CN110530926A - 一种电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，包括底座，所述底座上设有横向滑轨，两个横向滑块滑动配合连接于横向滑轨上，一个横向滑块上固定有加热机构，另一个横向滑块上固定有冷却机构，所述加热机构的加热面和冷却机构的冷却面竖向布置；所述加热面和冷却面上可拆卸连接有用于横向放置试样的样品台，试样两端分别与加热机构的加热面和冷却机构的冷却面接触。其结构简单，能够适用于较高温度的热迁移实验，有效避免除温度梯度外其他因素对实验结果的影响，能够在钎料熔化的同时发生热迁移，使金属原子通过液态钎料发生迁移，可以极大地减小热迁移阻力，极大地提高热迁移效率。

Description

一种电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置

技术领域

本发明涉及一种极端温度梯度装置，具体涉及一种电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置。

背景技术

随着我们进入大数据时代，移动设备无处不在。物联网的建立使人与人、人与机器、机器和机器的交流变得无处不在。人工智能AI已得到广泛开发，它或多或少地影响着我们生活的方方面面。这些变化促使电子封装和器件的快速更新，移动设备和大型计算机中需要更高密度的晶体管。然而，基于摩尔定律的晶体管非常大规模集成的小型化势头已经放缓。目前，扩展摩尔定律的最有希望的方法是从电路的二维集成（2D IC）到电路的三维集成（3D IC）。以焊点为例，从760μm的最大球栅阵列（BGA）到100μm的中等尺寸倒装芯片焊点，以及3D IC技术中直径为10μm的最小尺寸的微凸点，封装领域对焊点尺寸的要求越来越严格。

在不久的将来，焊点的直径可能低于10μm。当焊点直径从100μm缩小到到10μm时，体积缩小了1000倍，微观结构的变化是非常明显的。传统焊点主要由界面IMC和钎料构成，在焊点尺寸持续减小的过程中，IMC所占焊点总体积的比例越来越高，甚至最后形成只有数个或数十个晶粒组成的全IMC焊点。随着焊点尺寸的持续减小，封装领域专业人员已经对全IMC焊点的发展趋势引起充分重视。

当焊点全部由IMC构成时，焊点的各项性能将会和传统焊点由有大区别，对封装可靠性的评价标准也会有很大不同。此外，当温度越高时，金属原子具有更高的能量，界面反应更容易进行。研究表明，当温度超过钎料的熔点时，IMC在固-液界面反应下的生成速度远高于固-固界面反应，且极端温度梯度的存在也能诱发界面IMC的快速生长。

CN110174432A公开了一种电子封装微焊点的热迁移实验装置，该装置自上而下依次包括加热机构、夹具和冷却机构，所述夹具设于加热机构和冷却机构之间的空间内，用于固定试样，所述冷却机构包括外壳体、内壳体和制冷机，该内壳体内部设有容纳冷却液的腔体，外部套设有外壳体，所述外壳体与内壳体紧密贴合，所述制冷机通过连接管路贯穿外壳体和内壳体与腔体连通；所述外壳体由保温材料制得，在与夹具对应的位置处设有避让缺口，使得夹具内的试样直接与内壳体表面贴合。由于试样竖向布置，当加热机构温度过高时，焊缝中的钎料将会发生熔化，试样上端的加热机构由于重力作用将会挤压试样，进而使得钎料从焊缝中溢出，影响实验结果，因此，竖向布置的试样的加载温度不能过高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其结构简单，能够适用于较高温度的热迁移实验，有效避免除温度梯度外其他因素对实验结果的影响，能够在钎料熔化的同时发生热迁移，使金属原子通过液态钎料发生迁移，可以极大地减小热迁移阻力，极大地提高热迁移效率。

本发明所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，包括底座，所述底座上设有横向滑轨，两个横向滑块滑动配合连接于横向滑轨上，一个横向滑块上固定有加热机构，另一个横向滑块上固定有冷却机构，所述加热机构的加热面和冷却机构的冷却面竖向布置；所述加热面和冷却面上可拆卸连接有用于横向放置试样的样品台，试样两端分别与加热机构的加热面和冷却机构的冷却面接触。

进一步，所述滑块和样品台的材质为水泥石棉板、耐火砖、玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝中的一种。

进一步，所述加热机构包括固定于滑块上的加热芯和与加热芯连接的热端控制系统，通过热端控制系统调节加热芯的加热温度，实现对试样的微焊点热端温度的调节。

进一步，所述加热芯除了加热面的其他面采用保温材料覆盖，所述保温材料为玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝等中的一种。

进一步，所述冷却机构的冷却面的温度调节范围为0~﹣80℃。

进一步，所述样品台包括用于放置试样的横向连接部和与加热机构或冷却机构可拆卸连接的竖向连接部，所述横向连接部的一端与竖向连接部的上端固定连接，横向连接部的上表面设有用于横向放置试样的容置槽。

进一步，所述样品台包括用于放置试样的横向连接部和与加热机构或冷却机构可拆卸连接的竖向连接部，所述竖向连接部的数量为两个，下端与横向连接部的端部固定连接，两竖向连接部之间形成容试样穿过的空间。

本发明通过将加热机构和冷却机构固定于横向滑块上，加热机构的加热面和冷却机构的冷却面竖向布置；所述加热面和冷却面上固定连接有用于横向放置试样的样品台，试样横向放置保证了微焊点的钎料在实验时暴露在空气中，同时在温度梯度的加载下，钎料由于表面张力和毛细作用下始终留存在试样的焊缝中，使得焊缝处钎料熔化并在极端温度梯度下发生热迁移，快速生成金属间化合物。

相较于现有的试样竖向布置的方式，试样横向布置的加载温度范围更广，钎料熔化后在表面张力和毛细作用下始终留存在试样的焊缝中，进而能够快速、大量制备各种全IMC焊点，为全IMC焊点的研究打下基础。

本发明通过将试样横向布置，相较于现有的试样竖向布置的方式，避免了试样的微焊点在实验过程中受加热机构的重力影响，进而仅需要考虑温度梯度对试样的影响，提高了热迁移实验结果的准确性。

本发明通过横向滑块和横向滑轨滑动配合，实现了加热机构和冷却机构之间的距离调节，根据试样尺寸定制相应尺寸的样品台即可进行热迁移实验，增强了该热迁移实验装置的通用性。

本发明能够在钎料熔化的同时发生热迁移，使金属原子通过液态钎料发生迁移，可以极大地减小热迁移阻力，极大地提高了热迁移效率。

本发明结构简单，成本低廉，操作便捷，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的样品台的结构示意图之一；

图3时本发明的样品台的结构示意图之二。

图中，1—底座，2—横向滑轨，3—滑块，4—加热机构，5—冷却机构，6—样品台，61—竖向连接部，62—横向连接部，63—容置槽，7—试样，8—固定块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

实施例一，参见图1，所示的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，包括底座1，所述底座1上设有横向滑轨2，两个横向滑块3滑动配合连接于横向滑轨2上，一个横向滑块3上固定有加热机构4，另一个横向滑块3上固定有冷却机构5，所述加热机构4的加热面和冷却机构5的冷却面竖向布置；所述加热面和冷却面上可拆卸连接有用于横向放置试样7的样品台6，试样7两端分别与加热机构4的加热面和冷却机构5的冷却面接触。需要说明的是，样品台6的横向尺寸小于试样7两端相应金属基底的横向尺寸，避免微焊点与样品台6接触。

所述横向滑轨2通过固定块8固定于底座1上，所述固定块8设有容横向滑轨2穿过的通孔。

所述滑块3起到隔离和导向作用，其中一个滑块3用于隔开加热机构4和底座1，防止底座1过热带来安全问题，因此滑块3使用热传导系数较小的材料，其材质为水泥石棉板、耐火砖、玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝中的一种。

两个样品台6分别与加热机构4的加热面和冷却机构5的冷却面可拆卸连接，能够根据不同试样7选择相应的样品台6，通用性强。且样品台6使用热传导系数较小的材料，其材质为水泥石棉板、耐火砖、玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝中的一种，避免了样品台6自身温度对实验结果造成影响。

所述加热机构4包括固定于滑块上的加热芯和与加热芯连接的热端控制系统，通过热端控制系统调节加热芯的加热温度，实现对微焊点热端温度的调节，在满足微焊点温度范围在100~600℃的前提下，对微焊点施加的温度梯度为1000~10000K/cm。为了保证实验过程中试样热端温度恒定，在所述加热芯除了加热面的其他面采用保温材料覆盖，所述保温材料为玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝等中的一种。

所述冷却机构5制冷方式为制冷片和散热器制冷，或者为循环冷却液制冷，冷却面的温度调节范围为0~﹣80℃。

作为该热迁移实验装置的一种优选实施方式，参见图2，所述样品台6包括用于放置试样7的横向连接部62和与加热机构4或冷却机构5可拆卸连接的竖向连接部61，所述横向连接部62的一端与竖向连接部61的上端固定连接，横向连接部62的上表面设有用于横向放置试样7的容置槽63。

作为该热迁移实验装置的另一种优选实施方式，参见图3，所述样品台6包括用于放置试样的横向连接部62和与加热机构4或冷却机构5可拆卸连接的竖向连接部61，所述竖向连接部61的数量为两个，下端与横向连接部62的端部固定连接，两竖向连接部61之间形成容试样7穿过的空间。

实施例二，采用实施例一所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置进行热迁移实验，包括如下步骤：

步骤一，提供Cu/Sn/Cu三明治结构试样，该试样高度为10.9mm，其中连接加热面的金属Cu基底高3.6mm，焊缝高度为0.1mm，连接冷却面的金属Cu基底高7.2mm；定制样品台的最大高度分别为3.4mm和7.0mm。

步骤二，采用铸铝加热板和热端控制系统作为加热机构，采用制冷片、散热器和冷端控制系统作为冷却机构，将铸铝加热板和制冷片通过机械连接的方式固定于滑块上，铸铝加热板的加热面和制冷片的冷却面竖向布置，再将定制的两个样品台分别通过螺栓与铸铝加热板和制冷片连接，在加热面及制冷面上涂覆导热硅脂，将试样放置于样品台上，通过调节两个滑块之间的位置，使样品与加热面和制冷面充分接触，且无外应力。

步骤三，打开加热机构的热端控制系统，将温度设定为400℃。打开冷却机构的冷端控制系统，将温度设定为0℃。等到试样中心焊缝融化时开始计时，检测试样冷、热端界面的温度并记录。

步骤四：待试样的微焊点融化且两端温度稳定后，利用测温装置测得试样两端的温度分别为392℃和30℃，利用ANSYS模拟计算得微焊点两端温度分别为277.64℃和258.71℃，微焊点处的最低温度为258.71℃，微焊点两端的温度梯度为1893K/cm。

实施例三，采用实施例一所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置进行热迁移实验，包括如下步骤：

步骤一，提供Co/Sn/Co三明治结构试样，该试样高度为5.1mm，其中连接加热面的金属Co基底高2.0mm，焊缝高度为0.1mm，连接冷却面的金属Cu基底高3.0mm；定制样品台的最大高度分别为1.8mm和2.8mm。

步骤二，采用铸铜加热板和热端控制系统作为加热机构，采用循环冷却液、水泵和冷端控制系统作为冷却机构，将铸铜加热板和盛装循环冷却液的容器通过机械连接的方式固定于滑块上，铸铜加热板的加热面和容器的冷却面竖向布置，再将定制的两个样品台分别通过螺栓与铸铜加热板和容器连接，在加热面及制冷面上涂覆导热硅脂，将试样放置于样品台上，通过调节两个滑块之间的位置，使样品与加热面和制冷面充分接触，且无外应力；

步骤三，打开加热机构的热端控制系统，将温度设定为450℃。打开冷却机构的冷端控制系统，将温度设定为﹣40℃。等到试样中心焊缝融化时开始计时，检测试样冷、热端界面的温度并记录；

步骤四：待试样的微焊点融化且两端温度稳定后，利用测温装置测得试样两端的温度分别为440℃和﹣10℃，利用ANSYS模拟计算得微焊点两端温度分别为262.98℃和250.54℃，微焊点处的最低温度为250.54℃，微焊点两端的温度梯度为1244K/cm。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：包括底座（1），所述底座（1）上设有横向滑轨（2），两个横向滑块（3）滑动配合连接于横向滑轨（2）上，一个横向滑块（3）上固定有加热机构（4），另一个横向滑块（3）上固定有冷却机构（5），所述加热机构（4）的加热面和冷却机构（5）的冷却面竖向布置；所述加热面和冷却面上可拆卸连接有用于横向放置试样（7）的样品台（6），试样（7）两端分别与加热机构（4）的加热面和冷却机构（5）的冷却面接触。

2.根据权利要求1所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：所述滑块（3）和样品台（6）的材质为水泥石棉板、耐火砖、玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：所述加热机构（4）包括固定于滑块（3）上的加热芯和与加热芯连接的热端控制系统，通过热端控制系统调节加热芯的加热温度，实现对试样（7）的微焊点热端温度的调节。

4.根据权利要求3所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：所述加热芯除了加热面的其他面采用保温材料覆盖，所述保温材料为玻璃纤维、发泡水泥、气凝胶毡、玻璃棉和硅酸铝等中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：所述冷却机构（5）的冷却面的温度调节范围为0~﹣80℃。

6.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：所述样品台（6）包括用于放置试样（7）的横向连接部（62）和与加热机构（4）或冷却机构（5）可拆卸连接的竖向连接部（61），所述横向连接部（62）的一端与竖向连接部（61）的上端固定连接，横向连接部（62）的上表面设有用于横向放置试样（7）的容置槽（63）。

7.根据权利要求1或2所述的电子封装微焊点在高温条件下的热迁移实验装置，其特征在于：所述样品台（6）包括用于放置试样（7）的横向连接部（62）和与加热机构（4）或冷却机构（5）可拆卸连接的竖向连接部（61），所述竖向连接部（61）的数量为两个，下端与横向连接部（62）的端部固定连接，两竖向连接部（61）之间形成容试样（7）穿过的空间。