專利名稱：一種微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及疲勞實(shí)驗(yàn)技術(shù)，具體地說是一種對(duì)微小試樣的力、電、熱及其交互作用等疲勞性能測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)裝置。
背景技術(shù)：
隨著微電子工業(yè)中器件的小型化、便攜化，芯片的尺寸越來越小，封裝密度越來越高，互連結(jié)構(gòu)體的尺寸不斷縮小，從而引發(fā)許多可靠性問題，如電遷移行為以及由應(yīng)力梯度引起的失效等問題。
近年來，人們逐漸意識(shí)到了傳統(tǒng)SnPb焊料中鉛對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人身體健康的危害，無鉛焊料的發(fā)展日益緊迫，而無鉛焊料的選用也必然要考慮互連結(jié)構(gòu)體的可靠性。所以很有必要盡快找到一種有效評(píng)價(jià)可靠性的方法。
目前最常用的方法是對(duì)互連體進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，這種方法只是考慮了溫度變化對(duì)互連體的結(jié)構(gòu)影響，然而焊點(diǎn)在實(shí)際的服役過程中不僅僅是受到溫度載荷的，也受電流影響，熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)用途單一。
關(guān)于電流對(duì)互連結(jié)構(gòu)體影響的有效評(píng)價(jià)，通用的方法是采用直流電源，雖然評(píng)價(jià)效果準(zhǔn)確、方法簡(jiǎn)單，但也存在用途單一現(xiàn)象。
微電子互連結(jié)構(gòu)體在服役過程中由于各組成部分的熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)互連結(jié)構(gòu)(焊點(diǎn))的可靠性也有很大的影響，但該熱應(yīng)力測(cè)量起來非常不方便，所以有必要考慮對(duì)微互連結(jié)構(gòu)體進(jìn)行外力的加載，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為與熱應(yīng)力大小相當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)力，研究應(yīng)力對(duì)微互連結(jié)構(gòu)體的可靠性問題。
另外，目前電流、熱和應(yīng)力的同時(shí)作用會(huì)對(duì)焊點(diǎn)可靠性產(chǎn)生怎樣的影響被人們所忽略，而這是先進(jìn)封裝技術(shù)所必須要面對(duì)的問題。這種影響即便是對(duì)傳統(tǒng)SnPb焊料也是沒人考慮過的，更不用說對(duì)新型無鉛焊料了。難點(diǎn)在于沒有適合微小試樣(即微米級(jí)尺寸試樣)進(jìn)行力、電交互作用的疲勞實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)成設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中不能評(píng)價(jià)電流和應(yīng)力的同時(shí)作用對(duì)互連結(jié)構(gòu)可靠性產(chǎn)生的影響，本發(fā)明的目的在于提供一種能以同時(shí)考慮電流密度、應(yīng)力及溫度對(duì)微小試樣可靠性影響的疲勞測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法采用通電激磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態(tài)置于由激磁線圈構(gòu)成的磁場(chǎng)中，在對(duì)激磁線圈通電情況下，利用微小試樣周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，從而測(cè)試其疲勞性能；所述微小試樣為微米級(jí)尺寸試樣；所述試樣是非磁性材料時(shí)在其上粘附磁性材料，通過磁場(chǎng)對(duì)磁性材料產(chǎn)生的磁力進(jìn)行加載來考察微小試樣的力學(xué)性能；所述磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)；所述微小試樣可安裝在直流電源閉合回路中，在對(duì)微小試樣通入電流情況下，根據(jù)磁場(chǎng)在微小試樣上產(chǎn)生的安培力進(jìn)行加載，考察微小試樣上的力電交互作用；所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)裝置由卡尺、絕緣體、導(dǎo)電性夾頭、直流電源、激磁線圈、液態(tài)金屬、試樣、電流和時(shí)間記錄電路組成，將卡尺一端固定在底座上，卡尺的另一端與絕緣體連接，絕緣體又與夾頭可拆卸式安裝在一起，試樣通過夾頭和液態(tài)金屬與直流電源連接起來組成回路，電流和時(shí)間記錄電路串聯(lián)在該回路中；與控制電路連接的激磁線圈安裝在試樣側(cè)面；所述控制電路由接交流電源的變頻器、調(diào)壓器、變壓器、激磁線圈組成，交流電源經(jīng)過變頻器連接在調(diào)壓器的輸入端，調(diào)壓器的輸出端接變壓器，變壓器的次端接激磁線圈；所述變壓器的次端經(jīng)二極管接激磁線圈。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.可以對(duì)微小試樣施加很微小的外力。由于利用電磁力進(jìn)行加載，可以很容易地針對(duì)互連微結(jié)構(gòu)試樣施加mN數(shù)量級(jí)的外力，而目前現(xiàn)成的疲勞設(shè)備是很難實(shí)現(xiàn)的。
2.可分別對(duì)微小試樣進(jìn)行力或電和熱(該熱是由于焦耳熱引起的)的加載試驗(yàn)，也可以對(duì)微小試樣同時(shí)進(jìn)行力、電、熱的加載，使本實(shí)用新型成為目前首次實(shí)現(xiàn)這一功能的微型疲勞設(shè)備。
3.可以自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)間和試樣斷裂時(shí)間。
4.可以任意改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如頻率、所加載外力的大小和通過試樣上電流的大小。
5.試樣可為懸臂梁形式，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方便快捷。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中電路原理圖。
圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例電路原理圖。
圖4為串聯(lián)有電流和時(shí)間記錄電路的一個(gè)實(shí)施例示意圖。
圖5為本實(shí)用新型不串聯(lián)電流和時(shí)間記錄電路的一個(gè)實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1(對(duì)試樣7單獨(dú)進(jìn)行力的加載)測(cè)試方法采用通電激磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態(tài)置于由激磁線圈構(gòu)成的磁場(chǎng)中，在對(duì)激磁線圈通電情況下，利用微小試樣周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，從而測(cè)試其疲勞性能。
如圖1所示，測(cè)試裝置由卡尺1，絕緣體2(本實(shí)施例采用電木)，夾頭3(采用銅材料)，直流電源4，激磁線圈5，液態(tài)金屬6，試樣7(微米級(jí)尺寸試樣、懸臂梁形式)，磁性材料8(本實(shí)施例采用鐵片)，電流和時(shí)間記錄電路9組成，將卡尺1一端固定在底座上，卡尺1的另一端與絕緣體2可移動(dòng)式連接(如上下移動(dòng))，絕緣體2又與夾頭3可拆卸式安裝在一起，試樣7通過夾頭3和液態(tài)金屬6與直流電源4連接起來組成一閉合回路，電流和時(shí)間記錄電路9串聯(lián)在該回路中；與控制電路連接的激磁線圈5安裝在試樣7的兩側(cè)，一邊各一個(gè)。試樣7可以通過卡尺1上下移動(dòng)位置，便于操作和定位。
如圖2所示，控制電路由接交流電源的變頻器10，調(diào)壓器11，變壓器12，二極管13，激磁線圈5組成，交流電源經(jīng)過變頻器10連接在調(diào)壓器11的輸入端，調(diào)壓器11的輸出端接變壓器12，變壓器12的次端接二極管13正極，經(jīng)二極管13整流后接到激磁線圈5上，本實(shí)施例包括兩個(gè)激磁線圈5。
工作過程本實(shí)施例中交流電源通過二極管13整流，變成脈動(dòng)直流，在激磁線圈5內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)直流，即，磁力線圈5中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。通過變頻器10的調(diào)節(jié)可以改變激磁線圈5中激磁電流的頻率，調(diào)壓器11用于改變激磁線圈5中激磁電壓的大小，變壓器12用于提高激磁線圈5中激磁電壓值，并帶有中心抽頭，以給兩個(gè)激磁線圈5提供激磁電流。由兩個(gè)二極管13構(gòu)成的整流部分產(chǎn)生的電流為脈動(dòng)直流。激磁線圈5產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。
工作原理變頻器10提供一個(gè)正弦交流激磁電流，經(jīng)調(diào)壓、變壓、整流后加到激磁線圈5上，從而產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。試樣7(本實(shí)施例采用非磁性體，再在其上粘附一磁性材料8)在激磁線圈5所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)吸力，而產(chǎn)生振蕩(頻率與變頻器頻率相等)，從而考察該試樣在該狀態(tài)下的疲勞狀況。激磁線圈5中激磁電壓的大小決定了試樣7上所受到的力的大小，即激磁線圈5上的電壓大時(shí)，其中電流i也隨之增大，因而產(chǎn)生相應(yīng)大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使試樣7受力增大，從而通過改變激磁電壓值來改變受力的大小，達(dá)到考察不同應(yīng)力作用下微小試樣疲勞性能的目的。
另外，將直流電源的電流調(diào)至很小(0.1安培)，即試樣7上通很小的電流，使得該電路導(dǎo)通，從而可以記錄下實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及試樣斷裂時(shí)間。因?yàn)榇藭r(shí)試樣中的電流很小，通電試樣在周圍磁場(chǎng)中所受到的安培力比所加載的外力小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，該微小力、微小電流及其產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)疲勞性能的影響均可忽略不計(jì)。
試樣7失效斷裂后系統(tǒng)自動(dòng)記錄下實(shí)驗(yàn)時(shí)間，測(cè)試結(jié)果為試樣的截面面積為0.3×0.3mm2，激磁電壓為220V，頻率為1Hz，試樣所受的力為13.7mN，斷裂時(shí)間t＝150～200h。
所述電流和時(shí)間記錄電路9由累時(shí)器、分流器、電流表組成，累時(shí)器、分流器、電流表均為市購產(chǎn)品。
實(shí)施例2(對(duì)試樣進(jìn)行力、電同時(shí)加載)其測(cè)試方法與實(shí)施例1不同之處在于所述微小試樣可安裝在直流電源閉合回路中，在對(duì)微小試樣通入大電流(幾安培到幾十安培)情況下，根據(jù)磁場(chǎng)在微小試樣上產(chǎn)生的安培力進(jìn)行加載，考察力電交互作用對(duì)微小試樣疲勞性能的影響。
如圖3所示，其測(cè)試裝置與實(shí)施例1不同之處在于控制電路由接交流電源變頻器10，調(diào)壓器11，變壓器12，激磁線圈5組成，在連接方式上與實(shí)施例1不同之處在于變壓器12直接與激磁線圈5連接。
給試樣7通較大的電流(幾安培到幾十安培)，使微小試樣在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的力、電同時(shí)加載，試樣7失效斷裂后系統(tǒng)自動(dòng)記錄下實(shí)驗(yàn)時(shí)間。
工作原理變頻器10用于調(diào)節(jié)激磁線圈5中激磁電流的頻率，調(diào)壓器11用于改變激磁線圈5中激磁電壓的大小，變壓器12用于提高激磁線圈5中激磁電壓值，激磁線圈5中產(chǎn)生一個(gè)隨激磁電流頻率相同、大小成正比的交變磁場(chǎng)。本實(shí)施例是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到安培力的作用而設(shè)計(jì)制作的。改變激磁電流的頻率，磁場(chǎng)的方向隨該頻率發(fā)生變化，改變激磁電流的大小，則安培力的大小也隨之變化，從而可以考察通電導(dǎo)體在該安培力頻繁作用下的疲勞狀況。另外，試樣所受安培力的大小還可通過改變?cè)嚇由系闹绷麟娏鞔笮碚{(diào)節(jié)。(通電導(dǎo)體是試樣，且該試樣無磁性)。
工作時(shí)通過直流電源4給試樣7通直流電i’，可通過該電流在磁場(chǎng)中所受的安培力提供疲勞載荷的來源。激磁線圈5中激磁電壓的大小變化決定力的變化。即在該交變磁場(chǎng)中試樣7上會(huì)受到一大小及方向都隨時(shí)間變化的安培力的作用，通過力的改變使試樣7受到隨時(shí)間而反復(fù)變化的載荷，從而達(dá)到循環(huán)加載的目的。其中試樣7在通電的同時(shí)由于產(chǎn)生了焦耳熱，所以也對(duì)試樣7進(jìn)行了熱的加載。
結(jié)果試樣的截面面積為0.3×0.3mm2，激磁電壓為220V，直流電流為25A，頻率為5Hz，試樣溫度T約為100℃，此時(shí)試樣所受的力為6mN，斷裂時(shí)間t＝16h～42h。
實(shí)施例3(對(duì)試樣7單獨(dú)進(jìn)行力的加載)如圖5所示，其測(cè)試裝置與實(shí)施例1不同之處在于在試樣7通過夾頭3和液態(tài)金屬6與直流電源4連接起來組成一閉合回路中不安裝電流和時(shí)間記錄電路9；原理和結(jié)果相同。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法，其特征在于采用通電激磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態(tài)置于由激磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，在對(duì)激磁線圈通電情況下，利用微小試樣周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，從而測(cè)試其疲勞性能；所述微小試樣為微米級(jí)尺寸試樣。
2.按權(quán)利要求1所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法，其特征在于所述試樣是非磁性材料時(shí)在其上粘附磁性材料，通過磁場(chǎng)對(duì)磁性材料產(chǎn)生的磁力進(jìn)行加載來考察微小試樣的力學(xué)性能。
3.按權(quán)利要求1所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法，其特征在于所述磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)。
4.按權(quán)利要求1所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法，其特征在于所述微小試樣可安裝在直流電源閉合回路中，在對(duì)微小試樣通入電流情況下，根據(jù)磁場(chǎng)在微小試樣上產(chǎn)生的安培力進(jìn)行加載，考察微小試樣上的力電交互作用。
5.一種按權(quán)利要求1所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于由卡尺(1)、絕緣體(2)、導(dǎo)電性夾頭(3)、直流電源(4)、激磁線圈(5)、液態(tài)金屬(6)、試樣(7)、電流和時(shí)間記錄電路(9)組成，將卡尺(1)一端固定在底座上，卡尺(1)的另一端與絕緣體(2)連接，絕緣體(2)又與夾頭(3)可拆卸式安裝在一起，試樣(7)通過夾頭(3)和液態(tài)金屬(6)與直流電源(4)連接起來組成回路；與控制電路連接的激磁線圈(5)安裝在試樣(7)側(cè)面。
6.按權(quán)利要求5所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于電流和時(shí)間記錄電路(9)串聯(lián)在該回路中。
7.按權(quán)利要求5或6所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述控制電路由接交流電源的變頻器(10)、調(diào)壓器(11)、變壓器(12)、激磁線圈(5)組成，交流電源經(jīng)過變頻器(10)連接在調(diào)壓器(11)的輸入端，調(diào)壓器(11)的輸出端接變壓器(12)，變壓器(12)的次端接激磁線圈(5)。
8.按權(quán)利要求7所述對(duì)微小試樣的疲勞性能測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述變壓器(12)的次端經(jīng)二極管(13)接激磁線圈(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種疲勞測(cè)試技術(shù)，具體地說是公開一種微小試樣疲勞性能測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)裝置。采用通電激磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態(tài)置于磁場(chǎng)中，通電激磁線圈，使微小試樣附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過所述磁場(chǎng)對(duì)微小試樣進(jìn)行力的加載，從而測(cè)試疲勞性能。采用本發(fā)明，加載力的大小通過調(diào)節(jié)電壓和頻率來控制，可以小至1mN(0.1g力)，甚至更小；實(shí)驗(yàn)頻率可以任意調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，還可以在微小試樣上通直流電流，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小試樣力、電的同時(shí)加載，可以方便而有效地對(duì)微小試樣的介觀行為進(jìn)行研究，這時(shí)試樣所受的力還可通過該直流電流來調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)G01N25/00GK1963445SQ20051004766
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月9日
發(fā)明者曾秋蓮, 崔學(xué)順, 郭建軍, 閔家源, 王中光, 尚建庫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所