CN102042938A - 一种微小金属丝/球可变形性的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小金属丝/球可变形性的测量装置，主要包括线夹、振幅杆、键合工具、键合平台和底座，底座上设有连接杆，线夹及振幅杆连接固定在连接杆上，底座上固定有键合平台，振幅杆的一端夹有键合工具，振幅杆的另一端安装有光栅尺，线夹上设有力传感器。一种微小金属丝/球可变形性的测量方法，键合工具向下运动直至金属材料与键合平台相接触，记录此时键合工具的位置z1；然后对金属材料施加指定变形载荷后，记录金属材料变形后的键合工具位置z2；计算出金属材料在特定变形载荷作用下所发生的塑性变形量，本发明有益的效果是：本发明通过测量装置对金属材料进行测量，然后进行可变形性能比较，执行速度快，分辨力高。
Description
技术领域
本发明主要涉及材料性能的检测领域，主要是一种微小金属丝/球可变形性的测量装置及方法。
背景技术
金丝球焊技术满足了上世纪90年代封装工艺的要求并得到了迅速发展与广泛应用。随着在高密度封装中遇到的困难以及微电子行业对利润的不断追逐，研究人员开始使用工艺性能更好、价格更为低廉的铜来代替金。铜所拥有的优良电学、热学、机械性能以及低成本等优点使得用铜丝替代传统金丝用于引线键合成为半导体封装工艺发展的新方向。然而由于铜丝以及铜球硬度更高，可变形性能相对较差，丝球键合过程中硅芯片容易出现损伤。为解决以上问题，新型铜丝开发人员采用调整铜丝化学成分以及制造工艺的方法来提高铜丝以及相对应铜球的可变形性能。开发过程中需要对铜丝样品及其它们经过烧球工艺后得到的铜球进行基本性能测试获得反馈信息。采用传统方法如拉伸试验、显微硬度试验进行测试费工费时，试验周期长。另外铜丝以及铜球尺寸小，仅为数十微米，在试样制备过程中人为干扰因素多，试验数据偏差大，测量精度差。再加上显微硬度测试法本身原理性的缺陷，压痕尺度效应明显，试验效果并不理想。铜丝以及铜球可变形性能测试比较已经成为铜丝快速研发的瓶颈。为缩短新铜丝的研发周期，铜丝研发人员急需一种能够在短时间内对铜丝样品以及它们所对应的铜球可变形性进行考察的新方法。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种可快速得到结果，更直观的微小金属丝/球可变形性的测量装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种微小金属丝/球可变形性的测量装置，主要包括线夹、振幅杆、键合工具、键合平台和底座，底座上设有连接杆，线夹及振幅杆连接固定在连接杆上，底座上固定有键合平台，振幅杆的一端夹有键合工具，键合工具与键合平台相对应，振幅杆的另一端安装有光栅尺，线夹上设有力传感器，力传感器位于振幅杆的上部。
所述线夹及振幅杆通过铰链与连接杆连接固定，线夹和振幅杆可沿铰合点摆动。
这种微小金属丝/球可变形性的测量方法，将待测的金属材料夹在键合工具内，键合工具向下运动直至金属材料与键合平台相接触，记录此时键合工具的位置z1；然后对金属材料施加指定变形载荷后，迫使金属材料发生塑性变形，撤销变形载荷后，金属材料弹性变形得以回复，记录金属材料变形后的键合工具位置z2；根据这两个位置数据，计算出金属材料在特定变形载荷作用下所发生的塑性变形量，通过比较不同金属材料的塑性变形量来比较金属材料的可变形性。
所述金属材料与键合平台相接触通过力传感器的感应信号来实现。
所述键合工具位置z2是通过光栅尺记录。
所述施加指定变形载荷通过力传感器的信号数据来实现。
所述计算塑性变形量的公式为：
其中DF为金属材料在指定变形载荷F下的可变形性系数，D金属丝/金属球为金属材料的初始直径。
本发明有益的效果是：本发明通过微小金属丝/球可变形性的测量装置对金属材料进行测量，然后进行可变形性能比较，通过此测量装置来进行测量的方法可以在数小时内完成10种金属丝样品的测量，执行速度快，分辨力高，能迅速给科研人员提供可靠反馈信息，对可变形性能进行比较评估。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明可变性能比较测量原理图；
图3是本发明测量方法的流程示意图。
附图标记说明：线夹1，力传感器2，键合工具3，键合平台4，振幅杆5，铰链6，连接杆7，光栅尺8，金属材料9，底座10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，这种微小金属丝/球可变形性的测量装置，主要包括线夹1、振幅杆5、键合工具3、键合平台4和底座10，线夹1采用刚性材料制成，以保证在受小载荷时不发生变形，振幅杆5具有一定的柔性，受小载荷后可发生纯弹性变形，底座10上设有连接杆7，线夹1及振幅杆5通过铰链6与连接杆7连接固定，线夹1和振幅杆5可沿铰合点摆动，底座10上固定有键合平台4，键合平台4通过机械压紧的方式固定在底座10上，振幅杆5的一端夹有键合工具3，并保持位置固定，键合工具3与键合平台4相对应，键合工具3中夹有待测的金属材料9，振幅杆5的另一端安装有光栅尺8，光栅尺8的测量精度为亚微米级，能够满足微米尺度场合下的位移测量应用，光栅尺8主要用于振幅杆5在z方向上的位移变化测量。线夹1上设有力传感器2，力传感器2位于振幅杆5的上部。
压迫变形过程中，变形压力促使振幅杆5发生摆动，并带动键合工具3在键合平台4上压迫金属材料9发生弹、塑性变形，随后，键合工具3上的变形压力将撤销，金属材料9上的弹性变形得到回复。通过光栅尺8测量键合工具3在z方向上的位移变化，即变形前后的位置变化。由于金属丝或金属球在变形过程中始终与键合工具3紧密接触，因此金属材料9的变形情况可以通过键合工具3在z方向上的位移变化间接反映出来。而线夹1上固定安置的力传感器2主要用来监测压迫变形过程中所使用的实际变形压力。对振幅杆5施加载荷时，线夹1保持位置不变，而振幅杆5会因受力而发生弹性变形，振幅杆5与线夹1上的力传感器2的相对位置发生变化，力传感器2将相对位置变化信号按一定的计算方法换算成力学信号并通过终端输出。通过光栅尺8记录金属材料9变形前后的位移变化，通过力传感器2测量实际变形载荷，因此可以计算出在特定载荷下金属丝或金属球所发生的变形量。
如图2中所示，左侧的是硬球，可变性差；右侧是软球，可变性好；金属丝或金属球变形量的大小与变形载荷大小以及自身的可变形性相关。针对不同金属丝或金属球样品采用相同的变形载荷，因此可变形性好的金属丝或金属球将更容易变形，变形后的丝高或球高更小。
如图3所示，这种微小金属丝/球可变形性的测量方法，将待测的金属材料9夹在键合工具3内，键合工具3向下运动直至金属材料9与键合平台4相接触，记录此时键合工具3的位置z1，金属材料9与键合平台4相接触通过力传感器2的感应信号来实现；然后对金属材料9施加指定变形载荷后，迫使金属材料9发生塑性变形，施加的指定变形载荷通过力传感器2的信号数据来实现，以保证在同一测量条件下进行，撤销变形载荷后，金属材料9弹性变形得以回复，通过光栅尺8记录金属材料9变形后的键合工具3位置z2；根据这两个位置数据，计算出金属材料9在特定变形载荷作用下所发生的塑性变形量，通过比较不同金属材料9的塑性变形量来比较金属材料9的可变形性，用以下公式来表示金属丝或球在特定变形载荷下所具有的可变形能力：
其中DF为金属材料在指定变形载荷F下的可变形性系数，D金属丝/金属球为金属材料的初始直径。
通过以上方法可以将不同的金属丝样品以及它们所对应的金属球在同等变形条件下进行可变形性测试，比较它们的可变形性系数DF就可以迅速发现谁具有较高的可变形能力，并可以将所有样品的可变形性进行排序，实现快速准确比较不同样品可变形性的目的。
除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种微小金属丝/球可变形性的测量装置，主要包括线夹(1)、振幅杆(5)、键合工具(3)、键合平台(4)和底座(10)，其特征在于：底座(10)上设有连接杆(7)，线夹(1)及振幅杆(7)连接固定在连接杆(7)上，底座(10)上固定有键合平台(4)，振幅杆(5)的一端夹有键合工具(3)，键合工具(3)与键合平台(4)相对应，振幅杆(5)的另一端安装有光栅尺(8)，线夹(1)上设有力传感器(2)，力传感器(2)位于振幅杆(5)的上部。
2.根据权利要求1所述的微小金属丝/球可变形性的测量装置，其特征是：所述线夹(1)及振幅杆(5)通过铰链(6)与连接杆(7)连接固定，线夹(1)和振幅杆(5)可沿铰合点摆动。
3.根据权利要求1所述的微小金属丝/球可变形性的测量装置，其特征是：所述键合工具(3)中夹有待测的金属材料(9)。
4.根据权利要求1所述的微小金属丝/球可变形性的测量装置，其特征是：所述键合平台(4)通过机械压紧的方式固定在底座(10)上。
5.一种微小金属丝/球可变形性的测量方法，其特征是：将待测的金属材料(9)夹在键合工具(3)内，键合工具(3)向下运动直至金属材料(9)与键合平台(4)相接触，记录此时键合工具(3)的位置z1；然后对金属材料(9)施加指定变形载荷后，迫使金属材料(9)发生塑性变形，撤销变形载荷后，金属材料(9)弹性变形得以回复，记录金属材料(9)变形后的键合工具位置z2；根据这两个位置数据，计算出金属材料(9)在特定变形载荷作用下所发生的塑性变形量，通过比较不同金属材料(9)的塑性变形量来比较金属材料的可变形性。
6.根据权利要求5所述的微小金属丝/球可变形性的测量方法，其特征是：所述金属材料(9)与键合平台(4)相接触通过力传感器(2)的感应信号来实现。
7.根据权利要求5所述的微小金属丝/球可变形性的测量方法，其特征是：所述键合工具(3)位置z2是通过光栅尺记录。
8.根据权利要求5所述的微小金属丝/球可变形性的测量方法，其特征是：所述施加指定变形载荷通过力传感器(2)的信号数据来实现。
9.根据权利要求5所述的微小金属丝/球可变形性的测量方法，其特征是：所述计算塑性变形量的公式为：
其中DF为金属材料(9)在指定变形载荷F下的可变形性系数，D金属丝/金属球为金属材料(9)的初始直径。
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