CN107389452B - 一种测试异质界面层裂的拉伸装置及层裂测试方法与应用 - Google Patents

一种测试异质界面层裂的拉伸装置及层裂测试方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试异质界面层裂的拉伸装置及层裂测试方法与应用，所述装置包括固定主梁、短支撑杆、长支撑杆、拉伸部件、加载块和加载杆，所述方法为：1）制备样品；2）调整支撑杆；3）加载测试样品；4）测试；5）计算数据。这种装置成本低、实用性好、可实现含异质界面的窄小样品在无界面层裂情况下的拉伸测试、所获取得到的拉伸力学特性曲线可真实表征异质界面层裂破坏从界面层裂萌生到界面层裂扩展过程。这种方法能够更为真实地测定异质界面的实际抗拉强度，同时精确地表征界面层裂破坏从界面层裂萌生到界面层裂扩展的力学特性曲线。

Description

一种测试异质界面层裂的拉伸装置及层裂测试方法与应用
技术领域
本发明涉及材料实验力学领域，特别涉及一种测试异质界面层裂的拉伸装置及层裂测试方法与应用。
背景技术
随着微电子封装器件朝着小型化和多功能化的发展，对封装器件可靠性的要求也日益提高，微电子封装器件在生产和正常使用过程中会受到外部环境如温-湿度、机械载荷和化学污染等因素的作用而失效，其中最常见的失效形式是封装界面层裂失效，为此开展封装界面层裂的理论和实验研究对提高封装器件可靠性至关重要。一般评估封装界面强度的实验测试方法包括双悬臂梁拉伸法、剪切实验法、混合模式弯曲实验法等。在传统的封装界面层裂测试中，往往要对实验测试样品的待测界面处预置裂纹，以保证界面裂纹从应力奇异的预置裂纹尖端开始扩展，从而获取界面层裂扩展的力学特性曲线来评估界面强度，但是通过对测试样品预置界面裂纹然后进行拉伸测试的方式存在缺陷，由于预置的界面裂纹的存在使得测试开始前对待测样品的界面就造成了损伤，测试得到的界面强度往往低于界面本身的实际抗拉强度，测试得到的力学特性曲线不能表征界面层裂萌生的过程，而且在以往的测试中，测试样品大多制成较宽的条状样品，并利用传统拉伸设备进行拉伸测试，得到的拉伸曲线不平滑，也不能很好表征微电子封装结构中的异质界面层裂过程。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种测试异质界面层裂的拉伸装置及层裂测试方法与应用。这种装置成本低、实用性好、可实现含异质界面的窄小样品在无界面层裂情况下的拉伸测试、所获取得到的拉伸力学特性曲线可真实表征异质界面层裂破坏从界面层裂萌生到界面层裂扩展过程，这种装置结合杠杆原理可帮助小量程测试设备实现更大拉伸力的拉伸测试，突破了高精度小量程拉伸设备测试量程的限制。这种方法能够更为真实地测定异质界面的实际抗拉强度，同时精确地表征界面层裂破坏从界面层裂萌生到界面层裂扩展的力学特性曲线。
实现本发明目的的技术方案是：
一种测试异质界面层裂的拉伸装置，包括
固定主梁，所述固定主梁呈“工”形，“工”形固定主梁的上横梁与拉伸测试设备固接，“工”形固定主梁的下横梁被竖梁分为第一条状体和第二条状体；
短支撑杆，所述短支撑杆的上端与第一条状体为滑动式连接，短支撑杆在第一条状体上的位置确定后固定；
长支撑杆，所述长支撑杆的上端与第二条状体为滑动式连接，长支撑杆在第二条状体上的位置确定后固定；
拉伸部件，所述拉伸部件包括上拉伸部件和下拉伸部件，上拉伸部件包括上拉伸杆及上拉伸杆两端连接的第一上滑片和第一下滑片；下拉伸部件包括下拉伸杆及下拉伸杆两端连接的第二上滑片和第二下滑片；第一 上滑片与第一条状体或第二条状体滑动式连接；
加载块，所述加载块包括第一加载块和第二加载块；第一加载块与第一下滑片可拆卸式连接，第二加载块与第二上滑片可拆卸式连接；
加载杆，所述加载杆的一端穿过第二下滑片与长支撑杆的下端铰接。
所述加载杆设有等距的凹槽齿纹，通过凹槽齿纹提高拉伸测试过程中滑片的固定效果，防止产生滑移。
测试样品时，固定主梁固定在拉伸测试设备上，测试样品的一端与短支撑杆固接，测试样品的另一端被固定在第一加载块和第二加载块间。
采用上述拉伸装置的异质界面层裂测试方法，包括如下步骤：
1）制备样品：将测试样品上下两层材料分别与两个加载块固接接在一起，从而测试样品的一端被固定在第一加载快和第二加载快间；
2）调整支撑杆：根据测试样品的大小、长度调整短支撑杆在第一条状体上的位置和长支撑杆在第二条状体的位置，并固定；
3）加载测试样品：将测试样品的另一端与支撑杆固接，利用拉伸部件连接好加载块和固定主梁以及加载杆，连接过程中可调整拉伸杆的长度，保证待测样品和加载杆在测试前处于水平状态；
4）测试：将拉伸装置固定于拉伸测试设备上，拉伸设备的加载部件将拉伸力施加在加载杆的加载区，使层裂从待测样品异质界面前段开始萌生并扩展，通过拉伸设备数据采集端即可得到异质界面层裂萌生及随后扩展的力学特性曲线；
5）计算数据：对步骤1）-步骤4）实验得到的力学特性曲线实验数据处理并结合断裂力学和内聚力模型理论，通过数值模拟仿真计算得到的界面层裂萌生和扩展过程的应力变化，从而得到异质界面层裂萌生及扩展所需的实际抗拉强度。
所述的拉伸装置在测试异质界面层裂中的应用。
待测样品在制作过程中要求保证样品的异质界面间，特别是样片前端的异质界面无裂纹存在，以保证拉伸测试过程中表征的是界面层裂萌生及扩展的过程，为得到拉伸测试过程较为平滑的拉伸曲线，同时也为了保证异质界面测试样品在拉伸过程中的层裂过程不产生随机裂纹，待测样品做成窄小的条状。
加载杆的一端至加载杆上的滑片区域是拉伸实验的加载区域，将拉伸力加载于该区域的不同位置，可实现对待测样品拉伸力的不同杠杆放大效果，即实际测量中拉伸设备提供较小的力，借助本拉伸装置可实现拉伸力的增强放大效果；通过等间距齿纹可以快速确定加载点和拉伸杆上滑片间的距离，以便于快速计算杠杆力放大的大小。
这种装置成本低、实用性好、可实现含异质界面的窄小样品在无界面层裂情况下的拉伸测试、所获取得到的拉伸力学特性曲线可真实表征异质界面层裂破坏从界面层裂萌生到界面层裂扩展过程，这种装置结合杠杆原理可帮助小量程测试设备实现更大拉伸力的拉伸测试，突破了高精度小量程拉伸设备测试量程的限制。这种方法能够更为真实地测定异质界面的实际抗拉强度，同时精确地表征界面层裂破坏从界面层裂萌生到界面层裂扩展的力学特性曲线。
附图说明
图1为实施例中测试异质界面层裂的拉伸装置在测试状态时的结构示意图；
图2实施例中加载杆的结构示意图；
图中，1.固定主梁 1-1.第一条状体1-2.第二条状体 1-3.竖梁 2.第一上滑片 3.第一紧固钉4.长支撑杆 5.插销 6.第二紧固钉7.短支撑杆 8.上拉伸杆 9. 第一下滑片10.第一加载块11.测试样品12.第二加载块 13.第二上滑片14.下拉伸杆 15.加载杆16.第二下滑片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，图2，一种测试异质界面层裂的拉伸装置，包括固定主梁1，所述固定主梁1呈“工”形，“工”形固定主梁1的上横梁与拉伸测试设备固接，“工”形固定主梁1的下横梁被竖梁1-3分为第一条状体1-1和第二条状体1-2；
短支撑杆7，所述短支撑杆7的上端与第一条状体1-1为滑动式连接，短支撑杆7在第一条状体1-1上的位置确定后由第二紧固钉6固定；
长支撑杆4，所述长支撑杆4的上端与第二条状体1-2为滑动式连接，长支撑杆4在第二条状体1-2上的位置确定后由第一紧固钉3固定；
拉伸部件，所述拉伸部件包括上拉伸部件和下拉伸部件，上拉伸部件包括上拉伸杆8及上拉伸杆8两端连接的第一上滑片2和第一下滑片9；下拉伸部件包括下拉伸杆14及下拉伸杆14两端连接的第二上滑片13和第二下滑片16；第一 上滑片2与第一条状体1-1或第二条状体1-2滑动式连接；
加载块，所述加载块包括第一加载块10和第二加载块12；第一加载块10与第一下滑片9可拆卸式连接，第二加载块12与第二上滑片13可拆卸式连接；
加载杆15，所述加载杆15的一端穿过第二下滑片16与长支撑杆4的下端通过插销5铰接；
所述加载杆15设有等距的凹槽齿纹，通过凹槽齿纹提高拉伸测试过程中滑片的固定效果，防止产生滑移。
测试样品11时，固定主梁1固定在拉伸测试设备上，测试样品11的一端与短支撑杆7固接，测试样品的另一端被固定在第一加载块10和第二加载块12间。
采用上述拉伸装置的异质界面层裂测试方法，包括如下步骤：
1）制备样品：将测试样品11与加载块固接接在一起，测试样品的一端上下两层材料分别与两个加载块固接，从而测试样品11的一端被固定在第一加载快10和第二加载快12间；
2）调整支撑杆：根据测试样品11的大小、长度调整短支撑杆7在第一条状体1-1上的位置和长支撑杆4在第二条状体1-2的位置，并固定；
3）加载测试样品11：将测试样品11的另一端与支撑杆7固接，利用拉伸部件连接好加载块和固定主梁以及加载杆，连接过程中可调整拉伸杆的长度，保证待测样品11和加载杆15在测试前处于水平状态；
4）测试：将拉伸装置固定于拉伸测试设备上，拉伸设备的加载部件将拉伸拉伸力施加在加载杆15的加载区，使层裂从待测样品11异质界面前段开始萌生并扩展，通过拉伸设备的数采集端即可得到异质界面层裂萌生及随后扩展的力学特性曲线；
5）计算数据：对步骤1）-步骤4）实验得到的力学特性曲线实验数据处理并结合断裂力学和内聚力模型理论，通过数值模拟仿真计算得到的界面层裂萌生和扩展过程的应力变化，从而得到异质界面层裂萌生及扩展所需的实际抗拉强度。
所述的拉伸装置在测试异质界面层裂中的应用。
待测样品11在制作过程中要求保证样品的异质界面间，特别是样片前端的异质界面无裂纹存在，以保证拉伸测试过程中表征的是界面层裂萌生及扩展的过程，为得到拉伸测试过程较为平滑的拉伸曲线，同时也为了保证异质界面测试样品在拉伸过程中的层裂过程不产生随机裂纹，待测样品做成窄小的条状。
加载杆15的一端至加载杆上的滑片区域是拉伸实验的加载区域，将拉伸载荷施加于该区域的不同位置，可实现对待测样品拉伸力的不同杠杆放大效果，即实际测量中拉伸设备提供较小的力，借助本拉伸装置可实现拉伸力的增强放大效果；通过等间距齿纹可以快速确定加载点和拉伸杆上滑片间的距离，以便于快速计算杠杆力放大的大小。
本例测试样品11包含环氧树脂塑封料和铜金属基板上下两层异质材料，两层异质材料是由传统模塑封工艺黏结在一起，从而在两层异质材料间形成异质界面。

Claims (4)

1.一种测试异质界面层裂的拉伸装置，其特征是，包括
固定主梁，所述固定主梁呈“工”形， “工”形固定主梁的下横梁被竖梁分为第一条状体和第二条状体，“工”形固定主梁的上横梁与拉伸测试设备固接；
短支撑杆，所述短支撑杆的上端与第一条状体为滑动式连接；
长支撑杆，所述长支撑杆的上端与第二条状体为滑动式连接；
拉伸部件，所述拉伸部件包括上拉伸部件和下拉伸部件，上拉伸部件包括上拉伸杆及上拉伸杆两端连接的第一上滑片和第一下滑片；下拉伸部件包括下拉伸杆及下拉伸杆两端连接的第二上滑片和第二下滑片；第一上滑片与第一条状体或第二条状体滑动式连接；
加载块，所述加载块包括第一加载块和第二加载块；第一加载块与第一下滑片可拆卸式连接，第二加载块与第二上滑片可拆卸式连接；
加载杆，所述加载杆的一端穿过第二下滑片与长支撑杆的下端铰接，加载杆设有等距的凹槽齿纹。
2.根据权利要求1所述的测试异质界面层裂的拉伸装置，其特征是，所述加载杆设有等距的凹槽齿纹。
3.采用权利要求1-2任一项所述的拉伸装置的异质界面层裂测试方法，其特征是，包括如下步骤：
1）制备样品：将测试样品与加载块固接接在一起，测试样品的一端上下两层材料分别与两个加载块固接，从而测试样品的一端被固定在第一加载块和第二加载块间；
2）调整支撑杆：根据测试样品的大小、长度调整短支撑杆在第一条状体上的位置和长支撑杆在第二条状体的位置，并固定；
3）加载测试样品：将测试样品的另一端与支撑杆固接，利用拉伸部件连接好加载块和固定主梁以及加载杆，连接过程中可调整拉伸杆的长度，保证待测样品和加载杆在测试前处于水平状态；
4）测试：将拉伸装置固定于拉伸测试设备上，拉伸设备的加载部件将拉伸力施加在加载杆的加载区，使层裂从待测样品11异质界面前段开始萌生并扩展，通过拉伸设备的数据采集端即可得到异质界面层裂萌生及随后扩展的力学特性曲线；
5）计算数据：对步骤1）-步骤4）实验得到的力学特性曲线实验数据处理并结合断裂力学和内聚力模型理论，通过数值模拟仿真计算得到的界面层裂萌生和扩展过程的应力变化，从而得到异质界面层裂萌生及扩展所需的实际抗拉强度。
4.权利要求1-2任一项所述的拉伸装置在测试异质界面层裂中的应用。
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Assignee: Guilin Xinyi Semiconductor Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980046246

Denomination of invention: A Stretching Device and Spalling Testing Method for Testing Heterogeneous Interface Spalling and Its Application

Granted publication date: 20230613

License type: Common License

Record date: 20231108