方向之外的运动。
图1和2所示的那类铁砧31也安装在底板21上，并且金属丝28通过它凸出。提供了推进金属丝28的构件，但未示出。
测试工具23包括板，所述板具有用于经由安装孔29附接到测试夹头的向上定向的臂，以及用于接触金属丝28的凸出部分的支承面30。支承面30可以由可附接的元件构成，在此情况下，能够用可替代的支承轮廓代替。靠近铁砧的支承面的边缘限定了金属丝断裂平面。
在使用中，轴向调节并且锁定辊子支撑件24a，以使测试工具23与铁砧的前表面保持所希望的间隔。选择这种间隔以保证测试的可重复性并且避免测试工具23在铁砧31上打滑的风险。
然后轴向调节两个辊子支撑件24b、24c，以抵靠测试工具23的相对侧，如所示的，并且锁定以便阻止测试工具围绕Z轴线的弧形运动。
如所示的，支撑件24b、24c布置在支撑件24a的轴线的任一侧上，但是其它位置也是与防止这种弧形运动相衬的。调节所述支撑件允许辊子27轻微地抵靠测试工具上，以将摩擦降至最小同时消除不必要的自由窜动。
在使用中，测试工具到测试夹头的连接沿着X轴线不是刚性的，以便保证支撑件24a的调节并不施加摩擦载荷。
贯穿该申请，参考了经由焊球制成的电连接以及这种焊球的粘结强度的测试。然而将会理解，其它的导电材料可以用来形成适于在附接配合元件时回流或者焊接的球。如果能够以适当的金属丝形式，则本发明的方法和设备可特别适用于这种其它材料，但是不同材料的金属丝在提供标准以校准和检查测试夹头的校准的上仍是有用的。另外，所述测试设备能够与除了金属丝之外的测试样本一起使用。
应该理解，本发明不限于在此描述的实施例，并且能够在所附权利要求的精神和范围内做出对于本技术领域技术人员而言明显的改变。

Claims (21)

1.一种用于确定牵引测试装置的性能的方法，包括以下步骤：
确定牵引测试装置的牵引轴线，
将具有面向牵引方向的支承面的测试工具装配到所述装置；
邻近所述面的边缘提供相对固定的元件，所述元件在其中具有通孔，所述通孔具有垂直于所述牵引轴线的纵向轴线；
通过所述孔插入密配合测试样本，以在测试工具侧上从所述孔凸出；
逆着趋于引起从所述轴线错位的作用力，以低摩擦方式支撑所述工具；
通过测试工具在所述轴线上的运动，利用所述支承面使所述测试样本断裂；以及
测量使所述测试样本断裂所必需的作用力。
2.根据权利要求1所述的方法，并且包括在执行测试样本断裂步骤之前移动所述工具使之与所述测试样本接触的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，并且包括加速所述工具进入所述测试样本中以引起其断裂的步骤。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，并且包括在所述测试样本断裂步骤之前在距所述测试样本一定距离处在支承上支撑所述工具，以便防止沿着与牵引方向相反的方向的运动的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，并且包括在所述测试样本断裂步骤之前调节所述支承，以获得所述工具和测试样本的所需间隔的步骤。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述测试装置包括适于夹持并且牵引电子元件的导电球沉积物的牵引测试夹持器，所述方法包括用具有基本相同质量的测试工具替代所述夹持器的步骤。
7.根据权利要求1-6所述的方法，并且包括在从垂直于所述轴线的所述孔的孔口预定距离处设置所述边缘的另外的步骤。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，并且包括选择金属丝的测试样本的步骤。
9.一种设备，用于对牵引测试装置(10)进行比较测试，所述牵引测试装置具有表示由此施加的牵引作用力的输出，所述设备包括具有通过其中的孔的铁砧(17)，所述孔被选择用于测试样本(11)的紧密滑动配合，适于在牵引测试装置(10)上安装并且具有支承面(15)的测试工具(12，23)，以及低摩擦支撑件(13，24)，用于约束所述测试工具(12)在所述轴线上的运动，由此所述工具(12)在所述轴线上的运动引起所述支承面(15)使从所述孔凸出的测试样本断裂，以及用于测量使所述测试样本断裂所需的作用力的测量装置。
10.根据权利要求9所述的设备，并且还包括用于所述支承面(15，130)并且适于在预定测试样本凸出处保证测试样本剪切的设置装置(22，24，25)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述低摩擦支撑件(24a)包括所述设置装置(22，24，25)。
12.根据权利要求9-11中任意一项所述的设备，其中所述铁砧(17)具有平行于所述轴线并且在使用中所述测试样本从其凸出的凸出面。
13.根据权利要求9-12中任意一项所述的设备，其中所述低摩擦支撑件(24)适于防止所述测试工具围绕所述牵引测试轴线的弧形运动。
14.根据权利要求9-13中任意一项所述的设备，其中所述低摩擦支撑件(24)包括抵靠所述测试工具(23)的一个或者多个侧面的一个或者多个辊子(27)。
15.根据权利要求14所述的设备，并且具有能够绕平行轴线旋转的多个辊子(27)。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述平行轴线垂直于所述牵引测试轴线。
17.根据权利要求15或者16所述的设备，其中所述辊子(27)抵靠所述测试工具(23)的相对侧面。
18.根据权利要求9-17中任意一项所述的设备，并且还包括用于所述工具(12)的工具支持物(14)，所述支持物(14)基本垂直于所述牵引测试轴线并且限定用于所述工具(12)的起始位置。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述工具支持物(14)限定用于所述工具(12)的支承表面，所述表面布置成在使用中限定所述支承面(15)和所述测试样本之间的固定距离。
20.根据权利要求18或者19所述的设备，其中所述工具支持物(14)能够在所述牵引测试轴线上调节，以便改变所述工具(12)的停止位置。
21.根据权利要求9-20中任意一项所述的设备，其中所述孔被选择用于金属丝的紧密滑动配合。
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