一種微小試樣的疲勞性能測試方法及實現裝置的製作方法
2023-10-18 01:35:54 2
專利名稱：一種微小試樣的疲勞性能測試方法及實現裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及疲勞實驗技術，具體地說是一種對微小試樣的力、電、熱及其交互作用等疲勞性能測試方法及實現裝置。
背景技術：
隨著微電子工業中器件的小型化、便攜化，晶片的尺寸越來越小，封裝密度越來越高，互連結構體的尺寸不斷縮小，從而引發許多可靠性問題，如電遷移行為以及由應力梯度引起的失效等問題。
近年來，人們逐漸意識到了傳統SnPb焊料中鉛對環境的汙染和對人身體健康的危害，無鉛焊料的發展日益緊迫，而無鉛焊料的選用也必然要考慮互連結構體的可靠性。所以很有必要儘快找到一種有效評價可靠性的方法。
目前最常用的方法是對互連體進行熱循環實驗，這種方法只是考慮了溫度變化對互連體的結構影響，然而焊點在實際的服役過程中不僅僅是受到溫度載荷的，也受電流影響，熱循環實驗用途單一。
關於電流對互連結構體影響的有效評價，通用的方法是採用直流電源，雖然評價效果準確、方法簡單，但也存在用途單一現象。
微電子互連結構體在服役過程中由於各組成部分的熱膨脹係數不匹配產生的熱應力對互連結構(焊點)的可靠性也有很大的影響，但該熱應力測量起來非常不方便，所以有必要考慮對微互連結構體進行外力的加載，進而轉化為與熱應力大小相當的機械應力，研究應力對微互連結構體的可靠性問題。
另外，目前電流、熱和應力的同時作用會對焊點可靠性產生怎樣的影響被人們所忽略，而這是先進封裝技術所必須要面對的問題。這種影響即便是對傳統SnPb焊料也是沒人考慮過的，更不用說對新型無鉛焊料了。難點在於沒有適合微小試樣(即微米級尺寸試樣)進行力、電交互作用的疲勞實驗的現成設備。
發明內容
為了克服現有技術中不能評價電流和應力的同時作用對互連結構可靠性產生的影響，本發明的目的在於提供一種能以同時考慮電流密度、應力及溫度對微小試樣可靠性影響的疲勞測試方法及實現裝置。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下對微小試樣的疲勞性能測試方法採用通電激磁線圈產生的磁場對微小試樣進行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態置於由激磁線圈構成的磁場中，在對激磁線圈通電情況下，利用微小試樣周圍產生的磁場，對微小試樣進行力的加載，從而測試其疲勞性能；所述微小試樣為微米級尺寸試樣；所述試樣是非磁性材料時在其上粘附磁性材料，通過磁場對磁性材料產生的磁力進行加載來考察微小試樣的力學性能；所述磁場為交變磁場；所述微小試樣可安裝在直流電源閉合迴路中，在對微小試樣通入電流情況下，根據磁場在微小試樣上產生的安培力進行加載，考察微小試樣上的力電交互作用；所述對微小試樣的疲勞性能測試方法的實現裝置由卡尺、絕緣體、導電性夾頭、直流電源、激磁線圈、液態金屬、試樣、電流和時間記錄電路組成，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金屬與直流電源連接起來組成迴路，電流和時間記錄電路串聯在該迴路中；與控制電路連接的激磁線圈安裝在試樣側面；所述控制電路由接交流電源的變頻器、調壓器、變壓器、激磁線圈組成，交流電源經過變頻器連接在調壓器的輸入端，調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二極體接激磁線圈。
本發明具有如下優點1.可以對微小試樣施加很微小的外力。由於利用電磁力進行加載，可以很容易地針對互連微結構試樣施加mN數量級的外力，而目前現成的疲勞設備是很難實現的。
2.可分別對微小試樣進行力或電和熱(該熱是由於焦耳熱引起的)的加載試驗，也可以對微小試樣同時進行力、電、熱的加載，使本實用新型成為目前首次實現這一功能的微型疲勞設備。
3.可以自動記錄實驗時間和試樣斷裂時間。
4.可以任意改變實驗參數，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，實驗進行方便快捷。
圖1為本發明一個實施例結構示意圖。
圖2為圖1中電路原理圖。
圖3為本發明另一實施例電路原理圖。
圖4為串聯有電流和時間記錄電路的一個實施例示意圖。
圖5為本實用新型不串聯電流和時間記錄電路的一個實施例示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例1(對試樣7單獨進行力的加載)測試方法採用通電激磁線圈產生的磁場對微小試樣進行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態置於由激磁線圈構成的磁場中，在對激磁線圈通電情況下，利用微小試樣周圍產生的磁場，對微小試樣進行力的加載，從而測試其疲勞性能。
如圖1所示，測試裝置由卡尺1，絕緣體2(本實施例採用電木)，夾頭3(採用銅材料)，直流電源4，激磁線圈5，液態金屬6，試樣7(微米級尺寸試樣、懸臂梁形式)，磁性材料8(本實施例採用鐵片)，電流和時間記錄電路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可移動式連接(如上下移動)，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和液態金屬6與直流電源4連接起來組成一閉合迴路，電流和時間記錄電路9串聯在該迴路中；與控制電路連接的激磁線圈5安裝在試樣7的兩側，一邊各一個。試樣7可以通過卡尺1上下移動位置，便於操作和定位。
如圖2所示，控制電路由接交流電源的變頻器10，調壓器11，變壓器12，二極體13，激磁線圈5組成，交流電源經過變頻器10連接在調壓器11的輸入端，調壓器11的輸出端接變壓器12，變壓器12的次端接二極體13正極，經二極體13整流後接到激磁線圈5上，本實施例包括兩個激磁線圈5。
工作過程本實施例中交流電源通過二極體13整流，變成脈動直流，在激磁線圈5內產生脈動直流，即，磁力線圈5中產生交變磁場。通過變頻器10的調節可以改變激磁線圈5中激磁電流的頻率，調壓器11用於改變激磁線圈5中激磁電壓的大小，變壓器12用於提高激磁線圈5中激磁電壓值，並帶有中心抽頭，以給兩個激磁線圈5提供激磁電流。由兩個二極體13構成的整流部分產生的電流為脈動直流。激磁線圈5產生一個磁場。
工作原理變頻器10提供一個正弦交流激磁電流，經調壓、變壓、整流後加到激磁線圈5上，從而產生一個交變磁場。試樣7(本實施例採用非磁性體，再在其上粘附一磁性材料8)在激磁線圈5所產生的交變磁場中受到磁場吸力，而產生振蕩(頻率與變頻器頻率相等)，從而考察該試樣在該狀態下的疲勞狀況。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，其中電流i也隨之增大，因而產生相應大的磁場強度，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，達到考察不同應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至很小(0.1安培)，即試樣7上通很小的電流，使得該電路導通，從而可以記錄下實驗時間以及試樣斷裂時間。因為此時試樣中的電流很小，通電試樣在周圍磁場中所受到的安培力比所加載的外力小了兩個數量級，該微小力、微小電流及其產生的焦耳熱對疲勞性能的影響均可忽略不計。
試樣7失效斷裂後系統自動記錄下實驗時間，測試結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，斷裂時間t＝150～200h。
所述電流和時間記錄電路9由累時器、分流器、電流表組成，累時器、分流器、電流表均為市購產品。
實施例2(對試樣進行力、電同時加載)其測試方法與實施例1不同之處在於所述微小試樣可安裝在直流電源閉合迴路中，在對微小試樣通入大電流(幾安培到幾十安培)情況下，根據磁場在微小試樣上產生的安培力進行加載，考察力電交互作用對微小試樣疲勞性能的影響。
如圖3所示，其測試裝置與實施例1不同之處在於控制電路由接交流電源變頻器10，調壓器11，變壓器12，激磁線圈5組成，在連接方式上與實施例1不同之處在於變壓器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)，使微小試樣在磁場中受到安培力的作用，從而實現對試樣的力、電同時加載，試樣7失效斷裂後系統自動記錄下實驗時間。
工作原理變頻器10用於調節激磁線圈5中激磁電流的頻率，調壓器11用於改變激磁線圈5中激磁電壓的大小，變壓器12用於提高激磁線圈5中激磁電壓值，激磁線圈5中產生一個隨激磁電流頻率相同、大小成正比的交變磁場。本實施例是根據通電導體在磁場中受到安培力的作用而設計製作的。改變激磁電流的頻率，磁場的方向隨該頻率發生變化，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試樣上的直流電流大小來調節。(通電導體是試樣，且該試樣無磁性)。
工作時通過直流電源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。即在該交變磁場中試樣7上會受到一大小及方向都隨時間變化的安培力的作用，通過力的改變使試樣7受到隨時間而反覆變化的載荷，從而達到循環加載的目的。其中試樣7在通電的同時由於產生了焦耳熱，所以也對試樣7進行了熱的加載。
結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℃，此時試樣所受的力為6mN，斷裂時間t＝16h～42h。
實施例3(對試樣7單獨進行力的加載)如圖5所示，其測試裝置與實施例1不同之處在於在試樣7通過夾頭3和液態金屬6與直流電源4連接起來組成一閉合迴路中不安裝電流和時間記錄電路9；原理和結果相同。
權利要求
1.一種對微小試樣的疲勞性能測試方法，其特徵在於採用通電激磁線圈產生的磁場對微小試樣進行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態置於由激磁線圈產生的磁場中，在對激磁線圈通電情況下，利用微小試樣周圍產生的磁場，對微小試樣進行力的加載，從而測試其疲勞性能；所述微小試樣為微米級尺寸試樣。
2.按權利要求1所述對微小試樣的疲勞性能測試方法，其特徵在於所述試樣是非磁性材料時在其上粘附磁性材料，通過磁場對磁性材料產生的磁力進行加載來考察微小試樣的力學性能。
3.按權利要求1所述對微小試樣的疲勞性能測試方法，其特徵在於所述磁場為交變磁場。
4.按權利要求1所述對微小試樣的疲勞性能測試方法，其特徵在於所述微小試樣可安裝在直流電源閉合迴路中，在對微小試樣通入電流情況下，根據磁場在微小試樣上產生的安培力進行加載，考察微小試樣上的力電交互作用。
5.一種按權利要求1所述對微小試樣的疲勞性能測試方法的實現裝置，其特徵在於由卡尺(1)、絕緣體(2)、導電性夾頭(3)、直流電源(4)、激磁線圈(5)、液態金屬(6)、試樣(7)、電流和時間記錄電路(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)和液態金屬(6)與直流電源(4)連接起來組成迴路；與控制電路連接的激磁線圈(5)安裝在試樣(7)側面。
6.按權利要求5所述對微小試樣的疲勞性能測試方法的實現裝置，其特徵在於電流和時間記錄電路(9)串聯在該迴路中。
7.按權利要求5或6所述對微小試樣的疲勞性能測試方法的實現裝置，其特徵在於所述控制電路由接交流電源的變頻器(10)、調壓器(11)、變壓器(12)、激磁線圈(5)組成，交流電源經過變頻器(10)連接在調壓器(11)的輸入端，調壓器(11)的輸出端接變壓器(12)，變壓器(12)的次端接激磁線圈(5)。
8.按權利要求7所述對微小試樣的疲勞性能測試方法的實現裝置，其特徵在於所述變壓器(12)的次端經二極體(13)接激磁線圈(5)。
全文摘要
本發明涉及一種疲勞測試技術，具體地說是公開一種微小試樣疲勞性能測試方法及實現裝置。採用通電激磁線圈產生的磁場對微小試樣進行力的加載，具體是將微小試樣一端固定，另一端呈自由狀態置於磁場中，通電激磁線圈，使微小試樣附近產生磁場，通過所述磁場對微小試樣進行力的加載，從而測試疲勞性能。採用本發明，加載力的大小通過調節電壓和頻率來控制，可以小至1mN(0.1g力)，甚至更小；實驗頻率可以任意調節。與此同時，還可以在微小試樣上通直流電流，可以實現對微小試樣力、電的同時加載，可以方便而有效地對微小試樣的介觀行為進行研究，這時試樣所受的力還可通過該直流電流來調節。
文檔編號G01N25/00GK1963445SQ20051004766
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月9日 優先權日2005年11月9日
發明者曾秋蓮, 崔學順, 郭建軍, 閔家源, 王中光, 尚建庫 申請人:中國科學院金屬研究所