評價微焊點在電-熱-力耦合場作用下可靠性的實驗系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微焊點的可靠性測試與設備技術領域，特別是涉及一種在電-熱-力耦合場作用下對微焊點的力學性能、斷裂行為、承載壽命及顯微組織時效演化過程進行檢測和評價的實驗系統。
【背景技術】
[0002]電子封裝結構系統中起電氣連接、熱通道和機械支撐作用的主要由軟釬料構成的互連焊點通常被認為是系統中最薄弱的環節，焊點失效則是引發電子封裝系統失效的主要原因。焊點工作(或服役)時一般會同時承受電流、溫度(熱)和應力等多種載荷(即“電-熱-力”多場耦合作用)，多場耦合作用共同影響焊點的組織演化、力學行為和失效機制并決定焊點服役壽命。研究和應用業已表明，電-熱-力耦合場作用下塊體釬料和毫米級焊點的組織演化及力學行為變化規律與單場或兩場作用時存在較大差異。現有研究或應用中所用試樣為塊體釬料和毫米級焊點，所加電流密度均未達到1.0X104A/cm2這一可引發明顯電迀移效應的閾值。而微米級焊點的性能無法由塊體釬料和毫米級焊點所獲得的數據進行準確表征。公布號為CN103884927A，名稱為“一種力電熱多場親合下微電子產品可靠性測試方法”，公布號為CN103884928A，名稱為“力電熱多場耦合作用下微電子產品可靠性測試平臺”，以及公告號為CN202994938U，名稱為“微電子產品多場服役特性測試儀”，雖然述及適用于微電子產品在電-熱-力耦合場下可靠性測試方法和裝置，但實際上并不適用于研究單顆微焊點的服役特性及可靠性。此外，公布號為CN104198265A，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的應力與電流耦合的熱循環裝置”，公告號為CN203981480U，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的應力與電流耦合的熱循環裝置”，公布號為CN104122138A，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的磁力與電流耦合的熱循環裝置”，公告號為CN203981481U，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的磁力與電流耦合的熱循環裝置”，公布號為CN104198264A，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的應力與磁力耦合的熱循環裝置，公告號為CN203981482U，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的應力與磁力耦合的熱循環裝置”，公布號為CN104122139A，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的多場耦合熱循環裝置”，以及公告號為CN203981483U，名稱為“一種試驗無鉛焊點用的多場耦合熱循環裝置”，雖然聲稱可用于對無鉛焊點在多場耦合作用下進行熱循環試驗，但實質上是一種對毫米級焊點進行靜態時效的實驗裝置。
[0003]應用上述8種專利所述裝置，所測試的焊點尺寸為2mmX5mmX0.15mm，不滿足“微米級”焊點即各方向尺寸應小于1000 μ m的要求，故稱其為“毫米級”焊點；該裝置用砝碼提供應力加載的方式無法實現對所加力學載荷進行高精度連續調節，也難以實現對微米級焊點進行多種模式的力學加載；遠紅外加熱板也難以實現溫度的高精度調節。目前，對微焊點在電、熱、力場中任一單物理場作用或電-熱兩種物理場耦合作用下的可靠性均有較合理、有效的測試方法及實驗裝置，但對微焊點在電-熱-力耦合場下的可靠性評價尚缺乏合理、有效的測試方法及實驗系統。【實用新型內容】
[0004]本實用新型實驗系統克服了現有技術的不足，提供一種電-熱-力耦合加載方式，可實現多物理場作用下微焊點可靠性測試，對微焊點在電-熱-力耦合場下的力學性能和斷裂行為及顯微組織演化進行高精度測試和表征。
[0005]為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案:
[0006]評價微焊點在電-熱-力耦合場作用下可靠性的實驗系統，包括加載系統、控制系統和數據采集系統；加載系統包括直流電源和動態力學分析儀DMA ;控制系統主要由斷電報警器和計算機構成；數據采集系統包括霍爾傳感器、采集卡和熱電偶；
[0007]動態力學分析儀DMA包括DMA控溫加熱爐、活動夾具和固定夾具；在DMA控溫加熱爐內空腔中部設有活動夾具和固定夾具；微焊點一端裝夾在貼有絕緣板的活動夾具上，另一端裝夾在貼有絕緣板的固定夾具上，活動夾具和固定夾具的一側縱向間隔設置兩第一絕緣板；固定夾具的上端間隔設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、負極引線連接；活動夾具下端連接驅動桿，驅動桿與動態力學分析儀DMA底端的空氣軸承連接，空氣軸承與非接觸式驅動馬達連接，非接觸式驅動馬達與計算機連接；
[0008]DMA控溫加熱爐爐腔內設有熱電偶；
[0009]兩個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，其中一個霍爾傳感器連接報警器，另一個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 ；采集卡與計算機連接。
[0010]優選地，所述微焊點試樣為線性微焊點、搭接型微焊點或球柵陣列(Ball gridarray, BGA)結構微焊點。
[0011]優選地，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管。所述矽質管設置在絕緣耐高溫陶瓷管外周。
[0012]優選地，所述第一銅絲和第二銅絲微焊點的連接為軟釬焊連接。
[0013]本實用新型活動夾具可實現拉伸、剪切、蠕變、應力松弛(釋放)、疲勞和振動加載。
[0014]與現有技術相比，本實用新型的優點和顯著效果如下:
[0015]1、本實用新型可實現對微焊點進行電-熱-力耦合場加載，并且可對電、熱、力場加載值進行高精度無級可調，尤其是所加的高密度電流可在微焊點中引發明顯的電迀移效應，改變了以往技術只能測試微電子產品和毫米級焊點的情況。
[0016]2、本實用新型通過關閉直流電源開關、不啟動控溫加熱爐或不加載應力的方式，可實現電、熱、力場中任意兩場的耦合加載。
[0017]3、本實用新型可實現對線性微焊點、搭接型微焊點或球柵陣列(BGA)結構微焊點的電-熱-力耦合場加載。
[0018]4、本實用新型可實現對微焊點在電-熱-力耦合場下的拉伸、剪切、蠕變、應力松弛(釋放)、疲勞和振動實驗，以及對微焊點的顯微組織時效演化進行實驗和表征。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型一種評價微焊點在電-熱-力耦合場作用下可靠性的實驗系統示意圖。
[0020]圖2為微焊點示意圖。
[0021]圖中示出:DMA控溫加熱爐1、微焊點2、線性微焊點201、搭接型微焊點202、球柵陣列結構微焊點203、活動夾具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管10、第四絕緣板11、直流電源12、霍爾傳感器13、報警器14、采集卡15、計算機16。
【具體實施方式】
[0022]為更好地理解本實用新型實驗系統，下面結合附圖對本實用新型做進一步的說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0023]圖1所示，評價微焊點在電-熱-力耦合場作用下可靠性的實驗系統包括加載系統、控制系統和數據采集系統；加載系統由提供電場的直流電源以及提供溫度(熱)場和力場的動態力學分析儀構成；控制系統由斷電報警器和計算機構成；數據采集系統由用于采集流經微焊點的瞬態電流及微焊點兩端瞬態電壓的采集器和用于測溫的熱電偶構成。
[0024]動態力學分析儀包括DMA控溫加熱爐1、活動夾具3和固定夾具7 ;在DMA控溫加熱爐I內空腔中部設有活動夾具3和固定夾具7 ;微焊點2 —端裝夾在貼有絕緣板的活動夾具3上，另一端裝夾在貼有絕緣板的固定夾具7上，包覆絕緣板用于對活動夾具3和固定夾具7與微焊點2在通電下的絕緣隔離；活動夾具3和固定夾具7的一側縱向間隔設置兩第一絕緣板4 ;固定夾具7的上端間隔設置第二絕緣板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2的底端和頂端，優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、負極引線連接；活動夾具3下端連接驅動桿，驅動桿與動態力學分析儀DMA底端的空氣軸承連接，空氣軸承與非接觸式驅動馬達連接，非接觸式驅動馬達與計算機16連接，空氣軸承由非接觸式驅動馬達進行驅動，非接