CN109738483A

CN109738483A - 极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法

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Publication number: CN109738483A
Application number: CN201910064220.3A
Authority: CN
Inventors: 甘贵生; 夏大权; 刘歆; 蒋刘杰; 田谧哲; 曹华东; 翟翔; 吴懿平; 杨栋华; 苏鉴
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明公开了一种极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法，实验装置包括加热系统和冷却系统；加热系统包括第一导热板，在第一导热板上固定安装有加热片和温度传感器，温度传感器与温度控制器相连，温度控制器通过一开关电源与第一导热板相接；制冷系统包括液氮罐和装在液氮罐内的液氮，在液氮罐的罐口上安装有一个第二导热板，在第二导热板下方固定安装有一插入液氮罐内并浸泡在液氮内的传温棒；第一导热板置于第二导热板上方，在第一导热板和第二导热板之间形成一个试样检测空间，第一导热板和第二导热板通过该连接装置夹紧试样。本发明得到的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法温度梯度大，实验周期长，且造价低、体积小。

Description

极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种热疲劳实验装置，具体涉及一种极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法。

背景技术

随着集成电路的高速发展，电子元器件封装的密度越来越高，焊点的尺寸越来越小，焊点数量数以千计。目前IGBT和LED等大功率器件的逐步推广和应用，其元器件内部芯片所承受的功率越来越大，封装体内部的热流密度也越来越高，由高电流密度引起的电迁移失效和大温度梯度所引起的热迁移失效俨然已成为焊点可靠性的突出问题。前期国内外研究人员认为电迁移引起的原子迁移率要大于热迁移，一直忽视热迁移的影响。最近研究表明，在微焊点中，在足够大的温度梯度下引起焊点的原子迁移效应要大于电迁移引起的原子迁移效应。温度梯度达到一定值后的原子迁移将影响焊点界面 IMC 层的生长，造成焊点冷端的IMC层增厚，热端IMC层减薄，其IMC具有脆性，容易在界面处发生断裂，使得焊点失效，严重影响其焊点的可靠性。

申请号为201610173135.7的中国专利申请文件介绍了一种检测互连焊点热迁移性能的装置与方法。由于采用的是半导体制冷片作为制冷端的冷源，其冷却的效果是很有限的，导致温度梯度不够大，实验周期时间长，耗费了大量的人力物力。张金松做的实验装置冷端采用冷却水(张金松, 吴懿平, 王永国, and 陶媛,集成电路微互连结构中的热迁移, 物理学报 [J]vol. 59, no. 06, pp. 4395-4402, 2010)，其冷却效果也是有限的，无法达到较大的温度梯度。这类较小的温度梯度条件下的焊点热迁移，还是无法真实反映IGBT和LED等大功率器件在运行过程中的热迁移失效。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种温度梯度大，实验周期时间长，且造价低、体积小，并能够测试大功率器件的热功率迁移的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，它包括加热系统和冷却系统；所述加热系统包括第一导热板，在第一导热板上固定安装有一加热片和一个用于检测第一导热板实时温度的温度传感器，所述温度传感器与一温度控制器相连，所述温度控制器通过一开关电源与第一导热板相接，并通过控制开关电源的输出功率控制第一导热板的温度；所述制冷系统包括液氮罐和装在液氮罐内的液氮，在液氮罐的罐口上安装有一个第二导热板，在第二导热板下方固定安装有一插入液氮罐内并浸泡在液氮内的传温棒，所述传温棒竖向设置，在第二导热板上设有用于实时检测第二导热板温度的测温装置；所述第一导热板置于第二导热板上方，在第一导热板和第二导热板之间形成一个试样检测空间，所述第一导热板和第二导热板通过一连接装置固定在一起，通过该连接装置可调节第一导热板和第二导热板之间的间距。这样，传温棒上下两端分别与第二导热板和液氮罐内的液氮相接触，通过传温棒可将液氮的温度传递到第二导热板，进而使第二导热板在实验过程中能够保持一个恒定的低温，而通过温度控制器对开关电源输出功率的控制，能够将第一导热板控制在预定的高温内，进而在第一导热板和第二导热板之间形成一个高低温梯度，从而为焊点试样或凸点试样提供了极端温度梯度条件下的热迁移实验。其中，传温棒的传温速度既快又稳定，而开关电源也具有升温快的效果，从而能够极大的缩短实验周期和实验时间，同时，传温棒和开关电源的造价低，整个实验装置的结构紧凑，使实验装置更加小型化，且造价低。

进一步的，所述连接装置包括多个依次贯穿第一导热板和第二导热板并与第一导热板和第二导热板通过螺纹连接的螺杆，在每个螺杆上均设有一个与其相配合的螺母，通过旋转螺母可调节第一导热板和第二导热板之间的间距。这样，采用螺杆和螺纹配合的方式将第一导热板和第二导热板进行调节，可根据试样的高度来调整第一导热板和第二导热板之间的间距，从而在任何高度下都能够通过第一导热板和第二导热板将试样夹紧。

进一步的，在每个螺杆上均套有一个弹簧，所述弹簧置于第一导热板和第二导热板之间。这样，弹簧一方面可以支撑加热系统，另一方面弹簧置于第一导热板和第二导热板之间，而试样放置在第一导热板和第二导热板之间的空间内，从而弹簧还能够将冷却系统、试样和加热系统紧密的贴合在一起，起到稳定到传导的作用。

进一步的，所述测温装置包括固定在第二导热板上的热电偶和与热电偶相接的热电偶测温仪。这样，热电偶和热电偶测温仪具有造价低，温度测量精度高的优点。

进一步的，所述第一导热板和第二导热板采用紫铜板制成。这样，紫铜板具有极高的导热性，同时，强度高，能够满足对试样的夹持。

进一步的，在液氮罐的罐口内套有一个上端与第二导热板相抵、下端插入液氮罐罐口下的颈塞，所述传温棒的上端套在颈塞内，顶端与第二导热板下端面相接。这样，设置颈塞后，由于颈塞固定套在液氮罐罐口，传温棒就能够固定在颈塞内，从而保持竖直状态。

进一步的，所述传温棒为一根紫铜制作而成的柱形棒材或一根周向上具有多个通孔的紫铜棒制作而成，也可以为一根下端周向上具有多个通孔的柱状铜棒制作而成。这样，紫铜具有导热快的效果，采用紫铜制作的传温棒能够实现温度快速传递的效果。

进一步的，所述传温棒由多个直径相等的紫铜管组装而成或由多个直径不等的紫铜管套接而成，也可以为一根上端呈柱形棒材，下端由多个直径相等的铜管组装而成或多个直径不等的铜管套接而成的柱状体。这样，传温棒内部会产生毛细作用，紫铜管浸润在叶丹丽，液氮会自动上升并与传温棒接触，能够实现温度的快速传递，达到好的降温效果。

一种极端温度梯度条件下焊点热迁移实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，根据工艺要求通过温度控制器设置第一导热板的温度，并等待第一导热板达到设定温度，通过热电偶检测第二导热板的实时温度；S3，将S1中所制作的凸点试样或焊点试样放置在第一导热板和第二导热板之间，并旋转螺母，使第一导热板和第二导热板将凸点试样或焊点试样夹紧，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，根据实验需要，实验相应时间后，取下凸点试样或焊点试样，实验完成。这样，在实验时，只需将凸点试样或焊点试样制作后，再设定第一导热板的温度，并将试样放置在第一导热板和第二导热板之间，并将试样夹紧，就能够进行实验。该实验方法步骤少，操作简单，能够有效减小实验难度。

进一步的，S1中凸点试样包括FR-4电路板，在FR-4电路板上设有一焊盘，在焊盘四周、FR-4电路板上设有一层将焊盘包裹在内的阻焊层，在焊盘上设有至少一个直径为0.3～0.6mm焊球，在焊盘上、焊盘和焊球之间设有一层UBM层，在内实验时，FR-4电路板一侧放置在第二导热板上，焊球的顶端与第一导热板相抵；所述焊点试样包括呈上下对称设置的FR-4电路板，在两FR-4电路板相向的一侧均固定设有一个焊盘，在两焊盘之间设有至少一个直径为0.1～0.6mm的焊球，在焊球与焊盘之间、每个焊盘上均设有一层UBM层，在每个FR-4电路板均设有一层将焊盘和UBM层包括在内的阻焊层，实验时，两FR-4电路板的外侧分别与第一导热板和第二导热板相抵。这样，凸点试样和焊点试样分别模拟了试样在凸点和焊点情况下的需要温度梯度的实验场合。

与现有技术相比，本发明得到的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法具有如下优点：

1、通过传温棒将液氮的温度传递到第二导热板，同时，通过温度控制器对开关电源输出功率的控制，实现对第一导热板的温度控制，进而在第一导热板和第二导热板之间形成一个高低温梯度，从而为焊点试样或凸点试样提供了极端温度梯度条件下的热迁移实验。

2、传温棒的传温速度既快又稳定，而开关电源也具有升温快的效果，从而能够极大的缩短实验周期和实验时间，同时，传温棒和开关电源的造价低，整个实验装置的结构紧凑，使实验装置更加小型化，且造价低。

附图说明

图1为实施例中实验装置的安装结构示意图；

图2为实施例中凸点试样实验时的装配结构示意图；

图3为实施例中焊点试样实验时的装配结构示意图；

图4为实施例中采用柱状紫铜制作的传温棒的结构示意图；

图5为实施例中在柱状紫铜上开设通孔样式的传温棒的结构示意图；

图6为实施例中多个直径相等的紫铜管组装而成的传温棒的机构示意图；

图7为实施例中多个直径不等的紫铜管套装形成的传温棒的结构示意图。

图中：开关电源1、温度控制器2、温度传感器3、螺母4、加热片5、第一导热板6、螺杆7、弹簧8、第二导热板9、热电偶测温仪10、热电偶11、试样检测空间12、颈塞13、传温棒14、液氮罐15、液氮16、FR-4电路板17、；阻焊层18、焊球19、UBM层20、焊盘21。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

本实施例提供的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置及方法，如图1所示，实验装置包括加热系统和冷却系统；所述加热系统包括第一导热板6，在第一导热板6上固定安装有一加热片5和一个用于检测第一导热板6实时温度的温度传感器3，所述温度传感器3与一温度控制器2相连，所述温度控制器2通过一开关电源1与第一导热板6相接，并通过控制开关电源1的输出功率控制第一导热板6的温度；所述制冷系统包括液氮罐15和装在液氮罐15内的液氮16，在液氮罐15的罐口上安装有一个第二导热板9，在第二导热板9下方固定安装有一插入液氮罐15内并浸泡在液氮16内的传温棒14，所述传温棒14竖向设置，在第二导热板9上设有用于实时检测第二导热板9温度的热电偶11，热电偶11上接有一个热电偶测温仪10，用于显示热电偶11所检测的实时温度；所述第一导热板6置于第二导热板9上方，在第一导热板6和第二导热板9之间形成一个试样检测空间12，所述第一导热板6和第二导热板9通过一连接装置固定在一起，通过该连接装置可调节第一导热板6和第二导热板9之间的间距。

具体的，上述连接装置包括四个依次贯穿第一导热板6和第二导热板9并与第一导热板6和第二导热板9通过螺纹连接的螺杆7，所述螺杆7呈矩形分布，分别位于第一导热板6的四个转角处。在每个螺杆7上均设有一个与其相配合的螺母4，通过旋转螺母4可调节第一导热板6和第二导热板9之间的夹紧力。为了便于旋转，本实施例中的螺母4为蝶形螺母。

进一步的，为了将导热系统和制冷系统与试样连接在一起，并对第一导热板6进行支撑，在每个螺杆7上均套有一个弹簧8，所述弹簧8置于第一导热板6和第二导热板9之间。

为了使传温棒14保持竖向状态，在液氮罐15的罐口内套有一个上端与第二导热板9相抵、下端插入液氮罐15罐口下的颈塞13，所述传温棒14的上端套在颈塞13内，顶端与第二导热板9下端面相接。

具体的，本实施例中的传温棒14为一根紫铜制作而成的柱形棒材或一根周向上具有多个通孔的紫铜棒（或其它导热材料）制作而成（如图4、图5所示）。也可以由多个直径相等的紫铜管组装而成或由多个直径不等的紫铜管套接而成（如图6-图7所示）。在具体制作时，传温棒14可以是图4~7中任意一种，或者其几种组合；传温棒14还可以是图4~7中任意一种，外加上端或下端任意结构设计之组合。

另外，本实施例中的第一导热板6和第二导热板9采用紫铜或其它导热材料制成。温度传感器3为PT100温度传感器，温度控制器2为PID温度控制器，加热片5为陶瓷加热片。在具体实施时，本实施例中的热迁移实验装置还可用作快速热疲劳实验或含热疲劳的综合因素实验，即将此热迁移设备冷热端分离，并实现试样在其冷热端快速转移。

极端温度梯度条件下焊点热迁移实验方法包括如下步骤：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，根据工艺要求通过温度控制器2设置第一导热板6的温度，并等待第一导热板6达到设定温度，通过热电偶11检测第二导热板9的实时温度；S3，将S1中所制作的凸点试样或焊点试样放置在第一导热板6和第二导热板9之间，并旋转螺母4，使第一导热板6和第二导热板9将凸点试样或焊点试样夹紧，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，根据实验需要，实验相应时间后，取下凸点试样或焊点试样，实验完成。

如图2所示，本实施例S1中凸点试样包括FR-4电路板17，在FR-4电路板17上设有一焊盘21，在焊盘21四周、FR-4电路板17上设有一层将焊盘21包裹在内的阻焊层18，在焊盘21上设有至少一个直径为0.3～0.6mm焊球19，在焊盘21上、焊盘21和焊球19之间设有一层UBM层20，在内实验时，FR-4电路板17一侧放置在第二导热板9上，焊球19的顶端与第一导热板6相抵。在制作凸点试样时，焊盘21与焊球19之间通过焊接固定，在焊接前，需在UBM层20上涂刷一层助焊膏，然后再通过回流焊机进行焊接。

如图3所示，本实施例中的焊点试样包括呈上下对称设置的FR-4电路板17，在两FR-4电路板17相向的一侧均固定设有一个焊盘21，在两焊盘21之间设有至少一个直径为0.1～0.6mm的焊球19，在焊球19与焊盘21之间、每个焊盘21上均设有一层UBM层20，在每个FR-4电路板17均设有一层将焊盘21和UBM层20包括在内的阻焊层18，实验时，两FR-4电路板17的外侧分别与第一导热板6和第二导热板9相抵。在制作焊点试样时，焊球19与两焊盘21之间亦通过焊接固定，在焊接前，需在UBM层20上涂刷一层助焊膏，然后再通过回流焊机进行焊接。

具体的，本实施例中的焊球19可以为SnAgCu，也可以为SnCu或SnAg。UBM层20可以为Ni、Co等。

针对上述实验步骤，本实施例中提供了如下具体实施方案：

方案1：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，设置温度控制器2温度为200℃，等待第一导热板6温度达到预设温度；冷端温度为恒定值，具体温度通过热电偶测温仪10获取；S3，将尺寸为0.3mm凸点试样或者焊点试样置于第一导热板6和第二导热板9之间，并拧紧螺母4，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，实验时间100小时后，取下试样，实验完毕。

方案2：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，设置温度控制器2温度为210℃，等待第一导热板6温度达到预设温度；冷端温度为恒定值，具体温度通过热电偶测温仪10获取；S3，将尺寸为0.4mm凸点试样或者焊点试样置于第一导热板6和第二导热板9之间，并拧紧螺母4，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，实验时间200小时后，取下试样，实验完毕。

方案3：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，设置温度控制器2温度为220℃，等待第一导热板6温度达到预设温度；冷端温度为恒定值，具体温度通过热电偶测温仪10获取；S3，将尺寸为0.5mm凸点试样或者焊点试样置于第一导热板6和第二导热板9之间，并拧紧螺母4，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，实验时间300小时后，取下试样，实验完毕。

方案4：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，设置温度控制器2温度为200℃，等待第一导热板6温度达到预设温度；冷端温度为恒定值，具体温度通过热电偶测温仪10获取；S3，将尺寸为0.6mm凸点试样或者焊点试样置于第一导热板6和第二导热板9之间，并拧紧螺母4，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，实验时间400小时后，取下试样，实验完毕。

方案5：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，设置温度控制器2温度为210℃，等待第一导热板6温度达到预设温度；冷端温度为恒定值，具体温度通过热电偶测温仪10获取；S3，将尺寸为0.5mm凸点试样或者焊点试样置于第一导热板6和第二导热板9之间，并拧紧螺母4，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，实验时间400小时后，取下试样，实验完毕。

方案6：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如上所述的实验装置；S2，设置温度控制器2温度为220℃，等待第一导热板6温度达到预设温度；冷端温度为恒定值，具体温度通过热电偶测温仪10获取；S3，将尺寸为0.6mm凸点试样或者焊点试样置于第一导热板6和第二导热板9之间，并拧紧螺母4，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，实验时间1000小时后，取下试样，实验完毕。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，它包括加热系统和冷却系统；所述加热系统包括第一导热板（6），在第一导热板（6）上固定安装有一加热片（5）和一个用于检测第一导热板（6）实时温度的温度传感器（3），所述温度传感器（3）与一温度控制器（2）相连，所述温度控制器（2）通过一开关电源（1）与第一导热板（6）相接，并通过控制开关电源（1）的输出功率控制第一导热板（6）的温度；所述制冷系统包括液氮罐（15）和装在液氮罐（15）内的液氮（16），在液氮罐（15）的罐口上安装有一个第二导热板（9），在第二导热板（9）下方固定安装有一插入液氮罐（15）内并浸泡在液氮（16）内的传温棒（14），所述传温棒（14）竖向设置，在第二导热板（9）上设有用于实时检测第二导热板（9）温度的测温装置；所述第一导热板（6）置于第二导热板（9）上方，在第一导热板（6）和第二导热板（9）之间形成一个试样检测空间（12），所述第一导热板（6）和第二导热板（9）通过一连接装置固定在一起，通过该连接装置可调节第一导热板（6）和第二导热板（9）之间的间距。

2.根据权利要求1所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，所述连接装置包括多个依次贯穿第一导热板（6）和第二导热板（9）并与第一导热板（6）和第二导热板（9）通过螺纹连接的螺杆（7），在每个螺杆（7）上均设有一个与其相配合的螺母（4），通过旋转螺母（4）可调节第一导热板（6）和第二导热板（9）之间的间距。

3.根据权利要求2所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，在每个螺杆（7）上均套有一个弹簧（8），所述弹簧（8）置于第一导热板（6）和第二导热板（9）之间。

4.根据权利要求2或3所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，所述测温装置包括固定在第二导热板（9）上的热电偶（11）和与热电偶（11）相接的热电偶测温仪（10）。

5.根据权利要求1或2或3所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，所述第一导热板（6）和第二导热板（9）采用紫铜板制成。

6.根据权利要求1或2或3所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，在液氮罐（15）的罐口内套有一个上端与第二导热板（9）相抵、下端插入液氮罐（15）罐口下的颈塞（13），所述传温棒（14）的上端套在颈塞（13）内，顶端与第二导热板（9）下端面相接。

7.根据权利要求6所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，所述传温棒（14）为一根紫铜制作而成的柱形棒材或一根周向上具有多个通孔的紫铜棒制作而成，也可以为一根下端周向上具有多个通孔的柱状铜棒制作而成。

8.根据权利要求6所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验装置，其特征在于，所述传温棒（14）由多个直径相等的紫铜管组装而成或由多个直径不等的紫铜管套接而成，也可以为一根上端呈柱形棒材，下端由多个直径相等的铜管组装而成或多个直径不等的铜管套接而成的柱状体。

9.一种极端温度梯度条件下焊点热迁移实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，根据工艺要求制作凸点试样或焊点试样，并制作出如权利要求4所述的实验装置；S2，根据工艺要求通过温度控制器（2）设置第一导热板（6）的温度，并等待第一导热板（6）达到设定温度，通过热电偶（11）检测第二导热板（9）的实时温度；S3，将S1中所制作的凸点试样或焊点试样放置在第一导热板（6）和第二导热板（9）之间，并旋转螺母（4），使第一导热板（6）和第二导热板（9）将凸点试样或焊点试样夹紧，保证实验装置稳定性和试样的完整性；S4，根据实验需要，实验相应时间后，取下凸点试样或焊点试样，实验完成。

10.根据权利要求9所述的极端温度梯度条件下焊点热迁移实验方法，其特征在于，S1中凸点试样包括FR-4电路板（17），在FR-4电路板（17）上设有一焊盘（21），在焊盘（21）四周、FR-4电路板（17）上设有一层将焊盘（21）包裹在内的阻焊层（18），在焊盘（21）上设有至少一个直径为0.3～0.6mm焊球（19），在焊盘（21）上、焊盘（21）和焊球（19）之间设有一层UBM层（20），在内实验时，FR-4电路板（17）一侧放置在第二导热板（9）上，焊球（19）的顶端与第一导热板（6）相抵；所述焊点试样包括呈上下对称设置的FR-4电路板（17），在两FR-4电路板（17）相向的一侧均固定设有一个焊盘（21），在两焊盘（21）之间设有至少一个直径为0.1～0.6mm的焊球（19），在焊球（19）与焊盘（21）之间、每个焊盘（21）上均设有一层UBM层（20），在每个FR-4电路板（17）均设有一层将焊盘（21）和UBM层（20）包括在内的阻焊层（18），实验时，两FR-4电路板（17）的外侧分别与第一导热板（6）和第二导热板（9）相抵。