一种检测互连焊点热迁移性能的装置的制造方法
专利名称:一种检测互连焊点热迁移性能的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种检测互连焊点热迁移性能的装置，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板、下导热板和加热板，即所述冷却机构设置在上导热板的上部，所述下导热板设置在加热板的上部；上导热板与下导热板之间的空间用于放置试样。通过调节加热板的温度控制装置，获得加热板所需的温度；通过调节散热风扇的转速调节装置，以调节风扇的风量大小，通过风量大小来改变试样冷热端所需的温度，根据焊点高度得到需要的温度梯度；本装置及其测试方法具有安全可靠性好，结构简单易操作、成本低廉、易于推广等优点；不仅可以有效的避免来自电迁移的干扰，而且可以通过控制冷热端的温度差来有效的控制温度梯度。
【专利说明】
一种检测互连焊点热迁移性能的装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及电子封装领域，尤其涉及一种检测互连焊点热迀移性能的装置。
【背景技术】
[0002]随着电子产品向小型化、多功能化方向发展，电子封装互连焊点的特征尺寸越来越小，导致互连焊点经受的电流密度和焊点两端的温度梯度都急剧增加，从而引发焊点中的电迀移和热迀移效应，造成焊点组织退化及结构完整性损伤，大大降低了焊点可靠性。
[0003]长期以来，人们在研究电迀移时一直忽视热迀移的影响，这可能是早期的研究一直认为热迀移引起的原子迀移率要比电迀移小许多。但近期的最新研究表明，随着互连焊点特征尺寸的不断减小，温度梯度越来越大，当温度梯度足够大时，热迀移引起的原子迀移效应要大于电迀移引起的原子迀移效应。虽然对电迀移的研究已经取得较大进展，但由于热电耦合导致实验设计的困难，对热迀移的研究尚处于起步阶段。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、安全可靠性好、简单易操作的检测互连焊点热迀移性能的装置，可有效的避免来自电迀移带来的热迀移的影响。
[0005]本实用新型通过下述技术方案实现:
[0006]—种检测互连焊点热迀移性能的装置，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板4、下导热板6和加热板7，即所述冷却机构设置在上导热板4的上部，所述下导热板6设置在加热板7的上部;所述上导热板4与下导热板6之间的空间用于放置试样5。
[0007]在上导热板4和下导热板6的对应面上，分别对称开设有用于埋设热电偶探头的沟槽8、9;当试样5放在上导热板4与下导热板6之间时，该热电偶探头能与该试样5接触;所述热电偶探头通过传输线连接外部测温装置。
[0008]所述冷却机构包括散热片2、设置在散热片2上部的散热风扇1、设置在散热片2下部的半导体制冷片3;所述半导体制冷片3与上导热板4连接。
[0009]所述用于埋设热电偶探头的沟槽8、9的长度，是上导热板4或下导热板6长度的二分之一。
[0010]所述加热板7为电加热板，其设有温度控制装置。
[0011]所述散热风扇I设有转速调节装置。
[0012]—种检测互连焊点热迀移性能方法，具体包括如下步骤:
[0013](I)将热电偶探头分别放入上导热板4和下导热板6的沟槽8、9内，并将热电偶探头的传输线连接测温装置;分别在上导热板4和下导热板6相对应的两个表面上涂覆一层导热硅脂，将试样5放在上导热板4与下导热板6之间；接通加热板7和散热风扇I的电源；
[0014](2)通过调节加热板7的温度控制装置，获得加热板7所需的温度;通过调节散热风扇I的转速调节装置，以调节风扇的风量大小，通过风量大小来改变试样5冷热端所需的温度，根据焊点高度得到需要的温度梯度；
[0015](3)开始对试样5的热迀移性能进行测试。
[0016]步骤(3)所述开始对试样5的热迀移性能进行测试，是通过切片分析焊点界面頂C的生长变化、显微组织演变以及拉伸试验，得到焊点界面IMC的生长速率以及最大剪切应力，从而判断互连焊点的热迀移性能。
[0017]所述试样5的制备步骤为:
[0018](I)将两片金属基板进行表面处理；
[0019](2)将其中一片经过表面处理的基板表面除了待焊区之外，其余部分涂上阻焊剂；
[0020](3)将钎料球置于两片金属基板的待焊接区，并将两片厚度为所需焊点高度的玻璃片置于两片金属基板之间，然后通过夹持部件紧固两片金属基板；
[0021]所述玻璃片用于维持焊点高度一致，该玻璃片的厚度即是焊点的高度；
[0022](4)将步骤(3)中紧固的两片金属基板放入预先设定温度的回流焊炉中进行钎焊，钎焊结束后，待冷却至室温，松开两片金属基板的夹持部件，得到试样5。
[0023]所述钎料球选用不同材质的无铅钎料或者不同材质的有铅钎料，以检测不同材质的金属基板与钎料组合的焊点的热迀移性能数据。
[0024]本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0025]通过调节加热板的温度控制装置以及散热风扇的转速调节装置;实现焊点冷热端的温度调节，得到不同的温度梯度，也可以针对不同的焊点高度，得到相同的温度梯度。上导热板和下导热板为可拆卸结构，当热迀移实验时间到达所设定的时间周期时，可方便卸下试样进行检测。
[0026]上导热板和下导热板的对应面上，开设有用于埋设热电偶探头的沟槽，热电偶探头连接外部测温装置，可方便读取温度数据。
[0027]热迀移性能测试，通过切片分析焊点界面頂C的生长变化、显微组织演变以及拉伸试验，得到焊点界面MC的生长速率以及最大剪切应力，从而判断互连焊点的热迀移性能。
[0028]待测试样采用通过表面处理的两片铜基板或其它金属基板，钎料可选不同的无铅钎料及有铅钎料，以检测不同基板-钎料组合的焊点的热迀移性能。
[0029]本实用新型具有安全可靠性好，结构简单易操作、成本低廉、易于推广等优点；不仅可以有效的避免来自电迀移的干扰，而且可以通过控制冷热端的温度差来有效的控制温度梯度。
【附图说明】
[0030]图1为本实用新型检测互连焊点热迀移性能的装置结构示意图。
[0031]图2为图1局部结构放大示意图。
[0032]图3为图1散热风扇和散热片的俯视结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]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。
[0034]实施例
[0035]如图1至3所示。本实用新型公开了一种检测互连焊点热迀移性能的装置，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板4、下导热板6和加热板7，即所述冷却机构设置在上导热板4(铝材质)的上部，所述下导热板6(铝材质)设置在加热板7的上部;所述上导热板4与下导热板6之间的空间用于放置试样5。
[0036]在上导热板4和下导热板6的对应面上，分别对称开设有用于埋设热电偶探头的沟槽8、9;当试样5放在上导热板4与下导热板6之间时，该热电偶探头能与该试样5接触;所述热电偶探头通过传输线连接外部测温装置。
[0037]所述冷却机构包括散热片2、设置在散热片2上部的散热风扇1、设置在散热片2下部的半导体制冷片3;所述半导体制冷片3与上导热板4连接。
[0038]所述用于埋设热电偶探头的沟槽8、9的长度，是上导热板4或下导热板6长度的二分之一。
[0039]所述加热板7为电加热板，其设有温度控制装置。
[0040]所述散热风扇I设有转速调节装置。
[0041]通过以下三个举例，进一步说明本实用新型检测互连焊点热迀移性能的方法。
[0042]一、采用的试样互连焊点高度为0.8mm，金属基板为Cu，钎料为Sn0.7Cu。放置好试样(即放在上导热板4与下导热板6之间)后，调节加热板7温度为235°C时热端(下导热板6)热电偶探头测得温度Tl 150°C。调节散热风扇I转速使得冷端(上导热板4)温度为T2 50
此时焊点两端温度差为T2-T1为100°C，此时得到焊点两端的温度梯度为1250°C/cm。确定热迀移时间为250、500、750、100011。
[0043]将热迀移后的试样通过切片分析界面MC以及拉伸试验发现随着热迀移时间的增加，热端界面MC逐渐减薄而冷端逐渐增厚且随着热迀移时间的增加焊点的抗拉强度逐渐减小。
[0044]二、采用的试样互连焊点高度为0.4mm，金属基板为Cu，钎料为Sn0.7Cu。放置好试样后，调节加热板7温度为205°C时热端热电偶探头测得温度TllOOtC。调节散热风扇I转速使得冷端温度为T2 500C，此时焊点两端温度差为T2-T1为100°C，此时得到焊点两端的温度梯度为1250 °C/cm。确定热迀移时间为250、500、750、I OOOh 0
[0045]将热迀移后的试样通过切片分析界面IMC以及拉伸试验发现随着热迀移时间的增加，热端界面IMC逐渐减薄而冷端逐渐增厚且变化速率增大，随着热迀移时间的增加焊点的抗拉强度逐渐减小但减小幅度不大。
[0046]三、采用的试样互连焊点高度为0.8mm，金属基板为Cu和Ni，钎料为纯Sn。放置好试样后，调节加热板7温度为220°C时热端热电偶测得温度T1140°C。调节散热风扇I转速使得冷端温度为T2 55°C，此时得到焊点两端的温度梯度为1062.5°C/cm。确定热迀移时间为250、500、750、1000h。
[0047]将热迀移后的试样通过切片分析界面MC以及拉伸试验发现随着热迀移时间的增加，冷热端界面MC都逐渐增厚且在热迀移750h时在Cu/Sn界面出现了明显的空洞。最大剪切应力也是逐渐所减小。
[0048]如上所述，通过检测焊点在不同热迀移加载时间下的界面的IMC(金属间化合物)生长变化速率以及拉伸试验的最大剪切应力，从而定性的说明互连焊点的热迀移性能。本实用新型具有安全可靠性好，简单易操作、成本低廉、易于推广等优点；不仅可以有效的避免来自电迀移的干扰，而且可以通过控制冷热端的温度差来有效的控制温度梯度。
[0049]本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他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。
【主权项】
1.一种检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板(4)、下导热板(6)和加热板(7)，即所述冷却机构设置在上导热板(4)的上部，所述下导热板(6)设置在加热板(7)的上部； 所述上导热板(4)与下导热板(6)之间的空间用于放置试样(5)。2.根据权利要求1所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，在上导热板(4)和下导热板(6)的对应面上，分别对称开设有用于埋设热电偶探头的沟槽(8、9);当试样(5)放在上导热板(4)与下导热板(6)之间时，该热电偶探头能与该试样(5)接触;所述热电偶探头通过传输线连接外部测温装置。3.根据权利要求1所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述冷却机构包括散热片(2)、设置在散热片(2)上部的散热风扇(I)、设置在散热片(2)下部的半导体制冷片(3);所述半导体制冷片(3)与上导热板(4)连接。4.根据权利要求2所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述用于埋设热电偶探头的沟槽(8、9)的长度，是上导热板(4)或下导热板(6)长度的二分之一。5.根据权利要求4所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述加热板(7)为电加热板，其设有温度控制装置。6.根据权利要求3所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述散热风扇(I)设有转速调节装置。
【文档编号】G01N1/28GK205720070SQ201620228374
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】卫国强, 漆琳, 杜隆纯
【申请人】华南理工大学
【专利摘要】本实用新型公开了一种检测互连焊点热迁移性能的装置，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板、下导热板和加热板，即所述冷却机构设置在上导热板的上部，所述下导热板设置在加热板的上部；上导热板与下导热板之间的空间用于放置试样。通过调节加热板的温度控制装置，获得加热板所需的温度；通过调节散热风扇的转速调节装置，以调节风扇的风量大小，通过风量大小来改变试样冷热端所需的温度，根据焊点高度得到需要的温度梯度；本装置及其测试方法具有安全可靠性好，结构简单易操作、成本低廉、易于推广等优点；不仅可以有效的避免来自电迁移的干扰，而且可以通过控制冷热端的温度差来有效的控制温度梯度。
【专利说明】
一种检测互连焊点热迁移性能的装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及电子封装领域，尤其涉及一种检测互连焊点热迀移性能的装置。
【背景技术】
[0002]随着电子产品向小型化、多功能化方向发展，电子封装互连焊点的特征尺寸越来越小，导致互连焊点经受的电流密度和焊点两端的温度梯度都急剧增加，从而引发焊点中的电迀移和热迀移效应，造成焊点组织退化及结构完整性损伤，大大降低了焊点可靠性。
[0003]长期以来，人们在研究电迀移时一直忽视热迀移的影响，这可能是早期的研究一直认为热迀移引起的原子迀移率要比电迀移小许多。但近期的最新研究表明，随着互连焊点特征尺寸的不断减小，温度梯度越来越大，当温度梯度足够大时，热迀移引起的原子迀移效应要大于电迀移引起的原子迀移效应。虽然对电迀移的研究已经取得较大进展，但由于热电耦合导致实验设计的困难，对热迀移的研究尚处于起步阶段。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、安全可靠性好、简单易操作的检测互连焊点热迀移性能的装置，可有效的避免来自电迀移带来的热迀移的影响。
[0005]本实用新型通过下述技术方案实现:
[0006]—种检测互连焊点热迀移性能的装置，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板4、下导热板6和加热板7，即所述冷却机构设置在上导热板4的上部，所述下导热板6设置在加热板7的上部;所述上导热板4与下导热板6之间的空间用于放置试样5。
[0007]在上导热板4和下导热板6的对应面上，分别对称开设有用于埋设热电偶探头的沟槽8、9;当试样5放在上导热板4与下导热板6之间时，该热电偶探头能与该试样5接触;所述热电偶探头通过传输线连接外部测温装置。
[0008]所述冷却机构包括散热片2、设置在散热片2上部的散热风扇1、设置在散热片2下部的半导体制冷片3;所述半导体制冷片3与上导热板4连接。
[0009]所述用于埋设热电偶探头的沟槽8、9的长度，是上导热板4或下导热板6长度的二分之一。
[0010]所述加热板7为电加热板，其设有温度控制装置。
[0011]所述散热风扇I设有转速调节装置。
[0012]—种检测互连焊点热迀移性能方法，具体包括如下步骤:
[0013](I)将热电偶探头分别放入上导热板4和下导热板6的沟槽8、9内，并将热电偶探头的传输线连接测温装置;分别在上导热板4和下导热板6相对应的两个表面上涂覆一层导热硅脂，将试样5放在上导热板4与下导热板6之间；接通加热板7和散热风扇I的电源；
[0014](2)通过调节加热板7的温度控制装置，获得加热板7所需的温度;通过调节散热风扇I的转速调节装置，以调节风扇的风量大小，通过风量大小来改变试样5冷热端所需的温度，根据焊点高度得到需要的温度梯度；
[0015](3)开始对试样5的热迀移性能进行测试。
[0016]步骤(3)所述开始对试样5的热迀移性能进行测试，是通过切片分析焊点界面頂C的生长变化、显微组织演变以及拉伸试验，得到焊点界面IMC的生长速率以及最大剪切应力，从而判断互连焊点的热迀移性能。
[0017]所述试样5的制备步骤为:
[0018](I)将两片金属基板进行表面处理；
[0019](2)将其中一片经过表面处理的基板表面除了待焊区之外，其余部分涂上阻焊剂；
[0020](3)将钎料球置于两片金属基板的待焊接区，并将两片厚度为所需焊点高度的玻璃片置于两片金属基板之间，然后通过夹持部件紧固两片金属基板；
[0021]所述玻璃片用于维持焊点高度一致，该玻璃片的厚度即是焊点的高度；
[0022](4)将步骤(3)中紧固的两片金属基板放入预先设定温度的回流焊炉中进行钎焊，钎焊结束后，待冷却至室温，松开两片金属基板的夹持部件，得到试样5。
[0023]所述钎料球选用不同材质的无铅钎料或者不同材质的有铅钎料，以检测不同材质的金属基板与钎料组合的焊点的热迀移性能数据。
[0024]本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0025]通过调节加热板的温度控制装置以及散热风扇的转速调节装置;实现焊点冷热端的温度调节，得到不同的温度梯度，也可以针对不同的焊点高度，得到相同的温度梯度。上导热板和下导热板为可拆卸结构，当热迀移实验时间到达所设定的时间周期时，可方便卸下试样进行检测。
[0026]上导热板和下导热板的对应面上，开设有用于埋设热电偶探头的沟槽，热电偶探头连接外部测温装置，可方便读取温度数据。
[0027]热迀移性能测试，通过切片分析焊点界面頂C的生长变化、显微组织演变以及拉伸试验，得到焊点界面MC的生长速率以及最大剪切应力，从而判断互连焊点的热迀移性能。
[0028]待测试样采用通过表面处理的两片铜基板或其它金属基板，钎料可选不同的无铅钎料及有铅钎料，以检测不同基板-钎料组合的焊点的热迀移性能。
[0029]本实用新型具有安全可靠性好，结构简单易操作、成本低廉、易于推广等优点；不仅可以有效的避免来自电迀移的干扰，而且可以通过控制冷热端的温度差来有效的控制温度梯度。
【附图说明】
[0030]图1为本实用新型检测互连焊点热迀移性能的装置结构示意图。
[0031]图2为图1局部结构放大示意图。
[0032]图3为图1散热风扇和散热片的俯视结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]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。
[0034]实施例
[0035]如图1至3所示。本实用新型公开了一种检测互连焊点热迀移性能的装置，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板4、下导热板6和加热板7，即所述冷却机构设置在上导热板4(铝材质)的上部，所述下导热板6(铝材质)设置在加热板7的上部;所述上导热板4与下导热板6之间的空间用于放置试样5。
[0036]在上导热板4和下导热板6的对应面上，分别对称开设有用于埋设热电偶探头的沟槽8、9;当试样5放在上导热板4与下导热板6之间时，该热电偶探头能与该试样5接触;所述热电偶探头通过传输线连接外部测温装置。
[0037]所述冷却机构包括散热片2、设置在散热片2上部的散热风扇1、设置在散热片2下部的半导体制冷片3;所述半导体制冷片3与上导热板4连接。
[0038]所述用于埋设热电偶探头的沟槽8、9的长度，是上导热板4或下导热板6长度的二分之一。
[0039]所述加热板7为电加热板，其设有温度控制装置。
[0040]所述散热风扇I设有转速调节装置。
[0041]通过以下三个举例，进一步说明本实用新型检测互连焊点热迀移性能的方法。
[0042]一、采用的试样互连焊点高度为0.8mm，金属基板为Cu，钎料为Sn0.7Cu。放置好试样(即放在上导热板4与下导热板6之间)后，调节加热板7温度为235°C时热端(下导热板6)热电偶探头测得温度Tl 150°C。调节散热风扇I转速使得冷端(上导热板4)温度为T2 50
此时焊点两端温度差为T2-T1为100°C，此时得到焊点两端的温度梯度为1250°C/cm。确定热迀移时间为250、500、750、100011。
[0043]将热迀移后的试样通过切片分析界面MC以及拉伸试验发现随着热迀移时间的增加，热端界面MC逐渐减薄而冷端逐渐增厚且随着热迀移时间的增加焊点的抗拉强度逐渐减小。
[0044]二、采用的试样互连焊点高度为0.4mm，金属基板为Cu，钎料为Sn0.7Cu。放置好试样后，调节加热板7温度为205°C时热端热电偶探头测得温度TllOOtC。调节散热风扇I转速使得冷端温度为T2 500C，此时焊点两端温度差为T2-T1为100°C，此时得到焊点两端的温度梯度为1250 °C/cm。确定热迀移时间为250、500、750、I OOOh 0
[0045]将热迀移后的试样通过切片分析界面IMC以及拉伸试验发现随着热迀移时间的增加，热端界面IMC逐渐减薄而冷端逐渐增厚且变化速率增大，随着热迀移时间的增加焊点的抗拉强度逐渐减小但减小幅度不大。
[0046]三、采用的试样互连焊点高度为0.8mm，金属基板为Cu和Ni，钎料为纯Sn。放置好试样后，调节加热板7温度为220°C时热端热电偶测得温度T1140°C。调节散热风扇I转速使得冷端温度为T2 55°C，此时得到焊点两端的温度梯度为1062.5°C/cm。确定热迀移时间为250、500、750、1000h。
[0047]将热迀移后的试样通过切片分析界面MC以及拉伸试验发现随着热迀移时间的增加，冷热端界面MC都逐渐增厚且在热迀移750h时在Cu/Sn界面出现了明显的空洞。最大剪切应力也是逐渐所减小。
[0048]如上所述，通过检测焊点在不同热迀移加载时间下的界面的IMC(金属间化合物)生长变化速率以及拉伸试验的最大剪切应力，从而定性的说明互连焊点的热迀移性能。本实用新型具有安全可靠性好，简单易操作、成本低廉、易于推广等优点；不仅可以有效的避免来自电迀移的干扰，而且可以通过控制冷热端的温度差来有效的控制温度梯度。
[0049]本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他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。
【主权项】
1.一种检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，该装置自上而下依次包括冷却机构、上导热板(4)、下导热板(6)和加热板(7)，即所述冷却机构设置在上导热板(4)的上部，所述下导热板(6)设置在加热板(7)的上部； 所述上导热板(4)与下导热板(6)之间的空间用于放置试样(5)。2.根据权利要求1所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，在上导热板(4)和下导热板(6)的对应面上，分别对称开设有用于埋设热电偶探头的沟槽(8、9);当试样(5)放在上导热板(4)与下导热板(6)之间时，该热电偶探头能与该试样(5)接触;所述热电偶探头通过传输线连接外部测温装置。3.根据权利要求1所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述冷却机构包括散热片(2)、设置在散热片(2)上部的散热风扇(I)、设置在散热片(2)下部的半导体制冷片(3);所述半导体制冷片(3)与上导热板(4)连接。4.根据权利要求2所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述用于埋设热电偶探头的沟槽(8、9)的长度，是上导热板(4)或下导热板(6)长度的二分之一。5.根据权利要求4所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述加热板(7)为电加热板，其设有温度控制装置。6.根据权利要求3所述检测互连焊点热迀移性能的装置，其特征在于，所述散热风扇(I)设有转速调节装置。
【文档编号】G01N1/28GK205720070SQ201620228374
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】卫国强, 漆琳, 杜隆纯
【申请人】华南理工大学
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