DE102017124255A1 - Solder test assembly and solder joint test method - Google Patents
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Abstract
Lötstellen-Prüfanordnung zur Prüfung der Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit von Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, welche aufweist: einen Substrathalter zum starren Fixieren eines Bauelements, das mindestens eine zu prüfende Lötverbindung aufweist, oder eines Trägers desselben; einen Klemmhalter zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten der Kontaktauflage der zu prüfenden Lötverbindung an einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement mit einer vorbestimmten Klemmkraft; einen mechanisch an den Klemmhalter gekoppelten Schwingungserzeuger, der insbesondere einen piezoelektrischen Wandler aufweist, zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung mit vorbestimmter Frequenz bzw. vorbestimmtem Frequenzspektrum und vorbestimmter Schwingungsrichtung und zur Beaufschlagung des Klemmhalters und hiermit der Kontaktauflage mit dieser Schwingung; und eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung zur Registrierung und Auswertung des Zustandes der Lötverbindung während und/oder nach der Beaufschlagung mit der Schwingung.A solder joint tester for testing the fatigue strength and long-term reliability of solder joints of electronic components, comprising: a substrate holder for rigidly fixing a device having at least one solder joint to be tested or a carrier thereof; a clamp holder for releasably engaging and clampingly holding the contact pad of the solder joint under test at a connection point on the device with a predetermined clamping force; a mechanically coupled to the clamp holder vibration generator, which has in particular a piezoelectric transducer, for generating a mechanical vibration with a predetermined frequency or predetermined frequency spectrum and predetermined vibration direction and for acting on the clamping holder and hereby the contact pad with this vibration; and a registration and evaluation device for registration and evaluation of the state of the solder joint during and / or after the application of the vibration.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lötstellen-Prüfanordnung zur Prüfung der Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit von Lötverbindungen elektronischer Bauelemente sowie ein entsprechendes Lötstellen-Prüfverfahren.The invention relates to a solder joint test arrangement for testing the fatigue strength and long-term reliability of solder joints of electronic components and a corresponding solder joint test method.
Qualität und Lebensdauer von elektronischen Komponenten / Halbleiterbauteilen hängen wesentlich von Qualität und Lebensdauer der Mikroverbindungen, wie Bondungen oder Lötungen zwischen einzelnen Werkstücken aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen ab. Von besonderer Bedeutung ist hier bei Lötverbindungen die Grenzverbindungsfläche zwischen dem Lot und dem Untergrund, an der Delamination und Rissbildung bis zur Abhebung des Lots erfolgen kann.The quality and lifetime of electronic components / semiconductor devices are largely dependent on the quality and lifetime of the microcompounds, such as bonding or soldering between individual workpieces made of the same or different materials. Of particular importance here in solder joints, the boundary interface between the solder and the substrate, can take place at the delamination and cracking to the lifting of the solder.
In der Bondtechnik sind statische Pull- und Shear Tester bekannt, deren Aufgabe darin besteht, die Qualität der gelöteten Bonddrahtverbindungen in mikroelektronischen Bauteilen zu prüfen. Die Prüfung erfolgt durch einmaliges Anziehen am Verbindungsdraht mittels eines Hakens (Pull- oder Zugtest) oder durch Anstoßen am Verbindungsdraht mittels eines meißelförmigen Stifts (Querbelastung im Shear- oder Schertest). Es gibt nicht destruktive Pull- und Shear Tests, bei denen eine vorbestimmte (mindestens oder durchschnittlich auszuhaltende) Zug- oder Scherkraft eingesetzt wird, und destruktive Pull- und Shear Tests, bei denen die Zug- oder Scherkraft bis zur Riss- oder Bruchbildung erhöht wird.In the bonding technique, static pull and shear testers are known whose task is to test the quality of the soldered bonding wire connections in microelectronic components. The test is carried out by a single tightening on the connecting wire by means of a hook (pull or tensile test) or by abutment on the connecting wire by means of a chisel-shaped pin (transverse load in the shear or shear test). There are non-destructive pull and shear tests using a predetermined (or at least or average) tensile or shear force, and destructive pull and shear tests where the tensile or shear force is increased to cracking or fracturing ,
Es sind auch statische Pull Tests bekannt, bei denen der Bonddraht mittels eines Greifers festgehalten wird und der Zug durch Bewegung der Plattform, auf der die Probe fixiert ist, ausgeführt wird.Static pull tests are also known in which the bonding wire is held in place by a gripper and the pull is performed by moving the platform on which the sample is fixed.
Die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit und die Zuverlässigkeit einer Lötverbindung über die Lebensdauer wird über dynamische Tests ermittelt, in denen die zyklische Belastung der Bonds durch wiederholte mechanische und oder thermische Belastung nachvollzogen wird.The determination of fatigue strength and the reliability of a solder joint over the service life is determined by dynamic tests, in which the cyclic loading of the bonds is reproduced by repeated mechanical and / or thermal stress.
Für Ballbonds ist ein Schertest bekannt, bei dem ein meißelförmiger Stift als Testwerkzeug genutzt wird. Der Ballbond ist auf einem Probenhalter fixiert, der sich hin- und herbewegt, so dass der Stift eine Querbelastung auf den Ballbond ausüben kann. Ein Sensor dient dazu, einen Mindestabstand zwischen Stiftspitze und Probenhalter herzustellen, damit die Scherbelastung nur am Ballbond erfolgt und nicht den Probenhalter trifft; vgl. http://www.nordson.com/en/divisions/dage/test-types/fatigueFor ball bonds a shear test is known in which a chisel-shaped pen is used as a test tool. The ballbond is fixed on a sample holder which reciprocates so that the pin can exert a transverse load on the ballbond. A sensor is used to establish a minimum distance between the pen tip and sample holder, so that the shear stress occurs only at the ball bond and does not hit the sample holder; see. http://www.nordson.com/en/divisions/dage/test-types/fatigue
Für Leads in sog. Lead Frames ist ein Biegetest bekannt, bei dem der Lead Frame an einem Probenhalter fixiert ist. Unter vorgegebenem Biegewinkel wird auf den Lead wiederholte Zugbelastung ausgeübt. Dazu wird das Ende des Leads eingeklemmt und Lasten darauf aufgebracht; vgl. http://sixsigmaservices.com/othertestingservices.asp#LeadFatigueFor leads in so-called lead frames, a bending test is known in which the lead frame is fixed to a sample holder. At a predetermined bending angle repeated tensile load is exerted on the lead. To do this, pin the end of the lead and apply loads to it; see. http://sixsigmaservices.com/othertestingservices.asp#LeadFatigue
Ein im Vergleich dazu wesentlich beschleunigtes Verfahren bietet die
Nachteilig ist darüber hinaus, dass das Handling der Proben (Aufkleben des Testpräparats an ausgewählten Stellen des Probenhalters) zeitaufwendig ist und aufgrund der benötigten Präzision nur von Experten durchgeführt werden kann.Another disadvantage is that the handling of the samples (sticking of the test preparation at selected points of the sample holder) is time-consuming and can only be performed by experts due to the required precision.
Mit der beschleunigten mechanischen Testung der Ermüdungsfestigkeit von Verbindungen in mikroelektronischen Bauteilen befassen sich die Publikationen
Prüfvorrichtungen und -verfahren für statische Pull- bzw. Shear-Tests sind beispielsweise beschrieben in
Eine Prüfvorrichtung und ein Prüfverfahren zur dynamischen Prüfung von Drahtbondverbindungen ist Gegenstand der unveröffentlichten
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lötstellen-Prüfanordnung und ein entsprechendes Lötstellen-Prüfverfahren anzugeben, die sich insbesondere für nahezu beliebig konfigurierte Bauelemente bzw. Module und auch zur Anwendung unmittelbar in einem Produktionsprozess eignen und zur Bedienung bzw. Ausführung keine hochqualifizierten Spezialisten erfordern.The present invention is based on the object of providing an improved solder joint Specify test arrangement and a corresponding solder joints test method, which are suitable in particular for almost any configured components or modules and also for use directly in a production process and require no highly qualified specialists for operation or execution.
Diese Aufgabe wird in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Lötstellen-Prüfanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Lötstellen-Prüfverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.This object is achieved in its device aspect by a solder joint test arrangement having the features of
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, das Lot-Aggregat (nachfolgend auch als „Kontaktauflage“ bezeichnet) der zu prüfenden Lötverbindung an der Verbindungsstelle auf dem Substrat, speziell dem Bauelement, zu erfassen und mit einer vorbestimmten Klemmkraft festzuhalten und in diesem Zustand einer speziellen Wechselbelastung auszusetzen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, diese Wechselbelastung durch einen mechanisch an den Klemmhalter gekoppelten Schwingungserzeuger zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung mit vorbestimmter Frequenz bzw. vorbestimmtem Frequenzspektrum und vorbestimmter Schwingungsrichtung und zur Beaufschlagung des Klemmhalters mit dieser Schwingung bereitzustellen. Der Schwingungserzeuger weist hierbei insbesondere einen piezoelektrischen Wandler auf. Eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung dient zur Registrierung und Auswertung des Prüfvorganges.The invention includes the idea of detecting the solder aggregate (hereinafter also referred to as "contact pad") of the solder joint to be tested at the connection point on the substrate, especially the component, and holding it with a predetermined clamping force and, in this state, a special alternating load suspend. It further includes the idea of providing this alternating load by means of a vibration generator mechanically coupled to the clamping holder for generating a mechanical oscillation having a predetermined frequency or predetermined frequency spectrum and predetermined oscillation direction and for acting on the clamping holder with this oscillation. The vibration generator in this case has in particular a piezoelectric transducer. A registration and evaluation device is used for registration and evaluation of the inspection process.
Die vorgeschlagene Anordnung und das Verfahren stehen im Kontext der sog. HCF(High Cycle Fatigue)- bzw. VHCF(Very High Cycle Fatigue)-Testung und widmen sich im Speziellen der Grenzverbindungsfläche zwischen Kontaktauflage und Substrat unter zyklischer Wechsel- bzw. Scherbelastung zur Erzeugung von Lot-Abhebungen (Lift-Off-Fehlern).The proposed arrangement and the method are in the context of the so-called. HCF (High Cycle Fatigue) - or VHCF (Very High Cycle Fatigue) - testing and are dedicated in particular to the boundary interface between the contact pad and substrate under cyclic alternating or shear stress to produce Lot-Abhebungen (lift-off errors).
Die erfindungsgemäße Prüfanordnung und das Prüfverfahren ermöglichen eine wesentliche Einsparung an Prüfzeit gegenüber bekannten Verfahren und erhöhen somit die Ausbeute an geprüften Lötverbindungen pro Zeiteinheit. Die essentielle Verkürzung der Prüfdauer erleichtert erheblich den Einsatz in laufenden Produktionsprozessen und ermöglicht außerordentlich breit angelegte Prüfungen, d.h. die Erreichung eines neuen Niveaus an Aussagekraft der Prüfungen. Die Einfachheit der Anordnung und des Verfahrens ermöglichen die Bedienung durch speziell eingewiesenes Laborpersonal, was ebenfalls die breite Anwendung erleichtert und unter Kostenaspekten vorteilhaft ist.The test arrangement according to the invention and the test method allow a significant saving in test time compared to known methods and thus increase the yield of tested solder joints per unit time. The essential shortening of the test duration greatly facilitates the use in running production processes and allows extremely wide-ranging tests, i. the achievement of a new level of validity of the examinations. The simplicity of the arrangement and the method allow operation by specially trained laboratory personnel, which also facilitates the broad application and is advantageous in terms of cost.
In einer Ausführung der vorgeschlagenen Prüfanordnung umfasst der Klemmhalter Klemmen, die eine vorbestimmte Klemmkraft durch vorgespannte Klemmbackengeometrie besitzen, welche auf die Geometrie der Lötverbindung angepasst ist. In weiteren Ausgestaltungen weist der Klemmhalter Querschnitts-Einstellmittel zur Anpassung an Kontaktauflagen unterschiedlichen Durchmessers und/oder unterschiedlicher Querschnittsform und/oder Klemmpunkt-Einstellmittel zur Einstellung des Klemmpunktes an der Kontaktauflage und/oder Klemmkraft-Einstellmittel zum Einstellen der Klemmkraft auf. Mit diesen Optionen lässt sich die Prüfanordnung universell an verschiedenste Bauelement- und Lötverbindungs-Konfigurationen anpassen und ermöglichst somit die Prüfung eines außerordentlich breiten Spektrums an Prüfobjekten.In one embodiment of the proposed test arrangement, the clamp includes clamps having a predetermined clamping force by biased jaw geometry adapted to the geometry of the solder joint. In further embodiments, the clamping holder has cross-section adjustment means for adapting to contact pads of different diameters and / or different cross-sectional shape and / or clamping point adjustment means for adjusting the clamping point on the contact support and / or clamping force adjusting means for adjusting the clamping force. These options allow the test fixture to be universally adapted to a wide variety of device and solder joint configurations, allowing for the testing of an extremely wide range of test objects.
In weiteren Ausführungen weist der Schwingungserzeuger Frequenz-Einstellmittel zur Einstellung der Schwingungsfrequenz und/oder Amplituden-Einstellmittel zum Einstellen der Schwingungsamplitude, insbesondere eines Resonanzzustandes mit dem Klemmhalter, auf. Vorteilhafterweise wird das Verfahren in Resonanz ausgeführt, es können aber auch gewisse Verschiebungen gegenüber dem Resonanzzustand bewusst herbeigeführt werden.In further embodiments, the vibration generator frequency adjustment means for adjusting the vibration frequency and / or amplitude adjustment means for adjusting the vibration amplitude, in particular a resonance state with the clamp holder, on. Advantageously, the method is carried out in resonance, but it can also deliberately induced certain shifts relative to the resonance state.
In einer anderen Ausführung umfasst die Prüfanordnung Schwingungsparameter-Erfassungsmittel zur Erfassung mindestens eines Schwingungsparameters des in Schwingung versetzten Lot-Aggregates, insbesondere der Schwingungsamplitude, insbesondere zur Feststellung von Frequenzverschiebungen als Hinweis auf Defekte, wie Rissbildung in der zu prüfenden Lötverbindung. Hiermit ist also speziell eine Verschiebung tatsächlicher gegenüber voreingestellten Schwingungsparametern feststellbar, die auf das Vorliegen von Defekten und ggfs. auch deren Natur und mögliche Ursachen schließen lässt.In another embodiment, the test arrangement comprises vibration parameter detection means for detecting at least one vibration parameter of the vibrated solder aggregate, in particular the vibration amplitude, in particular for determining frequency shifts as an indication of defects such as cracking in the solder joint to be tested. Thus, a shift of actual versus preset vibration parameters can be detected, which indicates the presence of defects and, if necessary, their nature and possible causes.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwingungserzeuger im Zusammenwirken mit dem Klemmhalter derart ausgebildet, dass der zu prüfenden Lötverbindung eine im Wesentlichen parallel zur Ebene der Verbindungsstelle auf dem Bauelement gerichtete Wechselbelastung aufgeprägt wird. Weiterhin ist vorteilhafterweise der Schwingungserzeuger zu einem Betrieb im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 80 kHz ausgebildet.In an advantageous embodiment, the vibration generator is designed in cooperation with the clamping holder such that the solder joint to be tested is impressed on the component directed substantially parallel to the plane of the junction alternating load. Furthermore, the oscillator is advantageously designed for operation in the frequency range between 20 kHz and 80 kHz.
In einer weiteren vorteilhaften, die Einsatzmöglichkeiten der Prüfanordnung erweiternden Ausführung sind dem Klemmhalter Zugkraft-Beaufschlagungsmittel zur Beaufschlagung mit einer vorbestimmten, insbesondere senkrecht zur Ebene der Verbindungsstelle auf dem Bauelement gerichteten, Zugkraft zugeordnet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführung sind die Zugkraft-Beaufschlagungsmittel einstellbar, womit wiederum eine Anpassung an verschiedenartige Lötverbindungs- und allgemein Halbleitermodul-Konfigurationen vorteilhaft möglich ist.In a further advantageous embodiment which expands the possible uses of the test arrangement, tensile force is applied to the clamping holder for application of a predetermined tensile force, in particular perpendicular to the plane of the connection point on the component. In an advantageous embodiment of this embodiment, the traction-Beaufschlagungsmittel are adjustable, which in turn adapt to different types Lötverbindungs- and generally semiconductor module configurations are advantageously possible.
Gleichfalls im Kontext der Erweiterung der Aussage- und Einsatzmöglichkeiten stehen Ausführungen mit einer Temperier- oder Klimatisierungseinrichtung zur Beaufschlagung der zu prüfenden Lötverbindung mit einer vorbestimmten Temperatur bzw. vorbestimmten Klimagrößen, optional einem vorbestimmten zeitlichen Verlauf derselben, während des Prüfvorganges. In Ausgestaltungen ist insbesondere die Klimatisierungseinrichtung zur Bereitstellung einer einstellbaren Temperatur und/oder einstellbaren Luftfeuchtigkeit und/oder einstellbaren Zusammensetzung der Atmosphäre über der zu prüfenden Lötverbindung ausgebildet.Likewise, in the context of the extension of the statement and application options are embodiments with a tempering or air conditioning device for acting on the test solder joint with a predetermined temperature or predetermined climatic variables, optionally a predetermined time course of the same, during the testing process. In embodiments, in particular, the air-conditioning device is designed to provide an adjustable temperature and / or adjustable air humidity and / or adjustable composition of the atmosphere over the solder joint to be tested.
In einer weiteren Ausführung hat die Prüfanordnung Kopplungsmittel, um als Aufsatz auf ein Lötgerät verwendet werden zu können. Hiermit ist eine weitere Vereinfachung dahingehend möglich, dass ein eigener Schwingungserzeuger nicht benötigt wird, sondern der Transducer des angekoppelten Lötgerätes eingesetzt werden kann. Überdies lässt sich die Prüfanordnung auf diese Weise besonders gut in einen laufenden Produktionsprozess integrieren.In a further embodiment, the test arrangement coupling means to be used as an attachment to a soldering machine can. Hereby, a further simplification is possible to the effect that a separate vibration generator is not needed, but the transducer of the coupled soldering machine can be used. Moreover, the test arrangement can be integrated in this way particularly well in an ongoing production process.
Verfahrensaspekte der Erfindung ergeben sich weitgehend aus den oben erwähnten Vorrichtungsaspekten, sodass insoweit von Wiederholungen Abstand genommen wird.Process aspects of the invention are largely due to the device aspects mentioned above, so that repeats are omitted in this respect.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit einer Ausführung, bei der die Erfassung mindestens eines Schwingungsparameters des in Schwingung versetzten Lot-Aggregates, speziell der Schwingungsamplitude, insbesondere zur Feststellung von Frequenzverschiebungen als Hinweis auf Defekte, wie Rissbildung in der oder jeder geprüften Lötverbindung, vorgesehen ist, die Einstellung der Schwingungsfrequenz und -amplitude für den nachfolgenden Prüfvorgang entsprechend dem erfassten Resonanzzustand möglich ist.It should be noted that in connection with an embodiment in which the detection of at least one vibration parameter of the oscillated solder aggregate, especially the vibration amplitude, in particular for determining frequency shifts as an indication of defects such as cracking in the or each tested solder joint, is provided, the adjustment of the oscillation frequency and amplitude for the subsequent test procedure in accordance with the detected resonance state is possible.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Auswertung des Prüfvorganges anhand eines Simulationsprogramms ausgeführt werden kann, das eine Korrelation thermisch und mechanisch induzierter Grenzflächen-Spannungen an der Verbindungsstelle anhand einer Finite-Elemente-Simulation umfasst.It should also be pointed out that the evaluation of the test procedure can be carried out on the basis of a simulation program which comprises a correlation of thermally and mechanically induced interfacial stresses at the connection point on the basis of a finite element simulation.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und von Ausführungsaspekten der Erfindung anhand
Hiernach umfasst die Lötstellen-Prüfanordnung
Der Klemmhalter
Bei der gezeigten Ausführung sind alle mechanischen Komponenten der Prüfanordnung
Zur Auswertung der Tests dient eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung
Zum Betrieb dieser Lötstellen-Prüfanordnung kann auf die vorstehenden allgemeinen Ausführungen und die anhängenden Ansprüche verwiesen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Einstellmittel sowohl zu einer stufenlosen Einstellung bestimmter Testparameter als auch zu einer Einstellung in vorbestimmten Stufen ausgebildet sein können, und dass einerseits nicht sämtliche in der Figur gezeigten Einstellmittel bei jeder Ausführung der Prüfanordnung vorgesehen sein müssen und andererseits in anderen Ausführungen noch weitere Einstell- und Messmittel vorgesehen sein können.For operation of this solder joint test arrangement, reference may be made to the above general embodiments and the appended claims. It should be noted that the various adjustment means can be designed both for continuous adjustment of certain test parameters and for adjustment in predetermined stages, and that on the one hand not all adjustment means shown in the figure must be provided for each execution of the test arrangement and on the other hand in others Designs even more adjustment and measuring means can be provided.
Auch insgesamt ist die Ausführung der Erfindung nicht auf das Schema der
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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