CN107655764A - 热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统 - Google Patents

热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统。所述热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统包括拉伸机，上传力杆件和下传力杆件，在所述上传力杆件和下传力杆件之间设有高低温环境试验箱；上传力杆件和下传力杆件在所述箱体内的末端均相对设置有绝缘夹持端，两所述绝缘夹持端用于夹持测试件，所述导电环通过电流引线连接电流源，所述上传力杆件上临近绝缘夹持端设有力传感器。与相关技术相比，本发明提供的热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统通过对试件同时施加热场、电场和力场，实现了对电子封装材料在真实极端工作状态下蠕变性能观测。

Description

热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统
技术领域
本发明属于电子封装材料力学性能测试技术，涉及-50℃～300℃温度条件下电子封装材料中将被广泛应用的无铅焊料热-电-力多场耦合测试技术，具体涉及热-电-力耦合条件下粘塑性无铅焊料的蠕变行为测试技术。
背景技术
电子封装技术在电子产品中起着至关重要的作用。电子封装结构中的互连焊点是微电子芯片的关键部位，不仅为芯片和基板提供了机械支持，更是电气连接和散热的重要途径。高性能电子产品一般含有成千上万个焊点，关键位置的单个焊点失效，有可能导致整个电子芯片的功能丧失。在某种意义上，互连焊点力学性能可靠性决定了整个电子产品的使用可靠性。
焊点的蠕变是无铅焊点可靠性问题的主要来源之一，而温度、电流、和应力是造成这些可靠性问题的直接原因，由于受到实验条件制约，目前许多研究工作仅针对单场或者两场作用下无铅焊点的蠕变性能进行研究，但互连焊点在服役时蠕变变形过程中经常受到温度、电流、磁场等多物理场的共同作用。随着人们对集成电路芯片超细间距的不断追求，无铅焊点所承受的热学、电学及力学载荷越来越高，这对无铅焊点力学性能提出了更为严苛的要求。热-电-力耦合条件下无铅焊点抗蠕变性能是无铅焊料基本力学性能指标之一，对满足电子产品使用条件下可靠性要求具有重要意义。而已有测试方法大多局限于热-力或电-力的两场耦合作用，尚未实现多场耦合测试系统，所以现在缺乏一种测试和观测粘塑性材料在热-电-力耦合作用下蠕变行为的测试系统。
发明内容
鉴于上述测试技术所存问题，本发明提出一种针对-50℃～300℃环境下无铅焊料的热-电-力多场耦合测试系统，复现无铅焊料真实工作环境，对未来绿色电子封装材料在极端工作环境下蠕变性能进行有效评估，以实现测试精度高，测试环境灵活可调，适用范围广，测试成本低等优点。
本发明的目的在于提供一种热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，包括拉伸机，所述拉伸机由两横梁及两纵梁围合形成的框架结构，在其框架结构的内部中心位置，连接上横梁的为上传力杆件，连接下横梁的为下传力杆件，在所述上传力杆件和下传力杆件之间设有高低温环境试验箱，所述上传力杆件和下传力杆件贯通所述高低温环境试验箱；上传力杆件和下传力杆件在所述箱体内的末端均相对设置有绝缘夹持端，两所述绝缘夹持端用于夹持测试件，并在所述测试件上临近两绝缘夹持端的位置均设有导电环，所述导电环通过电流引线连接电流源，所述高低温环境试验箱的两侧面均设有温控管，所述上传力杆件上临近绝缘夹持端设有力传感器。
优选的，两所述绝缘夹持端与上传力杆件和下传力杆件通过阶梯状细齿咬合。
优选的，所述绝缘夹持端由加成型室温硫化硅橡胶或双酚A型环氧树脂材料制成。
优选的，上传力杆件上临近高低温环境试验箱的外侧设有第一橡胶密封圈，下传力杆件上临近高低温环境试验箱的内侧设有第二橡胶密封圈，所述第一橡胶密封圈和第二橡胶密封圈用于密封上传力杆件和下传力杆件贯通高低温环境试验箱的开孔。
优选的，所述导电环由抗高温导电胶均与缠绕形成。
优选的，所述电源引线外部采用采用高硅氧玻璃纤维纱绕包和耐高温涂覆层涂覆。
优选的，电流源所提供的电流密度在103A/cm2至104A/cm2之间调整。
优选的，所述高低温环境试验箱为耐高低温不锈钢制成，内部通过添加石棉层隔热。
与相关技术相比，本发明提供的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统能够原位实时获取材料在热-电-力耦合条件下无铅封装材料蠕变行为，并能通过位移传感器实时获取材料形变信息，通过对试件同时施加热场、电场和力场，实现了对电子封装材料在真实极端工作状态下蠕变性能观测。本发明便于探究多场耦合条件下焊点的损伤蠕变机制，克服了单场或双物理场的加载条件对焊点真实工作环境拟真度不够的问题，复现了焊点工作中多物理场耦合的真实环境。高低温环境试验箱的观测孔实现了对试样的实时观测；力传感器能确保在0.001N精度下准确测量获得施加在试件的荷载值；位移加载机能确保在1μm精确度下实现对试件位移值的精确测量。
附图说明
图1是本发明一种测试电子封装材料热-电-力耦合条件下蠕变性能测试系统的整体的结构示意图；
图2是本发明一种测试电子封装材料热-电-力耦合条件下蠕变性能测试系统的夹持端结构示意图；
图3是本发明一种测试电子封装材料热-电-力耦合条件下蠕变性能测试系统的温度控制箱结构示意图；
图4是本发明一种测试电子封装材料热-电-力耦合条件下蠕变性能测试系统的加电细节正视图；
图5是本发明一种测试电子封装材料热-电-力耦合条件下蠕变性能测试系统的加电细节正视图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统包括拉伸机1、力传感器2、高低温环境试验箱3、绝缘夹持端4、导电环5、电流引线6、电流源7、测试件8和温控管9。
所述拉伸机1固定于试验测试地点，采用电子式力加载方式，可借助于常见测试机，具备高保真度和试验的可重复性，同时保证测试过程中无铅焊料延性大而所需大位移的特点。拉伸机1可以精确控制试件两端所施加的载荷，保证力加载的精度。
所述拉伸机1由两横梁及两纵梁围合形成的框架结构，在其框架结构的内部中心位置，连接上横梁的为上传力杆件101，连接下横梁的为下传力杆件102。
在所述上传力杆件101和下传力杆件102之间设有高低温环境试验箱3。即，所述上传力杆件101和下传力杆件102贯通所述高低温环境试验箱3。在两贯通的开孔位置，上传力杆件101上临近高低温环境试验箱3的外侧设有第一橡胶密封圈301，下传力杆件102上临近高低温环境试验箱3的内侧设有第二橡胶密封圈302，以减少因接触而发生的外界空气与高低温环境试验箱3内部空气的热量传递。
在高低温环境试验箱3内，所述上传力杆件101上临近绝缘夹持端设有力传感器2，保证反力分辨率(0.001N)。
所述高低温环境试验箱3为耐高低温不锈钢制成，内部通过添加石棉层隔热，拉伸机1的传力杆件101和102通过高低温环境试验箱3上下开孔处插入，高低温环境试验箱3内部空间即为待测试试件所在位置。具体为：上传力杆件101和下传力杆件102在所述箱体内的末端均相对设置有绝缘夹持端4，两所述绝缘夹持端4用于夹持测试件8，并在所述测试件8上临近两绝缘夹持端4的位置均设有导电环5，所述导电环5通过电流引线6连接电流源7。所述高低温环境试验箱3的两侧面均设有温控管9。温控管内设有电阻丝，可以对箱体内部加热进而控制箱体在高温模式下的温度。
通过在不同位置定量释放液氮和开启加热装置，实时观测高低温环境试验箱3内不同位置的温度变化，并在考虑箱内所有构件比热容和质量的基础上，实现高低温环境试验箱3内部从低温-50℃至高温300℃的快速而精确的可控温环境。
所述绝缘夹持端4由加成型室温硫化硅橡胶或双酚A型环氧树脂材料制成，对上传力杆件101、下传力杆件102和测试件8起到了绝缘作用，保证电流不会流向拉伸机而引起位移加载机的电机短路。
所述绝缘夹持端4与拉伸机1的上传力杆件101、下传力杆件102通过阶梯状细齿咬合，保证不会在连接处引入额外位移。因无铅焊料较软，绝缘夹持端4和测试件8之间可直接采用挤压固定，但必须保证测试件8位于拉伸机1所施加的位移方向，以免产生端部反力测量的误差。
所述导电环5由抗高温导电胶均匀缠绕而形成，使其固定在待测试件8两端。测试过程中，需确保导电环完整且无明显变形，保证在试件标距段中的电流均匀性。
电流引线6连通待测试件8和电流源7，电流引线6外部采用高硅氧玻璃纤维纱绕包和耐高温涂覆层涂覆，其外部护套需能承受高于300℃的高温，确保高温情况下试件中电流通路。电流引线6首先从高低温环境试验箱3开孔处引出，然后安装橡胶密封圈301和302，最后再将拉伸机1上下传力杆件插入。
电流源7放置在高低温环境试验箱3之外，通过电流引线6与导电环5连通，并与待测试件8形成通路，为了更好的观测较为明显的无铅焊料电、热迁移所引起微观缺陷所致微观形貌的改变，电流源7所提供的电流密度需能够在103A/cm2至104A/cm2之间调整。
本发明提供的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统的工作原理为：试件装夹于拉伸机夹具之上，由拉伸机控制试件所受应力，温度箱可以控制试件所在环境温度，直流电流源的导线与试件相接，可以控制试件截面电流密度。试件所处的应力场，温度场，电场均可由相应子系统自由控制，达到模拟电子封装材料真实工作环境的目的。
与相关技术相比，本发明提供的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统能够原位实时获取材料在热-电-力耦合条件下无铅封装材料蠕变行为，并能通过位移传感器实时获取材料形变信息，通过对试件同时施加热场、电场和力场，实现了对电子封装材料在真实极端工作状态下蠕变性能观测-本发明便于探究多场耦合条件下焊点的损伤蠕变机制，克服了单场或双物理场的加载条件对焊点真实工作环境拟真度不够的问题，复现了焊点工作中多物理场耦合的真实环境。高低温环境试验箱的观测孔实现了对试样的实时观测；力传感器能确保在0.001N精度下准确测量获得施加在试件的荷载值；位移加载机能确保在1μm精确度下实现对试件位移值的精确测量。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，包括拉伸机，所述拉伸机由两横梁及两纵梁围合形成的框架结构，在其框架结构的内部中心位置，连接上横梁的为上传力杆件，连接下横梁的为下传力杆件，在所述上传力杆件和下传力杆件之间设有高低温环境试验箱，所述上传力杆件和下传力杆件贯通所述高低温环境试验箱；上传力杆件和下传力杆件在所述箱体内的末端均相对设置有绝缘夹持端，两所述绝缘夹持端用于夹持测试件，并在所述测试件上临近两绝缘夹持端的位置均设有导电环，所述导电环通过电流引线连接电流源，所述高低温环境试验箱的两侧面均设有温控管，所述上传力杆件上临近绝缘夹持端设有力传感器。
2.根据权利要求1所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，两所述绝缘夹持端与上传力杆件和下传力杆件通过阶梯状细齿咬合。
3.根据权利要求2所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，所述绝缘夹持端由加成型室温硫化硅橡胶或双酚A型环氧树脂材料制成。
4.根据权利要求1所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，上传力杆件上临近高低温环境试验箱的外侧设有第一橡胶密封圈，下传力杆件上临近高低温环境试验箱的内侧设有第二橡胶密封圈，所述第一橡胶密封圈和第二橡胶密封圈用于密封上传力杆件和下传力杆件贯通高低温环境试验箱的开孔。
5.根据权利要求1所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，所述导电环由抗高温导电胶均与缠绕形成。
6.根据权利要求1所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，所述电源引线外部采用采用高硅氧玻璃纤维纱绕包和耐高温涂覆层涂覆。
7.根据权利要求1所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，电流源所提供的电流密度在103A/cm2至104A/cm2之间调整。
8.根据权利要求1所述的热-电-力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统，其特征在于，所述高低温环境试验箱为耐高低温不锈钢制成，内部通过添加石棉层隔热。
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