CN204831897U - 评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统；包括加载系统、控制系统和数据采集系统；加载系统包括直流电源和动态力学分析仪；控制系统主要由断电报警器和计算机构成；数据采集系统包括霍尔传感器、采集卡和热电偶；用电源对微焊点进行电场的加载，用DMA对微焊点进行力、热场的加载；通过断电报警器来监测通电下焊点是否断裂；通过数据采集系统来采集焊点的瞬态电阻、温度；本实用新型实验系统可实现对线性微焊点、搭接型微焊点和球栅阵列结构微焊点在不同强度的“电-热-力”耦合场作用下进行拉伸、剪切、蠕变、应力松弛(释放)、疲劳和振动实验。
Description
技术领域
本实用新型涉及微焊点的可靠性测试与设备技术领域，特别是涉及一种在电-热-力耦合场作用下对微焊点的力学性能、断裂行为、承载寿命及显微组织时效演化过程进行检测和评价的实验系统。
背景技术
电子封装结构系统中起电气连接、热通道和机械支撑作用的主要由软钎料构成的互连焊点通常被认为是系统中最薄弱的环节，焊点失效则是引发电子封装系统失效的主要原因。焊点工作(或服役)时一般会同时承受电流、温度(热)和应力等多种载荷(即“电-热-力”多场耦合作用)，多场耦合作用共同影响焊点的组织演化、力学行为和失效机制并决定焊点服役寿命。研究和应用业已表明，电‐热‐力耦合场作用下块体钎料和毫米级焊点的组织演化及力学行为变化规律与单场或两场作用时存在较大差异。现有研究或应用中所用试样为块体钎料和毫米级焊点，所加电流密度均未达到1.0×104A/cm2这一可引发明显电迁移效应的阈值。而微米级焊点的性能无法由块体钎料和毫米级焊点所获得的数据进行准确表征。公布号为CN103884927A，名称为“一种力电热多场耦合下微电子产品可靠性测试方法”，公布号为CN103884928A，名称为“力电热多场耦合作用下微电子产品可靠性测试平台”，以及公告号为CN202994938U，名称为“微电子产品多场服役特性测试仪”，虽然述及适用于微电子产品在电‐热‐力耦合场下可靠性测试方法和装置，但实际上并不适用于研究单颗微焊点的服役特性及可靠性。此外，公布号为CN104198265A，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与电流耦合的热循环装置”，公告号为CN203981480U，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与电流耦合的热循环装置”，公布号为CN104122138A，名称为“一种试验无铅焊点用的磁力与电流耦合的热循环装置”，公告号为CN203981481U，名称为“一种试验无铅焊点用的磁力与电流耦合的热循环装置”，公布号为CN104198264A，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与磁力耦合的热循环装置，公告号为CN203981482U，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与磁力耦合的热循环装置”，公布号为CN104122139A，名称为“一种试验无铅焊点用的多场耦合热循环装置”，以及公告号为CN203981483U，名称为“一种试验无铅焊点用的多场耦合热循环装置”，虽然声称可用于对无铅焊点在多场耦合作用下进行热循环试验，但实质上是一种对毫米级焊点进行静态时效的实验装置。
应用上述8种专利所述装置，所测试的焊点尺寸为2mm×5mm×0.15mm，不满足“微米级”焊点即各方向尺寸应小于1000μm的要求，故称其为“毫米级”焊点；该装置用砝码提供应力加载的方式无法实现对所加力学载荷进行高精度连续调节，也难以实现对微米级焊点进行多种模式的力学加载；远红外加热板也难以实现温度的高精度调节。目前，对微焊点在电、热、力场中任一单物理场作用或电‐热两种物理场耦合作用下的可靠性均有较合理、有效的测试方法及实验装置，但对微焊点在电‐热‐力耦合场下的可靠性评价尚缺乏合理、有效的测试方法及实验系统。
实用新型内容
本实用新型实验系统克服了现有技术的不足，提供一种电-热-力耦合加载方式，可实现多物理场作用下微焊点可靠性测试，对微焊点在电-热-力耦合场下的力学性能和断裂行为及显微组织演化进行高精度测试和表征。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，包括加载系统、控制系统和数据采集系统；加载系统包括直流电源和动态力学分析仪DMA；控制系统主要由断电报警器和计算机构成；数据采集系统包括霍尔传感器、采集卡和热电偶；
动态力学分析仪DMA包括DMA控温加热炉、活动夹具和固定夹具；在DMA控温加热炉内空腔中部设有活动夹具和固定夹具；微焊点一端装夹在贴有绝缘板的活动夹具上，另一端装夹在贴有绝缘板的固定夹具上，活动夹具和固定夹具的一侧纵向间隔设置两第一绝缘板；固定夹具的上端间隔设置第二绝缘板和第三绝缘板；第一铜丝和第二铜丝分别连接到微焊点的底端和顶端，第一铜丝弯折后向上通过两第一绝缘板的间隔之间，再经第二绝缘板和第三绝缘板之间并从第三绝缘板中部小孔穿出；顶端外接铜丝依次穿过第二绝缘板和第三绝缘板；第一铜丝和第二铜丝经牵引一起穿过DMA控温加热炉的炉盖顶部的通气孔分别与直流电源的正、负极引线连接；活动夹具下端连接驱动杆，驱动杆与动态力学分析仪DMA底端的空气轴承连接，空气轴承与非接触式驱动马达连接，非接触式驱动马达与计算机连接；
DMA控温加热炉炉腔内设有热电偶；
两个霍尔传感器串接在第一铜丝或第二铜丝连接直流电源的通电回路电源线上，其中一个霍尔传感器连接报警器，另一个霍尔传感器连接采集卡的电流采集端口，第一铜丝和第二铜丝分别连接采集卡的电压采集端口；采集卡与计算机连接。
优选地，所述微焊点试样为线性微焊点、搭接型微焊点或球栅阵列(Ballgridarray，BGA)结构微焊点。
优选地，在第二绝缘板和第三绝缘板之间的第二铜丝的外周套封绝缘耐高温陶瓷管和矽质管。所述矽质管设置在绝缘耐高温陶瓷管外周。
优选地，所述第一铜丝和第二铜丝微焊点的连接为软钎焊连接。
本实用新型活动夹具可实现拉伸、剪切、蠕变、应力松弛(释放)、疲劳和振动加载。
与现有技术相比，本实用新型的优点和显著效果如下：
1、本实用新型可实现对微焊点进行电-热-力耦合场加载，并且可对电、热、力场加载值进行高精度无级可调，尤其是所加的高密度电流可在微焊点中引发明显的电迁移效应，改变了以往技术只能测试微电子产品和毫米级焊点的情况。
2、本实用新型通过关闭直流电源开关、不启动控温加热炉或不加载应力的方式，可实现电、热、力场中任意两场的耦合加载。
3、本实用新型可实现对线性微焊点、搭接型微焊点或球栅阵列(BGA)结构微焊点的电-热-力耦合场加载。
4、本实用新型可实现对微焊点在电-热-力耦合场下的拉伸、剪切、蠕变、应力松弛(释放)、疲劳和振动实验，以及对微焊点的显微组织时效演化进行实验和表征。
附图说明
图1为本实用新型一种评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统示意图。
图2为微焊点示意图。
图中示出：DMA控温加热炉1、微焊点2、线性微焊点201、搭接型微焊点202、球栅阵列结构微焊点203、活动夹具3、第一绝缘板4、第一铜丝5、第二铜丝6、固定夹具7、第二绝缘板8、第三绝缘板9、绝缘耐高温陶瓷管和矽质管10、第四绝缘板11、直流电源12、霍尔传感器13、报警器14、采集卡15、计算机16。
具体实施方式
为更好地理解本实用新型实验系统，下面结合附图对本实用新型做进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
图1所示，评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统包括加载系统、控制系统和数据采集系统；加载系统由提供电场的直流电源以及提供温度(热)场和力场的动态力学分析仪构成；控制系统由断电报警器和计算机构成；数据采集系统由用于采集流经微焊点的瞬态电流及微焊点两端瞬态电压的采集器和用于测温的热电偶构成。
动态力学分析仪包括DMA控温加热炉1、活动夹具3和固定夹具7；在DMA控温加热炉1内空腔中部设有活动夹具3和固定夹具7；微焊点2一端装夹在贴有绝缘板的活动夹具3上，另一端装夹在贴有绝缘板的固定夹具7上，包覆绝缘板用于对活动夹具3和固定夹具7与微焊点2在通电下的绝缘隔离；活动夹具3和固定夹具7的一侧纵向间隔设置两第一绝缘板4；固定夹具7的上端间隔设置第二绝缘板8和第三绝缘板9；第一铜丝5和第二铜丝6分别连接到微焊点2的底端和顶端，优选用软钎焊方法将第一铜丝5和第二铜丝6分别连接到微焊点2的底端和顶端；第一铜丝5弯折后向上通过两第一绝缘板4的间隔之间，再经第二绝缘板8和第三绝缘板9之间并从第三绝缘板9中部小孔穿出；顶端外接铜丝6依次穿过第二绝缘板8和第三绝缘板9；第一铜丝5和第二铜丝6经牵引一起穿过DMA控温加热炉1的炉盖顶部的通气孔分别与直流电源12的正、负极引线连接；活动夹具3下端连接驱动杆，驱动杆与动态力学分析仪DMA底端的空气轴承连接，空气轴承与非接触式驱动马达连接，非接触式驱动马达与计算机16连接，空气轴承由非接触式驱动马达进行驱动，非接触式驱动马达直接受控于计算机16，实现加载；
DMA控温加热炉1炉腔内设有热电偶，热电偶为DMA控温加热炉1自带部件，所测温度直接通过DMA控温加热炉1的控制软件采集。
绝缘耐高温陶瓷管和矽质管10套封在第二绝缘板8和第三绝缘板9之间的第二铜丝6上，套封时先套封绝缘耐高温陶瓷管，再在绝缘耐高温陶瓷管外套封矽质管，绝缘耐高温陶瓷管和矽质管共同将此处的第二铜丝6部分与DMA进行绝缘隔离。
两个霍尔传感器13串接在第一铜丝5或第二铜丝6连接直流电源12的通电回路电源线上，其中一个霍尔传感器13连接报警器14，另一个霍尔传感器13连接采集卡15的电流采集端口，第一铜丝5和第二铜丝6分别连接采集卡15的电压采集端口；采集卡15与计算机16连接。采集卡15由霍尔传感器电磁感应测定流经焊点的瞬态电流。断电报警由霍尔传感器感知焊点中电流通断来控制报警器是否报警。
本实用新型中电场由直流电源12提供，直流电源12可实现密度为0～1.59×105A/cm2范围内的电流加载，最小电流调节值为0.01A；热场由DMA控温加热炉1提供，DMA可实现-150～600℃温度区间内的温度加载，升温速率0.1～20℃/min，降温速率0.1～10℃/min，控温稳定性为±0.1℃；力场由活动夹具3提供，可实现0.0001～18N力的加载，力的分辨率为0.00001N，位移加载范围为±0.5～10000μm，位移分辨率为1nm，频率范围为0.01～200Hz。可见电、热、力场可高精度无级可调。
使用时，打开动态力学分析仪DMA控温加热炉1炉盖，将微焊点2一端装夹在贴有绝缘板的活动夹具3上，微焊点2的另一端装夹在贴有绝缘板的固定夹具7上。用软钎焊方法将第一铜丝5和第二铜丝6分别连接到微焊点2的底端和顶端，底端外接第一铜丝5弯折后通过两第一绝缘板4之间，再经第二绝缘板8和第三绝缘板9之间并从第三绝缘板9中部小孔穿出；顶端外接铜丝6依次穿过第二绝缘板8和第三绝缘板9；第一铜丝5和第二铜丝6经牵引一起穿过DMA控温加热炉1的炉盖顶部的通气孔。关闭DMA控温加热炉1的炉盖；在第三绝缘板9和第四绝缘板11间的第一铜丝5和第二铜丝6部分套封绝缘耐高温陶瓷管和矽质管10，将中心开孔的第四绝缘板11铺在DMA控温加热炉1炉盖上表面；再将第一铜丝5和第二铜丝6用软钎焊方法分别连接在直流电源12的正、负极引线上(DC的引线上)，进行电场加载，可根据需要改变流经微焊点试样的电流值大小。在计算机16上对DMA进行应力场和温度场加载程序等的编程，启动DMA后，由环绕在DMA控温加热炉1内壁的电阻丝对微焊点进行加热，实现温度(热)场加载，加热温度由DMA控温加热炉1炉腔内的热电偶测定；通过与活动夹具3连接的驱动杆实现应力场加载，可根据需要将应力加载模式设为拉伸、剪切、蠕变、应力松弛(释放)、疲劳或振动。
微焊点在电-热-力耦合场加载实验时，将两个霍尔传感器13串在通电回路电源线上，其中一个霍尔传感器13连接报警器14，焊点断裂后致使通电回路开路，进而报警器14报警以提醒实验人员更换样品；另一个霍尔传感器13连接采集卡15的电流采集端口，对流经微焊点的瞬态电流进行采集，从焊点两端引出两根引线连接采集卡15的电压采集端口，对微焊点两端瞬态电压进行采集，从而可计算出微焊点在电-热-力耦合场作用时的瞬态电阻值，进而可以结合显微组织演化结果分析微焊点各变形阶段的损伤情况。
通过上述实验系统来对微焊点进行电-热-力耦合场加载，实现对微焊点在更接近于实际服役条件下的可靠性表征。
本实用新型中微焊点试样，根据实验需要可选取如图2所示的线性微焊点201、搭接型微焊点202或球栅阵列结构微焊点203。球栅阵列简称BGA(Ballgridarray，BGA)。线性微焊点201包括了2个金属间化合物界面层，比较接近真实焊点，其结构均一，进行电、力加载时，电流不会出现拥挤效应且焊点各处应力大小相同，采用线性微焊点201进行可靠性探究，可极大地简化问题；搭接型微焊点202包括了2个金属间化合物界面层，比较接近真实焊点，其结构与真实焊点结构模式类似，可用于探究真实焊点受剪切载荷下可靠性；球栅阵列结构微焊点203与真实焊点结构一致，可更精准的探究真实焊点的服役可靠性。
采用线性微焊点201，对其进行等应力/应变加载，即拉伸加载；
采用搭接型微焊点202或球栅阵列结构微焊点203对其进行等应力/应变加载，即剪切加载；
对微焊点施加恒定的应力，即蠕变加载；
对微焊点施加一恒应变，即应力松弛(释放)加载；
对微焊点施加稳定的交变应力/应变，即疲劳加载；
对微焊点在一定频率范围内施加适当的应力/应变，即为振动加载；
对微焊点在一定的电、热场作用下，施加一合适的力场，使其可在长时间内不发生明显的变形以致断裂，即可实现对微焊点的显微组织时效演化进行实验和表征。
一般认为引发明显电迁移效应的临界电流密度为1.0×104A/cm2，而现有关于焊点在电-热-力耦合场作用下的相关研究中均低于此电流密度值，本实用新型可对微焊点施加不小于1.0×104A/cm2的高电流密度。
应该理解，在本实用新型的基础上，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式也落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (5)
1.评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，其特征在于，包括加载系统、控制系统和数据采集系统；加载系统包括直流电源和动态力学分析仪DMA；控制系统主要由断电报警器和计算机构成；数据采集系统包括霍尔传感器、采集卡和热电偶；
动态力学分析仪DMA包括DMA控温加热炉、活动夹具和固定夹具；在DMA控温加热炉内空腔中部设有活动夹具和固定夹具；微焊点一端装夹在贴有绝缘板的活动夹具上，另一端装夹在贴有绝缘板的固定夹具上，活动夹具和固定夹具的一侧纵向间隔设置两第一绝缘板；固定夹具的上端间隔设置第二绝缘板和第三绝缘板；第一铜丝和第二铜丝分别连接到微焊点的底端和顶端，第一铜丝弯折后向上通过两第一绝缘板的间隔之间，再经第二绝缘板和第三绝缘板之间并从第三绝缘板中部小孔穿出；顶端外接铜丝依次穿过第二绝缘板和第三绝缘板；第一铜丝和第二铜丝经牵引一起穿过DMA控温加热炉的炉盖顶部的通气孔分别与直流电源的正、负极引线连接；活动夹具下端连接驱动杆，驱动杆与动态力学分析仪DMA底端的空气轴承连接，空气轴承与非接触式驱动马达连接，非接触式驱动马达与计算机连接；
DMA控温加热炉炉腔内设有热电偶；
两个霍尔传感器串接在第一铜丝或第二铜丝连接直流电源的通电回路电源线上，其中一个霍尔传感器连接报警器，另一个霍尔传感器连接采集卡的电流采集端口，第一铜丝和第二铜丝分别连接采集卡的电压采集端口；采集卡与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，其特征在于，所述微焊点试样为线性微焊点、搭接型微焊点或球栅阵列结构微焊点。
3.根据权利要求1所述的评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，其特征在于，在第二绝缘板和第三绝缘板之间的第二铜丝的外周套封绝缘耐高温陶瓷管和矽质管。
4.根据权利要求3所述的评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，其特征在于，所述矽质管设置在绝缘耐高温陶瓷管外周。
5.根据权利要求1所述的评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，其特征在于，所述第一铜丝和第二铜丝微焊点的连接为软钎焊连接。
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