評(píng)價(jià)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)作用下可靠性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及微焊點(diǎn)的可靠性測(cè)試與設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種在電-熱-力耦合場(chǎng)作用下對(duì)微焊點(diǎn)的力學(xué)性能、斷裂行為、承載壽命及顯微組織時(shí)效演化過程進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電子封裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中起電氣連接、熱通道和機(jī)械支撐作用的主要由軟釬料構(gòu)成的互連焊點(diǎn)通常被認(rèn)為是系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，焊點(diǎn)失效則是引發(fā)電子封裝系統(tǒng)失效的主要原因。焊點(diǎn)工作(或服役)時(shí)一般會(huì)同時(shí)承受電流、溫度(熱)和應(yīng)力等多種載荷(即“電-熱-力”多場(chǎng)耦合作用)，多場(chǎng)耦合作用共同影響焊點(diǎn)的組織演化、力學(xué)行為和失效機(jī)制并決定焊點(diǎn)服役壽命。研究和應(yīng)用業(yè)已表明，電-熱-力耦合場(chǎng)作用下塊體釬料和毫米級(jí)焊點(diǎn)的組織演化及力學(xué)行為變化規(guī)律與單場(chǎng)或兩場(chǎng)作用時(shí)存在較大差異。現(xiàn)有研究或應(yīng)用中所用試樣為塊體釬料和毫米級(jí)焊點(diǎn)，所加電流密度均未達(dá)到1.0X104A/cm2這一可引發(fā)明顯電迀移效應(yīng)的閾值。而微米級(jí)焊點(diǎn)的性能無法由塊體釬料和毫米級(jí)焊點(diǎn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確表征。公布號(hào)為CN103884927A，名稱為“一種力電熱多場(chǎng)親合下微電子產(chǎn)品可靠性測(cè)試方法”，公布號(hào)為CN103884928A，名稱為“力電熱多場(chǎng)耦合作用下微電子產(chǎn)品可靠性測(cè)試平臺(tái)”，以及公告號(hào)為CN202994938U，名稱為“微電子產(chǎn)品多場(chǎng)服役特性測(cè)試儀”，雖然述及適用于微電子產(chǎn)品在電-熱-力耦合場(chǎng)下可靠性測(cè)試方法和裝置，但實(shí)際上并不適用于研究單顆微焊點(diǎn)的服役特性及可靠性。此外，公布號(hào)為CN104198265A，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的應(yīng)力與電流耦合的熱循環(huán)裝置”，公告號(hào)為CN203981480U，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的應(yīng)力與電流耦合的熱循環(huán)裝置”，公布號(hào)為CN104122138A，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的磁力與電流耦合的熱循環(huán)裝置”，公告號(hào)為CN203981481U，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的磁力與電流耦合的熱循環(huán)裝置”，公布號(hào)為CN104198264A，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的應(yīng)力與磁力耦合的熱循環(huán)裝置，公告號(hào)為CN203981482U，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的應(yīng)力與磁力耦合的熱循環(huán)裝置”，公布號(hào)為CN104122139A，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的多場(chǎng)耦合熱循環(huán)裝置”，以及公告號(hào)為CN203981483U，名稱為“一種試驗(yàn)無鉛焊點(diǎn)用的多場(chǎng)耦合熱循環(huán)裝置”，雖然聲稱可用于對(duì)無鉛焊點(diǎn)在多場(chǎng)耦合作用下進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，但實(shí)質(zhì)上是一種對(duì)毫米級(jí)焊點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)時(shí)效的實(shí)驗(yàn)裝置。
[0003]應(yīng)用上述8種專利所述裝置，所測(cè)試的焊點(diǎn)尺寸為2mmX5mmX0.15mm，不滿足“微米級(jí)”焊點(diǎn)即各方向尺寸應(yīng)小于1000 μ m的要求，故稱其為“毫米級(jí)”焊點(diǎn)；該裝置用砝碼提供應(yīng)力加載的方式無法實(shí)現(xiàn)對(duì)所加力學(xué)載荷進(jìn)行高精度連續(xù)調(diào)節(jié)，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微米級(jí)焊點(diǎn)進(jìn)行多種模式的力學(xué)加載；遠(yuǎn)紅外加熱板也難以實(shí)現(xiàn)溫度的高精度調(diào)節(jié)。目前，對(duì)微焊點(diǎn)在電、熱、力場(chǎng)中任一單物理場(chǎng)作用或電-熱兩種物理場(chǎng)耦合作用下的可靠性均有較合理、有效的測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)裝置，但對(duì)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)下的可靠性評(píng)價(jià)尚缺乏合理、有效的測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電-熱-力耦合加載方式，可實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)作用下微焊點(diǎn)可靠性測(cè)試，對(duì)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)下的力學(xué)性能和斷裂行為及顯微組織演化進(jìn)行高精度測(cè)試和表征。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:
[0006]評(píng)價(jià)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)作用下可靠性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；加載系統(tǒng)包括直流電源和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA ;控制系統(tǒng)主要由斷電報(bào)警器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括霍爾傳感器、采集卡和熱電偶；
[0007]動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA包括DMA控溫加熱爐、活動(dòng)夾具和固定夾具；在DMA控溫加熱爐內(nèi)空腔中部設(shè)有活動(dòng)夾具和固定夾具；微焊點(diǎn)一端裝夾在貼有絕緣板的活動(dòng)夾具上，另一端裝夾在貼有絕緣板的固定夾具上，活動(dòng)夾具和固定夾具的一側(cè)縱向間隔設(shè)置兩第一絕緣板；固定夾具的上端間隔設(shè)置第二絕緣板和第三絕緣板；第一銅絲和第二銅絲分別連接到微焊點(diǎn)的底端和頂端，第一銅絲彎折后向上通過兩第一絕緣板的間隔之間，再經(jīng)第二絕緣板和第三絕緣板之間并從第三絕緣板中部小孔穿出；頂端外接銅絲依次穿過第二絕緣板和第三絕緣板；第一銅絲和第二銅絲經(jīng)牽引一起穿過DMA控溫加熱爐的爐蓋頂部的通氣孔分別與直流電源的正、負(fù)極引線連接；活動(dòng)夾具下端連接驅(qū)動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)桿與動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA底端的空氣軸承連接，空氣軸承與非接觸式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)連接，非接觸式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與計(jì)算機(jī)連接；
[0008]DMA控溫加熱爐爐腔內(nèi)設(shè)有熱電偶；
[0009]兩個(gè)霍爾傳感器串接在第一銅絲或第二銅絲連接直流電源的通電回路電源線上，其中一個(gè)霍爾傳感器連接報(bào)警器，另一個(gè)霍爾傳感器連接采集卡的電流采集端口，第一銅絲和第二銅絲分別連接采集卡的電壓采集端口 ；采集卡與計(jì)算機(jī)連接。
[0010]優(yōu)選地，所述微焊點(diǎn)試樣為線性微焊點(diǎn)、搭接型微焊點(diǎn)或球柵陣列(Ball gridarray, BGA)結(jié)構(gòu)微焊點(diǎn)。
[0011]優(yōu)選地，在第二絕緣板和第三絕緣板之間的第二銅絲的外周套封絕緣耐高溫陶瓷管和矽質(zhì)管。所述矽質(zhì)管設(shè)置在絕緣耐高溫陶瓷管外周。
[0012]優(yōu)選地，所述第一銅絲和第二銅絲微焊點(diǎn)的連接為軟釬焊連接。
[0013]本實(shí)用新型活動(dòng)夾具可實(shí)現(xiàn)拉伸、剪切、蠕變、應(yīng)力松弛(釋放)、疲勞和振動(dòng)加載。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和顯著效果如下:
[0015]1、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)微焊點(diǎn)進(jìn)行電-熱-力耦合場(chǎng)加載，并且可對(duì)電、熱、力場(chǎng)加載值進(jìn)行高精度無級(jí)可調(diào)，尤其是所加的高密度電流可在微焊點(diǎn)中引發(fā)明顯的電迀移效應(yīng)，改變了以往技術(shù)只能測(cè)試微電子產(chǎn)品和毫米級(jí)焊點(diǎn)的情況。
[0016]2、本實(shí)用新型通過關(guān)閉直流電源開關(guān)、不啟動(dòng)控溫加熱爐或不加載應(yīng)力的方式，可實(shí)現(xiàn)電、熱、力場(chǎng)中任意兩場(chǎng)的耦合加載。
[0017]3、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)線性微焊點(diǎn)、搭接型微焊點(diǎn)或球柵陣列(BGA)結(jié)構(gòu)微焊點(diǎn)的電-熱-力耦合場(chǎng)加載。
[0018]4、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對(duì)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)下的拉伸、剪切、蠕變、應(yīng)力松弛(釋放)、疲勞和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)微焊點(diǎn)的顯微組織時(shí)效演化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和表征。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型一種評(píng)價(jià)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)作用下可靠性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。
[0020]圖2為微焊點(diǎn)示意圖。
[0021]圖中示出:DMA控溫加熱爐1、微焊點(diǎn)2、線性微焊點(diǎn)201、搭接型微焊點(diǎn)202、球柵陣列結(jié)構(gòu)微焊點(diǎn)203、活動(dòng)夾具3、第一絕緣板4、第一銅絲5、第二銅絲6、固定夾具7、第二絕緣板8、第三絕緣板9、絕緣耐高溫陶瓷管和矽質(zhì)管10、第四絕緣板11、直流電源12、霍爾傳感器13、報(bào)警器14、采集卡15、計(jì)算機(jī)16。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為更好地理解本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0023]圖1所示，評(píng)價(jià)微焊點(diǎn)在電-熱-力耦合場(chǎng)作用下可靠性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；加載系統(tǒng)由提供電場(chǎng)的直流電源以及提供溫度(熱)場(chǎng)和力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀構(gòu)成；控制系統(tǒng)由斷電報(bào)警器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由用于采集流經(jīng)微焊點(diǎn)的瞬態(tài)電流及微焊點(diǎn)兩端瞬態(tài)電壓的采集器和用于測(cè)溫的熱電偶構(gòu)成。
[0024]動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀包括DMA控溫加熱爐1、活動(dòng)夾具3和固定夾具7 ;在DMA控溫加熱爐I內(nèi)空腔中部設(shè)有活動(dòng)夾具3和固定夾具7 ;微焊點(diǎn)2 —端裝夾在貼有絕緣板的活動(dòng)夾具3上，另一端裝夾在貼有絕緣板的固定夾具7上，包覆絕緣板用于對(duì)活動(dòng)夾具3和固定夾具7與微焊點(diǎn)2在通電下的絕緣隔離；活動(dòng)夾具3和固定夾具7的一側(cè)縱向間隔設(shè)置兩第一絕緣板4 ;固定夾具7的上端間隔設(shè)置第二絕緣板8和第三絕緣板9 ;第一銅絲5和第二銅絲6分別連接到微焊點(diǎn)2的底端和頂端，優(yōu)選用軟釬焊方法將第一銅絲5和第二銅絲6分別連接到微焊點(diǎn)2的底端和頂端；第一銅絲5彎折后向上通過兩第一絕緣板4的間隔之間，再經(jīng)第二絕緣板8和第三絕緣板9之間并從第三絕緣板9中部小孔穿出；頂端外接銅絲6依次穿過第二絕緣板8和第三絕緣板9 ;第一銅絲5和第二銅絲6經(jīng)牽引一起穿過DMA控溫加熱爐I的爐蓋頂部的通氣孔分別與直流電源12的正、負(fù)極引線連接；活動(dòng)夾具3下端連接驅(qū)動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)桿與動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA底端的空氣軸承連接，空氣軸承與非接觸式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)連接，非接觸式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與計(jì)算機(jī)16連接，空氣軸承由非接觸式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，非接