CN109459324A - 一种烧结纳米银剪切试件及其夹具装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种烧结纳米银剪切试件及其夹具装置，移动夹头夹具外轮廓所采用的材料均为不锈钢材料，装置变形小，可减小由于装置变形造成的误差。纳米银试件原材料为紫铜，可在外侧进行镀金，增加节点的可靠性。本装置中的可调节夹具的两个夹头为可移动夹头，夹头之间的间距可调，适用于更多试件。夹具与试件的连接方式为铰接，可避免由于固定夹持导致的试件破坏，进一步节省试验成本。此外，采用铰接形式的连接可以减小由固定夹持方式导致的额外应力干扰实验结果，从而增加试验结果的准确性。

Description

一种烧结纳米银剪切试件及其夹具装置
技术领域
本发明涉及一种烧结纳米银剪切试件及其夹具装置，研究烧结纳米银材料受剪切性能对于电子封装中结构可靠性分析具有重要意义。
背景技术
随着电子封装材料的无铅化发展以及广泛使用的无铅焊料在高温、高电流工作环境下的应用限制，烧结纳米银以其优异的低温烧结、高温服役性能有望成为下一代电子封装材料。烧结纳米银作为芯片互连材料，工作环境为热-电-力耦合场作用，在外界温度场或通电导致的焦耳热作用下，由于芯片和封装材料的热膨胀系数不匹配导致烧结纳米银层受剪力作用，是封装结构受力破坏的重要原因之一。因此，研究烧结纳米银材料受剪切性能对于电子封装中结构可靠性分析具有重要意义。
封装结构体积逐渐减小，封装密度持续增大，通过焊点的电流密度大幅升高，导致封装焊接构件处温度较高，由于含铅焊料对环境以及人体会造成不可逆的损害，广泛使用的无铅焊料在高温、高电流工作环境下存在焦耳热熔和层间断裂等现象。同时，由于高能宽禁带半导体电子元器件有逐步取代传统的硅基器件的趋势。其中SiC半导体由于能在无冷却系统甚至超250℃条件下服役而成为最具代表性的宽禁带半导体材料。如此高的服役温度对封装中的连接材料是极大的考验。然而，烧结纳米银焊点具有良好的机械性能、可焊性、导电及导热性能，可满足大功率半导体器件的高温、高密度封装要求。且大量的研究和实际工况表明，烧结纳米银封装器件可以运行在高电流密度、极端温度和高频振动等环境中，可以更好地满足航空航天飞行器用微电子器件的要求，故此烧结纳米银作为一种新型绿色焊料有望取代传统焊料成为新一代电子封装材料。
由于纳米银材料价格昂贵，在使用时通常在基体和芯片之间涂一薄层纳米银浆，由于纳米银粒径小，颗粒融化的温度相对低，通过低温烧结使芯片和基板实现连接。纯银的熔点为961℃，纳米银浆烧结形成纳米银节点后能应用于高温环境。在烧结过程中，纳米银节点中添加剂燃烧或蒸发，在烧结纳米银节点内部形成大量的微观孔洞，烧结纳米银作为芯片互连材料，工作环境通常为热-电-力耦合多场作用，在外界温度场或通电导致的焦耳热作用下，由于芯片和封装材料的热膨胀系数不匹配导致烧结纳米银层受剪力作用，孔洞萌生、生长、聚合最后导致节点破坏，是封装结构破坏的重要原因之一。
然而，目前国内外学者对烧结纳米银进行剪切破坏试验时主要使用搭接件，在搭接件两端通过夹具固定，通过上述可知，在烧结纳米银节点中，纳米银以薄层形式存在，节点脆性相对较高，在进行夹持的过程中容易发生破坏，同时由于夹具变形容易给试件形成额外预加力，增加试验数据误差。本发明主要目的是开发新型铰接夹具，降低由夹具夹持造成的试件的损坏，节省试验成本，消除夹具在夹持试件过程中施加的预加力，排除其他因素干扰，增加试验数据的准确性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术的不足，本发明涉及一种烧结纳米银剪切试件及其夹具装置。
本发明的技术方案是：一种烧结纳米银剪切试件，包括两个结构相同的T形板状结构件；其中T形板状结构件的小径端相对放置，且相对放置接触的部分通过涂抹纳米银进行连接，形成基板—纳米银层—基板结构。
本发明的进一步技术方案是：所述T形板状结构件采用金属材料制成，且表面均镀金。
本发明的进一步技术方案是：烧结纳米银剪切试件的夹具装置，包括固定夹具、可调节夹具；所述固定夹具一端与外部试验机底部固连，另一端用于固定剪切试件；可调节夹具一端与外部试验机顶部固连，另一端与剪切试件的另一端连接，连接形式为铰接；固定夹具、可调节夹具轴线相互重合；试验时调节可调节夹具和固定夹具的间距使剪切试件的翼缘下表面高于可调节夹具移动夹头伸出部分的上表面，调节移动夹头卡住剪切试件翼缘，进而实现铰接，进行剪切试验。
本发明的进一步技术方案是：所述固定夹具未与外部试验机底部固连的一端为叉形，剪切烧结纳米银试件一端位于叉形中，通过上移叉形中的梯形楔块，对剪切试件进行固定。
本发明的进一步技术方案是：所述可调节夹具、包括外杆体、固定端板、移动夹头和调节螺栓；外杆体为二阶体，小径端与外部试验机顶部固连，大径端内腔体沿外杆体长轴线设有倒凸型滑轨用于放置移动夹头，沿短轴线方向对称设有方形孔用于安置固定端板；移动夹头为两个上部为T型下部为L型的厚板，具体尺寸可根据剪切测试强度设定，移动夹头的上部T型端沿倒凸型滑轨插入外杆体大径端内腔中，并扣在倒凸型滑轨中，且位于直杆端两个固定端板之间；两个L型板的弯曲端相对；固定端板通过外杆体上预留的方型孔插入，并固定在此，位置保持不动，且固定端板中间轴线上开有螺纹孔，且两个螺纹孔轴线重合；调节螺栓一端穿过螺纹孔后，紧贴合在移动夹头T型端外壁上；通过拧动调节螺栓改变两个移动夹头之间的距离，从而改变两个L型板弯曲端之间的间距，使得保证移动夹头能够扣住剪切试件，实现铰接。
本发明的进一步技术方案是：所述可调节夹具大径端内部设有通孔形成一倒凸型空腔，该通孔轴线与可调节夹具竖向轴线相互垂直，位于水平长轴线上；大径端在水平长轴线的两侧，并且垂直于水平长轴线，平行于水平短周线方向开有两个矩形通孔，且通孔与倒凸型空腔相互贯通。
本发明的进一步技术方案是：移动夹头上部T型端沿倒凸型滑轨进入空腔中。固定端板通过外杆体上预留的方型孔插入，且位于移动夹头的外侧。螺栓通过固定端板的螺纹孔拧入，前端接触移动夹头。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明可移动夹头夹具外轮廓所采用的材料均为不锈钢材料，装置变形小，可减小由于装置变形造成的误差。纳米银试件原材料为紫铜，可在外侧进行镀金，增加节点的可靠性。本装置中的可调节夹具的两个夹头为可移动夹头，夹头之间的间距可调，适用于更多试件。夹具与试件的连接方式为铰接，可避免由于固定夹持导致的试件破坏，进一步节省试验成本。此外，采用铰接形式的连接可以减小由固定夹持方式导致的额外应力干扰实验结果，从而增加试验结果的准确性。
具体效果为：
(1)夹具对试件的固定由固接改为铰接，减少由于夹持力造成的试件的破坏；
(2)消除夹具在夹持试件过程中施加的预加力，排除其他因素干扰，增加试验数据的准确性；
(3)试件由基板-纳米银层-基板组成，便于模拟实际封装受剪切破坏过程；
夹具夹头间距可调节，适用于不同要求的剪切试件。同时，减少试件因夹持问题导致的试件的破坏，节省试验成本。
附图说明
图1一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的整体示意图
图2一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的夹持正面图
图3一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的夹持侧面图
图4一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的可调节夹具正面图
图5一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的可调节夹具侧视图
图6一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的可动夹头正面图
图7一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的可动夹头侧面图
图8一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的固定端板正面图
图9一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的固定端板侧面图
图10一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的调节螺栓正面图
图11一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的外杆体正面图
图12一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的外杆体侧面图
图13一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的剪切试件图
图14一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置的工作原理剖面图
附图说明：1-可调节夹具；2-可动夹头；3-剪切试件；4-固定夹具；5-调节螺栓；6-固定端板；7-螺栓孔；8-试验机，9-滑轨，10-外杆体，11-矩形孔洞，12-倒凸型空腔，13-T形板状结构件，14-纳米银层，15-搭接区域。
具体实施方式
参见图1—图14，为研究新一代电子封装材料烧结纳米银剪切性能，提高烧结纳米银节点试验的成功率，节省试验成本，保证试验的数据的准确性，为工业封装提供有效数据。本发明提出一套烧结纳米银剪切试件及其夹具，且该装置也可用于其他焊接材料(如无铅焊料等)剪切试验。
烧结纳米银剪切试件，包括由两个T形板状结构件、纳米银层。其中，T形板状结构件表面镀金用于提高搭接试件的界面强度。搭接面积与搭接厚度根据试验要求设置，两个T形板状结构件相对放置，且两者腹板前端形成搭接区域，在搭接区域形成由基板-纳米银层-基板三明治结构，通过加热台进行烧结，烧结温度和烧结时间根据试验及纳米银浆性质决定，制备成烧结纳米银剪切试件。剪切试件两个结构件材料为紫铜，表面镀金，设计为T型的原因为翼缘方便扣在本发明的移动夹头内部，腹板易于搭接。
本发明提出的一套烧结纳米银剪切试件及其夹具装置包括：
两个夹具、一个T形试件。其中，根据两个夹具包含一个普通固定夹具，一个由本发明设计的专用可调节夹具，专用夹具包含两个固定端板、可移动夹头、调节螺栓。可调节夹具的组装方式，需要说明的是，用于其他焊料分析时，则此处得纳米银层为其他焊料层。剪切件是由两个T型试件搭接成的，搭接区通过纳米银连接，纳米银作用类似于胶水。滑轨是指倒凸型的空腔，移动夹头上部为T型，T型的翼缘正好卡在倒凸型的空腔内部，通过调节螺栓使移动夹头在滑轨内轴向移动。
首先将可移动夹头通过可调节夹具预留的滑轨放入，然后将两个固定端板像销栓一样插在可调节夹具两端的预留孔中，调节螺栓通过固定端板的螺栓孔拧入，调节螺栓的前端紧贴合在可移动夹头上，这样即可实现通过拧动调节螺栓更改可移动夹头的间距。根据剪切试验要求，通过两端调节螺栓调节可移动夹头的间距，保证夹头能扣住试件，实现铰接。
使用一种烧结纳米银受压试件制备装置进行剪切试验时具体步骤如下：
第一步：根据试验要求，通过加热台制备3-剪切试件；
第二步：将1-可调节夹具，4-固定夹具安装在试验机上，并根据3-剪切试件的大小通过5-调节螺栓调节可动夹头的间距；
第三步：将3-剪切试件首先固定在4-固定夹具上，然后调节试验机进行校准归零操作，然后调节试验机使用1-可调节夹具将3-剪切试件卡住，如图3所示；
第四步：启动试验机，进行试验，此外还可配备温度箱/电流源进行多场耦合下烧结纳米银剪切试验。

Claims (7)

1.一种烧结纳米银剪切试件，其特征在于，包括两个结构相同的T形板状结构件(3)；其中T形板状结构件的小径端相对放置，且相对放置接触的部分通过涂抹纳米银进行连接，形成基板—纳米银层—基板结构。
2.如权利要求1所述的一种烧结纳米银剪切试件，其特征在于，所述T形板状结构件(3)采用金属材料制成，且表面均镀金。
3.基于权利要求1所述烧结纳米银剪切试件的夹具装置，其特征在于，包括固定夹具(4)、可调节夹具(1)；所述固定夹具(4)一端与外部试验机底部固连，另一端用于固定剪切试件；可调节夹具(1)一端与外部试验机顶部固连，另一端与剪切试件的另一端连接，连接形式为铰接；固定夹具(4)、可调节夹具(1)轴线相互重合；试验时调节可调节夹具(1)和固定夹具(4)的间距使剪切试件的翼缘下表面高于可调节夹具(1)移动夹头伸出部分的上表面，调节移动夹头卡住剪切试件翼缘，进而实现铰接，进行剪切试验。
4.如权利要求3所述的一种用于剪切烧结纳米银试件的夹具装置，其特征在于，所述固定夹具(4)未与外部试验机底部固连的一端为叉形，剪切烧结纳米银试件一端位于叉形中，通过上移叉形中的梯形楔块，对剪切试件进行固定。
5.如权利要求1所述的一种用于剪切烧结纳米银试件的夹具装置，其特征在于，所述可调节夹具(1)、包括外杆体(10)、固定端板(6)、移动夹头(2)和调节螺栓(5)；外杆体(10)为二阶体，小径端与外部试验机顶部固连，大径端内腔体沿外杆体(10)长轴线设有倒凸型滑轨用于放置移动夹头(2)，沿短轴线方向对称设有方形孔用于安置固定端板(6)；移动夹头(2)为两个上部为T型下部为L型的厚板，移动夹头(2)的上部T型端沿倒凸型滑轨插入外杆体(10)大径端内腔中，并扣在倒凸型滑轨中，且位于直杆端两个固定端板(6)之间；两个L型板的弯曲端相对；固定端板(6)通过外杆体(10)上预留的方型孔插入，并固定在此，位置保持不动，且固定端板中间轴线上开有螺纹孔，且两个螺纹孔轴线重合；调节螺栓(5)一端穿过螺纹孔后，紧贴合在移动夹头(2)T型端外壁上；通过拧动调节螺栓(5)改变两个移动夹头(2)之间的距离，从而改变两个L型板弯曲端之间的间距，使得保证移动夹头(2)能够扣住剪切试件，实现铰接。
6.如权利要求1所述的一种用于剪切烧结纳米银试件的夹具装置，其特征在于，所述可调节夹具(1)大径端内部设有通孔形成一倒凸型空腔，该通孔轴线与可调节夹具(1)竖向轴线相互垂直，位于水平长轴线上；大径端在水平长轴线的两侧，并且垂直于水平长轴线，平行于水平短周线方向开有两个矩形通孔，且通孔与倒凸型空腔相互贯通。
7.如权利要求5或6所述的一种用于剪切烧结纳米银试件的夹具装置，其特征在于，移动夹头(2)上部T型端沿倒凸型滑轨进入空腔中。固定端板(6)通过外杆体(10)上预留的方型孔插入，且位于移动夹头(2)的外侧。螺栓通过固定端板(6)的螺纹孔拧入，前端接触移动夹头(2)。
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