专利名称：一种检测互连焊点电迁移性能的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子封装技术领域，主要涉及电子封装可靠性检测的装置，特别涉及电子封装互连焊点电迁移性能的检测装置。
背景技术：
在电子产品向微型化、多功能化的方向发展的今天，IC封装密度不断增加，封装互连焊点的尺寸越来越小，焊点承受的电流密度和焊点工作温度急剧升高，导致焊点内部产生电迁移现象。电迁移现象是由于高密度电子流持续与焊点中原子进行非弹性碰撞引起的原子迁移现象。电迁移会导致互连焊点产生凸起和空洞、界面化合物的生长和溶解、晶粒粗化等缺陷，从而致使焊点结构完整性损伤和力学性能退化。电迁移现象已成为电子封装可靠性的一大挑战，是电子产品继续向前发展的一大障碍。随着欧盟颁布的“RoHS”指令以及我国信息产业部颁布的“电子信息产品污染控制管理办法”等一系列禁铅法令的生效，传统的Sn-H3钎料正在逐渐退出市场，电子产品的无铅化已成为基本的发展趋势。电子产品无铅化的发展使得电子封装互连焊点电迁移性能的研究变得更加复杂，Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu系钎料互连焊点与Sn-ZruSn-Bi系钎料互连焊点表现出完全相反(界面IMC的生长演变与加载电流方向)的电迁移特性。尤其是在现阶段各种新型电子钎料层出不穷的情况下，如何找到一种简单并且行之有效的办法检测或者评估互连焊点的电迁移性能就显得十分重要。目前互连焊点电迁移性能研究的一种常用的办法是采用倒装芯片，但是倒装芯片却有其本身不可克服的缺陷。因为倒装芯片特有的结构和几何形状，使得倒装芯片在通电过程中在焊点内部电流密度分布不均勻，存在电流拥挤效应，入口处的电流密度比平均电流密度大2-3数量级。电流密度的不均勻分布对于研究互连焊点电迁移性能而言是十分不利的。再者芯片加载高电流之后，发热量很大。由于互连焊点两端的材料不同，导热率和散热系数有很大差别，使得互连焊点两端存在温度梯度。当温度梯度达到一定的值时，还会引发热迁移效应，这就给互连焊点电迁移性能的研究带来许多干扰因素。
发明内容本实用新型的目的是为了克服目前的电子封装互连焊点电迁移性能检测与评估所遇到的困难，提供一种检测各种互连焊点的电迁移性能的装置，该装置制作简单、成本低廉、易于推广。本实用新型的目的通过以下技术方案实现—种检测互连焊点电迁移性能的装置，包括底板，用于夹持引线焊点的上、下夹板，用于压紧引线两端的压板和电源接头，所述上、下夹板和压板均固定于底板上，所述电源接头与压板电连接。优选地，所述压板为平板，材料为纯铜。优选地，所述上夹板为平板，所述下夹板带有夹持引线用的V型槽。[0010]优选地，所述上、下夹板表面均镀有绝缘层，用来防止电流分流。优选地，该装置还包括用于测量焊点温度的热电偶，所述热电偶预埋在下夹板内靠近焊点的位置。用上述装置检测互连焊点电迁移性能的方法，包括如下步骤(1)将待测引线焊点放入下夹板的V型槽，在上下夹板之间涂覆一层导热硅胶，上夹板及压板固定后，将待测引线焊点的两端接通电源；(2)通过调节夹板的尺寸和引线的总体长度与所加载电流配合达到预设的电流密度103-105A/cm2、温度75-175°C，然后开始电迁移性能测试。在低电流密度高预定温度时，由于焊点发热量不足，焊点温度较低，可将除电源外的夹持部分放入恒温试验箱中，试验箱的温度设为预定温度。若要求高电流低温时，可在上夹板上外加散热片与散热风扇配合，增加散热速率，以达到预定温度。优选地，所述电迁移性能测试是通过在线监测引线焊点两端的电压变化，得到引线焊点的电阻变化，通过记录焊点出现电阻突变所需的时间，测得互连焊点的电迁移寿命。优选地，所述电迁移性能测试是通过切片分析焊点界面IMC的生长变化，得到焊点界面IMC的生长速率，从而判断互连焊点的电迁移性能。优选地，所述待测引线焊点的制备方法为待测引线焊点采用对接形式，引线为金属漆包线，直径为0. 3-1. 0mm，其外表面有一层绝缘漆，绝缘漆在钎焊的过程中可起到阻焊的作用。钎焊前将漆包线剪裁成一定长度(30-50mm)的引线，将数十根引线捆扎在一起对引线用于钎焊的一端进行研磨。研磨后利用低倍(X100)显微镜观察，选取端面平整并且与铜引线轴线垂直的引线用于钎焊连接。取准备好的引线放在钎焊夹具的V型槽中，其中一根用压条压紧，将另一根与之对齐，利用塞尺确定好钎焊间隙后拧紧螺母压紧压条。将待测钎料置于焊缝处，加入相应的助焊剂进行钎焊连接。钎焊后的试样用砂纸和研磨膏对焊点表面进行仔细研磨，直至焊点表面与铜引线的圆周轮廓线向平齐为止。采用上述方法制备的引线焊点，其检测效果尤佳。本实用新型采用引线对接焊点为检测模型，代替倒装芯片焊点。利用该装置进行检查简单可靠、易于实现、成本低廉，不仅可以避免倒装芯片所带来的电流拥挤效应和热迁移效应，还可以通过调节引线长度来控制实验模型的总体电阻，从而达到调节焊点温度的目的。采用夹板作为散热板，一方面可以通过改变夹板尺寸来调节散热量，控制焊点温度， 从而在更大范围内接近各种互连焊点的实际工作状态；还可以通过压紧散热板来控制由于金属弓I线热变形而产生的热应力的影响。
图1检测装置总体结构示意图；图2制样夹具示意图；图3下夹板及试样装配示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此。[0024]实施例1一种检测互连焊点电迁移性能的装置，包括底板3，用于夹持引线焊点的上、下夹板11、12，用于压紧引线左端的上下压板5、6，压紧引线右端的上下压板13、14，热电偶10和电源接头4，所述上下夹板11、12和压板均固定于底板3上，所述电源接头4与压板电连接。 所述压板为平板，材料为纯铜。所述上夹板为平板，所述下夹板带有夹持引线用的V型槽。 所述上、下夹板的外表面均镀有绝缘层。所述热电偶预埋在下夹板内靠近焊点的位置，用于测量焊点温度。本实用新型分别采用直径为0. 4mm的纯铜、镍漆包线，钎料合金为Sn_3. 5Ag，制成 Cu/Sn-3. 5Ag/Cu和Ni/Sn-3. 5Ag/Ni引线对接焊点。漆包线外表面有一层绝缘漆，绝缘漆在钎焊过程中可起到阻焊的作用。钎焊前将漆包线剪裁40mm长的引线，然后将数十根引线捆扎在一起对引线钎焊端进行研磨。研磨后利用低倍(X100)显微镜观察，选取断面平整并且与铜引线轴线垂直的用于钎焊连接。如图2所示，取准备好的引线放在钎焊夹具17的V 型槽中，其中一根引线91用第一压条16压紧，将另一根引线93与之对齐，利用塞尺确定好钎焊间隙后拧紧螺母压紧第二压条18。将待测钎料92置于焊缝处，加入相应的助焊剂进行钎焊连接。钎焊后的试样用砂纸和研磨膏对焊点表面进行仔细研磨，直至焊点外表面与铜引线的圆周轮廓线向平齐为止，由此制的待测引线焊点9。将上述准备好的引线焊点9放入下夹板11的V型槽中，上下夹板之间涂覆一层导热硅胶，用上夹板12将引线焊点9压住，再将其固定在底板3上。然后刮掉引线末端的绝缘漆，分别用左侧的上下压板5、6和右侧的上下压板13、14夹住引线末端，再固定到底板3 上。通过电源接头4接入恒流源1，缓慢调节至所需电流。待温度稳定后，由预埋的热电偶 10测量焊点温度。然后调节引线总体长度与夹板尺寸，以达到加载电流密度为5. 16X IO4A/ cm2，预定温度150°C。实验过程中通过并联电压表2检测焊点电阻变化，记录电阻突变所需要的时间， 测量互连焊点的电迁移寿命。结果发现Cu/Sn-3. 5Ag/Cu和Ni/Sn-3. 5Ag/Ni互连焊点出现电阻突变所需的时间分别为49h和45h，说明在高电流密度、高温的情况下焊盘表面镀Ni并不能改善互连焊点的电迁移性能。实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于1)采用直径为0. 3mm的漆包线，钎料合金为Sn_3. 8Ag_0. 7Cu，制成Ni/ Sn-3. 8Ag-0. 7Cu/Au引线对接焊点。2)加载电流密度为lX105A/cm2，将实验装置的夹持部分(除电源、电压表外)放入恒温试验箱，温度控制在170°C。3)通过并联电压表检测焊点电阻变化，发现通电95h电阻出现突变，其电迁移寿命是相同情况下Sn-381^钎料的四倍。实施例3本实施例与实施例1的不同之处在于1)采用直径为0. 5mm的纯铜漆包线，钎料合金为Sn-58Bi，制成Cu/Sn-58Bi/Cu引线对接焊点。2)加载电流密度为2X104A/cm2，通过调节夹板尺寸和引线总体长度，可将实验温度控制在125°C。3)通过并联电压表检测焊点电阻变化，发现通电150h电阻出现突变，其电迁移寿命是相同情况下Sn-Pb钎料的三倍。实施例4本实施例与实施例1的不同之处在于 1)采用直径为0. 6mm的纯铜漆包线，钎料合金为Sn_3. OAg-O. 5Cu，制成Cu/ Sn-3. OAg-O. 5Cu/Cu引线对接焊点。2)加载电流密度为1. 78X 104A/cm2，通过调节夹板尺寸和引线总体长度，可将实验温度调控在100°C。3)分别设置加载时间为30h、60h、120h、200h，通过切片分析焊点界面IMC的生长变化，得到焊点界面IMC的生长速率为9. 2X 10_6μ m/s，其界面IMC的生长速率为相同条件下的Sn-9ai钎料的0. 6倍。说明在这样的条件下，Sn-3. OAg-O. 5Cu互连焊点的电迁移性能优于Sn-9ai互连焊点。实施例5本实施例与实施例1的不同之处在于1)采用直径为1. Omm的纯铜漆包线，钎料合金为Sn_3. OAg-O. 5Cu，制成Cu/ Sn-3. OAg-O. 5Cu/Cu引线对接焊点。2)电流密度为6. 82X 103A/cm2，通过调节夹板尺寸和引线总体长度并外加散热片和散热风扇，将实验温度控制在75°C。3)通过并联电压表检测焊点电阻变化，发现通电3547h电阻出现突变，其电迁移寿命是相同情况下Sn-58Bi钎料的两倍。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种检测互连焊点电迁移性能的装置，其特征在于，该装置包括底板，用于夹持引线焊点的上、下夹板，用于压紧引线两端的压板和电源接头，所述上、下夹板和压板均固定于底板上，所述电源接头与压板电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压板为平板，材料为纯铜。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述上夹板为平板，所述下夹板带有夹持引线用的V型槽。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上、下夹板表面均镀有绝缘层。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该装置还包括用于测量焊点温度的热电偶，所述热电偶预埋在下夹板内靠近焊点的位置。
专利摘要本实用新型涉及一种检测互连焊点电迁移性能的装置，该装置包括底板，用于夹持引线焊点的上、下夹板，用于压紧引线两端的压板和电源接头，所述上、下夹板和压板均固定于底板上，所述电源接头与压板电连接；检测方法是指将钎料合金与金属引线制成对接焊点，然后再加载电流，电流密度为103-105A/cm2，温度75-175℃，通过检测互连焊点电阻的变化或焊点界面IMC的生长变化速率，从而定性说明互连焊点的电迁移性能优越与否。本实用新型简单易行、成本低廉，不仅可以避免倒装芯片所带来的电流拥挤效应和热迁移效应，还可以通过调节引线长度来控制实验模型的总体电阻，从而达到调节焊点温度的目的。
文档编号G01R1/04GK202110195SQ201120177870
公开日2012年1月11日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者卫国强, 姚健, 石永华 申请人:华南理工大学