CN101451936A - 单焊球冲击测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种测试装置以及剪切测试方法。通过使用旋转驱动机构来驱动冲击头，对试件施加高速冲击荷载，以测试部件之间连接的抗剪强度。支撑机构使冲击头与试件的一部分对准以接收测试力，并阻止冲击头和试件中的至少一个进行相对运动。旋转驱动机构在冲击头和试件之间产生冲击力，以及测力传感器接收上述方式获得的力并提供相应输出。在一个实例中，测力传感器使用压电膜进行感应。这种测试可用于例如：为焊球提供稳定的冲击速度，并提供其应力与位移的关系曲线。通过离合器获得稳定的速度，以及通过压电膜进行应力数据收集。
Description
技术领域
[0003]本发明所披露的内容涉及测量和测试，更具体地，涉及对焊球(焊锡球)以及类似的结构例如球阵列的测试。
背景技术
[0005]球阵列(ball grid arrays，BGAs)广泛应用于电子封装技术中，因而BGAs与安装基底的封装强度在工业应用上极为重要。工业上使用称为“单球剪切测试”的测试方法，对于评估焊球质量提供了一种简单而有效的技术。然而，焊缝的低剪切速率测试得出的实验观察结果不能准确地用于预测在高应变速率下的焊缝开裂失效现象。这是因为焊缝的低剪切速率测试不能准确地预测高应变速率下的变形模式和开裂失效现象。当焊缝承受动态荷载时，由于应变速率的影响，经常发生脆性断裂，而这种脆性断裂在低应变速率剪切测试时不会发生。
[0006]所以，需要开发一种改进的测试方法，其能够评估部件的冲击强度特征，例如提供评估焊缝冲击强度特征的方法。对于需要极高可靠性的封装设计和制造过程来说，冲击强度特征至关重要。尤其对于无铅焊料在个人便携电子装置中的应用来说极为重要。
[0007]测试焊球的常规技术使用线性加速系统，以不同速度对焊球进行剪切。图1A和图1B示意性示出测试仪冲击头朝向焊球移动。如图1A和图1B所示，测试仪冲击头在直线方向移动相当长的一段距离。冲击头将以预定速度剪切焊球，导致焊球脱落(图1B)。图2是示出测量荷载及位移的曲线图。冲击时，记录力与位移的曲线，得到如图2所示的图表。可在冲击头支架处或基底(安装有焊球)的夹具处测量荷载。从图2的曲线中可观测到剪切阻力。
发明内容
[0008]通过一种装置对试件施加高速冲击荷载来进行测试，以测试部件与试件之间连接的抗剪强度。支撑机构使冲击头和试件的一部分之间对准以接收测试力，并阻止试件和冲击头中至少一个发生相对移动。旋转驱动机构使冲击头和试件之间相对运动，以在冲击头和试件之间产生冲击力，测力传感器接收到与所述冲击力成比例的力，并提供对应的输出。
附图说明
[0010]图1A和图1B是示出测试仪冲击头朝向焊球移动的示意图。
[0011]图2是示出测量荷载与位移关系的图表。
[0012]图3A和图3B是示出测试仪冲击头朝向焊球进行旋转运动的示意图，以提供旋转加速系统。
[0013]图4是示出旋转加速系统基本组件的图。
[0014]图5是示出测试仪冲击头与基底上焊球相接合的显微照片。
[0015]图6是示出测试仪配置的图。
[0016]图7是示出冲击系统和驱动机构的图。
[0017]图8是示出平台和采样系统的示意图。
[0018]图9是示出压电式传感器的电压与时间关系的曲线图。
[0019]图10是示出对玻璃试件进行测试时压电式传感器的电压与时间关系的曲线图。
[0020]图11、图12和图13是图示封装几何形状和具体信息的图。
[0021]图14A至图14D是以不同剪切速度进行测试时典型的焊球开裂表面的SEM显微照片。
[0022]图15是示出荷载-位移关系的曲线图。
[0023]图16是示出不同供应商的封装所获得的塑性断裂、转换状态断裂、脆性断裂的冲击反应。
具体实施方式
综述
[0026]对于便携式电子设备来说，在高应变冲击下必须具有良好的焊缝强度。对焊缝进行低剪切速率测试的实验结果不能准确地反映焊缝在高应变速率下的变形和开裂特性。
[0027]以非限定方式举例说明对焊球进行的测试。将测试装置设计成测试一个芯片内单个焊球的强度。测试装置能够对单个焊球提供稳定的冲击速度，同时获得单个焊球的力与位移关系曲线。可通过离合器获得稳定的速度，通过压电膜进行数据收集。焊球测试实例证实，这种测试装置能够获得短行程加速、可控的冲击动量，并能够提供准确的测量。
[0028]这种冲击测试技术可用于多种常规的产品可靠性测试(包括冲击或力的测量)。此技术可在短距离加速、可控的冲击速度，并能够提供精确的测量。
[0029]图3A和图3B示出测试仪冲击头311向熔接于基底317上的焊球315撞击的旋转运动，提供了一种旋转加速系统。旋转加速系统用于取代现有技术的线性加速系统，以对焊球进行剪切。图4示出旋转加速系统的基本组件。图4示出包括支撑表面415和夹具417的采样平台411。测试仪冲击头421由电机427控制，以沿圆形虚线431所示出的圆弧旋转。将试件基底441置于采样平台411上并由夹具417夹住。使冲击头421与试件基底441上的焊球445接合，如果冲击头421施加的力超过焊球445与基底441的熔接强度，焊球会被破坏而脱离。图5是示出测试仪冲击头与基底上焊球接合时的显微照片。
[0030]与使用常规线性加速系统的情况相比，使用旋转加速系统时，能够更精确地控制速度，并且加速的位移更短。加速位移越短，测试时影响到的焊球越少，由此能获得更多关于焊球的信息。
[0031]为了获得冲击数据，使用新的传感器—压电薄膜。这种传感器能够将压力转换成电压并输出，并且该传感器具有高采样率，对于向单个焊球施加高速冲击来说高采样率是必要的。与以前的传感器设计相比，这种设计在动态加载引起机械波动时所造成的振动影响较低。
[0032]同线性加速系统相比，通过使用这种测试方法，能测试更多的焊球。被测试焊球数量增加的部分原因是旋转加速系统的加速距离比线性加速系统的短得多。
配置
[0034]图6示出用于执行图4所示功能的测试仪600的配置。图6所示测试仪的主要组件包括四部分：
对准系统610，包括调整装置611、612、613；
冲击系统，包括支撑件621、冲击头623、电机625和离合器627；监测系统630；以及
平台和采样系统640，包括夹具641。
[0035]夹具641用于支撑试件(图6未示出；见图4中带焊球445的试件基底441)。夹具641用于对基底(图4中441)施加预紧荷载。预紧荷载允许在夹具641处测量力，在下文说明。
[0036]对准系统610上的调整装置611、612、613作为X-Y-Z工作台，为试件提供调整。X-Y-Z调整能够精确地定位平台和采样系统640，并且用于放置焊球使其与冲击头623对准。
冲击系统
[0038]冲击包括五个步骤：
步骤1：通过XYZ工作台610，将试件沿三个方向对准。
步骤2：调整落锤高度。
步骤3：对准后，冲击头623沿弧线旋转，远离单个焊球的正面。
这使冲击头623能够加速。
步骤4：冲击头623在与焊球接合之前加速到稳定的速度。
步骤5：焊球被冲击头623冲击。
[0039]为了完成上述冲击，需要使冲击头623具有所需的旋转冲击速度。将包括电机625和离合器627的加速系统设计成能够提供稳定的冲击速度。离合器的使用使得冲击头能够在短时间内具有一定的速度，并且还使驱动机构能够提供所需动量，而不会使电机受限于冲击头的弧线运动。在本实施例的配置中，冲击速度在0.3m/s到5m/s的范围内。
冲击驱动系统
[0041]图7示出冲击系统，其中有图6示出的支撑件621、冲击头623、电机625和离合器627，还示出了轴731、轴732、联轴器741和轴编码器751。
[0042]冲击头与焊球对准后，使电机625旋转，通过电机与联轴器741的连接来驱动轴732。离合器627包括三个离合器组件761、762、763。离合器组件761与轴731连接，离合器组件762与轴732连接。离合器组件763提供使离合器组件761和762接合的磁场，从而使轴731的速度快速达到轴732的速度。冲击头623随着轴731旋转并冲击焊球(图7未示出)。轴编码器751用于监测冲击头因与轴731连接而产生的旋转速度。
[0043]这种配置能够在短时间内获得很高的冲击速度。离合器627可以是上文所述的磁性离合器，离合器并不限制于这种具体实施方式，还可以是其他类型的离合器驱动系统，或其他类型的驱动系统，只要其能够使旋转速度快速升高并通过冲击头623提供稳定的冲击力即可。使用离合器能在保持驱动系统预设动量的同时快速获得旋转速度，并将预设动量传递给冲击头623。电动机625的运转通过离合器627提供足够的能量以获得较高的线速度。利用电动机625和离合器627，使用较短旋转臂的冲击头623能够获得较高的线速度。
[0044]因此，冲击系统适合于快速加速以进行抗剪强度测试，例如，对熔接到基底317上的焊球315进行剪切测试(图3)，这种测试还适合于其他类型的冲击测试。这种冲击系统也能应用于较小体积的物品的结合强度的测量。
采样系统
[0046]图8示意性示出与测试仪600(图6)结合使用的平台和采样系统640。平台和采样系统640包括由两个夹紧部811、812构成的夹具和压电传感器821。压电传感器821作用为测力传感器，其是一种测力传感器，作为非限定性的实例，压电传感器配置为压电膜传感器。传感器821置于包括基底831的试件830与夹紧部811之间。基底831上熔接有焊球835。夹紧部811、812对传感器821提供预紧荷载。在实施例的配置中，传感器821包括由高硬度的金属或陶瓷形成的力传递层851。力传递层851基本不吸收力，而是直接将荷载传递至压电膜852。由电荷放大器861收集压电膜852上因受力产生的电荷，以根据压电传感器821产生的电压读出结果。压电传感器821的优点是具有高采样率；然而，压电传感器821可以由具有相似特性的其他测力传感器来替代。
[0047]读取力时须考虑夹紧部811、812所施加的预紧力，因为夹紧力不属于施加于焊球835的力的一部分。夹具对试件施加预紧力，但不影响最终结果。因而，不必从测量到的总力结果中减去预紧力，这是因为压电材料对于静荷载所施加的稳定预紧力不敏感。仅动荷载能够使压电传感器821提供电荷；当然，在使用之前需要一些标定。
[0048]在实施例的配置中，压电传感器821由两个力传递层夹在中间，以及，对于两个力传递层传递给压电膜两个侧面上的压力所导致的双侧法向力，压电传感器821给予响应。因此，压电膜两侧上的所述压力能够产生电信号。施加于传感器821的压力是法向应力，其垂直于压电膜传感器。传感器821接收通过铜件和金属线传递给电荷放大器861的力，然后由示波器或计算机收集该力以进行分析。传感器821的输出与冲击头623施加的剪切力成线性比例关系。如上面所述的配置，为了改进传感器821的表面接触，在压电传感器821的两侧设置有力传递层。
[0049]图9是描述压电传感器821(图8)的电压和时间关系的曲线图。冲击发生时，冲击头623对焊球835提供高速荷载，因此焊球本身或将焊球835固定到基底831的焊缝会产生反作用力。夹紧部811、812保持基底831，使基底831不能移动，然而，夹紧部为传感器821传递力。因此，传感器821的输出信号能够反映试件830的实际的抵抗荷载。这种采样系统也能用于测量高速或高频力或压力。
[0050]本实施例配置示出在采样系统640处测量力，然而，也可在冲击机构处测量力。类似地，旋转运动可以通过冲击头623的旋转或试件830的旋转而获得。
[0051]除了力测量系统，还可设置用于观察测试中组件移动的监视和其他系统，如图6所示的摄像机630。
实验
[0053]如图9所示，选择一个晶片级的BGA试件进行测试。图10示出使用玻璃试件进行的测试。如图9所示，通过使用图6至图8所示的测试仪，由示波器显示荷载与时间的关系曲线。图9示出荷载随着位移的变化而改变。然后，如图10所示，将试件换成易碎材料玻璃。从图10可以看出，荷载在达到峰值后快速下降，如1011处所示。这是因为裂纹传播快于冲击速度，从而引起力的急剧下降。这两个实验示出采样系统的收集，反映了测试对象(如图8所示的焊球835)的抵抗荷载。
[0054]首先，通过传感器和示波器能得到荷载-时间的曲线。设想电机能量比焊缝强度高很多，因此，冲击时速度是连续的。结果，通过给定速度与时间相乘得到位移，或者，通过将速度对时间进行积分得到的位移。
[0055]在此研究中，使用四个厂家制造的六个晶片级封装进行焊缝强度测试。表1示出每个焊脚所用的封装技术和焊球的详细信息。焊球的合金为Sn-1Ag-0.5Cu(SAC105)和Sn-1.2Ag-0.5Cu-Ni(LF35)。
表1.实验材料
| 厂家 | 焊脚 | 晶圆级封装(WLP)技术 | 焊球成分 |
| 厂家1 | 焊脚1 | 双聚酰亚胺层 | SAC105 |
| 厂家2 | 焊脚1 | 双聚酰亚胺层 | SAC105 |
| 厂家3 | 焊脚1 | 铜面 | SAC105 |
| 厂家3 | 焊脚2 | 铜面 | LF35 |
| 厂家4 | 焊脚1 | 双聚酰亚胺层 | SAC105 |
| 厂家4 | 焊脚2 | 双聚酰亚胺层 | LF35 |
[0056]图11至图13图示封装几何形状和具体信息。表2给出了参数。
表2.芯片参数
| 参数 | 距离(μm) |
| A | 250 |
| B | 4400 |
| C | 4400 |
[0057]焊球的直径和高度分别为250μm和200μm。对这些试件进行静态和动态剪切测试。测试条件在表3中列出。在剪切测试后，使用扫描电子显微镜(SEM，JEOL 6300)和EDX(INCA)研究试件的破裂表面。
表3.测试参数
| 剪切测试方法 | 静态剪切测试 | 高速冲击测试 |
| 设备 | DAGE4000S | 实验用单球冲击测试仪 |
| 剪切速率 | 500μm/s | 0.5m/s；1.0m/s；1.5m/s；2.0m/s；2.5m/s；3.0m/s；3.5m/s；4.0m/s |
| 落锤高度 | 30μm | 30μm |
| 焊球成分 | SAC105，LF35 | SAC105，LF35 |
[0058]选择厂家1的焊脚1试件作为典型试件。图14A至图14D是剪切速度在500μm/s到3.0m/s范围内测试的典型焊球破裂表面的SEM显微照片。可以看出，应变速率对焊缝的断裂特性有显著影响。随着冲击速度增加，断裂模式从塑性断裂(剪切速度500μm/s至0.5m/s)改变为半塑性(剪切速度1.5m/s)，最后到脆性断裂(剪切速度3.0m/s)。能够判定不同速度下的断裂点处的最高应力和伸长的不同。图15中示出对应的荷载-位移曲线。注意，在500μm/s的低剪切速率下，测试在大约130μm的剪切位移后停止，因为此处是由其他的商业装置进行测试。
[0059]图16所示图表中对比了不同供应商的封装所获得塑性的、中间状态的和脆性的冲击反应。图中对比了焊球缝的破裂模式，即塑性断裂、转换状态断裂(半延展或半脆性)和脆性断裂。
[0060]通过检查在不同剪切冲击速度下获得的断裂界面，可以确定断裂开始和传播的方式。在低剪切速率下，当断裂模式为可延展的，裂纹沿着冲击头的移动方向开始并传播。然而，在高速下，界面裂纹发生，以及，随着金属互化物(IMC)生成引起开裂。
结论
[0062]应该理解，本发明说明书和附图给出的细节、材料、步骤和零件的布局仅为示例说明之用，本领域技术人员可以进行变化和更改，而不脱离本申请权利要求的范围。
Claims (22)
1.一种测试装置，用于对试件施加高速冲击荷载，以对部件与所述试件之间连接的抗剪强度进行测试，所述测试装置包括：
冲击头；
支撑机构，所述支撑机构使所述冲击头与所述试件的一部分对准，以使所述试件的一部分接收测试力，以及，所述支撑机构阻止所述冲击头和所述试件中至少一个的相对移动；
旋转驱动机构，其能够在所述冲击头和所述试件之间产生冲击力；以及
测力传感器，其接收与所述冲击力成比例的力，并提供对应的输出。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
所述旋转驱动机构包括电机-离合器布置，所述电机-离合器布置用于提供足够的旋转加速度，以通过旋转加速度来施加所述高速冲击荷载，在所述离合器接合之前，所述电机-离合器布置至少部分维持所产生的动量。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述旋转驱动机构施加足够的旋转加速度以获得至少为0.3m/s的冲击线速度。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述旋转驱动机构施加足够的旋转加速度以获得至少为5m/s的冲击线速度。
5.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
压电式测力传感器，其位于所述支撑机构和所述试件之间，并由所述支撑机构和所述试件夹紧，其中，所述压电传感器提供与所述冲击力成比例的电信号；以及
夹紧机构，其构造为容纳作为所述试件的基底，所述基底上装有焊球，从而，所述压电式测力传感器提供所述焊球强度的信息，以及提供所述焊球与所述基底之间焊缝强度的信息。
6.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
压电式测力传感器，其位于所述支撑机构和所述试件之间，并由所述支撑机构和所述试件夹紧，其中，所述压电传感器提供与所述冲击力成比例的电信号；以及
夹紧机构，其容纳支撑平台上的所述试件，所述夹紧机构还在所述压电式测力传感器上施加预加荷载。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述压电式测力传感器提供与所述冲击头施加的剪切力成比例的线性输出。
8.根据权利要求6所述的装置，其中：
所述压电式测力传感器包括两个力传递层和位于所述两个力传递层之间的压电传感层；
所述压电式测力传感器对通过所述两个力传递层传递到所述压电传感层两侧的压力导致的双侧法向力进行感应；以及
所述压电式测力传感器提供与所述冲击头施加的剪切力成线性比例的输出。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括：
电荷放大器和用于分析的力读取输出装置。
10.根据权利要求6所述的装置，其中所述压电式测力传感器包括压电膜传感器和一对分别位于所述压电膜传感器两侧的力传递层。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括：
测力传感器，其构造为提供与所述冲击力成比例的电信号，其中，
所述测力传感器提供与所述冲击头施加的剪切力成线性比例的输出。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括：
压电式测力传感器，其位于所述支撑机构和所述试件之间，并由所述支撑机构和所述试件夹紧，其中，所述压电式测力传感器提供与所述冲击力成比例的电信号，其中，
所述压电式测力传感器提供与所述冲击头施加的剪切力成线性比例的输出。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述压电式测力传感器包括压电膜传感器以及一对分别位于所述压电膜传感器两侧的力传递层。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述冲击头直接施加力，以对较小的测试对象进行剪切。
15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述冲击头直接施加力，以对焊球进行剪切。
16.一种剪切测试方法，用于通过对试件施加高速冲击荷载，对部件与所述试件的至少一部分之间连接的抗剪强度进行测试，所述方法包括：
提供冲击头；
通过支撑机构安装所述试件，使所述冲击头与所述试件的一部分对准，从而所述试件与所述冲击头处于能够发生冲击的关系以接收测试力，以及，所述支撑机构阻止所述冲击头与所述试件中至少一个的相对运动；
使所述冲击头和所述试件中的一个进行旋转运动，从而通过所述部件在所述冲击头与所述试件之间产生冲击力；
使用测力传感器接收与所述冲击力成比例的力，并提供对应的输出以测量所述冲击力。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
通过将离合器与电机驱动器接合，施加旋转运动，从而提供足够的旋转加速度，以通过旋转加速度施加所述高速冲击荷载，同时，在所述离合器接合之前至少部分保持所产生的动量。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
容纳作为所述试件的基底，所述基底上安装有焊球，从而所述测力传感器提供所述焊球强度的信息，以及提供所述焊球与所述基底之间焊缝强度的信息。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
使用压电式测力传感器作为所述测力传感器，所述压电式测力传感器位于所述支撑机构和所述试件之间，并由所述支撑机构和所述试件夹紧，其中，所述压电式测力传感器提供与所述冲击力成比例的电信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述压电式测力传感器在使用之前由其他装置进行标定，以确定电信号与冲击力的比例关系。
21.一种测试装置，用于对试件施加高速冲击荷载，以对部件与所述试件之间连接的抗剪强度进行测试，所述测试装置包括：
冲击接触装置；
试件安装装置，通过支撑机构安装所述试件，使所述冲击接触装置与所述试件的一部分对准，从而所述试件与所述冲击接触装置处于能够发生冲击的关系以接收测试力，以及，所述支撑机构阻止所述冲击头与所述试件中至少一个的相对运动；
旋转驱动装置，通过施加短距离加速和可控的冲击动量，对所述冲击接触装置和所述试件中的一个施加旋转运动，从而通过所述部件在所述冲击接触装置与所述试件之间产生冲击力；以及
力测量装置，用于提供相应的输出以测量所述冲击力。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，
所述试件包括安装有焊球的基底，以及，所述力测量装置用于提供所述焊球强度的信息，以及提供所述焊球与所述基底之间焊缝强度的信息。
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