CN109060558A - 热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统 - Google Patents

热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109060558A
CN109060558A CN201810627041.1A CN201810627041A CN109060558A CN 109060558 A CN109060558 A CN 109060558A CN 201810627041 A CN201810627041 A CN 201810627041A CN 109060558 A CN109060558 A CN 109060558A
Authority
CN
China
Prior art keywords
test
fatigue
machine
field
thermo
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810627041.1A
Other languages
English (en)
Inventor
姚尧
宫贺
张倩
汤文斌
王绍斌
王俊东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN201810627041.1A priority Critical patent/CN109060558A/zh
Publication of CN109060558A publication Critical patent/CN109060558A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/24—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady shearing forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0025—Shearing

Abstract

本发明涉及一种热‑电‑力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统，能够原位实时获取材料在热‑电‑力耦合条件下电子封装材料剪切、剪切蠕变、剪切疲劳力学行为的测试，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温度场、电场和力场，实现对电子封装材料在真实多场极端工作环境下基本力学性能的观测和测试；本发明便于探究热‑电‑力多场耦合条件下焊点的损伤失效机制，将单物理场或双物理场的加载条件拓展到多物理场耦合条件，解决了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。

Description

热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统
技术领域
本发明属于热-电-力耦合多场下电子封装材料力学性能测试技术，涉及零下低温-零上高温的温度条件、不同电流强度条件下电子封装材料中被广泛应用的无铅焊料、纳米银焊膏以及部分含铅焊料等电子封装材料多场耦合测试技术，具体涉及热-电-力耦合条件下焊料的剪切、剪切蠕变、剪切疲劳行为测试技术。
背景技术
电子封装结构中的互连焊点是微电子结构中传力、散热以及电气连接的关键部位。随着电子产品的发展，传统硅基元器件正逐渐被高效利用电能的高能宽禁带半导体器件所取代，这导致电子封装结构中互连焊点常处于高温、高电流等多场耦合工作环境中。因此，电子封装材料在这种极端荷载作用下，由基体与芯片热膨胀系数不同而导致的剪切、剪切蠕变以及剪切疲劳力学性能成为目前是学者们关注的焦点之一，在某种意义上，互连焊点的力学性能可靠性决定了整个电子产品的使用可靠性。
在热-电-力多场耦合下，焊点力学性能的表现更为复杂，在高电流作用下，随着焊点内部电迁移等现象的发生，焊点内部的微观结构发生变化，导致焊点力学性能的变化。而温度、电流的多场耦合效应进一步加剧了焊点力学性能的分析难度。由于新型焊料的提出以及试验条件制约，目前许多研究工作仅针对单场或者两场作用下焊点的力学性能进行研究，但互连焊点在服役时，经常受到温度、电流、荷载等多物理场的共同作用。此外，随着封装体积不断减小，封装密度持续增大，导致封装体工作温度和通过焊点的电流密度大幅升高，这对电子封装材料的力学性能提出了更为严苛的要求。因此，进行热-电-力耦合条件下焊点剪切、剪切蠕变以及剪切疲劳性能的试验研究，对探究电子产品正常使用条件下可靠性具有重要意义。然而，已有的测试方法大多局限于热-力或电-力的两场耦合作用，且在对试件进行测试时多采用固定式夹持方式，这导致试件在测试过程中受人为误差及夹具误差较大，夹持稍有偏心会对测试试件产生多余荷载约束，增加测试误差。因此，开发一种测试和观测焊料在热-电-力耦合作用下材料力学行为的测试系统对实际工况下焊料破坏分析具有至关重要的意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统。
技术方案
一种热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统，其特征在于包括电源、可移动式高低温环境试验箱、耐高温通电导线、试件通电预留连接口、焊接节点、氧化铝陶瓷销栓、铰接式夹具、疲劳机/拉伸机、氧化铝陶瓷垫圈、试件剪切键和传力杆件；根据对测试材料不同力学性能的测试需要选取拉伸机/疲劳机，拉伸机/疲劳机固定于试验测试地点，两个传力杆件分别穿过可移动式高低温环境试验箱的两端，传力杆件的一端与拉伸机/疲劳机连接，另一端与位于可移动式高低温环境试验箱内的铰接式夹具连接；两个试件剪切键通过焊接节点连接，每个试件剪切键通过氧化铝陶瓷销栓与铰接式夹具形成铰接，试件剪切键与铰接式夹具接触的地方放置氧化铝陶瓷垫圈，在试件剪切键上设有试件通电预留连接口，通过耐高温通电导线与电源连接。
有益效果
本发明提出的一种热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统，能够原位实时获取材料在热-电-力耦合条件下电子封装材料剪切、剪切蠕变、剪切疲劳力学行为的测试，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温度场、电场和力场，实现对电子封装材料在真实多场极端工作环境下基本力学性能的观测和测试；本发明便于探究热-电-力多场耦合条件下焊点的损伤失效机制，将单物理场或双物理场的加载条件拓展到多物理场耦合条件，解决了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。具有以下优点：
(1)为模拟电子封装焊接节点更为真实工作环境状态，本发明提出一种针对热-电-力多场耦合环境下焊接节点的剪切、蠕变、疲劳多用途铰接式测试系统，可以对传统焊料以及未来绿色电子封装材料焊接节点在极端工作环境下力学性能进行有效评估，以实现测试精度高，测试环境灵活可调，适用范围广，测试成本低等优势；
(2)本发明提出耐高温铰接式通电夹持系统，可保证测试试件始终处于轴向受力状态。可减少常用试件固定式夹持过程中，由于人工误差等而导致的剪切键偏心，对试件受力过程产生多余荷载约束而对单轴受力试验造成的误差。
附图说明
图1是本发明一种热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统的整体示意图；
图2是本发明一种热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统的耐高温铰接式通电夹持系统正面示意图；
图3是本发明一种热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统的耐高温铰接式通电夹持系统侧面示意图；
图4是本发明一种热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统的试件详图；
图5是本发明一种热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统的氧化铝陶瓷销栓示意图；
图6是本发明一种热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统的绝缘氧化铝陶瓷垫圈示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出的测试电子封装材料热-电-力多场耦合环境下的剪切、蠕变、疲劳铰接测试系统包括：
(1)电子拉伸试验机/疲劳机：可根据不同测试用途选择拉伸机/疲劳机；
(2)高低温环境试验箱：所选温度箱上下预留与拉伸机/疲劳机的连接孔，并可实现零下低温制冷、零上高温制热的温度条件；
(3)电流源：电流源放置在高低温环境试验箱之外，通过引线与导电环连通，并与两端导电环形成通路；
(4)耐高温铰接式通电夹持系统：夹持系统是本发明的核心部件，主要由高温隔热连杆、铰接式夹具、专用试件、铝合金陶瓷销栓、铝合金陶瓷绝缘环等组成。
本发明测试电子封装材料热-电-力耦合场下焊接材料剪切、蠕变、疲劳的铰接式系统细节如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。本发明包括：1-电源；2-可移动式高低温环境试验箱；3-耐高温通电导线；4-1,2-试件通电预留连接口；5-焊接节点；6-1,2-氧化铝陶瓷销栓；7-1,2-铰接式夹具；8-疲劳机/拉伸机；9-(1～4)-氧化铝陶瓷垫圈；10-1,2-试件剪切键；11-1,2-传力杆件。
1)工作流程
根据对测试材料不同力学性能的测试需要选取拉伸机/疲劳机，拉伸机/疲劳机(8)固定于试验测试地点，传力杆件(11-1,2)分别从上下预留孔穿过可移动式高低温环境试验箱(2)，在高低温环境试验箱内部分别与上下两个铰接式夹具(7-1,2)实现螺纹连接。使用氧化铝陶瓷销栓(6-1,2)穿过使用待测焊料焊接试件的预留孔和夹具预留孔，使待测试件与夹具形成铰接，在试件两侧分别放置两片氧化铝陶瓷垫圈(9-1,2,3,4)，保证待测试件不与夹具接触，避免电流通过试件传入拉伸机/疲劳机。通过试件上通电预留连接口(4-1,2)及耐高温通电导线(3)与外部的电源连接。此时，通过温度箱施加温度场、电源施加电场、拉伸机/疲劳机施加所需荷载，即可确保待测试件同时处于热-电-力耦合场下，通过拉伸机/疲劳机传感器与电脑连接记录相关输出数据，整体示意图如图1所示。
温度场控制：通过高低温环境试验箱实现，实现试验环境内部从低温至高温的快速而精确的可控温环境；
电场控制：通过电源实现对待测试件的通电，通过控制待测试件的不同搭接面积或电源输出电流可实现对剪切键的不同电流密度的施加；
荷载场控制：根据试验目的，选择拉伸机/疲劳机，施加所需荷载，实现剪切、蠕变、疲劳的测试。
2)本发明重点发明部件介绍：
耐高温铰接式通电夹持系统是本发明的核心部件，它主要的优点是与夹具的连接采用铰接，可避免常规剪切键与夹具连接时的多余荷载约束影响，实现了单轴加载。同时在本发明中，夹具与试件之间通过耐高温绝缘氧化铝陶瓷销栓连接，实现了对剪切键的热-电-力耦合试验，并通过本发明的绝缘连接避免电流通过剪切键对拉伸机/疲劳机破坏。耐高温铰接式通电夹持系统如图2，3所示，主要由高温隔热连杆、铰接式夹具、专用试件、铝合金陶瓷销栓、铝合金陶瓷绝缘环及专用剪切试件组成。
耐高温铰接式通电夹持系统由氧化铝陶瓷销栓(6-1,2)、铰接式夹具(7-1,2)、-氧化铝陶瓷垫圈(8-9-1,2,3,4)、剪切键试件(10-1,2)组成，如图2，3所示。剪切试件由一对L形剪切键试件组成，在试件下部预留两个圆形孔洞(12-1,2)，用于与夹具的连接，在试件靠近焊料焊接的位置预留通电的连接口(4-1,2)，用于连接通电导线，如图4所示。通过剪切键试件通电预留连接口(4-1,2)连接耐高温绝缘导线与电源相连，为防止电流通过夹具传入拉伸机/疲劳机对其造成损坏，剪切键上部与夹具预留一定间隙，不直接接触，剪切键与夹具实现铰接所用的销栓采用耐高温绝缘氧化铝陶瓷材料制成，如图5所示。为防止剪切键两侧面与夹具接触，在剪切键两侧添加两个氧化铝陶瓷垫圈，如图5所示。如此可保证在对剪切键进行热-电-力多场耦合试验时，电流只通过剪切键而不会进入拉伸机/疲劳机。

Claims (1)

1.一种热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统，其特征在于包括电源(1)、可移动式高低温环境试验箱(2)、耐高温通电导线(3)、试件通电预留连接口(4)、焊接节点(5)、氧化铝陶瓷销栓(6)、铰接式夹具(7)、疲劳机/拉伸机(8)、氧化铝陶瓷垫圈(9)、试件剪切键(10)和传力杆件(11)；根据对测试材料不同力学性能的测试需要选取拉伸机/疲劳机，拉伸机/疲劳机(8)固定于试验测试地点，两个传力杆件(11)分别穿过可移动式高低温环境试验箱(2)的两端，传力杆件(11)的一端与拉伸机/疲劳机(8)连接，另一端与位于可移动式高低温环境试验箱(2)内的铰接式夹具(7)连接；两个试件剪切键(10)通过焊接节点(5)连接，每个试件剪切键(10)通过氧化铝陶瓷销栓(6)与铰接式夹具(7)形成铰接，试件剪切键(10)与铰接式夹具(7)接触的地方放置氧化铝陶瓷垫圈(9)，在试件剪切键(10)上设有试件通电预留连接口(4)，通过耐高温通电导线(3)与电源(1)连接。
CN201810627041.1A 2018-06-19 2018-06-19 热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统 Pending CN109060558A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810627041.1A CN109060558A (zh) 2018-06-19 2018-06-19 热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810627041.1A CN109060558A (zh) 2018-06-19 2018-06-19 热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109060558A true CN109060558A (zh) 2018-12-21

Family

ID=64820413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810627041.1A Pending CN109060558A (zh) 2018-06-19 2018-06-19 热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109060558A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110553928A (zh) * 2019-07-26 2019-12-10 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 一种用于高温条件下测试结构元件剪切强度的装置
CN111426554A (zh) * 2020-03-23 2020-07-17 天津大学 一种半导体芯片高温剪切试验夹具

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1492325A (en) * 1976-07-09 1977-11-16 Golder Hoek & Ass Ltd Vane test probe primarily for underwater use
CN202710398U (zh) * 2012-07-03 2013-01-30 南京新核复合材料有限公司 一种蜂窝夹层材料剪切性能测试夹具
CN104390852A (zh) * 2014-11-26 2015-03-04 河南航天精工制造有限公司 一种螺栓剪切试验夹具及试验机
CN204831897U (zh) * 2015-07-21 2015-12-02 华南理工大学 评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统
CN105628496A (zh) * 2016-03-22 2016-06-01 北京航空航天大学 一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具
CN107655764A (zh) * 2017-10-31 2018-02-02 西北工业大学 热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1492325A (en) * 1976-07-09 1977-11-16 Golder Hoek & Ass Ltd Vane test probe primarily for underwater use
CN202710398U (zh) * 2012-07-03 2013-01-30 南京新核复合材料有限公司 一种蜂窝夹层材料剪切性能测试夹具
CN104390852A (zh) * 2014-11-26 2015-03-04 河南航天精工制造有限公司 一种螺栓剪切试验夹具及试验机
CN204831897U (zh) * 2015-07-21 2015-12-02 华南理工大学 评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统
CN105628496A (zh) * 2016-03-22 2016-06-01 北京航空航天大学 一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具
CN107655764A (zh) * 2017-10-31 2018-02-02 西北工业大学 热‑电‑力耦合场粘塑性材料蠕变测试系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110553928A (zh) * 2019-07-26 2019-12-10 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 一种用于高温条件下测试结构元件剪切强度的装置
CN111426554A (zh) * 2020-03-23 2020-07-17 天津大学 一种半导体芯片高温剪切试验夹具
CN111426554B (zh) * 2020-03-23 2021-10-08 天津大学 一种半导体芯片高温剪切试验夹具

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN204831897U (zh) 评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统
Li et al. Modeling and analysis on overall fatigue failure evolution of press-pack IGBT device
CN109060558A (zh) 热-电-力耦合场下剪切、蠕变、疲劳的铰接式测试系统
CN103076551B (zh) 一种led灯具热阻构成测试装置和方法
CN206311422U (zh) 一种形状记忆合金热‑力耦合多轴循环变形实验装置
CN208921749U (zh) 一种芯片的测试座
Medjahed et al. Thermo-mechanical stress of bonded wires used in high power modules with alternating and direct current modes
CN105203940A (zh) 一种热电元件可靠性评价系统及方法
Calabretta et al. Design and process optimization of a sintered joint for power electronics automotive applications
Ma et al. Power cycling failure analysis of double side cooled IGBT modules for automotive applications
Santopá et al. Fast transient thermomechanical stress to set a pressure-assisted sintering process
CN1982906A (zh) 金属互连线电迁移的测试结构及方法
Kim et al. Power cycling tests under driving ΔTj= 125° C on the Cu clip bonded EV power module
CN105043897B (zh) 一种单晶硅小尺寸试件高温蠕变性能四点弯测试系统及方法
Riedel et al. Simultaneous testing of wirebond and solder fatigue in IGBT modules
CN201034898Y (zh) 薄膜材料电/热/力耦合作用下性能测试系统
Pander et al. Lifetime estimation for solar cell interconnectors
Kawashiro et al. Effect of copper over-pad metallization on reliability of aluminum wire bonds
CN114887863B (zh) 一种超声探头及其制备方法
Sarkany et al. Investigation of die-attach degradation using power cycling tests
Liu et al. Research on long-term reliability of silver sintered press-pack IGBT modules
Tian et al. A thermal network model for thermal analysis in automotive IGBT modules
Fabian et al. Simulation based design of experiments of power cycling tests using die top system interconnect technology die Topy system (DTS (r))
CN103038654B (zh) 对集成电路施加应力的方法和装置
Huang Simulation on the interfacial singular stress-strain induced cracking of microelectronic chip under power on-off cycles

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181221