EP3039396A1 - Mechanisches prüfverfahren für komponenten der elektronik - Google Patents

Mechanisches prüfverfahren für komponenten der elektronik

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EP3039396A1
EP3039396A1 EP14793426.9A EP14793426A EP3039396A1 EP 3039396 A1 EP3039396 A1 EP 3039396A1 EP 14793426 A EP14793426 A EP 14793426A EP 3039396 A1 EP3039396 A1 EP 3039396A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample holder
ultrasonic
frequency
vibration
coupling element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14793426.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Agnieszka Betzwar KOTAS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP3039396A1 publication Critical patent/EP3039396A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/027—Specimen mounting arrangements, e.g. table head adapters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0066—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2801—Testing of printed circuits, backplanes, motherboards, hybrid circuits or carriers for multichip packages [MCP]
    • G01R31/281—Specific types of tests or tests for a specific type of fault, e.g. thermal mapping, shorts testing
    • G01R31/2817—Environmental-, stress-, or burn-in tests

Definitions

  • MK microelectronic components
  • Test methods for simulating such stress are e.g. Bending tests, in which the samples are clamped and then bent by means of a targeted application of force.
  • bending tests are not suitable for determining the fatigue behavior of the electronic components to be tested.
  • ultrasound test methods are known for simulating high frequency mechanical loading (which in reality is caused, for example, by thermal cycling) and determining the fatigue behavior of a sample as a function of the number of load changes.
  • Components (MK) are known for their small dimensions (e.g.
  • Submillimeter range up to about 10 mm) but not for such
  • Test method suitable is a device or a Provide method with the / the small samples, specifically electrical
  • Components, stress tests can be subjected.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 6.
  • a device for testing microelectronic components comprises the following: an elongate sample holder for receiving at least one electronic component to be tested and an ultrasonic actuator having an ultrasonic transducer for generating ultrasonic waves and a mechanical coupling element connected thereto which transforms the ultrasonic waves into a mechanical vibration and mechanically couples the ultrasonic transducer to the sample holder.
  • the ultrasound actuator is designed in such a way and coupled with the sample holder, that the sample holder is excited to a bending vibration.
  • Another example of the invention relates to a method for testing electronic components.
  • an elongate sample holder with at least one electronic component to be tested is excited by means of an ultrasonic actuator to vibrate.
  • the ultrasonic actuator is mechanically coupled to the sample holder via a coupling element in this way; that the sample holder is excited to a bending vibration.
  • Figure 1 shows an embodiment of an electrical to be tested
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the testing device in side view
  • Figure 3 shows an embodiment of the sample holder with it
  • FIG. 4 shows a bending mode of the ultrasonic mode generated by the ultrasonic actuator
  • FIGS. 5A-C show the first three possible vibration modes in the sample holder
  • FIG. 1 shows as an illustrative example a microelectronic component as it is to be tested for fatigue phenomena in the context of the invention.
  • the microelectronic component (a MK) is a composite structure composed of different materials with different physical properties (eg, Young's modulus, shear modulus, coefficient of thermal expansion, texture, etc.) and shapes in the field of microelectronics and nanoelectronics.
  • the exemplary embodiment in FIG. 1 in this case comprises a multilayer structure 50, ie a plurality of layers of different materials (multilayer) attached to one another and enclosed metallizations 56, vias 52 (also PTH, plated through-hole) and semiconductor chips 54 and 52, which may be integrated into the multilayer structure 50 (chip 54) or mounted on the surface of the multilayer structure 50 (flip-chip 52).
  • SMD components 53 can be arranged on the surface.
  • the multiplicity of layers result in a large number of interfaces (eg at the adhesive layer 55), which weak points in the electronic component with respect to mechanical Represent loads.
  • the stresses occurring there can lead to the delamination of the layers.
  • cracks can occur, which then spread as the stress increases and ultimately to the
  • FIG. 2 shows an embodiment of a testing device according to the invention in a side view.
  • the device 1 in this case comprises an ultrasonic actuator 20, which is used for generating the desired oscillation.
  • the ultrasound actuator 20 in this case comprises an ultrasound transducer 21 which generates ultrasound waves of a specific selected frequency.
  • the transducer 21 is, for example, a piezoelectric transducer in which mechanical vibrations are generated by an applied high-frequency AC voltage.
  • the transducer is connected to a mechanical transducer 22, which performs a longitudinal oscillation, wherein the oscillation frequency corresponds to the ultrasonic frequency of the actuator.
  • a mechanical coupling element 23 Connected to the mechanical transducer 22 is a mechanical coupling element 23 whose function is to connect the ultrasonic actuator 20 to an elongated sample holder 10 such that it is excited at the oscillation frequency-ideally resonant-to a bending oscillation.
  • the coupling element is also referred to as sonotrode. This is designed in such a way that the applied oscillation frequency corresponds to its own resonance frequency.
  • the sample holder 10 is indicated only schematically in this embodiment in order to clarify the connection between it and the ultrasound actuator.
  • Figure 3 shows an embodiment of the sample holder 10. This is for
  • Simplification shown in abbreviated form Within the device it is of elongated geometry (in relation to the thickness) to better perform bending vibrations. Essentially, it may be a (statically determined mounted) bending beam.
  • the sample holder has a top 1 1 and a top side vertically opposite bottom 12. On the
  • Sample holder 10 at least one electronic component to be tested 15 is frictionally secured, which may be mounted both on the top 11 and on the bottom 12 of the sample holder 10. The attachment of the _
  • the electronic components can be mounted at arbitrary positions on the two sample holder sides 11 and 12 and also on the two side surfaces 13 which run along the longitudinal direction of the sample holder and connect the sample holder sides 11 and 12 with certain positions being advantageous prove, as will be explained with reference to subsequent figures.
  • An electronic component 15 ', which is attached to one of the side surfaces 13, is indicated schematically in FIG. The position of the excitation, i.
  • the location at which the ultrasound actuator or its coupling element 23 (eg sonotrode) is connected to the sample holder 10 may also be arbitrary, wherein these are chosen and can be tuned with the vibration frequency that the sample holder at a natural frequency in a certain (matching the natural frequency) vibration mode oscillates.
  • Figure 4 shows the formation of the first mode of vibration of the possible
  • Coupling element 23 is approximately mechanically coupled in the middle of the sample holder 10.
  • the first oscillation mode excited in this way has a maximum deflection in the middle of the sample holder, where excitation also occurs in this exemplary embodiment.
  • the bending vibration of the sample holder and the consequent bending results on the surface of the sample holder in an alternating tensile / compressive load along the longitudinal axis of the sample holder. This is transmitted by the integral attachment of the electronic components 15 with the sample holder 10 on this. This even allows very small electronic Components 15 are exposed by the ultrasound system a variety of load cycles and thus tested effectively.
  • the bending vibration produces an alternating tensile / compressive load in the sample holder and also in the samples attached thereto.
  • the illustration in FIG. 4 thus shows only a snapshot at the time of maximum deflection in the direction of the upper side 11 of the sample holder.
  • Figures 5A-C show three possible modes of vibration in the sample holder.
  • these locations are the clamping at the two respective ends of the sample holder; so there is no deflection at these points.
  • the length of the sample holder 10 determines the wavelength of the forming standing waves. Each wavelength of a wave in a medium (here the material of the sample holder) is beyond the physical
  • Stimulated frequency corresponding to one of its natural frequency it forms in him a vibration mode that matches this natural frequency. It is thus possible, with knowledge of all relevant variables, to determine selectively both the points with node 40 and with the bulges 41 before the actually test method, which later still represents an important aspect for the actual method, since the samples are arranged at the points of maximum deflection can.
  • the (only) oscillation maximum 41 is located exactly in the middle of the sample holder, which is why the center is most sensible here as the excitation position.
  • FIG. 5B shows the second possible oscillation mode 31 (or also first
  • FIG. 5C shows a further oscillation mode 32 (seventh harmonic oscillation).
  • the targeted excitation of a resonant frequency can therefore over the
  • Adjusting the excitation frequency happen ie the ultrasonic frequency.
  • the length of the sample holder 10 to the frequency of the ultrasonic actuator
  • the sample holder length so that the fixed excitation frequency corresponds exactly to a resonant frequency.
  • FIG. 6 shows the sample holder 10 with its top side 1 1 and underside 12 and electronic components 15 'on both side surfaces 13 as well as a possible excited oscillation mode in the sample holder 10.
  • the ultrasonic actuator is not shown here.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Prüfen von mikroelektronischen Komponenten (MK) offenbart. Eine derartige Vorrichtung weist einen langgestreckten Probenhalter zur Aufnahme von mindestens einer zu prüfenden elektronischen Komponente auf sowie einen Ultraschallaktor, der wiederum einen Ultraschalltransducer zur Erzeugung von Ultraschallwellen und ein mit diesem verbundenes mechanisches Koppelelement aufweist. Das Koppelelement transformiert die Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung und koppelt den Ultraschalltransducer mechanisch an den Probenhalter. Der Ultraschallaktor ist dabei derart ausgebildet und mit dem Probenhalter gekoppelt, dass der Probenhalter zu einer Biegeschwingung angeregt wird.

Description

Mechanisches Prüfverfahren für Komponenten der Elektronik
Die Erfindung betrifft das Gebiet der mechanischen Prüfverfahren für
Elektronikkomponenten, insbesondere für sogenannte„mikroelektronische Komponenten" (MK).
Elektronische Komponenten (im Englischen auch„electronic package Systems", EPS) erfahren Beanspruchungen während ihrer Nutzung, welche ihre
Lebensdauer und Zuverlässigkeit stark beeinträchtigen können. Insbesondere können Belastungen, die durch das Einwirken mechanischer Kräfte (z.B. Druck- und Zugbeanspruchungen aufgrund thermischer, thermo-mechanischer oder zyklischer Belastungen) auftreten, zu Beschädigungen der Komponenten führen. Insbesondere Komponenten, die aus mehreren Teilen (z.B. Schichten, Chips, Kontakten etc.) zusammengesetzt sind, leiden unter solchen Stresseinflüssen. Dabei können Delamination von Schichten und Rissbildung auftreten, die die Komponenten schädigen und schließlich einen kompletten Ausfall einer
Komponente mit sich bringen. Es ist daher wichtig, elektronische Komponenten, die in ihrem Einsatzgebiet mit mechanischen Belastungen zu rechnen haben, auf deren Belastbarkeit und infolgedessen auf die Ermüdungserscheinungen hin zu testen, um mögliche Schwachstellen bei der Entwicklung neuer Komponenten berücksichtigen zu können.
Prüfverfahren zur Simulation solcher Beanspruchung sind z.B. Biegetests, bei denen die Proben eingespannt und dann mittels gezielter Krafteinleitung gebogen werden. Derartige Biegetests sind jedoch nicht geeignet, das Ermüdungsverhalten der zu prüfenden Elektronikkomponenten zu ermitteln. Ganz allgemein sind Ultraschallprüfverfahren bekannt, um mit hoher Frequenz eine mechanische Wechselbelastung zu simulieren (die in der Realität z.B. durch eine thermische Wechselbelastung verursacht wird) und das Ermüdungsverhalten einer Probe abhängig von der Zahl der Lastwechsel zu ermitteln. Mikroelektronische
Komponenten (MK) sind aufgrund ihrer kleinen Abmessungen (z.B. im
Submillimeterbereich bis hin zu ca. 10 mm) jedoch nicht für derartige
Prüfverfahren geeignet. Die Aufgabe besteht also darin, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, mit der/dem kleine Proben, konkret elektrische
Komponenten, Belastungstests unterzogen werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst dabei eine Vorrichtung zum Prüfen von mikroelektronischen Komponenten (MK) folgendes: einen langgestreckten Probenhalter zur Aufnahme von mindestens einer zu prüfenden elektronischen Komponente und einen Ultraschallaktor, der einen Ultraschalltransducer zur Erzeugung von Ultraschallwellen und ein mit diesem verbundenes mechanisches Koppelelement aufweist, das die Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung transformiert und den Ultraschalltransducer mechanisch an den Probenhalter koppelt. Der Ultraschallaktor ist dabei derart ausgebildet und mit dem Probenhalter gekoppelt, dass der Probenhalter zu einer Biegeschwingung angeregt wird.
Ein weiteres Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von elektronischen Komponenten. Dabei wird ein langgestreckter Probenhalter mit mindestens einer darauf angebrachten zu prüfenden elektronischen Komponente mit Hilfe eines Ultraschallaktors zum Schwingen angeregt. Der Ultraschallaktor ist dabei mit dem Probenhalter über ein Kopplungselement derart mechanisch gekoppelt; dass der Probenhalter zu einer Biegeschwingung angeregt wird. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer zu prüfenden elektrischen
Komponente im Querschnitt, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Prüf-Vorrichtung in der Seitenansicht,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des Probenhalters mit darauf
angebrachten elektronischen Komponenten in der Seitenansicht,
Figur 4 ein vom Ultraschallaktor erzeugte Biegungsmode des
Probenhalters in der Seitenansicht,
Figuren 5A-C die ersten drei möglichen Schwingungsmoden im Probenhalter, und
Figur 6 Platzierung der elektronischen Komponenten auf dem
Probenhalter mit Berücksichtigung der angeregten Mode. In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Figur 1 zeigt ein als illustratives Beispiel eine mikroelektronische Komponente, wie sie im Rahmen der Erfindung auf Ermüdungserscheinungen geprüft werden soll.
Die mikroelektronische Komponente (ein MK) ist eine zusammengesetzte Struktur, die sich aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (z.B. Young's Modul, Schubmodul, Wärmeausdehnungskoeffizient, Textur, etc.) und Formen im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik zusammen- setzt. Das Ausführungsbeispiel in Figur 1 umfasst dabei eine Multilayer-Struktur 50, d.h. mehrere übereinander angebrachte Schichten unterschiedlicher Materialien (Multilayer) sowie eingeschlossene Metallisierungen 56, Durchbohrungen bzw. Vias 52 (auch PTH, plated through-hole) und Halbleiter-Chips 54 und 52, die in die Multilayer-Struktur 50 integriert (Chip 54) oder an der Oberfläche der Multi- layer-Struktur 50 montiert sein können (Flip-Chip 52). An der Oberfläche können zudem SMD-Bauelemente 53 angeordnet sein. Die Vielzahl von Schichten hat eine große Zahl an Grenzflächen (z.B. an der Klebeschicht 55) zur Folge, welche Schwachpunkte in der elektronischen Komponente im Hinblick auf mechanische Belastungen darstellen. Die dort auftretenden Beanspruchungen können zur Delamination der Schichten führen. Des Weiteren können Risse auftreten, die sich dann bei fortschreitender Beanspruchung ausbreiten und letztendlich zur
Zerstörung der elektronischen Komponente (MK) führen können.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung in der Seitenansicht dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei einen Ultraschallaktor 20, der für die Erzeugung der gewünschten Schwingung genutzt wird. Der Ultraschallaktor 20 umfasst dabei einen Ultraschalltransducer 21 , der Ultraschall- wellen einer bestimmten gewählten Frequenz erzeugt. Der Transducer 21 ist beispielsweise ein Piezotransducer, bei dem durch eine angelegte hochfrequente Wechselspannung mechanische Schwingungen erzeugt werden. Der Transducer ist mit einem mechanischen Wandler 22 verbunden, der eine Longitudinalschwin- gung ausführt, wobei die Schwingungsfrequenz der Ultraschallfrequenz des Aktors entspricht. Mit dem mechanischen Wandler 22 ist ein mechanisches Kopplungselement 23 verbunden, dessen Funktion darin besteht, den Ultraschallaktor 20 mit einem langgestreckten Probenhalter 10 derart zu verbinden, sodass dieser mit der Schwingungsfrequenz - idealerweise resonant - zu einer Biegeschwingung angeregt wird. Das Kopplungselement wird auch als Sonotrode bezeichnet. Diese ist derart ausgestaltet, dass die angelegte Schwingungsfrequenz ihrer eigenen Resonanzfrequenz entspricht. Der Probenhalter 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel nur schematisch angedeutet um die Verbindung zwischen ihm und dem Ultraschallaktor zu verdeutlichen. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Probenhalters 10. Dieser ist zur
Vereinfachung in verkürzter Form dargestellt. Innerhalb der Vorrichtung ist er von langgestreckter Geometrie (in Relation zur Dicke) um Biegeschwingungen besser ausführen zu können. Im Wesentlichen kann es sich um einen (statisch bestimmt gelagerten) Biegebalken handeln. Der Probenhalter besitzt eine Oberseite 1 1 und eine der Oberseite vertikal gegenüberliegende Unterseite 12. Auf dem
Probenhalter 10 ist zumindest eine zu prüfende elektronische Komponente 15 kraftschlüssig befestigt, wobei jene sowohl auf der Oberseite 1 1 als auch auf der Unterseite 12 des Probenhalters 10 befestigt sein können. Die Anbringung der _
elektronischen Komponenten erfolgt dabei auf eine Art und Weise, bei der sie der Biegeschwingung des Probenhalters folgen. Beispielsweise können die
elektrischen Komponenten auf den Probenhalter aufgeklebt werden. Die am Probenhalter 10 (Biegebalken) z.B. aufgeklebten Proben erfahren dann eine wechselnde ZugVDruckbelastung entsprechend der Biegeschwingung des Probenhalters.
Andere Varianten der festen aber schadensfreien Anbringung seien hier allerdings nicht ausgeschlossen. Grundsätzlich können die elektronischen Komponenten an belieben Positionen auf den beiden Probenhalterseiten 1 1 und 12 und auch an den beiden Seitenflächen 13, die entlang der Längsrichtung des Probenhalters verlaufen und die Probenhalterseiten 1 1 und 12 miteinander verbinden, angebracht werden, wobei sich bestimmte Positionen als vorteilhaft erweisen werden, wie anhand von nachfolgenden Figuren noch erläutert wird. Eine elektronische Komponente 15', die an einer der Seitenflächen 13 angebracht ist, ist in Figur 3 schematisch angedeutet. Die Position der Anregung, d.h. der Ort, an dem der Ultraschallaktor bzw. dessen Kopplungselement 23 (z.B. Sonotrode) mit dem Probenhalter 10 verbunden ist, kann ebenfalls beliebig sein, wobei diese so gewählt werden und mit der Schwingfrequenz abgestimmt werden kann, dass der Probenhalter auf einer Eigenfrequenz in einem bestimmten (zu der Eigenfrequenz passenden) Schwingungsmode schwingt.
Figur 4 zeigt das Ausbilden der ersten Schwingungsmode der möglichen
Biegeschwingungen im (beidseitig gelagerten) Probenhalter, wobei das
Koppelelement 23 annähernd in der Mitte des Probenhalters 10 mechanisch angekoppelt ist. Wie anhand von Figuren 5A-C noch erläutert wird, besitzt der so angeregte erste Schwingungsmode eine maximale Auslenkung in der Mitte des Probenhalters, wo in diesem Ausführungsbeispiel auch die Anregung erfolgt. Die Biegeschwingung des Probenhalters und die daraus folgende Biegung resultiert an der Oberfläche des Probenhalters in einer wechselnden Zug-/Druckbelastung entlang der Längsachse des Probenhalters. Diese wird durch die stoffschlüssige Befestigung der elektronischen Komponenten 15 mit dem Probenhalter 10 auf diese übertragen. Damit können selbst jene sehr kleinen elektronischen Komponenten 15 durch das Ultraschallsystem einer Vielzahl von Belastungszyklen ausgesetzt und damit effektiv geprüft werden.
Wie bereits erwähnt wird durch die Biegeschwingung eine wechselnde Zug- /Druckbelastung in dem Probenhalter und auch in den daran befestigten Proben erzeugt. Die Darstellung in Figur 4 zeigt also nur eine Momentaufnahme zum Zeitpunkt maximaler Auslenkung in Richtung Oberseite 1 1 des Probenhalters.
Figuren 5A-C zeigen drei mögliche Schwingungsmoden im Probenhalter.
Betrachtet man den Probenhalter 10, so entscheiden im Wesentlichen zwei
Einflussfaktoren über die Wellenlängen, der sich im Resonanzfall ausbildenden Schwingungsmoden. Zum einen liegt die Art der Einspannung des Probenhalters fest, wo sich fest vorgegebene Knoten (Orte, an denen die Auslenkung des Probenhalters stets Null ist) befinden. Wellen mit solchen ausgezeichneten Orten werden als stehende Wellen bezeichnet. Folglich besitzen stehende Wellen neben den Knoten 40 auch Punkte maximaler Auslenkung (sog. Schwingungsbäuche 41 ). Dabei ist zu beachten, dass an diesen Punkten nicht stets eine maximale Auslenkung herrscht, diese Punkte unterliegen ebenso der Schwingung und nehmen daher zu gewissen Zeitpunkten ebenfalls den Wert Null. Allerdings ist in diesen Punkten die Auslenkung relativ zu allen anderen Punkten zu bestimmten Zeitpunkten extremal (d.h. maximal in beide Schwingungsrichtungen). In allen Ausführungsbeispielen sind diese Orte der Einspannung an den beiden jeweiligen Enden des Probenhalters; somit gibt es keine Auslenkung an diesen Punkten. Zum Anderen entscheidet die Länge des Probenhalters 10 über die Wellenlänge der sich ausbildenden stehenden Wellen. Jeder Wellenlänge einer Welle in einem Medium (hier das Material des Probenhalters) ist über die physikalische
Beziehung οΡ=λ·ν eine (Eigen-) Frequenz v zugeordnet. Entscheidend dafür ist die sogenannte Phasengeschwindigkeit cP der Welle innerhalb des Mediums. Diese Größe ist materialspezifisch und wird dadurch durch den Probenhalter 10 vorgegeben. Somit sind durch den Probenhalter 10 selbst, seine Einspannung und seine Länge die Schwingungsmoden (d.h. deren Wellenlänge λ und somit auch deren Resonanzfrequenz) festgelegt. Wird der Probenhalter nun mit einer
Frequenz angeregt, die einer seiner Eigenfrequenz entspricht, so bildet sich in ihm eine Schwingungsmode aus, der zu dieser Eigenfrequenz passt. Es ist also möglich bei Kenntnis aller relevanten Größen gezielt sowohl die Punkte mit Knoten 40 als auch mit Bäuchen 41 vor dem eigentlich Prüfverfahren zu ermitteln, was später noch einen wichtigen Aspekt für das eigentliche Verfahren darstellt, da die Proben an den Stellen maximaler Auslenkung angeordnet werden können.
Das Einbringen der Anregung ist an jedem Punkt des Probenhalters möglich, jedoch sind Punkte, an denen sich die Schwingungsbäuche 41 befinden, effizienter, da hierbei der größte Energieübertrag auf den Probenhalter 10 gewährleistet und somit das Verfahren am effizientesten ist.
In Figur 5A ist die erste mögliche Schwingungsmode 30 (oder auch Grundschwingung) dargestellt, wobei die Wellenlänge λ der Schwingung hierbei das Doppelte der Länge L des Probenhalters 10 beträgt (Ι_=λ/2). Das (einzige) Schwingungs- maximum 41 befindet sich hierbei genau in der Mitte des Probenhalters, weshalb als Anregungsposition hierbei die Mitte am sinnvollsten ist.
Figur 5B zeigt die zweite mögliche Schwingungsmode 31 (oder auch erste
Oberschwingung). Diese Mode besitzt bereits einen weiteren Knoten 40 (in der Mitte des Probenhalters) sowie zwei Maxima 41 bei jeweils 1/4 bzw. % der
Probenhalterlänge L. Es ist daher sinnvoll, in der Nähe dieser beiden Punkte anzuregen.
Analog zeigt Figur 5C einen weitere Schwingungsmode 32 (siebte Oberschwin- gung). Das gezielte Anregen einer Resonanzfrequenz kann also über das
Anpassen der Anregungsfrequenz geschehen (also der Ultraschallfrequenz). Will oder kann man diese jedoch nicht variieren, besteht die Möglichkeit, die Länge des Probenhalters 10 (an die Frequenz des Ultraschallaktors) anzupassen, um eine bestimmte Resonanzfrequenz des Systems einzustellen. Man wählt die Probenhalterlänge also derart, dass die fixe Anregungsfrequenz genau einer Resonanzfrequenz entspricht. Figur 6 zeigt den Probenhalter 10 mit darauf angebrachten auf der Oberseite 1 1 und Unterseite 12 sowie elektronischen Komponenten 15' an beiden Seitenflächen 13 sowie eine mögliche angeregte Schwingungsmode im Probenhalter 10. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Ultraschallaktor hier nicht dargestellt. Um neben der maximalen Anregungsenergie auch die maximale Zug- bzw.
Druckbeanspruchung den aufgebrachten elektronischen Komponenten 15 zuzuführen, ist es sinnvoll, jene ebenfalls an Punkten mit Bäuchen anzubringen, was dank der festgelegten Position dieser Punkte bereits vor dem Prüfverfahren durchgeführt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Prüfen von Komponenten der Elektronik; die Vorrichtung umfasst folgendes:
einen langgestreckten Probenhalter zur Aufnahme mindestens einer zu prüfenden elektronischen Komponente;
einen Ultraschallaktor umfassend einen Ultraschalltransducer zur Erzeugung von Ultraschallwellen und ein mit diesem verbundenes mechanisches Koppelelement, das die Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung überführt und den Ultraschalltransducer mechanisch an den Probenhalter koppelt, wobei der Ultraschallaktor derart ausgebildet und mit dem Probenhalter gekoppelt ist, dass der Probenhalter zu einer Biegeschwingung angeregt wird.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , bei der der Ultraschallaktor eine resonante Longitudinalschwingung mit einer Ultraschallfrequenz ausführt, welche in den Probenhalter eingekoppelt wird, wobei der Probenhalter geometrisch so ausgestaltet und auf die Ultraschallfrequenz abgestimmt ist, dass er eine resonante Schwingung ausführt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 wobei die resonante Schwingung des Probenhalters eine von der Ultraschallfrequenz abhängige Wellenlänge aufweist und der Probenhalter eine Länge hat, die einer halben Wellenlänge oder einer Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen einer oder einer halben Wellenlänge entspricht.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , bei der die zu prüfende(n) elektronische(n) Komponente(n) auf einer Ober- und/oder einer Unterseite sowie an beiden Seitenflächen 13 des Probenhalters angeordnet ist (sind), sodass die zu prüfende(n) elektronische(n) Komponente(n) im Wesentlichen einer oszillierenden Zug-Druck Belastung ausgesetzt sind.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 4, bei der der Probenhalter mit einer Eigenfrequenz angeregt wird sodass der Probenhalter in einem zur Eigenfrequenz passenden Schwingungsmode schwingt.
6. Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Ultraschalltransducer dazu ausgebildet und derart mit dem Koppelelement verbunden ist, dass sich in diesem eine Schwingung entlang seiner Längsrichtung ausbildet.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Koppelelement eine Sonotrode ist, deren Resonanzfrequenz der Ultraschallfrequenz entspricht.
8. Verfahren zum Prüfen von elektronischen Komponenten; umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen eines langgestreckten Probenhalters mit mindestens einer darauf angebrachten zu prüfenden elektronischen Komponente,
Bereitstellen eines Ultraschallaktors, der mit dem Probenhalter über ein Kopplungselement mechanisch gekoppelt ist;
wobei die durch den Ultraschallaktor erzeugten Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung überführt werden, die durch das Kopplungselement auf den Probenhalter übertragen wird, sodass dieser zu einer Biegeschwingung angeregt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die anregende Ultraschallfrequenz einer Resonanzfrequenz des Probenhalters entspricht.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die Länge des Probenhalters derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz des Probenhalters der anregenden Ultraschallfrequenz entspricht.
1 1 . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Kopplung an einer Position maximaler Auslenkung des Probenhalters erfolgt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , bei dem die elektronischen Komponenten an Positionen maximaler Auslenkung des Probenhalters auf dem Probenhalter angebracht sind.
EP14793426.9A 2013-08-30 2014-08-29 Mechanisches prüfverfahren für komponenten der elektronik Withdrawn EP3039396A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE102013109504.6A DE102013109504B4 (de) 2013-08-30 2013-08-30 Mechanisches Prüfverfahren für Komponenten der Elektronik
PCT/AT2014/050191 WO2015027266A1 (de) 2013-08-30 2014-08-29 Mechanisches prüfverfahren für komponenten der elektronik

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EP3039396A1 true EP3039396A1 (de) 2016-07-06

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ID=51862045

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DE (1) DE102013109504B4 (de)
WO (1) WO2015027266A1 (de)

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