CN108700502A - 用于确定接合和/或材料的强度的方法和接合测试器设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定接合和/或材料的强度的方法，该方法使用接合测试器设备，所述方法包括以下步骤：对所述接合施加机械力；通过包括于所述接合测试器设备的传感器部件通过以下确定向所述接合施加的所述力：通过所述传感器部件测量由施加的所述力引起的所述传感器部件的位移；通过所述传感器部件基于包括与所述测量的位移的直接关系的第一分量并且基于第二分量、第三分量和第四分量中的至少一者计算施加的所述力。

Description

用于确定接合和/或材料的强度的方法和接合测试器设备

技术领域

本发明涉及在测量力的变化量时改善精度的方法，其中通过作为所述力的函数的传感器位置的一部分的变化来测量所述力。本发明还提供可以减少当过滤任意类型的信号时通常被称为“余震(ringing)”或“伪像(artefact)”的不利影响的方法。

附图说明

本发明的特征将从以下参照附图的说明中变得明显，其中：

图1示出了现有技术传感器的示意图。

图2示出了当应用本发明时传感器的示意图。

图3示出了传感器的在被突然移除施加的载荷时的自由体振荡。

图4示出了使用现有技术的传感器输出的示例，其中能够清楚地看到在力迅速变化的情况下的输出中的误差。在该示例中，力缓慢增大然后被迅速移除。在力被移除的位置处误差最明显。

图5示出了与图4中相同的传感器输出，其中通过应用本发明的方法已经基本上校正了误差。

图6示出了使用现有技术的传感器输出的另一示例，其中能够清楚地看到输出中的误差。该示例与图4中的示例类似，但是在这种情况下力被更迅速地施加。

图7示出了与图6中相同的传感器输出，其中通过应用本发明的方法已经基本上校正了误差。但是，因为时基(time base)比图5中的示例所示的时基快，所以校正中的误差变得较显著。

图8示出了根据本发明的接合测试设备的框图。

具体实施方式

存在许多形式的现有技术，其中在图1中图示为弹簧的弹性元件1在载荷F的影响下以变形x或应变ε伸长。然后通过一些单元测量元件的伸长量并校准，以使元件能够用于测量施加的力。测量变位的单元包括但不限于作为通常用于载荷传感器的应变计、激光测距传感器和电容或电感式测距传感器。在简单的情况下，可以认为伸长量与力成比例，使得使用校准系数k将伸长量转换成力测量值。在更复杂的系统中，校准也能够包括力与伸长量之间的非线性关系。

假设为线性关系，用于将伸长量转换为力测量值的方程式为，

F∝x

F＝kx

或者，

F∝ε

F＝kε

虽然弹性元件通常是拉伸、压缩或弯曲的弹性材料，但是弹性元件可以是具有弹性等性能的任意物质，例如磁场或静电场。在弹性材料的情况下，通常通过检测弹性元件的某部位处的应变ε来测量伸长量。

图1是用于将伸长量与力相关联的模型。该模型存在问题，因为该模型未考虑传感器中可能独立于伸长量本身而影响力的其它特性。图2示出了较完整的模型和本发明的一部分，其中传感器的移动部分具有质量并且伸长量受到阻尼力以及弹性力。阻尼系数和伸长系数分别为b和k。该模型通常已知为“弹簧质量阻尼器模型”。虽然该模型是已知的，但该模型在本发明的方法中的应用是新的。

本发明适用于接合测试和材料测试。

此外，考虑了传感器安装部的可能的加速度“a”。施加载荷有时需要传感器相对于被测对象移动。该运动能够使m具有加速度，然后即使在不施加载荷时也会引起传感器输出。

力的较精确的计算是，

在任何时间点的力均是产生传感器的移动部分的伸长量、速度和加速度所需的力的总和。传感器有时具有复杂的运动，移动部分的运动可能包括转动以及线性运动。伸长量x还可以被测量为应变ε。这是无关紧要的，因为三个系数k、b和m的校准从等于x的输出推导出，系数也变为相等。假设归因于线性运动的x、k、b和m的单位是一致的，并且能够从已知k、b、m和x如何随时间变化来准确地计算F。

随着x随时间变化，能够计算一阶微分dx/dt(速度)和二阶微分d²x/dt²(加速度)。

能够在静态载荷条件下完成k的校准。如示出传感器自由体振荡以及m和b的表达式的图3所示，能够使用k和传感器的自由体振荡特性来计算系数b和m。计算或校准m和b不是必需的。例如，如将稍后在图4、图5、图6和图7中示出和说明的，可以通过反复试验(trialand error)将估计值例如代入F的计算中以减少传感器的“余震”。

图1中的传统模型假设系统不受x的一阶微分和二阶微分和加速度“a”的影响。该模型的校准和使用假设传感器处于静止状态或稳定状态。图2中的较精确的模型一起考虑了x的一阶微分和二阶微分以及“a”，并且该模型的校准是动态的。不必将所有的动态项应用在本发明的应用中。任意一个微分项或加速度“a”的影响均可以忽略不计。在这种情况下，仅会应用被认为重要的项。

当被测量的力迅速变化时，可以看到对本发明的优点的图示。在仅应用伸长量和常数k的传统校准中，传感器输出将会指示错误的振荡载荷。这有时被称为“余震”。一个具体的示例是被立即移除的稳定的力。代替示出作为常量然后突然下降到零的力，输出将在零附近振荡。这在很大程度上是由于传感器的质量m关于弹性元件振荡。该振荡在阻尼b的影响下持续缓慢减小。

本发明的另一用途是减少任意信号中的滤波器伪像。信号通常包含噪音，将噪音滤除是有益的。过滤能够产生表现非常类似于对阻尼和质量的动态影响的伪像。这也被称为余震。在这种情况下，b和m的动态有效项的校准将包括滤波器对一阶微分和二阶微分的影响，并且应用这些有效常数将减少滤波器余震伪像。m和b的单位可以不再是质量和阻尼的单位，而是取决于信号的性质。m和b是一阶微分和二阶微分。能够通过响应于突然变化或“阶跃输入”的信号再次测量m和b。

在优选实施方式中，动态校准应用于在接合测试器上使用的传感器。接合测试器在半导体和电子行业中已知为测量工具，用于确定复杂产品的构造中使用的许多不同类型的接合的强度。这种接合通常是导电的、诸如微芯片与基板或焊料互连之间的金线或铝线接合，但是还可以是诸如硅片与基板之间的热接合。这种接合的几何形状从几微米到几十毫米不等。

例如，电动车辆的功率晶体管可以具有50mm2或更大的平面接合，而半导体器件可以具有小于10μm2的接合。施加的载荷的范围可以从几克力到几百千克力，并且根据待测试的部件提供不同尺寸和构造的测试机。

图4是传感器力测量的一部分的实例，其中没有应用从接合测试器进行动态校准来测试线接合到破坏的强度。能够看到载荷增加到衰减点，在该衰减点之后即使在力为零的情况下传感器输出也振荡。图5示出了完全相同的传感器输出，但是对阻尼和质量项进行了校准。如在衰减处能够看到，力迅速下降到基本为零。该接合的强度被作为测量的最大力，并且不考虑传感器的动态特性将对此产生影响。影响的程度取决于传感器、样本和测试速度。该影响可以是所记录的最大力的一小部分或非常大的部分。作为数字项的粗略引导，在0.1mm/s的测试速度下能够出现0.05％的误差，而在5mm/s的测试速度下能够出现高达45％的误差。

图6是没有应用动态校准的完整测试的传感器力测量的另一实例。再次看到振荡。图7示出了完全相同的传感器输出，但是对阻尼和质量项进行了校准。能够看出，振荡再次显著减少。该减少发生在线断裂的峰值力之后，且在传感器与线接触之前的载荷开始施加期间发生，并且在通过将传感器移动到线并且在较小程度上随着力增加而引起的加速力“a”下自由振荡。振荡减少但并没有消除。这是因为本发明虽是一种改进的但仍是不完美的真实传感器的模型。在本示例中，没有动态校准和有动态校准的测试结果或峰值力分别为3.26gf和3.18gf。较精确的3.18gf表示，在不应用动态校准的情况下误差大约为2.5％。

图8公开了根据本发明的接合测试设备。接合测试设备801被配置为用于确定接合和/或材料的强度，所述接合测试设备801包括：

-力单元803，其被配置为经由包括于所述接合测试器设备801的测试工具804向所述接合施加机械力；

-传感器部件802，其被配置为测量由施加的所述力引起的所述传感器部件802的位移；

-计算单元808，其被配置为基于包括与测得的所述位移的直接关系的第一分量并基于如下中的至少一者来计算施加的所述力：

-第二分量807，其包括与测得的所述位移随时间的一阶导数的直接关系；

-第三分量806，其包括与测得的所述位移随时间的二阶导数的直接关系；

-第四分量805，其包括与所述传感器部件的随时间的加速度的直接关系。

Claims (14)

1.一种用于确定接合和/或材料的强度的方法，所述方法使用接合测试器设备，所述方法包括以下步骤：

-使用所述接合测试器设备包括的测试工具对所述接合施加机械力；

-由所述接合测试器设备包括的传感器部件通过以下确定对所述接合施加的所述力：

-由所述传感器部件测量由施加的所述力引起的所述传感器部件的位移；

-由所述传感器部件基于包括与测得的所述位移的直接关系的第一分量并且基于以下中的至少一者计算施加的所述力：

-第二分量，其包括与测得的所述位移随时间的一阶导数的直接关系；

-第三分量，其包括与测得的所述位移随时间的二阶导数的直接关系；

-第四分量，其包括与所述传感器部件的加速度的直接关系。

2.根据权利要求1所述的确定接合和/或材料的强度的方法，其特征在于，所述第一分量包括弹簧系数乘以测得的所述位移，其中所述弹簧部件与所述传感器部件的恒定特性相关。

3.根据前述权利要求中任一项所述的确定接合和/或材料的强度的方法，其特征在于，基于至少所述第二分量来计算施加的所述力，其中所述第二分量包括阻尼系数乘以测得的所述位移随时间的所述一阶导数，所述阻尼系数与所述传感器部件的阻尼和弹性力相关。

4.根据前述权利要求中任一项所述的确定接合和/或材料的强度的方法，其特征在于，基于至少所述第三分量来计算施加的所述力，其中所述第三分量包括质量系数乘以测得的所述位移随时间的所述二阶导数，所述质量系数与所述传感器部件的质量相关。

5.根据权利要求3或4所述的确定接合和/或材料的强度的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-使用所述传感器部件的自由体振荡特性来确定所述阻尼系数和/或所述质量系数。

6.根据前述权利要求中任一项所述的确定接合和/或材料的强度的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-通过对所述接合施加静态力来确定所述弹簧系数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的确定接合和/或材料的强度的方法，其特征在于，基于以下方程式来计算施加的所述力：

其中：

F是施加的所述力，k是所述弹簧系数，x是测得的所述位移，b是所述阻尼系数，m是所述质量系数，t是时间，以及a是所述传感器部件的所述加速度。

8.一种接合测试设备，其用于确定接合和/或材料的强度，所述接合测试设备包括：

-力单元，其被配置为经由所述接合测试器设备包括的测试工具对所述接合施加机械力；

-传感器部件，其被配置为测量由施加的所述力引起的所述传感器部件的位移；

-计算单元，其被配置为基于包括与测得的所述位移的直接关系的第一分量并且基于以下中的至少一者来计算施加的所述力：

-第二分量，其包括与测得的所述位移随时间的一阶导数的直接关系；

-第三分量，其包括与测得的所述位移随时间的二阶导数的直接关系；

-第四分量，其包括与所述传感器部件随时间的加速度的直接关系。

9.根据权利要求8所述的接合测试设备，其特征在于，所述第一分量包括弹簧系数乘以测得的所述位移，其中所述弹簧部件与所述传感器部件的恒定特性相关。

10.根据权利要求8或9所述的接合测试设备，其特征在于，所述计算单元被配置为基于至少所述第二分量来计算施加的所述力，其中所述第二分量包括阻尼系数乘以测得的所述位移随时间的所述一阶导数，所述阻尼系数与所述传感器部件的阻尼和弹性力相关。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的接合测试设备，其特征在于，所述计算单元被配置为基于至少所述第三分量来计算施加的所述力，其中所述第三分量包括质量系数乘以测得的所述位移随时间的所述二阶导数，所述质量系数与所述传感器部件的质量相关。

12.根据权利要求10或11所述的接合测试设备，其特征在于，所述接合测试设备还包括：

-校准单元，其被配置为使用所述传感器部件的自由体振荡特性来确定所述阻尼系数和/或所述质量系数。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的接合测试设备，其特征在于，所述接合测试设备还包括：

-校准单元，其被配置为通过对所述接合施加静态力来确定所述弹簧系数。

14.根据权利要求8至12中任一项所述的接合测试设备，其特征在于，所述计算单元被配置为基于以下方程式来计算施加的所述力：

其中：

F是施加的所述力，k是所述弹簧系数，x是测得的所述位移，b是所述阻尼系数，m是所述质量系数，以及a是所述传感器部件的所述加速度。