评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及微焊点的可靠性测试与设备技术领域，特别是涉及一种在电-热-力耦合场作用下对微焊点的力学性能、断裂行为、承载寿命及显微组织时效演化过程进行检测和评价的实验系统。
【背景技术】
[0002]电子封装结构系统中起电气连接、热通道和机械支撑作用的主要由软钎料构成的互连焊点通常被认为是系统中最薄弱的环节，焊点失效则是引发电子封装系统失效的主要原因。焊点工作(或服役)时一般会同时承受电流、温度(热)和应力等多种载荷(即“电-热-力”多场耦合作用)，多场耦合作用共同影响焊点的组织演化、力学行为和失效机制并决定焊点服役寿命。研究和应用业已表明，电-热-力耦合场作用下块体钎料和毫米级焊点的组织演化及力学行为变化规律与单场或两场作用时存在较大差异。现有研究或应用中所用试样为块体钎料和毫米级焊点，所加电流密度均未达到1.0X104A/cm2这一可引发明显电迀移效应的阈值。而微米级焊点的性能无法由块体钎料和毫米级焊点所获得的数据进行准确表征。公布号为CN103884927A，名称为“一种力电热多场親合下微电子产品可靠性测试方法”，公布号为CN103884928A，名称为“力电热多场耦合作用下微电子产品可靠性测试平台”，以及公告号为CN202994938U，名称为“微电子产品多场服役特性测试仪”，虽然述及适用于微电子产品在电-热-力耦合场下可靠性测试方法和装置，但实际上并不适用于研究单颗微焊点的服役特性及可靠性。此外，公布号为CN104198265A，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与电流耦合的热循环装置”，公告号为CN203981480U，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与电流耦合的热循环装置”，公布号为CN104122138A，名称为“一种试验无铅焊点用的磁力与电流耦合的热循环装置”，公告号为CN203981481U，名称为“一种试验无铅焊点用的磁力与电流耦合的热循环装置”，公布号为CN104198264A，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与磁力耦合的热循环装置，公告号为CN203981482U，名称为“一种试验无铅焊点用的应力与磁力耦合的热循环装置”，公布号为CN104122139A，名称为“一种试验无铅焊点用的多场耦合热循环装置”，以及公告号为CN203981483U，名称为“一种试验无铅焊点用的多场耦合热循环装置”，虽然声称可用于对无铅焊点在多场耦合作用下进行热循环试验，但实质上是一种对毫米级焊点进行静态时效的实验装置。
[0003]应用上述8种专利所述装置，所测试的焊点尺寸为2mmX5mmX0.15mm，不满足“微米级”焊点即各方向尺寸应小于1000 μ m的要求，故称其为“毫米级”焊点；该装置用砝码提供应力加载的方式无法实现对所加力学载荷进行高精度连续调节，也难以实现对微米级焊点进行多种模式的力学加载；远红外加热板也难以实现温度的高精度调节。目前，对微焊点在电、热、力场中任一单物理场作用或电-热两种物理场耦合作用下的可靠性均有较合理、有效的测试方法及实验装置，但对微焊点在电-热-力耦合场下的可靠性评价尚缺乏合理、有效的测试方法及实验系统。【实用新型内容】
[0004]本实用新型实验系统克服了现有技术的不足，提供一种电-热-力耦合加载方式，可实现多物理场作用下微焊点可靠性测试，对微焊点在电-热-力耦合场下的力学性能和断裂行为及显微组织演化进行高精度测试和表征。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0006]评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统，包括加载系统、控制系统和数据采集系统；加载系统包括直流电源和动态力学分析仪DMA ;控制系统主要由断电报警器和计算机构成；数据采集系统包括霍尔传感器、采集卡和热电偶；
[0007]动态力学分析仪DMA包括DMA控温加热炉、活动夹具和固定夹具；在DMA控温加热炉内空腔中部设有活动夹具和固定夹具；微焊点一端装夹在贴有绝缘板的活动夹具上，另一端装夹在贴有绝缘板的固定夹具上，活动夹具和固定夹具的一侧纵向间隔设置两第一绝缘板；固定夹具的上端间隔设置第二绝缘板和第三绝缘板；第一铜丝和第二铜丝分别连接到微焊点的底端和顶端，第一铜丝弯折后向上通过两第一绝缘板的间隔之间，再经第二绝缘板和第三绝缘板之间并从第三绝缘板中部小孔穿出；顶端外接铜丝依次穿过第二绝缘板和第三绝缘板；第一铜丝和第二铜丝经牵引一起穿过DMA控温加热炉的炉盖顶部的通气孔分别与直流电源的正、负极引线连接；活动夹具下端连接驱动杆，驱动杆与动态力学分析仪DMA底端的空气轴承连接，空气轴承与非接触式驱动马达连接，非接触式驱动马达与计算机连接；
[0008]DMA控温加热炉炉腔内设有热电偶；
[0009]两个霍尔传感器串接在第一铜丝或第二铜丝连接直流电源的通电回路电源线上，其中一个霍尔传感器连接报警器，另一个霍尔传感器连接采集卡的电流采集端口，第一铜丝和第二铜丝分别连接采集卡的电压采集端口 ；采集卡与计算机连接。
[0010]优选地，所述微焊点试样为线性微焊点、搭接型微焊点或球栅阵列(Ball gridarray, BGA)结构微焊点。
[0011]优选地，在第二绝缘板和第三绝缘板之间的第二铜丝的外周套封绝缘耐高温陶瓷管和矽质管。所述矽质管设置在绝缘耐高温陶瓷管外周。
[0012]优选地，所述第一铜丝和第二铜丝微焊点的连接为软钎焊连接。
[0013]本实用新型活动夹具可实现拉伸、剪切、蠕变、应力松弛(释放)、疲劳和振动加载。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的优点和显著效果如下:
[0015]1、本实用新型可实现对微焊点进行电-热-力耦合场加载，并且可对电、热、力场加载值进行高精度无级可调，尤其是所加的高密度电流可在微焊点中引发明显的电迀移效应，改变了以往技术只能测试微电子产品和毫米级焊点的情况。
[0016]2、本实用新型通过关闭直流电源开关、不启动控温加热炉或不加载应力的方式，可实现电、热、力场中任意两场的耦合加载。
[0017]3、本实用新型可实现对线性微焊点、搭接型微焊点或球栅阵列(BGA)结构微焊点的电-热-力耦合场加载。
[0018]4、本实用新型可实现对微焊点在电-热-力耦合场下的拉伸、剪切、蠕变、应力松弛(释放)、疲劳和振动实验，以及对微焊点的显微组织时效演化进行实验和表征。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型一种评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统示意图。
[0020]图2为微焊点示意图。
[0021]图中示出:DMA控温加热炉1、微焊点2、线性微焊点201、搭接型微焊点202、球栅阵列结构微焊点203、活动夹具3、第一绝缘板4、第一铜丝5、第二铜丝6、固定夹具7、第二绝缘板8、第三绝缘板9、绝缘耐高温陶瓷管和矽质管10、第四绝缘板11、直流电源12、霍尔传感器13、报警器14、采集卡15、计算机16。
【具体实施方式】
[0022]为更好地理解本实用新型实验系统，下面结合附图对本实用新型做进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0023]图1所示，评价微焊点在电-热-力耦合场作用下可靠性的实验系统包括加载系统、控制系统和数据采集系统；加载系统由提供电场的直流电源以及提供温度(热)场和力场的动态力学分析仪构成；控制系统由断电报警器和计算机构成；数据采集系统由用于采集流经微焊点的瞬态电流及微焊点两端瞬态电压的采集器和用于测温的热电偶构成。
[0024]动态力学分析仪包括DMA控温加热炉1、活动夹具3和固定夹具7 ;在DMA控温加热炉I内空腔中部设有活动夹具3和固定夹具7 ;微焊点2 —端装夹在贴有绝缘板的活动夹具3上，另一端装夹在贴有绝缘板的固定夹具7上，包覆绝缘板用于对活动夹具3和固定夹具7与微焊点2在通电下的绝缘隔离；活动夹具3和固定夹具7的一侧纵向间隔设置两第一绝缘板4 ;固定夹具7的上端间隔设置第二绝缘板8和第三绝缘板9 ;第一铜丝5和第二铜丝6分别连接到微焊点2的底端和顶端，优选用软钎焊方法将第一铜丝5和第二铜丝6分别连接到微焊点2的底端和顶端；第一铜丝5弯折后向上通过两第一绝缘板4的间隔之间，再经第二绝缘板8和第三绝缘板9之间并从第三绝缘板9中部小孔穿出；顶端外接铜丝6依次穿过第二绝缘板8和第三绝缘板9 ;第一铜丝5和第二铜丝6经牵引一起穿过DMA控温加热炉I的炉盖顶部的通气孔分别与直流电源12的正、负极引线连接；活动夹具3下端连接驱动杆，驱动杆与动态力学分析仪DMA底端的空气轴承连接，空气轴承与非接触式驱动马达连接，非接触式驱动马达与计算机16连接，空气轴承由非接触式驱动马达进行驱动，非接