专利名称：一种微小试样的疲劳性能测试方法及实现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及疲劳实验技术，具体地说是一种对微小试样的力、电、热及其交互作用等疲劳性能测试方法及实现装置。
背景技术：
随着微电子工业中器件的小型化、便携化，芯片的尺寸越来越小，封装密度越来越高，互连结构体的尺寸不断缩小，从而引发许多可靠性问题，如电迁移行为以及由应力梯度引起的失效等问题。
近年来，人们逐渐意识到了传统SnPb焊料中铅对环境的污染和对人身体健康的危害，无铅焊料的发展日益紧迫，而无铅焊料的选用也必然要考虑互连结构体的可靠性。所以很有必要尽快找到一种有效评价可靠性的方法。
目前最常用的方法是对互连体进行热循环实验，这种方法只是考虑了温度变化对互连体的结构影响，然而焊点在实际的服役过程中不仅仅是受到温度载荷的，也受电流影响，热循环实验用途单一。
关于电流对互连结构体影响的有效评价，通用的方法是采用直流电源，虽然评价效果准确、方法简单，但也存在用途单一现象。
微电子互连结构体在服役过程中由于各组成部分的热膨胀系数不匹配产生的热应力对互连结构(焊点)的可靠性也有很大的影响，但该热应力测量起来非常不方便，所以有必要考虑对微互连结构体进行外力的加载，进而转化为与热应力大小相当的机械应力，研究应力对微互连结构体的可靠性问题。
另外，目前电流、热和应力的同时作用会对焊点可靠性产生怎样的影响被人们所忽略，而这是先进封装技术所必须要面对的问题。这种影响即便是对传统SnPb焊料也是没人考虑过的，更不用说对新型无铅焊料了。难点在于没有适合微小试样(即微米级尺寸试样)进行力、电交互作用的疲劳实验的现成设备。
发明内容
为了克服现有技术中不能评价电流和应力的同时作用对互连结构可靠性产生的影响，本发明的目的在于提供一种能以同时考虑电流密度、应力及温度对微小试样可靠性影响的疲劳测试方法及实现装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下对微小试样的疲劳性能测试方法采用通电激磁线圈产生的磁场对微小试样进行力的加载，具体是将微小试样一端固定，另一端呈自由状态置于由激磁线圈构成的磁场中，在对激磁线圈通电情况下，利用微小试样周围产生的磁场，对微小试样进行力的加载，从而测试其疲劳性能；所述微小试样为微米级尺寸试样；所述试样是非磁性材料时在其上粘附磁性材料，通过磁场对磁性材料产生的磁力进行加载来考察微小试样的力学性能；所述磁场为交变磁场；所述微小试样可安装在直流电源闭合回路中，在对微小试样通入电流情况下，根据磁场在微小试样上产生的安培力进行加载，考察微小试样上的力电交互作用；所述对微小试样的疲劳性能测试方法的实现装置由卡尺、绝缘体、导电性夹头、直流电源、激磁线圈、液态金属、试样、电流和时间记录电路组成，将卡尺一端固定在底座上，卡尺的另一端与绝缘体连接，绝缘体又与夹头可拆卸式安装在一起，试样通过夹头和液态金属与直流电源连接起来组成回路，电流和时间记录电路串联在该回路中；与控制电路连接的激磁线圈安装在试样侧面；所述控制电路由接交流电源的变频器、调压器、变压器、激磁线圈组成，交流电源经过变频器连接在调压器的输入端，调压器的输出端接变压器，变压器的次端接激磁线圈；所述变压器的次端经二极管接激磁线圈。
本发明具有如下优点1.可以对微小试样施加很微小的外力。由于利用电磁力进行加载，可以很容易地针对互连微结构试样施加mN数量级的外力，而目前现成的疲劳设备是很难实现的。
2.可分别对微小试样进行力或电和热(该热是由于焦耳热引起的)的加载试验，也可以对微小试样同时进行力、电、热的加载，使本实用新型成为目前首次实现这一功能的微型疲劳设备。
3.可以自动记录实验时间和试样断裂时间。
4.可以任意改变实验参数，如频率、所加载外力的大小和通过试样上电流的大小。
5.试样可为悬臂梁形式，实验进行方便快捷。
图1为本发明一个实施例结构示意图。
图2为图1中电路原理图。
图3为本发明另一实施例电路原理图。
图4为串联有电流和时间记录电路的一个实施例示意图。
图5为本实用新型不串联电流和时间记录电路的一个实施例示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1(对试样7单独进行力的加载)测试方法采用通电激磁线圈产生的磁场对微小试样进行力的加载，具体是将微小试样一端固定，另一端呈自由状态置于由激磁线圈构成的磁场中，在对激磁线圈通电情况下，利用微小试样周围产生的磁场，对微小试样进行力的加载，从而测试其疲劳性能。
如图1所示，测试装置由卡尺1，绝缘体2(本实施例采用电木)，夹头3(采用铜材料)，直流电源4，激磁线圈5，液态金属6，试样7(微米级尺寸试样、悬臂梁形式)，磁性材料8(本实施例采用铁片)，电流和时间记录电路9组成，将卡尺1一端固定在底座上，卡尺1的另一端与绝缘体2可移动式连接(如上下移动)，绝缘体2又与夹头3可拆卸式安装在一起，试样7通过夹头3和液态金属6与直流电源4连接起来组成一闭合回路，电流和时间记录电路9串联在该回路中；与控制电路连接的激磁线圈5安装在试样7的两侧，一边各一个。试样7可以通过卡尺1上下移动位置，便于操作和定位。
如图2所示，控制电路由接交流电源的变频器10，调压器11，变压器12，二极管13，激磁线圈5组成，交流电源经过变频器10连接在调压器11的输入端，调压器11的输出端接变压器12，变压器12的次端接二极管13正极，经二极管13整流后接到激磁线圈5上，本实施例包括两个激磁线圈5。
工作过程本实施例中交流电源通过二极管13整流，变成脉动直流，在激磁线圈5内产生脉动直流，即，磁力线圈5中产生交变磁场。通过变频器10的调节可以改变激磁线圈5中激磁电流的频率，调压器11用于改变激磁线圈5中激磁电压的大小，变压器12用于提高激磁线圈5中激磁电压值，并带有中心抽头，以给两个激磁线圈5提供激磁电流。由两个二极管13构成的整流部分产生的电流为脉动直流。激磁线圈5产生一个磁场。
工作原理变频器10提供一个正弦交流激磁电流，经调压、变压、整流后加到激磁线圈5上，从而产生一个交变磁场。试样7(本实施例采用非磁性体，再在其上粘附一磁性材料8)在激磁线圈5所产生的交变磁场中受到磁场吸力，而产生振荡(频率与变频器频率相等)，从而考察该试样在该状态下的疲劳状况。激磁线圈5中激磁电压的大小决定了试样7上所受到的力的大小，即激磁线圈5上的电压大时，其中电流i也随之增大，因而产生相应大的磁场强度，使试样7受力增大，从而通过改变激磁电压值来改变受力的大小，达到考察不同应力作用下微小试样疲劳性能的目的。
另外，将直流电源的电流调至很小(0.1安培)，即试样7上通很小的电流，使得该电路导通，从而可以记录下实验时间以及试样断裂时间。因为此时试样中的电流很小，通电试样在周围磁场中所受到的安培力比所加载的外力小了两个数量级，该微小力、微小电流及其产生的焦耳热对疲劳性能的影响均可忽略不计。
试样7失效断裂后系统自动记录下实验时间，测试结果为试样的截面面积为0.3×0.3mm2，激磁电压为220V，频率为1Hz，试样所受的力为13.7mN，断裂时间t＝150～200h。
所述电流和时间记录电路9由累时器、分流器、电流表组成，累时器、分流器、电流表均为市购产品。
实施例2(对试样进行力、电同时加载)其测试方法与实施例1不同之处在于所述微小试样可安装在直流电源闭合回路中，在对微小试样通入大电流(几安培到几十安培)情况下，根据磁场在微小试样上产生的安培力进行加载，考察力电交互作用对微小试样疲劳性能的影响。
如图3所示，其测试装置与实施例1不同之处在于控制电路由接交流电源变频器10，调压器11，变压器12，激磁线圈5组成，在连接方式上与实施例1不同之处在于变压器12直接与激磁线圈5连接。
给试样7通较大的电流(几安培到几十安培)，使微小试样在磁场中受到安培力的作用，从而实现对试样的力、电同时加载，试样7失效断裂后系统自动记录下实验时间。
工作原理变频器10用于调节激磁线圈5中激磁电流的频率，调压器11用于改变激磁线圈5中激磁电压的大小，变压器12用于提高激磁线圈5中激磁电压值，激磁线圈5中产生一个随激磁电流频率相同、大小成正比的交变磁场。本实施例是根据通电导体在磁场中受到安培力的作用而设计制作的。改变激磁电流的频率，磁场的方向随该频率发生变化，改变激磁电流的大小，则安培力的大小也随之变化，从而可以考察通电导体在该安培力频繁作用下的疲劳状况。另外，试样所受安培力的大小还可通过改变试样上的直流电流大小来调节。(通电导体是试样，且该试样无磁性)。
工作时通过直流电源4给试样7通直流电i’，可通过该电流在磁场中所受的安培力提供疲劳载荷的来源。激磁线圈5中激磁电压的大小变化决定力的变化。即在该交变磁场中试样7上会受到一大小及方向都随时间变化的安培力的作用，通过力的改变使试样7受到随时间而反复变化的载荷，从而达到循环加载的目的。其中试样7在通电的同时由于产生了焦耳热，所以也对试样7进行了热的加载。
结果试样的截面面积为0.3×0.3mm2，激磁电压为220V，直流电流为25A，频率为5Hz，试样温度T约为100℃，此时试样所受的力为6mN，断裂时间t＝16h～42h。
实施例3(对试样7单独进行力的加载)如图5所示，其测试装置与实施例1不同之处在于在试样7通过夹头3和液态金属6与直流电源4连接起来组成一闭合回路中不安装电流和时间记录电路9；原理和结果相同。
权利要求
1.一种对微小试样的疲劳性能测试方法，其特征在于采用通电激磁线圈产生的磁场对微小试样进行力的加载，具体是将微小试样一端固定，另一端呈自由状态置于由激磁线圈产生的磁场中，在对激磁线圈通电情况下，利用微小试样周围产生的磁场，对微小试样进行力的加载，从而测试其疲劳性能；所述微小试样为微米级尺寸试样。
2.按权利要求1所述对微小试样的疲劳性能测试方法，其特征在于所述试样是非磁性材料时在其上粘附磁性材料，通过磁场对磁性材料产生的磁力进行加载来考察微小试样的力学性能。
3.按权利要求1所述对微小试样的疲劳性能测试方法，其特征在于所述磁场为交变磁场。
4.按权利要求1所述对微小试样的疲劳性能测试方法，其特征在于所述微小试样可安装在直流电源闭合回路中，在对微小试样通入电流情况下，根据磁场在微小试样上产生的安培力进行加载，考察微小试样上的力电交互作用。
5.一种按权利要求1所述对微小试样的疲劳性能测试方法的实现装置，其特征在于由卡尺(1)、绝缘体(2)、导电性夹头(3)、直流电源(4)、激磁线圈(5)、液态金属(6)、试样(7)、电流和时间记录电路(9)组成，将卡尺(1)一端固定在底座上，卡尺(1)的另一端与绝缘体(2)连接，绝缘体(2)又与夹头(3)可拆卸式安装在一起，试样(7)通过夹头(3)和液态金属(6)与直流电源(4)连接起来组成回路；与控制电路连接的激磁线圈(5)安装在试样(7)侧面。
6.按权利要求5所述对微小试样的疲劳性能测试方法的实现装置，其特征在于电流和时间记录电路(9)串联在该回路中。
7.按权利要求5或6所述对微小试样的疲劳性能测试方法的实现装置，其特征在于所述控制电路由接交流电源的变频器(10)、调压器(11)、变压器(12)、激磁线圈(5)组成，交流电源经过变频器(10)连接在调压器(11)的输入端，调压器(11)的输出端接变压器(12)，变压器(12)的次端接激磁线圈(5)。
8.按权利要求7所述对微小试样的疲劳性能测试方法的实现装置，其特征在于所述变压器(12)的次端经二极管(13)接激磁线圈(5)。
全文摘要
本发明涉及一种疲劳测试技术，具体地说是公开一种微小试样疲劳性能测试方法及实现装置。采用通电激磁线圈产生的磁场对微小试样进行力的加载，具体是将微小试样一端固定，另一端呈自由状态置于磁场中，通电激磁线圈，使微小试样附近产生磁场，通过所述磁场对微小试样进行力的加载，从而测试疲劳性能。采用本发明，加载力的大小通过调节电压和频率来控制，可以小至1mN(0.1g力)，甚至更小；实验频率可以任意调节。与此同时，还可以在微小试样上通直流电流，可以实现对微小试样力、电的同时加载，可以方便而有效地对微小试样的介观行为进行研究，这时试样所受的力还可通过该直流电流来调节。
文档编号G01N25/00GK1963445SQ20051004766
公开日2007年5月16日 申请日期2005年11月9日 优先权日2005年11月9日
发明者曾秋莲, 崔学顺, 郭建军, 闵家源, 王中光, 尚建库 申请人:中国科学院金属研究所