CN214472916U - 一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，通过使用所述制热结构和制冷结构抵持所述试样，装置通电后进行热迁移测试，记录相应温度后使用有限元电热耦合分析，可获取试样焊点的温度梯度，从而获得可靠稳定的微焊点热迁移数据；根据珀尔帖效应改变加载电流控制焊点冷热端的温度差，得到较大的温度梯度；还可以通过控制焊点的高度得到不同的温度梯度；同时外部使用所述加固板组件夹持固定，结构简洁，解决了现有技术中的热迁移装置结构复杂、温度梯度不易控制的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子封装技术领域，尤其涉及一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置。
背景技术
在电子封装系统持续向微型化、高性能和高可靠性的趋势发展，晶体管数量的增加和焊点尺寸持续减小使得热迁移问题对焊点可靠性的影响日益突出。热迁移是指存在温度差值的情况下，原子在温度梯度的驱动下发生定向迁移的现象。在电子封装系统中，焊点两端形成温度梯度的主要原因包括：1)电子产品在工作时，芯片侧晶体管产生的焦耳热大于基板产生的焦耳热，从而在焊点两端形成温度梯度；2)由于各部分材料的电阻率和尺寸不相同，导致芯片在工作时产生的焦耳热分布不均匀，在焊点两端形成温度梯度；3)当电流密度通过焊点时，由于结构因素等影响将造成电流密度分布不均匀，从而导致焦耳热的分布不均匀，引起焊点两边形成大的温度梯度。研究证实，热迁移会使焊点的热端产生空洞，从而导致焊点失效。
在焊点热迁移失效问题的相关研究中，如何获得较高且稳定的温度梯度并进行热迁移测试一直是研究者较为关注的。目前，有研究者采用在焊点的一端进行水冷，另一端不进行任何处理的方法，从而形成一定的温度梯度。然而水冷的结构制作复杂，体积较大，并且形成的温度梯度不易控制。还有研究者通过采用陶瓷加热片进行加热，用热电偶监测陶瓷加热片的温度并反馈给温度控制器，温度控制器根据反馈温度控制陶瓷加热片的温度形成温度差。但是，这种方法产生的焊点两端的温度差值小，形成的温度梯度较小。另外，现有的热迁移装置通常包括：加热结构、下导热板、试样、上导热板和冷却结构，这些热迁移装置经常存在一定的弊端：1)加热机构和冷却机构的体积较大，且结构较为复杂，增大了热迁移装置的体积；2)加热结构和冷却结构之间用来放置试样的位置不好调节，安装好装置后将不再适应其他焊点高度；3)不便对热迁移装置进行固定安装，装置不固定容易造成定位不准确和使用不方便等影响。
珀尔帖效应(Peltier Effect)是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处，随着电流方向的不同会分别出现吸热和放热现象。根据珀尔帖效应，对导体加载电流，导体两端会产生温差，从而在焊点两端形成温度梯度。利用珀尔帖效应获得焊点两端的温度梯度，可以避免使用体积较大的加热或冷却结构。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，旨在解决现有技术中的热迁移装置结构复杂、温度梯度不易控制的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用的一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，包括制热结构、制冷结构、试样和加固板组件，所述制热结构和所述制冷结构上下设置，所述制热结构位于所述制冷结构的下方，所述试样设置在所述制热结构和所述制冷结构之间，所述加固板组件分别从上下两侧夹持所述制热结构和所述制冷结构；
所述加固板组件包括第一金属板、第二金属板和四组连接螺栓，所述第一金属板和所述第二金属板相对设置，所述第一金属板与所述制热结构抵持，所述第二金属板与所述制冷结构抵持，四组所述连接螺栓分别贯穿所述第一金属板和所述第二金属板活动连接，每组所述连接螺栓上均设置有适配的螺母。
其中，所述制热结构包括第一制热基板、第二制热基板、第三制热基板、若干个制热板P型半导体和若干个制热板N型半导体，所述第一制热基板、所述第二制热基板和所述第三制热基板两两相对设置，所述第一制热基板位于所述第二制热基板上方，所述第三制热基板位于所述第二制热基板下方，所述第二制热基板到所述第一制热基板和所述第三制热基板的间隙相等，所述制热板P 型半导体和所述制热板N型半导体布置在间隙内，间隙内所述制热板P型半导体和所述制热板N型半导体的数量适配，每对所述制热板P型半导体和所述制热板N型半导体之间设置制热板铜布线。
其中，所述制冷结构包括第一制冷基板、第二制冷基板、第三制冷基板、若干个制冷板P型半导体和若干个制冷板N型半导体，所述第一制冷基板、所述第二制冷基板和所述第三制冷基板两两相对设置，所述第一制冷基板位于所述第二制冷基板下方，所述第三制冷基板位于所述第二制冷基板上方，所述第二制冷基板到所述第一制冷基板和所述第三制冷基板的间隙相等，所述制冷板P 型半导体和所述制冷板N型半导体布置在间隙内，间隙内所述制冷板P型半导体和所述制冷板N型半导体的数量适配，每对所述制冷板P型半导体和所述制冷板N型半导体之间设置制冷板铜布线。
其中，所述试样包括第一PCB板、第二PCB板和若干个焊点，所述第一 PCB板和所述第二PCB板相对设置，所述焊点设置在所述第一PCB板和所述第二PCB板之间，若干个所述焊点呈阵列布置，所述第一PCB板和所述第二 PCB板上均设置有铜布线，若干个所述焊点之间通过铜布线连接形成导通的回路。
其中，所述制热结构和所述制冷结构之间用导线连接，所述制热结构和所述制冷结构的尺寸适配。
其中，所述第一制热基板与所述第一金属板的接触面涂设有导热硅脂，所述第三制冷基板与所述第二金属板的接触面涂设有导热硅脂，所述试样与所述制热结构和所述制冷结构的接触面均涂设有导热硅脂。
本实用新型的一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，通过使用所述制热结构和制冷结构抵持所述试样，装置通电后进行热迁移测试，记录相应温度后使用有限元电热耦合分析，可获取试样焊点的温度梯度，从而获得可靠稳定的微焊点热迁移数据；根据珀尔帖效应改变加载电流控制焊点冷热端的温度差，得到较大的温度梯度；还可以通过控制焊点的高度得到不同的温度梯度；同时外部使用所述加固板组件夹持固定，结构简洁，解决了现有技术中的结构复杂、温度梯度不易控制的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置的结构示意图。
图2是本实用新型的第二金属板的结构示意图。
图3是本实用新型的制热结构的第一制热基板的结构示意图。
图4是本实用新型的制热结构的第二制热基板的俯视图。
图5是本实用新型的制热结构的第二制热基板的仰视图。
图6是本实用新型的制热结构的第三制热基板的结构示意图。
图7是本实用新型的制冷结构的第一制冷基板的结构示意图。
图8是本实用新型的制冷结构的第二制冷基板的俯视图。
图9是本实用新型的制冷结构的第二制冷基板的仰视图。
图10是本实用新型的制冷结构的第三制冷基板的结构示意图。
图11是本实用新型的试样加载电流时的示意图。
1-制热结构、11-第一制热基板、12-第二制热基板、13-第三制热基板、14- 制热板P型半导体、15-制热板铜布线、16-制热板N型半导体、2-制冷结构、21- 第一制冷基板、22-第二制冷基板、23-第三制冷基板、24-制冷板P型半导体、 25-制冷板铜布线、26-制冷板N型半导体、3-试样、31-第一PCB板、32-第二 PCB板、33-铜布线、34-焊点、4-导线、5-第二金属板、6-导热硅脂、70-连接螺栓、71-螺母、72-螺栓孔、8-第一金属板。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图11，本实用新型提供了一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，包括制热结构1、制冷结构2、试样3和加固板组件，所述制热结构1 和所述制冷结构2上下设置，所述制热结构1位于所述制冷结构2的下方，所述试样3设置在所述制热结构1和所述制冷结构2之间，所述加固板组件分别从上下两侧夹持所述制热结构1和所述制冷结构2；
所述加固板组件包括第一金属板8、第二金属板5和四组连接螺栓70，所述第一金属板8和所述第二金属板5相对设置，所述第一金属板8与所述制热结构1抵持，所述第二金属板5与所述制冷结构2抵持，四组所述连接螺栓70 分别贯穿所述第一金属板8和所述第二金属板5活动连接，每组所述连接螺栓 70上均设置有适配的螺母71。
在本实施方式中，所述基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置由四个部件组成，所述试样3位于中心，所述试样3的下方与所述制热结构1接触，所述试样3的上方与所述制冷结构2接触，所述加固板组件则从外侧夹持所述热结构1 和所述制冷结构2形成一个整体；
所述第一金属板8和所述第二金属板5的材料为纯铜，尺寸均为60mm× 40mm×2mm；四组所述连接螺栓70贯穿所述第一金属板8和所述第二金属板5 的螺栓孔72，通过拧紧或松开螺母71可调节所述制热结构1和所述制冷结构2 之间的距离，适应各种不同高度的所述试样3进行热迁移测试，所述连接螺栓 70同样采用具有导热性能的铜螺栓，在起定位作用的同时还有助于导热。
进一步地，所述制热结构1包括第一制热基板11、第二制热基板12、第三制热基板13、若干个制热板P型半导体14和若干个制热板N型半导体16，所述第一制热基板11、所述第二制热基板12和所述第三制热基板13两两相对设置，所述第一制热基板11位于所述第二制热基板12上方，所述第三制热基板 13位于所述第二制热基板12下方，所述第二制热基板12到所述第一制热基板 11和所述第三制热基板13的间隙相等，所述制热板P型半导体14和所述制热板N型半导体16布置在间隙内，间隙内所述制热板P型半导体14和所述制热板N型半导体16的数量适配，每对所述制热板P型半导体14和所述制热板N 型半导体16之间设置制热板铜布线15。
在本实施方式中，所述第一制热基板11、所述第二制热基板12和所述第三制热基板13之间的间隙内设置有若干对所述制热板P型半导体14和所述制热板N型半导体16，所述制热板P型半导体14、所述制热板N型半导体16和所述制热板铜布线15组成一对致热板热电偶，所述致热板热电偶的电流方向为从所述制热板P型半导体14流向所述制热板N型半导体16，所述制热结构1的下端吸热，上端散热形成热端；若干对致热板热电偶叠加形成阵列，增大制热结构1的温度，获得更大的温差值。
进一步地，所述制冷结构2包括第一制冷基板21、第二制冷基板22、第三制冷基板23、若干个制冷板P型半导体24和若干个制冷板N型半导体26，所述第一制冷基板21、所述第二制冷基板22和所述第三制冷基板23两两相对设置，所述第一制冷基板21位于所述第二制冷基板22下方，所述第三制冷基板 23位于所述第二制冷基板22上方，所述第二制冷基板22到所述第一制冷基板 21和所述第三制冷基板23的间隙相等，所述制冷板P型半导体24和所述制冷板N型半导体26布置在间隙内，间隙内所述制冷板P型半导体24和所述制冷板N型半导体26的数量适配，每对所述制冷板P型半导体24和所述制冷板N 型半导体26之间设置制冷板铜布线25。
在本实施方式中，所述第一制冷基板21、所述第二制冷基板22和所述第三制冷基板23之间的间隙内设置有若干对所述制冷板P型半导体24和所述制冷板N型半导体26，所述制冷板P型半导体24、所述制冷板N型半导体26和所述制冷板铜布线25组成一对致冷板热电偶，所述致冷板热电偶的电流方向为从所述制冷板P型半导体24流向所述制冷板N型半导体26，所述制冷结构2的上端散热，下端吸热形成冷端；通过若干对致冷板热电偶叠加形成阵列，使所述制冷结构2的温度降到更低，从而获得更大的温差值。
进一步地，可以通过叠加的两层或多层致热板或致冷板的热电偶阵列，可增大冷热端的温度差，所述试样3两端温差ΔT可达到68℃～95℃，根据温度梯度计算公式：gradT＝ΔT/h(其中，h为试样3厚度)，可计算得到所述试样3 两端的温度梯度。
进一步地，所述P型半导体和N型半导体的材料均为以碲化铋(Bi2Te3) 为基的三元固溶体合金；优选地，P型半导体的材料为Bi2Te3-Sb2Te3；N型半导体的材料为Bi2Te3-Bi2Se3。
进一步地，所述试样3包括第一PCB板31、第二PCB板32和若干个焊点 34，所述第一PCB板31和所述第二PCB板32相对设置，所述焊点34设置在所述第一PCB板31和所述第二PCB板32之间，若干个所述焊点34呈阵列布置，所述第一PCB板31和所述第二PCB板32上均设置有铜布线33，若干个所述焊点34之间通过铜布线33连接形成导通的回路。
在本实施方式中，所述第一PCB板31和所述第二PCB板32的尺寸一致，所述第一PCB板31和所述第二PCB板32重叠设置，所述第一PCB板31位于所述第二PCB板32的上方，若干个所述焊点34阵列在所述第一PCB板31和所述第二PCB板32之间，所述焊点34的焊料选用二元合金或多元合金中的有铅焊料或无铅焊料，以检测不同微焊点的热迁移性能。所述第一PCB板31、所述第二PCB板32、所述焊点34和所述铜布线33连接形成电流回路，所述试样 3可选择加电或不加电测试，所述试样3加电后，可进行微焊点电迁移测试，进而评估电流载荷对微焊点热迁移的影响。
进一步地，所述制热结构1和所述制冷结构2之间用导线4连接。
在本实施方式中，所述导线4接通了所述制热结构1和所述制冷结构2之间的电路，所述基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置内形成一个闭合的回路，当接入直流电时，电源从正极流入，经过每一层的热电偶阵列后，从负极流出；所述制热结构1和所述制冷结构2的尺寸适配且大小一致，在结构相应布置，设计简洁且易于安装。
进一步地，所述第一制热基板11与所述第一金属板8的接触面涂设有导热硅脂6，所述第三制冷基板23与所述第二金属板5的接触面涂设有导热硅脂6，所述试样3与所述制热结构1和所述制冷结构2的接触面均涂设有导热硅脂6。
在本实施方式中，接触面涂设有一层导热硅脂6，保证良好传热接触，减少热量的散失，确保在测量所述制热结构1和所述制冷结构2的温度时的准确性，保证分析数据的准确性。
进一步地，所述第一制热基板11、所述第二制热基板12和所述第三制热基板13、所述第一制冷基板21、所述第二制冷基板22、所述第三制冷基板23采用直接镀铜陶瓷基板(Direct Plate Copper，DPC)，其材料为氧化铝；所述陶瓷基板的尺寸为40mm×40mm×1mm和30mm×30mm×1mm。
在本实施方式中，所述第一制热基板11、所述第二制热基板12和所述第三制热基板13、所述第一制冷基板21、所述第二制冷基板22、所述第三制冷基板 23制作工艺步骤如下：
步骤一：将氧化铝陶瓷基板进行前处理清洁；
步骤二：利用薄膜专业制造技术即真空镀膜方式，在陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层；
步骤三：利用光阻剂在陶瓷基板上形成被覆层，曝光、显影形成电镀铜；再用蚀刻、去膜工艺完成线路制作；
步骤四：最后以电镀、化学镀沉积方式增加线路的厚度；
步骤五：将光阻移除后，完成金属化线路的制作。
最终成品具备铜的优良导电、导热性能。
本实用新型具有结构简单、体积小，产生的温差范围广和获得的温度梯度大等优点；不仅可以进行热迁移性能测试，将所述试样3接上电源后还可以评估电流载荷对微焊点热迁移的影响。
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，其特征在于，
包括制热结构、制冷结构、试样和加固板组件，所述制热结构和所述制冷结构上下设置，所述制热结构位于所述制冷结构的下方，所述试样设置在所述制热结构和所述制冷结构之间，所述加固板组件分别从上下两侧夹持所述制热结构和所述制冷结构；
所述加固板组件包括第一金属板、第二金属板和四组连接螺栓，所述第一金属板和所述第二金属板相对设置，所述第一金属板与所述制热结构抵持，所述第二金属板与所述制冷结构抵持，四组所述连接螺栓分别贯穿所述第一金属板和所述第二金属板活动连接，每组所述连接螺栓上均设置有适配的螺母。
2.如权利要求1所述的基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，其特征在于，
所述制热结构包括第一制热基板、第二制热基板、第三制热基板、若干个制热板P型半导体和若干个制热板N型半导体，所述第一制热基板、所述第二制热基板和所述第三制热基板两两相对设置，所述第一制热基板位于所述第二制热基板上方，所述第三制热基板位于所述第二制热基板下方，所述第二制热基板到所述第一制热基板和所述第三制热基板的间隙相等，所述制热板P型半导体和所述制热板N型半导体布置在间隙内，间隙内所述制热板P型半导体和所述制热板N型半导体的数量适配，每对所述制热板P型半导体和所述制热板N型半导体之间设置制热板铜布线。
3.如权利要求2所述的基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，其特征在于，
所述制冷结构包括第一制冷基板、第二制冷基板、第三制冷基板、若干个制冷板P型半导体和若干个制冷板N型半导体，所述第一制冷基板、所述第二制冷基板和所述第三制冷基板两两相对设置，所述第一制冷基板位于所述第二制冷基板下方，所述第三制冷基板位于所述第二制冷基板上方，所述第二制冷基板到所述第一制冷基板和所述第三制冷基板的间隙相等，所述制冷板P型半导体和所述制冷板N型半导体布置在间隙内，间隙内所述制冷板P型半导体和所述制冷板N型半导体的数量适配，每对所述制冷板P型半导体和所述制冷板N型半导体之间设置制冷板铜布线。
4.如权利要求3所述的基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，其特征在于，
所述试样包括第一PCB板、第二PCB板和若干个焊点，所述第一PCB板和所述第二PCB板相对设置，所述焊点设置在所述第一PCB板和所述第二PCB板之间，若干个所述焊点呈阵列布置，所述第一PCB板和所述第二PCB板上均设置有铜布线，若干个所述焊点之间通过铜布线连接形成导通的回路。
5.如权利要求4所述的基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，其特征在于，
所述制热结构和所述制冷结构之间用导线连接，所述制热结构和所述制冷结构的尺寸适配。
6.如权利要求5所述的基于珀尔帖效应的微焊点热迁移装置，其特征在于，
所述第一制热基板与所述第一金属板的接触面涂设有导热硅脂，所述第三制冷基板与所述第二金属板的接触面涂设有导热硅脂，所述试样与所述制热结构和所述制冷结构的接触面均涂设有导热硅脂。
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