一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置

摘要

一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置，属于材料的力学性能测试领域。测试装置的装置主体包括环境箱、样品台、定位机构和加载机构，样品台的上半部设置在环境箱中，加载机构的载荷杆依次穿过支撑台面、样品台、试样和上压板，并与支撑盘固定连接，在载荷杆的下部设有砝码托盘。在试验时，由环境箱对试样提供实验温度，由加载机构对试样施加压应力载荷，用光学位移计机构或LVDT位移计机构记录测试中试样的位移变化量。该装置使试样定位精确、加载均匀，可提高实验的准确性。通过调整环境箱温度和加载砝码数量来模拟不同温度和压力载荷条件下微电子封装焊点的工作条件，得到相应工作条件下的蠕变数据，特别适合于生产中实际微电子产品测试的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置，属于材料的力学性能测试领域。

背景技术

金属材料在熔点绝对温度的0.5倍以上且受载荷作用下会发生蠕变，评价金属材料的高温力学性能必须考虑蠕变变形对材料力学性能的影响，尤其在微电子封装领域，蠕变对于焊点力学性能和可靠性的影响至关重要。因为微电子封装中常用软钎料的熔点一般低于230℃，即使室温也已超过钎料合金熔点绝对温度的0.5倍，例如，共晶合金Sn-3.0Ag-0.5Cu的熔点为217℃，室温对应于熔点绝对温度的0.608倍，因此，评价微电子封装焊点的力学性能就必须考虑焊点的蠕变性能。

随着电子产品向小型化、轻型化、多功能化、高密度的方向发展，球栅阵列（BGA）封装形式得到了广泛应用和发展。BGA封装在提高了焊点可靠性、组装成品率和器件高频性能的同时，还提高了单位面积I/O引脚的数目，进而提高了器件的集成度。由于上述特点和优势，BGA封装技术广泛应用在微电子工业中。

BGA封装结构中焊点不仅起到了芯片与基板间电互连的作用，也承担着散热、机械连接与支撑的作用，因此BGA焊点的力学性能对于封装器件的可靠性具有十分重要的意义。现在常用的电子封装焊点与芯片和印刷电路板PCB之间的热膨胀系数存在差异，BGA封装器件在服役过程中会经历热循环和功率循环，从而导致焊点内部产生循环热应力。焊点在循环热应力的作用下就会发生蠕变。可见焊点的蠕变伴随着BGA封装的整个服役过程，因此焊点的抗蠕变性能对BGA封装器件的可靠性至关重要。

由于环保与人类健康的原因，世界各国有关无铅化立法（欧洲的RoHS指令，我国的《电子信息产品污染控制管理办法》等）强制要求禁止使用含铅钎料，因此无铅钎料成为电子封装钎料的新趋势。目前，无铅钎料合金蠕变的研究数据最主要集中在拉伸蠕变以及少量的剪切蠕变，蠕变数据很不完善，甚至互相矛盾。BGA无铅焊点压缩蠕变性能的测试数据对于完善无铅钎料蠕变性能数据和综合评价无铅钎料的抗蠕变性能具有重要意义。就蠕变试验的试样而言，蠕变变形研究既包括无铅钎料合金体材料，也包括钎焊焊点。特别指出：BGA封装结构的几何特殊性使其在服役过程中容易在位于边缘的焊点内产生应力集中，且服役过程中焊点的应力状态和体钎料蠕变试验中的应力状态也存在很大差别，蠕变测试结果没有直接可比性，使得相关蠕变研究中得到的代表蠕变机制的特征值：蠕变激活能和应力指数并不一致，分散性较大。因此，对BGA封装整体的蠕变性能进行测试和评价比仅仅评价体钎料或单个焊点（接头）的蠕变性能更具有实际的意义。

发明内容

本发明主要针对微电子行业对微电子封装焊点压缩蠕变性能测试的要求，提供了一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置，本发明适用于蠕变应力较小、试样尺寸较小、测试温度较低的场合，可以实现在一定温度和压应力条件下对微小尺寸电子封装焊点（例如BGA封装焊点）进行蠕变性能的测试，并通过计算机系统得到焊点的蠕变性能数据。

本发明采用的技术方案如下：一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置，由装置主体和外围设备构成，所述装置主体包括环境箱、样品台和加载机构，所述样品台的上半部设置在环境箱中，样品台的下部与支撑台面固定连接，样品台的上平面放置试样，并用上压板压住试样，在上压板的周边设有均布的与固定在样品台上部的定位销相配合的导向孔；所述加载机构采用载荷杆依次穿过支撑台面、样品台、试样和上压板与支撑盘固定连接，在载荷杆的下部设有砝码托盘；所述外围设备包括光学位移计机构或LVDT位移计机构、稳压电源、温度控制仪及计算机，在试验时，由环境箱对试样提供实验温度，由加载机构对试样施加压应力载荷，用光学位移计机构或LVDT位移计机构记录整个测试过程中试样的位移变化量。

所述光学位移计机构采用反射镜固定于砝码托盘底面，由半导体激光器发出的激光经过偏振棱镜分成两束，一束透过偏振棱镜经过1/4玻片照射在反射镜上，经过反射镜反射再次通过1/4玻片到达偏振棱镜，另一束光在偏振棱镜处发生反射，经过1/4玻片到达参考镜，在镜面处反射，再次经过1/4玻片到达偏振棱镜，由反射镜和参考镜反射的光分别两次往返1/4玻片，使各自方向偏转90^o，再通过检偏镜两束光发生干涉，干涉条纹由光电接收器接收并输入计算机，当反射镜发生1/4波长位移时，由光电接收器接收到的干涉条纹数目发生变化来测定蠕变试验中试样的位移变化量。

所述LVDT位移计机构采用位移计支杆的一端与上压板固定连接，另一端连接位移计，支杆的一端与样品台固定连接，另一端连接位移计，位移计通过测量位移计支杆与支杆之间的垂直距离的变化来测定蠕变实验过程中的试样位移变化量。

采用上述的技术方案，样品台的上半部设置在环境箱中，环境箱内部配有热电偶，其特点为加热速度快，无明火，环境封闭，温度均匀、恒定。环境箱与温度控制仪相连，由温度控制仪控制环境箱进行加热，通过热电偶将试样的实际温度反馈给温度控制仪，通过温度控制仪将试样温度稳定在设定的温度范围内，从而实现在一定温度下对微电子封装焊点试样的蠕变性能进行测定。

本发明的有益效果是：这种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置与现有技术相比具有如下特点：

1.针对微电子封装焊点的结构特征，本装置可以测试微电子封装焊点（例如BGA封装焊点等）的微小蠕变变形，特别适合于生产中实际微电子产品测试的需要。

2.采用光学系统进行位移测量，提高了蠕变变形的测量精度。

3.在定位销的作用下，加载机构在试样正上方做垂直运动，使压应力均匀地施加在试样上，可有效避免偏压，提高了实验的准确性。

4.施加的压应力由加载杆引出到环境箱外部，由砝码的重力加载。加载机构的重心始终在试样的几何中心轴线上，实现了单轴加载，有效避免了通过上面砝码加载方式可能出现的压应力分布不均，以及重心偏离试样的几何中心轴线从而产生的偏压现象；同时，砝码置于环境箱外部，有效避免了实验环境气流扰动的影响，提高了实验精度。

5.可以通过调整环境箱温度和加载砝码数量来模拟不同温度和压力载荷条件下微电子封装焊点的工作条件，得到不同工作条件下的蠕变数据。

附图说明

图1是一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置工作原理图。

图2是采用光学位移计机构测定压缩蠕变性能的测试装置示意图。

图3是采用LVDT位移计机构测定压缩蠕变性能的测试装置示意图。

图中：1、环境箱，2、上压板，3、定位销，4、试样，5、样品台，6、支撑台面，7、载荷杆，7a、支撑盘，8、砝码，9、砝码托盘，10、反射镜，11、半导体激光器，12、偏振棱镜，13、1/4玻片，14、参考镜，15、检偏镜，16、放大镜，17、光电接收器，18、位移计支杆，19、位移计，20、支杆。

具体实施方式

图1示出了一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置工作原理图。结合图2、3，测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置由装置主体和外围设备构成，装置主体包括环境箱1、样品台5和加载机构，样品台5的上半部设置在环境箱1中，样品台5的下部与支撑台面6固定连接，样品台5的上平面放置试样4，并用上压板2压住试样4，在上压板2的周边设有均布的与固定在样品台5上部的定位销3相配合的导向孔。加载机构采用载荷杆7依次穿过支撑台面6、样品台5、试样4和上压板2，并与支撑盘7a固定连接，在载荷杆7的下部设有砝码托盘9。外围设备包括光学位移计机构或LVDT位移计机构、稳压电源、温度控制仪及计算机，在试验时，由环境箱1对试样4提供实验温度，由加载机构对试样4施加压应力载荷，用光学位移计机构或LVDT位移计机构记录整个测试过程中试样4的位移变化量。

环境箱1罩于上压板2和样品台5外，为实验装置提供环境条件，控制试验温度。上压板2与样品台5之间通过4个定位销3控制两平面之间的间距与平行度，试样4放置于上压板2与样品台5之间，试样4由芯片、焊球、PCB板三部分组成，芯片和PCB板之间由焊球连接并分别紧贴上压板2和样品台5放置。载荷杆7一端连接支撑盘7a，穿过上压板2、试样4、样品台5和支撑台面6的同轴孔，另一端与砝码8连接，通过调整砝码8的质量来调整加载载荷，载荷通过载荷杆7带动上压板2加载于试样4上，目的是在一定的温度和压应力条件下，使得BGA封装整体产生蠕变变形。样品台5水平放置于支撑台面6上，使压力载荷方向不发生偏移。

图2示出了采用光学位移计机构测定压缩蠕变性能的测试装置示意图。光学位移计机构包括反射镜10，半导体激光器11，偏振棱镜12，1/4玻片13，参考镜14，检偏镜15，放大镜16，光电接收器17和计算机。反射镜10固定于砝码托盘9底面，与半导体激光器11，偏振棱镜12，1/4玻片13，参考镜14，检偏镜15，放大镜16，光电接收器17共同组成迈克尔逊干涉光路，由半导体激光器11发出的激光经过偏振棱镜12分成两束，一束透过偏振棱镜12，经过1/4玻片13，照射在反射镜10上，经过反射镜10反射再次通过1/4玻片13，到达偏振棱镜12，另一束光在偏振棱镜12处发生反射，经过1/4玻片13，到达参考镜14，在镜面处反射，再次经过1/4玻片13到达偏振棱镜12，由反射镜10和参考镜14反射的光分别两次往返1/4玻片13，使各自方向偏转90^o，消除了杂散光的影响，再通过检偏镜15两束光发生干涉，干涉条纹由光电接收器17接收并输入计算机。当反射镜10发生1/4波长位移时，光电接收器17接收到的干涉条纹数目发生变化，因此可以精确测定蠕变试验中试样的位移变化。

在测试时，首先将试样4放置在上压板2与样品台5之间，确保上压板2与样品台5之间保持水平，载荷杆7上端压紧上压板2，在载荷杆7下端放置砝码，砝码质量由实验条件确定，试样4安装好后，打开半导体激光器11，使其发射的激光照射在反光镜10上，调整光路，使光电接收器17处能够接收到干涉信号，最后将环境箱1闭合，设置实验温度，开始实验。实验过程中，每5分钟记录一次数据。

图3示出了采用LVDT位移计机构测定压缩蠕变性能的测试装置示意图。LVDT位移计机构包括位移计支杆18，位移计19和支杆20。位移计支杆18一端与上压板2相连，另一端连接位移计19，支杆20一端与样品台5相连，另一端连接位移计19，位移计19通过测量位移计支杆18与支杆20之间的垂直距离的变化来测试蠕变实验过程中的位移变化，并把数据传输到计算机中，通过计算机得出数据。

在测试时，首先将试样4放置在上压板2与样品台5之间，确保上压板2与样品台5之间保持水平，载荷杆7上端压紧上压板2，在载荷杆7下端放置砝码，砝码质量由实验条件确定，试样安装好后，调整位移计支杆18与支杆20位置使其与位移计19良好接触，最后将环境箱1闭合，设置实验温度，开始实验。实验过程中，每5分钟记录一次数据。