CN103364282A - 软钎料合金蠕变性能的测试方法和该方法所用的测试装置 - Google Patents

Abstract

一种软钎料合金蠕变性能的测试方法和该方法所用的测试装置，属于钎焊材料测试技术领域。包括以下步骤：A）制取焊点试样，将取样的被测软钎料钎焊于金属焊盘在测试状态下朝向上的一侧，得到焊点试样；B）测试，由加载机构在对应于焊点试样的上方并且在与焊点试样相接触的状态下对焊点试样加载恒定的压力，同时由设定温度的恒温风枪对焊点试样加热，在该过程中，由激光位移传感器实时记录焊点试样在垂直方向上的蠕变量，从而获知软钎料合金蠕变性能。显著缩短测试之前的被测试样的制作时间；焊点试样的蠕变量可由激光位移传感器实时记录；结构简练并且操作方便，显著提高测试效率。

Description

软钎料合金蠕变性能的测试方法和该方法所用的测试装置

技术领域

本发明属于钎焊材料测试技术领域，具体涉及一种软钎料合金蠕变性能的测试方法，并且还涉及该方法所用的测试装置。

背景技术

软钎料合金蠕变性能的评价一直是电子封装领域研究的热点和重点，近年来广泛应用于软钎料合金蠕变性能的方法有剪切法和压痕法，如北京工业大学的陈志刚在其博士论文《SnAgCuRE钎焊接头蠕变行为的研究》的第四章(54页～86页)详细叙述了该方法，评价了SnAgCuRE钎焊接头的蠕变性能，在该方法中首先用铜基板和钎料膏制成微型搭接接头，然后在基板两端施加恒定载荷，观测在不同载荷下接头的蠕变速率，然后，在不同温度下重复实验，观测蠕变速率。马鑫等人则提出了纳米压痕法测试蠕变性能的方法，该方法中利用保载阶段中硬度与压痕下压速率的关系，得到了软钎料合金的应力敏感指数，并利用该方法评价了多种软钎料的蠕变性能，该方法最先刊登在2003年的《Applied PhysicsLetters》第82卷第2期188页～190页。

虽然这些方法都能对软钎料的蠕变性能进行测试并且作出相应的评价结果，但是也存在诸多弊端，例如在利用剪切法进行蠕变性能测试时首先需要制作微型搭接接头，再用显微镜观察接头的变形，之后利用软件对变形量进行测量，这些过程不仅耗费大量时间，而且在变形量测量时也会存在较大的误差。而在利用纳米压痕法进行蠕变性能的测试时，需要试样表面非常光滑，制作试样困难，此外纳米压痕仪价格昂贵。这些都制约了对软钎料蠕变性能的评价。鉴于目前国内尚无标准规定软钎料蠕变性能的评价方法，为此本申请人作了有益的探索，终于形成了下面将要介绍的技术方案。

发明内容

本发明的任务在于提供一种软钎料合金蠕变性能的测试方法，该方法无需制作复杂的软钎料被测试样、无需依赖复杂的并且价格昂贵的仪器设备以及有助于提高测试效率。

本发明的另一任务在于提供一种软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，该测试装置结构简练、操作方便并且能够保障所述测试效率。

本发明的任务是这样来完成的，一种软钎料合金蠕变性能的测试方法，包括以下步骤：

A）制取焊点试样，将取样的被测软钎料钎焊于金属焊盘在测试状态下朝向上的一侧，得到焊点试样；

B）测试，由加载机构在对应于焊点试样的上方并且在与焊点试样相接触的状态下对焊点试样加载恒定的压力，同时由设定温度的恒温风枪对焊点试样加热，在该过程中，由激光位移传感器实时记录焊点试样在垂直方向上的蠕变量，从而获知软钎料合金蠕变性能。

在本发明的一个具体的实施例中，步骤A）的焊点试样的形状呈半球形，并且该焊点试样的高度与所述金属焊盘的直径之间的关系满足0.9≤2H/D≤1.1，其中：H表示焊点试样的高度，D表示金属焊盘的直径。

在本发明的另一个具体的实施例中，步骤B）中所述的加载机构与所述焊点试样相接触的端面的面积为18-20mm²。

在本发明的又一个具体的实施例中，步骤B）中所述的恒温风枪的调节温度为50-300℃。

在本发明的再一个具体的实施例中，步骤B）中所述的加载恒定的压力为加载0.5-10N的压力。

本发明的另一任务是这样来完成的，一种软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，包括一底座，在该底座上并且在使用状态下朝向上的一侧固定有一凸起于底座的表面的一测试台，并且在底座上还以垂直状态固定有一立柱，该立柱对应于测试台的一侧；一测试试样，该测试试样搁置于所述测试台上；一加载机构，该加载机构设置在所述的立柱上，并且对应于所述测试试样的上方；一恒温风枪，该恒温风枪伴随于所述底座并且与所述测试试样相对应；一激光位移传感器，该激光器光位移传感器设置在所述加载机构上。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的测试试样包括印刷电路基板、金属焊盘和焊点试样，印刷线路板搁置在测试台上，金属焊盘粘固在印刷电路板上，焊点试样钎焊在式金属焊盘上，所述的金属焊盘为铜焊盘。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的加载机构包括轴承座、轴承、合金导柱、导柱位移测标座和计量重锤，轴承座固定在所述立柱上，轴承设置在轴承座的轴承腔内，合金导柱上下移动地与轴承相配合，在该合金导柱的上端构成有一重锤盘，而合金导柱的下端以窄缩状态构成有一合金压头，该合金压头对应于所述测试试样的上方，导柱位移测标座固定在合金导柱的所述下端，计量重锤置于所述的重锤盘上，所述的激光位移传感器固定在所述轴承座上，并且对应所述导柱位移测标座的上方。

在本发明的进而一个具体的实施例中，在所述的立柱上并且循着立柱的高度方向以间隔状态开设有一组调整孔，所述的轴承座通过轴承座螺钉在对应于调整孔的位置与立柱固定；在所述的轴承座上固定有一传感器座，所述的激光位移传感器设置在该传感器座上，所述的轴承为直线轴承。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述合金压头的硬度大于60HRC，横截面形状呈圆形并且直径大于5mm。

本发明提供的技术方案的技术效果之一，由于无需象已有技术那样制作复杂的软钎焊被测试样而只需将软钎焊焊固于金属焊盘上，因而可以显著缩短测试之前的被测试样的制作时间；由于在测试时只需由加载机构对焊点试样加载，并且同时由恒温风枪对焊点试样加热，焊点试样的蠕变量可由激光位移传感器实时记录；由于提供的测试装置结构简练并且操作方便，因而可显著提高测试效率。

附图说明

图1这本发明方法所用的测试装置的实施例结构图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

请参见图1，给出了一底座1，在该底座1使用状态下朝向上的一侧并且优选位于底座1的居中位置用螺钉111固定一凸起于底座1的表面的测试台11，并且在底座1上还以纵向垂直状态固定有一立柱12，在该立柱12的高度方向以间隔状态开设有一组调整孔121。由图所示，立柱12对应于前述测试台11的一侧，而测试台11的形状优选呈柱形体，更确切地讲呈圆柱体。

一测试试样2，该测试试样包括印刷电路基板21、材质为铜的金属焊盘22和焊点试样23，该焊点试样23为软钎料，印刷电路基板21搁置在测试台11上，金属焊盘22粘固在印刷电路板21上，焊点试样23由软钎料在金属焊盘22上钎焊形成。

前述焊点试样23的高度与金属焊盘22的直径之间的关系应满足0.9≤2H/D≤1.1，其中：H表示焊点试样23的高度，而D表面金属焊盘22的直径。

一加载机构3，该加载机构3包括轴承座31、轴承32、合金导柱33、导柱位移测座34和计量重锤35，轴承座31通过一对轴承座螺钉312在对应于前述调整孔121的位置与立柱12固定，并且可在立柱12的高度方向作依需调整，在轴承座31上构成有轴承腔311，并且在壁体上还固定有一传感器座313。轴承32为直线轴承，设置在轴承腔311内。合金导柱33与轴承32滑动配合，该合金导柱33的上端探出轴承32并且构成有一重锤盘331，而合金导柱33的下端同样探出轴承32并且窄缩成有一合金压头332，该合金压头332对应于前述焊点试样23的上方，并且该合金压头332的横截面形状呈圆形，直径为5㎜，圆面积为19.6㎜²，合金压头332的硬度为60HRC。导柱位移测标座34固定在合金导柱33的前述下端，计量重锤35优选使用砝码，并且放置于重锤盘331上，该计量重锤35可对重锤盘331加载0.5-10N的压力（通过更换砝码）。

当将计量重锤35置于重锤盘331上时，合金导柱33向下位移，使合金压头332朝向前述测试试样2的方向移动，在合金导柱33位移时便使导柱位移测标座34一同位移。

给出了一恒温风机4和一激光位移传感器5，恒温风枪4伴随于底座1，并且与测试试样2相对应，恒温风枪4的温度可在50-300℃范围内任意调节。激光位移传感器5固定在前述的传感器座313上，并且与前述的导柱位移测标座34的上方相对应，导柱位移测标座34的位移量由该激光位移传感器5测取，并且由激光位移传感器5的线路51将测取信号输出到相应的仪器。

本发明借助于前述的测试装置对软钎料合金蠕变性能的测试包括以下步骤：

A）制取焊点试样，将取样的（也就是将一定量的）被测软钎料钎焊固定于测试试样2的金属焊盘22在测试状态下朝向上的一侧，得到由图1所示的结合在金属焊盘22上的焊点试样23；

B）测试，由前述的加载机构3对应于焊点试样23加载恒定的压力，同时由恒温风枪4对焊点试样23加热，具体是：将计量重锤35置于重锤盘331上，迫使合金导柱33下行，直至合金压头332对焊点试样23以垂直方向施压，在该过程中，由激光位移传感器5实时记录焊点试样在垂直方向上的蠕变量。

在上述测试过程中，焊点试样23的高度H与金属焊盘22的直径D之间的关系应当满足0.9≤2H/D≤1.1。设定恒温风枪4的温度为T，合金压头332的压力为F，合金导柱33的垂直方向的位移量为S，位移时间微分后得到合金导柱33垂直方向蠕变速度V，依据该蠕变速度V可得到焊点试样23的蠕变速率

按照公式（Ⅰ）进行，其中β为常数：

$\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}=\mathrm{\βV}---\left(I\right)$

利用公式(Ⅱ)计算合金压头332与焊点试样23的接触面积A；

$A=\mathrm{\π}(\mathrm{HS}-S^2+\frac{D^{2}S}{4H})---\left(\mathrm{II}\right)$

根据接触面积A利用公式(Ⅲ)可以计算钎料合金焊点23的实际应力σ；

σ＝F/A  (Ⅲ)

根据公式(Ⅳ)表示的蠕变速率

与应力σ的关系，可以求得软钎料合金的应力指数n；

$\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}={\mathrm{B\σ}}^n\exp (-Q/\mathrm{RT})---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中B为常数，Q为激活能，R为气体常数。

由上述说明可知，利用本发明方法能简易而快捷地对软钎料合金的蠕变性能进行测试，因而完成了发明任务，并且客观体现了申请人在上面的技术效果栏中所述的技术效果。

Claims (10)

1.一种软钎料合金蠕变性能的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

A）制取焊点试样，将取样的被测软钎料钎焊于金属焊盘在测试状态下朝向上的一侧，得到焊点试样；

B）测试，由加载机构在对应于焊点试样的上方并且在与焊点试样相接触的状态下对焊点试样加载恒定的压力，同时由设定温度的恒温风枪对焊点试样加热，在该过程中，由激光位移传感器实时记录焊点试样在垂直方向上的蠕变量，从而获知软钎料合金蠕变性能。

2.根据权利要求1所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法，其特征在于步骤A）的焊点试样的形状呈半球形，并且该焊点试样的高度与所述金属焊盘的直径之间的关系满足0.9≤2H/D≤1.1，其中：H表示焊点试样的高度，D表示金属焊盘的直径。

3.根据权利要求1所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法，其特征在于步骤B）中所述的加载机构与所述焊点试样相接触的端面的面积为18-20mm²。

4.根据权利要求1所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法，其特征在于步骤B）中所述的恒温风枪的调节温度为50-300℃。

5.根据权利要求1所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法，其特征在于步骤B）中所述的加载恒定的压力为加载0.5-10N的压力。

6.一种如权利要求1所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，其特征在于包括一底座(1)，在该底座(1)上并且在使用状态下朝向上的一侧固定有一凸起于底座(1)的表面的一测试台(11)，并且在底座(1)上还以垂直状态固定有一立柱(12)，该立柱(12)对应于测试台(11)的一侧；一测试试样(2)，该测试试样(2)搁置于所述测试台(11)上；一加载机构(3)，该加载机构(3)设置在所述的立柱(12)上，并且对应于所述测试试样(2)的上方；一恒温风枪(4)，该恒温风枪(4)伴随于所述底座(1)并且与所述测试试样(2)相对应；一激光位移传感器(5)，该激光器光位移传感器(5)设置在所述加载机构(3)上。

7.根据权利要求6所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，其特征在于所述的测试试样(2)包括印刷电路基板(21)、金属焊盘(22)和焊点试样(23)，印刷线路板(21)搁置在测试台(11)上，金属焊盘(22)粘固在印刷电路板(21)上，焊点试样(23)钎焊在式金属焊盘(22)上，所述的金属焊盘(22)为铜焊盘。

8.根据权利要求6所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，其特征在于所述的加载机构(3)包括轴承座(31)、轴承(32)、合金导柱(33)、导柱位移测标座(34)和计量重锤(35)，轴承座(31)固定在所述立柱(12)上，轴承(32)设置在轴承座(31)的轴承腔(311)内，合金导柱(33)上下移动地与轴承(32)相配合，在该合金导柱(33)的上端构成有一重锤盘(331) ，而合金导柱(33)的下端以窄缩状态构成有一合金压头(332)，该合金压头(332)对应于所述测试试样(2)的上方，导柱位移测标座(34)固定在合金导柱(33)的所述下端，计量重锤(35)置于所述的重锤盘(331)上，所述的激光位移传感器(5)固定在所述轴承座(31)上，并且对应所述导柱位移测标座(34)的上方。

9.根据权利要求8所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，其特征在于在所述的立柱(12)上并且循着立柱(12)的高度方向以间隔状态开设有一组调整孔(121)，所述的轴承座(31)通过轴承座螺钉(312)在对应于调整孔(121)的位置与立柱(12)固定；在所述的轴承座(31)上固定有一传感器座(313)，所述的激光位移传感器(5)设置在该传感器座(313)上，所述的轴承(32)为直线轴承。

10.根据权利要求8所述的软钎料合金蠕变性能的测试方法所用的测试装置，其特征在于所述合金压头(332)的硬度大于60HRC，横截面形状呈圆形并且直径大于5mm。