微衝擊測試設備的製作方法
2023-05-09 19:17:56 6
專利名稱：微衝擊測試設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子連接的衝擊測試領域，更具體地，涉及用於測試所述微電子連接的衝擊性能的設備。
背景技術：
目前消費者可用到數量一直增加的可攜式裝置，例如行動電話、可攜式媒體播放器和可攜式計算機等。因此，由於裝置變成了可攜式的，所以其受到的使用情況將會發生很大變化，例如從靜態使用下的裝置，例如臺式計算機等。可攜式裝置更可能經受來自衝擊的振動和由於其可能使用的不同環境產生的變化的熱工作情況。意識到這點，微電子行業已經採用了標準來測量直接處於這樣的情況下的各種微電子部件的情況如何，例如印刷電路板(PCB)及其安裝的部件。
所述標準的一個例子是JEDEC標準(JESD22-B111)，該標準能夠在衝擊測試下確認部件-板連接的合格。但是JEDEC測試需要將部件組裝到PCB上，當單獨出於測試目的這樣做時，該過程成本效率不高。關於測試，由於至少兩個原因，使得本行業使用標準的球狀壓接端切變強度測試機實行的錫球剪切不是令人滿意的。首先，由於其低的剪切速度，該球狀壓接端切變強度測試機不能產生測試失敗的期望模式。其次，錫球的微小的樣本提出了挑戰，因為當使用例如Charpy或Izod測試機等標準衝擊測試機時，由於其缺少足夠的測試解析度，錫球的尺寸和形狀阻礙了失敗的精確特性。
在PCB部件的情況下，Siviour等[Dynamic Properties of Solders and SolderJoints，J.Phys.IV France110(2003)]描述了使用Instron加載機來研究變化的應變速率對PCB焊錫連接的影響的試驗。該焊錫連接包括錫球，固定到聚合物基底上的銅焊盤。在研究中，黃銅刀片以給定速度衝擊錫球，並且記錄了剪切所述錫球所需的載荷。但是，剪切速度在略高於1m/s的速度達到最大值，這意味著在該研究中獲得的剪切速度的範圍相當有限。
更近期的Date等的[Impact Reliability of Solder Joints，2004 ElectronicComponents and Technology Conference，2004]描述了用於焊錫連接的機械測試設備。該機械測試使用擺動衝擊測試進行，其中該擺動機構使測試剪切速率在0.1mm/s-1.4m/s的範圍之間。該焊錫連接的斷裂能被認為等於該擺動在其已經衝擊該焊錫連接之後的動能的減少。但是Date等人描述的方法的缺陷在於，只提供了斷裂能，沒有測量關於斷裂強度的信息。而且，將擺裝置的動能損失(期望)歸結於焊錫連接的斷裂能的準確性是可疑的，因為動能的變化可能由其他損失造成，例如除了在衝擊焊錫連接時消耗的能量，還有由於擺裝置的振動和熱及聲音造成的損失。
雖然已經進行了上述的研發，仍然存在對微電子連接衝擊測試儀的需要，其能夠產生期望的失敗測試模式來提供不僅關於斷裂能的定量的和準確的測量，而且提供關於微電子連接的斷裂強度的測量。還期望提供一種衝擊測試儀，通過該衝擊測試儀，可獲得微小尺寸和形狀的測試樣本上的簡單可重現的結構。而且，還期望提供一種成本效益高的測試儀，其對於微電子行業應用在大規模生產上也是商業可行的。
為了解決上述問題，並且實現上述需要，根據本發明提供了一種具有根據本獨立權利要求的特徵的衝擊測試儀。
發明內容
根據本發明，微衝擊測試設備，用於測量其上受到衝擊的微電子樣品的衝擊特性，包括用於容納待測樣品的樣品架，和衝擊裝置。該衝擊裝置包括，根據本發明的一個方面，衝擊頭、支撐部件、至少一個連接元件和第一撓性彈簧。支撐部件連接到連接元件，以使第一撓性彈簧牢固地以其一端連接到支撐部件，並且以其另一端連接到連接元件。該衝擊裝置還包括至少基本與所述第一撓性彈簧相同的第二撓性彈簧，其中，由於第二撓性彈簧牢固地以其一端連接到連接元件，並且以其另一端連接到衝擊頭，所以該連接元件連接到該衝擊頭。該第二撓性彈簧相對於該第一撓性彈簧的布置使得在撓性彈簧的未加載狀態中，該第一和第二撓性彈簧的端部形成矩形。
根據本發明的第二方面，用於測量受到衝擊的微電子樣品的衝擊特性的微衝擊測試設備包括用於容納待測樣品的樣品架，和衝擊裝置。該衝擊裝置包括衝擊頭、支撐部件和至少第一撓性彈簧，該第一撓性彈簧以其一端連接到支撐部件，並且以其另一端連接到衝擊頭的第一側。該衝擊裝置還包括至少第二撓性彈簧，該第二撓性彈簧至少基本與所述第一撓性彈簧相同，並且以其一端連接到支撐部件，以其另一端連接到衝擊頭的第二側，所述第二側與其所述第一側相對。
根據上述衝擊測試設備的實施方式，該衝擊頭可相對於該第一和第二撓性彈簧沿彈簧加載位置(加載位置)和其衝擊位置之間的線性線平移移動。而且，樣品架與該衝擊裝置對準，以使容納在所述測試樣品架中的測試樣品布置在所述衝擊頭的衝擊位置中。這使得該衝擊頭在沿所述線性線從其加載位置朝向其衝擊位置移動後，能夠精確地衝擊樣品。為了使該衝擊頭在釋放時向該測試樣品提供所需的精確的剪切力，該線性移動很重要。該衝擊頭的線性移動也是使該測試設備能夠在微小尺寸和形狀的測試樣品上進行測試必不可少的。
另外，使用上述包括撓性彈簧的布置的其他優點還在於，所述撓性彈簧是無摩擦的，當放置在相對於該支撐部件垂直的布置中時，提供衝擊頭無振動的線性運動，並且具有高的硬度。
關於上述實施例，應注意到，由第一和第二彈簧端部限定的矩形的形成不總是必需的。如果平行的相對應的彈簧的長度互不相同，仍然可能通過改變彈簧的特性，例如硬度等獲得相同的線性效果，即衝擊頭的精確的線性運動。
在本發明的另一個實施例中，如上所述的微衝擊測試設備還包括第三和第四撓性彈簧，其至少基本與所述第一和第二撓性彈簧相同。該第三和第四撓性彈簧以與該第一和第二撓性彈簧相同的方式分別連接到支撐部、連接元件和衝擊頭。
在另一個實施例中，上述的微衝擊測試設備只包括第三撓性彈簧。在該實施例中，以與該第一撓性彈簧相同的方式，該第三撓性彈簧的一端連接到支撐部，並且該撓性彈簧的另一端連接到連接元件。該第一和第二撓性彈簧的端部在該第二撓性彈簧的一側上形成矩形，並且該第二和第三撓性彈簧的端部在該第二撓性彈簧的相對側上形成矩形。該撓性彈簧的特性設計成確保衝擊頭可沿所述線性線移動。在任何上述實施例中，該撓性彈簧可以相對於彼此至少基本重疊的關係在衝擊頭的一側上布置在一起。換句話說，當在衝擊頭的移動方向看時(俯視)，該撓性彈簧將顯示為至少基本相互重疊。在上述實施例中，當微衝擊測試設備的撓性彈簧以相對於彼此至少基本重疊的關係布置在衝擊頭的一側上時，該撓性彈簧可連接到單個的連接元件。
但是，在本發明其他的示例性實施例中，該設備還可包括第二套撓性彈簧。該第二套撓性彈簧的每一個撓性彈簧至少基本與所述第一撓性彈簧相同。該第二套撓性彈簧連接到該衝擊頭的基本相對側上的另一個連接元件。如上所述，當在該衝擊頭的移動方向看時，在該衝擊頭的相對側上的所述第二套撓性彈簧的該撓性彈簧以相對於彼此至少基本重疊的關係布置。在這些本發明的實施例中，該撓性彈簧在該衝擊頭每一側上的布置可有利地關於所述線性線對稱。換句話說，該第二套撓性彈簧的布置基本上以鏡像反映出該第一套撓性彈簧的布置。
在該方面中，應注意，術語「基本相對」可以理解為該第一和第二套彈簧可如上所述成鏡像，即以分開180度放置。但是，該術語也可理解為這兩套彈簧以給定角度分開，該角度由這兩套彈簧之間的徑向關係產生，當在所述線性運動方向看時，以該衝擊頭作為原點。
另外，在這些實施例中，當兩套彈簧將該衝擊頭在每套彈簧的每一側連接到各自的連接元件時，該彈簧在相對側上的布置也可以是不對稱的。
此時，應注意，在任何前述實施例或下述實施例中，術語撓性彈簧指彈簧相對於本設備的作用方式，即通過沿單條直線的線性方向的振動。該撓性彈簧的線性運動沿所述單條直線是單向的，當釋放時該撓形彈簧在沿從加載位置(撓曲狀態)到未加載位置(未撓曲狀態)的方向線性運動。
因此，該撓形彈簧可以是，但是不限於，板簧(monolithic)、片簧或槽口彈簧。槽口彈簧可以是例如沿其外邊緣具有楔形特徵或部分切除特徵的板簧。當槽口彈簧經受撓曲時，楔形部分既可以張開又可以縮短到偏置狀態，只有在釋放時才返回到其初始狀態。撓性彈簧的意思也可以延伸到包括例如撓性梁，其滿足根據本發明的衝擊測試設備的衝擊頭的彈性要求。
微衝擊測試設備的上述實施例的衝擊頭包括載荷元件、芯棒、載荷單元和擊針尖。該載荷單元、載荷元件和擊針尖可通過芯棒以共軸布置相互連接，以使所述布置沿線性位移直線延伸，該衝擊頭被撞擊時沿該線性位移直線移動。
上述實施例中的擊針尖適於在衝擊時在微電子測試樣品上施加剪切力。在其他實施例中，該擊針尖也可適於施加其他方向的力來模擬不同的失敗模式。關於這點，如果適當地調整和施加，除了施加剪切力，擊針尖也可以例如在測試樣品上施加張力(用於抗拉強度測試)或產生彎矩(用於彎曲測試)。
根據本發明的又一個實施例，該支撐部件在其中設置有通孔，其中該芯棒延伸穿過所述通孔，並且從所述通孔垂直地向外伸出。該芯棒的伸出端包括柱塞，來輔助芯棒的手動移動(當可應用時)。該芯棒可進一步由壓縮彈簧或拉伸彈簧支撐，其中該壓縮彈簧/拉伸彈簧共軸安裝在所述通孔中的芯棒的該部分上，以使彈簧的一端連接到支撐部件，彈簧的另一端連接到芯棒。
該壓縮彈簧可通過圓柱狀軸環驅動。該圓柱狀軸環的半徑大於芯棒的，並且在所述通孔的內壁部分和該圓柱狀軸環之間至多允許滑動接觸。該圓柱狀軸環布置成鄰接衝擊頭的頂部，並且與該芯棒共軸，以當芯棒升起時，其穿過所述通孔，直到其接觸該固定的壓縮彈簧時。在與該壓縮彈簧接觸後，芯棒的任何進一步的位移會導致該圓柱狀軸環壓縮該壓縮彈簧。在本發明的該實施例中，在擊針尖從其加載位置釋放時為了進一步增加該擊針尖的速度，提供了這樣的壓縮或拉伸彈簧。
在加載過程中，整個衝擊頭，包括擊針尖、載荷單元和載荷元件，沿所述線性線由芯棒平移。在平移過程中，連接到衝擊頭的撓性彈簧變為偏置，來使該衝擊頭返回到初始平衡位置。在實施例中，當需要附加的加速度時(所述附加的加速度通過包括附加的勢能來提供)，可按照下面所述包括之前提到的壓縮或拉伸彈簧。
例如，如在上面的實施例中所提到的，包括壓縮彈簧，當衝擊頭進入加載位置時，共軸布置在芯棒上的圓柱狀軸環開始壓縮該壓縮彈簧，由此產生又一種增加勢能的方法，該勢能可在衝擊頭釋放時轉化為動能。
載荷單元傳感器為轉換器，其將力轉換為可測量的電輸出。雖然有很多種載荷單元，壓縮載荷單元可用在本發明的設備中。但是代替壓縮載荷單元，可使用各種力轉換器，例如壓電轉換器和應力儀。關於這點，根據所使用的力測量裝置，所述傳感器既可以直接位於衝擊頭上，也可以其他方式。
再另一個實施例中，該微衝擊測試設備還包括線性可變差動變壓器(LVDT)傳感器。該LVDT傳感器嵌入在支撐部件中。其布置成圓柱狀地連接到通孔的內壁部分，並且與該支撐部件的通孔共軸對準。這樣，芯棒可至多與該LVDT傳感器的內表面滑動接觸。該LVDT傳感器提供關於芯棒的位移數據，其反過來可用來確定衝擊頭組件的速度和加速度。
LVDTs通常包括初級磁線圈、次級磁線圈和安裝在其位置正在被測量的目標物(芯棒)上的柱塞。在本設備中，芯棒的位移引起次級線圈互感係數相對於初級線圈的變化，因而從初級線圈到次級線圈感應的相對電壓也將變化。這使得芯棒(及連接的衝擊頭組件)的位移能夠被精確地測量。除了使用LVDTs來測量芯棒的位移，例如也可使用磁阻、光學三角、光電、位置位移、超聲波和可變電阻技術傳感器。
在本發明的另一個實施例中，微衝擊測試設備還包括速度控制塊，通過引導元件安裝在支撐部件的頂上。速度控制塊精確定位成其位於基本沿與芯棒(因此衝擊頭也一樣)的移動相同的線性線。速度控制塊具有連接裝置，用於以可拆卸的方式連接到從支撐部件的通孔向外伸出的芯棒的部分，特別地，連接到位於頂上的柱塞。這使得該速度控制塊能夠接合芯棒的頂部伸出部分，由此將芯棒和整個衝擊頭組件保持在加載位置，直到其準備釋放來到達衝擊位置。如前面所述，芯棒的頂部伸出部分可包括柱塞。當衝擊頭在加載位置中時，所述柱塞起輔助將芯棒連接到速度控制塊或將芯棒從速度控制塊脫離的作用。
引導元件提供速度控制塊沿所述線性線的調節，並且由此調節與衝擊頭有關的撓性彈簧的變形程度。這反過來改變該衝擊頭組件的勢能。所使用的引導元件可以是滑軌或狹槽系統，只要其能夠使速度控制塊沿所述線性線移動。
在包括速度控制塊的實施例中，該連接裝置可以是，但不限於，機械螺釘、夾緊裝置或磁體。該磁體可以是電磁鐵的形式，通過分別接通和切斷電流來起作用和不起作用。
本發明設備的所有前述實施例都包括樣品架。該樣品架包括樣品夾緊裝置、安裝板和三維轉臺。該安裝板安裝在轉臺上。安裝板的頂上固定有用於夾持測試樣品的樣品夾緊裝置。轉臺的位置(因此也是夾具的位置)可通過用於X、Y和Z方向中之一的三個千分尺的每一個精確地調節。也可通過包括旋轉給定角度θ的樣品夾具調節測試樣品上的衝擊角度。
在本發明的又一個實施例中，微衝擊測試設備的樣品架還包括顯微鏡或電荷耦合裝置(CCD)攝影機或其組合。該顯微鏡能夠監控和檢查非常小的測試樣品在樣品架中的精確定位，以獲得準確的用於撞擊的衝擊位置。
在另一個微衝擊測試設備的實施例中，所述設備還包括測試樣品溫度調節裝置。該樣品溫度調節裝置可適於在例如-40℃-100℃的寬的範圍內改變測試樣品周圍環境的溫度。
如上所述，根據本發明的第二方面，用於測量受到衝擊的微電子樣品的衝擊特性的微衝擊測試設備包括用於容納待測樣品的樣品架，和衝擊裝置。該衝擊裝置包括衝擊頭、支撐部件和至少第一撓性彈簧，該第一撓性彈簧以其一端連接到支撐部件，以其另一端連接到衝擊頭的第一側。該衝擊裝置還包括至少第二撓性彈簧，該第二撓性彈簧至少基本與所述第一撓性彈簧相同，並且以其一端連接到支撐部件，以其另一端連接到衝擊頭的第二側，所述衝擊頭的第二側基本與其所述第一側相對。
根據本發明該方面的衝擊頭，可相對於該撓性彈簧沿彈簧加載位置和衝擊位置之間的線性線平移移動。樣品架與衝擊裝置對準，以使樣品布置在該衝擊頭的所述衝擊位置，使樣品頭能夠在釋放時沿所述線性線從其加載位置朝向其衝擊位置移動後衝擊在樣品上。
根據本發明該方面的又一個實施例，該設備還包括附加的偶數個基本相同的撓性彈簧。該偶數個撓性彈簧以與那些第一和第二撓性彈簧相同的方式連接到該設備的各結構元件，以使相等數量的撓性彈簧連接到衝擊頭的每一側上。
在示例性的實施例中，撓性彈簧可以並排的方式布置在衝擊頭的每一側上，即彈簧可位於一個平面中。可選地，當在衝擊頭的移動方向看時，衝擊頭每一側上的撓性彈簧可以至少基本相互重疊的關係布置。
還應注意，為了使衝擊頭沿所述線性線移動，根據上面描述的本發明第二方面，該微衝擊測試設備的撓性彈簧應每一個在其縱向方向具有一定彈力。可選地，該撓性彈簧可連接到支撐部件和/或衝擊頭來確保當撓曲時所發生的撓性彈簧長度的變化視為相同。這可在例如衝擊頭包含凹槽的情況下來獲得，在該凹槽中撓性彈簧可滑動地被支撐。
通常，還應注意，本發明的一個重要特徵在於，提供一種微衝擊測試設備，其中衝擊頭以這樣的方式由撓性彈簧懸掛確保該衝擊頭在其彈簧加載位置和其衝擊位置之間的精確線性移動。雖然至此已經描述了根據本發明的微衝擊測試設備的不同的具體實施例，但是應可理解，實現上述要求的其他實施方式也應落入本發明的範圍和精神內。
作為一個例子，與本發明的第一方面有關的所描述的撓性彈簧可以不必相同。例如，一個撓性彈簧可比另一個長。與撓性彈簧的特性應該使其相互設計來確保衝擊頭的由所述懸掛系統產生的所述線性移動，該懸掛系統由在本發明某個實施例中所使用的所有撓性彈簧形成。
還應注意，所有上述和後面的實施例中的每一個可以垂直或水平的方式布置。垂直布置可以是這樣的一個，其中在衝擊頭從更高的重力勢能位置向更低的重力勢能位置移動時，利於了重力的作用。在水平布置中，重力沒有起作用，而是所需的勢能只由撓性彈簧的作用產生，並且在可適用的情況下，與附加的壓縮(或扭)彈簧結合使用。
下面的附圖和本發明及實施方式的例子的詳細描述將進一步輔助理解該微衝擊測試設備及其根據本發明的不同的實施例。但是所述附圖和實施例不應被解釋為將本發明限制到所示出的實施例。
圖1顯示了根據本發明的微衝擊測試設備的立體視圖，包括樣品架、C形支撐部件和衝擊頭組件；圖2顯示了圖1的示例性實施例的側視圖，其中衝擊頭通過連接元件直接連接到C形支撐部件；圖3顯示了圖2的另一個示例性實施例的側視圖，其中衝擊頭通過單個撓性彈簧直接連接到連接元件；圖4示出衝擊測試設備的另一個實施例，其中撓性彈簧將衝擊頭連接到成角度的支撐部件；圖5是如圖4中所示的又一個示例性實施例，其中衝擊頭的兩側通過分開180°的撓性彈簧間接地通過連接元件以對稱方式連接到倒U型支撐部件；圖6是本發明第二方面的實施例，其具有兩個撓性彈簧，每一個以一端連接到衝擊頭的相對側，並且以另一端直接連接到倒U型支撐部件；
圖7是本發明第二方面示例的側視圖，除了兩對彈簧改為直接將倒U型支撐部件連接到衝擊頭，如圖6中所示的一樣。
圖8示出在衝擊測試過程中由衝擊頭撞擊之前的測試樣品(焊錫連接)；圖9A-9C為分別模擬各種失敗模式的基底和擊針尖的可能的布置和調整的例子；圖10顯示了當進行使用本設備的衝擊測試時用於各種錫基焊錫合金的載荷對時間的曲線圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖對本發明的各種實施方式的例子進行描述。
圖1顯示了根據本發明的微衝擊測試設備的立體視圖，包括樣品架12，13，14和15、C形支撐部件7和衝擊頭112。衝擊頭包括擊針尖2、載荷單元5、載荷元件4和芯棒8。柱塞32安裝在組件112頂上，具體地安裝在芯棒頂上，柱塞32在下面的所有實施例中都存在。
該實施例還包括四個撓性彈簧101，102，103和104，用於產生移動部件，即衝擊頭112的衝擊能。速度控制塊9安裝在C形支撐部件7的頂上，並且用於在設備加載過程中將柱塞32固定在位。隨後，速度控制塊9能夠釋放柱塞32，並且因此也釋放衝擊頭組件112。速度控制塊9在支撐部件7上方的高度可通過滑動導向裝置11來調節。速度控制塊9包括能夠固定並且隨後釋放柱塞32的連接機構10。將速度控制塊9安裝在滑動導向裝置11可使撓性彈簧101，102，103和104經受的變形的調節通過速度控制塊9的高度來控制。所述速度控制塊9高度的調節在衝擊頭組件112釋放之前對應於由撓性彈簧101，102，103和104提供的勢能的變化。
如上所述，圖1的實施例還包括樣品架12，13，14和15。樣品架12，13，14和15包括轉臺14，樣品夾緊裝置12，安裝板13和三個千分尺。轉臺14可在用於樣品位置調節的三個軸內移動。樣品夾緊裝置12牢固地安裝在安裝板13上。安裝板13反過來安裝在轉臺14上。轉臺14的位置可通過三個千分尺15在X，Y和Z方向精確地調節。
也可通過包括可旋轉約給定角度θ的樣品支架來調節樣品上的衝擊角度。在其他示例性實施例中，可包括千分尺(未顯示)來使樣品精確對準。在這樣的實施例中，千分尺可設置來在兩個方向中監控對準，一個方向是從設備前面(即沿撓性彈簧的長度)，和/或從側面(即沿撓性彈簧的寬度)。
圖2顯示了本發明一個示例性實施例的側視圖，其中衝擊頭112通過連接元件200間接地連接到C形支撐部件7。撓性彈簧102和103將衝擊頭的一側連接到連接元件200。如上所述，衝擊頭組件112的撞擊速度主要通過撓性彈簧101，102，103和104控制。
在加載過程中，如上所述，衝擊頭組件112朝向速度控制塊9移動。在衝擊頭組件112到速度控制塊9的移動和隨後柱塞32到速度控制塊9的連接過程中，撓性彈簧102和103在移動方向中偏轉。因此，撓性彈簧102和103的偏轉使衝擊頭112朝向連接元件200向上和向裡平移(即沿撓性彈簧的長度向裡)。因此，連接元件200還在上述衝擊頭112的位移方向移動。撓性彈簧101和104的對應的向上偏轉導致連接元件200朝向衝擊頭112平移(即沿所述撓性彈簧的長度向外)。
因此，連接元件200的向外平移和衝擊頭112的向裡平移(其中所述平移以相等速率發生)導致抵消作用，這使衝擊頭112在自然平衡位置(未加載狀態)到加載位置之間向上移動時，保持在單個平面中(在直線上)。
衝擊頭112的撞擊速度還可如所顯示的通過將壓縮彈簧16插入C形支撐部件7的通孔中來增加。在圖中，壓縮彈簧16共軸地安裝於芯棒8上。芯棒8可與所述壓縮彈簧16滑動接觸。可通過調節螺紋塊17來預加載壓縮彈簧16。當衝擊頭組件112朝向速度控制塊9移動時，壓縮彈簧16通過圓柱狀軸環18而被壓縮，該圓柱狀軸環18可與芯棒8共軸安裝，並且可存在於前面或後面的實施例中，起和這裡所描述的相同的作用。由壓縮彈簧16產生的附加勢能加入到衝擊頭112可得到的勢能。在釋放時，由壓縮彈簧16產生的附加的勢能將轉化為動能，由此將擊針尖2沿線性路徑發送來衝擊在測試下的焊錫連接樣品。
本實施例的C形支撐部件7還包括通孔，其中設置有LVDT傳感器6。上述壓縮彈簧16、螺紋塊17和芯棒8的布置在所述通孔中進行。芯棒8以共軸布置穿過布置在通孔中的壓縮彈簧16和LVDT傳感器6，芯棒8的一部分從該通孔的頂部伸出。在通孔的大約一半的部分，存在收縮部特徵，由此所述收縮部為減小直徑的臺階特徵。該具有減小直接的通孔部分(更靠近速度控制塊9一側上的開口設置)對於至多與LVDT傳感器6滑動接觸的芯棒是足夠的。LVDT傳感器6沿通孔的所述減小直徑部分設置，並且可至多與芯棒8滑動接觸。
圖3顯示了圖2的另一個示例性實施例的側視圖，其中衝擊頭組件112通過單個撓性彈簧102直接連接到連接元件200。C形支撐部件7通常在C形的自由端具有向裡彎曲的部分。所述向裡彎曲的部分的彎曲程度基本相同，如實施例中所示，但是不限於恰好是直角。在這些向裡彎曲的部分處，撓性彈簧101和104的一端連接到C形支撐部件7，另一端連接到連接元件200。撓性彈簧101和104以相同的方式連接，以使所述撓性彈簧彼此平行。第三撓性彈簧103也布置成平行於前述彈簧101和104。關於三個撓性彈簧101，103和104的長度，在該特定實施例中，其為等長。但是，如上所述，每一個彈簧的長度可根據每一個單獨彈簧的硬度改變，只要最終的結果是衝擊頭112以前面描述的線性方式移動。
本實施例的運動本質上與上面描述的相同。當衝擊頭112升高到加載位置時，衝擊頭112將趨向於以弧形移動，由此組件112和連接元件之間的距離減小。該移動在彈簧102朝向C形支撐部件7的上部水平部分向上撓曲和彎曲時發生。
但是，衝擊頭112的升高還同時使連接元件200也升高。由於連接元件200的向上運動，彈簧104和102也向上撓曲，使連接元件200和間接連接的衝擊頭向外平移，如上所述。
因此，雖然在向上移動過程中衝擊頭112關於連接元件200的距離減小，但是連接元件200關於C形支撐框7的垂直部分的距離同時增加，即連接元件向外移動。這兩種運動的組合相互抵償，並且使衝擊頭組件112保持在一個垂直平面中。因此，組件112的移動是線性的，同時所述組件在加載位置到衝擊位置之間平移。
圖4是衝擊測試設備的又一個實施方式的示例，其中四對撓性彈簧101，102，103和104在衝擊頭組件112的相對側連接到成角度的支撐部件400。該成角度的支撐部件400例如從頂面看，可以實質上看作是兩個連接在一起的C形支撐部件，或者看作是圍繞中心軸側向彎曲形成V型的倒U型支撐部件30。圖4的實施例中所示的V型的角度為直角(90度)。但是，在其他實施例中，該角度可以在0度到180度之間任意變化。
每一對撓性彈簧101，102，103和104位於其各自的水平面中，即每個平面至少有兩個撓性彈簧，布置在組件112的每一側。換句話說，撓性彈簧在組件112相對側上的布置可實質上是第一套撓性彈簧的鏡像。撓性彈簧對例如102和103連接到衝擊頭組件112的載荷元件4。其餘對撓性彈簧將連接元件200連接到成角度支撐部件400。
圖5示出本發明第一方面的又一個示例性實施例。在該示例性實施例中，衝擊頭112的相對側通過兩個連接元件200間接連接到倒U型支撐部件30。在該示例性實施例中，衝擊頭包括載荷元件4、載荷單元5、擊針尖2和芯棒8。載荷元件4的這兩個相對端通過四對撓性彈簧101，102，103和104連接到位於衝擊頭組件112相對側上的兩個連接元件200。撓性彈簧102和103到載荷元件的布置與圖1和2中的相同。連接元件200通過另外兩對撓性彈簧101和104連接到倒U型支撐部件30。撓性彈簧對101，102，103和104和連接元件200相對於衝擊頭布置和連接成撓性彈簧101，102，103和104及連接元件200關於線性移動路徑對稱。實質上，撓性彈簧在上述實施例中可以直接相對的方式或彼此成角度布置在衝擊頭的任一側上。
在衝擊頭組件112加載過程中，芯棒8將向上移動，由此使撓性彈簧102和103朝向速度控制塊9偏轉。速度控制塊9可以兩種方式連接到衝擊頭。首先，速度控制塊9可沿滑動導向裝置11調節來到達柱塞32，或可選地，在又一個例子中，柱塞32朝向速度控制塊9向上拉動。在每一種方法中，在柱塞32到達速度控制塊9時，連接裝置10可被用來將柱塞32固定在所述的預定高度，直到隨後釋放。連接元件在本實施例中的作用與上面描述的相同。如果芯棒朝向速度控制塊9移動足夠多，並且螺紋塊17允許壓縮彈簧16的任何預加載，則圓柱狀軸環18將還用於壓縮該壓縮彈簧16來為衝擊頭組件112提供附加的勢能。
圖6是衝擊測試設備的第二方面實施例的示例的測試圖，其中衝擊頭組件112的相對側直接連接到倒U型支撐部件30。如圖1-5中所示的前述實施例，衝擊頭組件112、芯棒8和速度控制塊9的連接/脫離裝置的對準是垂直和共線的。在該示例性實施例中，載荷元件4通過撓性彈簧對101直接連接到倒U型支撐元件30。撓性彈簧101以非剛性滑動方式連接到載荷元件4，以當衝擊頭112被加載時，撓性彈簧101的端部在載荷元件4中滑動。換句話說，載荷元件4可具有小的凹部，例如撓性彈簧的所述端部布置成能夠在其中滑動。
可選地，撓性彈簧101可以是這樣的材料，其允許存在一定程度的彈性應變。換句話說，除了在側向(寬度方向)有彈性，撓性彈簧101還可以在縱向(長度方向)有彈性。
圖7是圖6的又一個實施例的側視圖，具有兩對撓性彈簧101，102，每一對以一端連接到衝擊頭的相對側，另一端直接連接到倒U型支撐部件30。如上所述，加載過程與圖6中描述的實施例相同。圖6的實施例與圖7的區別特徵在於存在另外一對將載荷元件4連接到倒U型支撐元件30的撓性彈簧102。該另外一對撓性彈簧102以與第一對撓性彈簧101相同的平行方式連接到載荷元件4。
圖8示出衝擊測試過程中通過擊針尖2的焊錫連接的撞擊。樣品固定組件包括底部固定塊12a和夾緊部件12b。測試樣品3可由螺釘12c固定。當擊針尖2在圖7中所示的方向中線性平移時，將以相同的方向在測試樣品3上施加剪切力。
圖9A-9C為分別模擬各種失敗模式的基底和擊針尖的可能的布置和調整的例子。圖9A顯示了在其他實施例中擊針尖2怎樣可調整來在受到張力時進行測試樣品3的強度測試。在該示出的實施例中，擊針尖2包括兩個關於共同的對稱線向外延伸的臂。顯示的測試樣品(焊錫球)3為連接兩個基底，並且衝擊由擊針尖的兩個臂對著下部基底施加，頂部基底保持固定。這使得測試樣品3在失敗發生前經受均勻狀態的張力。
圖9B是張力測試怎樣實現的又一個示例性實施例。在該具體實施例中，衝擊力施加到下部基底的一側。因此，在該實施例中，撞擊部件(未顯示)不需要如前述實施例中的兩個臂。
圖9C是使用本發明衝擊測試設備的彎曲測試應用的例子。在該實施例中，擊針尖2在頂部基底上施加力。同時，底部基底也具有至少兩個施加的力，以使頂部基底上的力的方向傳送到施加在底部基底上的兩個力之間。因此，這導致固定測試樣品3的基底彎曲。如圖9A中使用的擊針尖可在應用前述彎曲測試時用於衝擊底部基底。
圖10顯示了用於各種經受使用如圖2中所示的實施例的衝擊測試的錫基焊錫合金的載荷對時間的曲線圖。樣本包括安裝在具有有機表面保護層(OSP)的有機基底上的直徑為400μm的焊錫球。使用微衝擊設備施加到各測試樣本的剪切速度為600mm/s。圖8中示出的結果顯示出，樣本(a)和(b)比樣本(c)-(e)更具延展性。
出於說明和描述目的已經提供了對各實施例的描述。其不是旨在詳盡或將本發明限制到公開的精確形式，明顯地，可能在本公開的教導的啟發下做出很多改進和改變。應可理解，本發明的範圍由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種微衝擊測試設備，用於測量其上受到衝擊的微電子樣品的衝擊特性，所述設備包括樣品架，用於容納待測樣品，和衝擊裝置，包括衝擊頭，支撐部件，至少一個連接元件，第一撓性彈簧，其中，由於所述第一撓性彈簧牢固地以其一端連接到所述支撐部件，並且以其另一端連接到所述連接元件，所以所述支撐部件連接到所述連接元件上，和第二撓性彈簧，至少基本與所述第一撓性彈簧相同；其中，由於所述第二撓性彈簧牢固地以其一端連接到所述連接元件，並且以其另一端連接到所述衝擊頭，所以所述連接元件連接到衝擊頭上，以在所述撓性彈簧的未加載狀態中，使所述第一和第二撓性彈簧的端部形成矩形，由此所述衝擊頭可相對於所述第一和第二撓性彈簧沿線性線在彈簧加載位置和其衝擊位置之間橫向移動，並且其中所述樣品架與所述衝擊裝置對準，以使所述樣本布置在衝擊頭的所述衝擊位置中，使所述衝擊頭在其從所述加載位置釋放時，從其加載位置沿所述線性線朝向其衝擊位置移動後，能夠衝擊在所述樣品上。
2.根據權利要求1所述的微衝擊測試設備，還包括至少基本與所述第一撓性彈簧相同的第三和第四撓性彈簧，其中所述第三和第四撓性彈簧分別以與所述第一和第二撓性彈簧相同的方式連接到所述支撐部件、所述連接元件和所述衝擊頭上。
3.根據權利要求1所述的微衝擊測試設備，還包括第三撓性彈簧，其中所述第三撓性彈簧以與所述第一撓性彈簧相同的方式連接到所述支撐部件和所述連接元件，以使所述第一和第二撓性彈簧的端部在所述第二撓性彈簧的一側上形成矩形，所述第二和第三撓性彈簧的端部在所述第二撓性彈簧的相對側上形成矩形，並且其中所述撓性彈簧的特性設計成能夠確保衝擊頭可沿所述線性線移動。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的微衝擊測試設備，其中當在所述衝擊頭的移動方向看時，所述撓性彈簧以相對於彼此至少基本重疊的關係布置在所述衝擊頭的相同側上。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的微衝擊測試設備，其中當在所述衝擊頭的移動方向看時，所述撓性彈簧連接到一個連接元件，並且以相對於彼此至少基本重疊的關係布置在所述衝擊頭的一側上，所述設備還包括第二套撓性彈簧，其至少基本與所述撓性彈簧相同，並且當在所述衝擊頭的移動方向看時，以相對於彼此至少基本重疊的關係在所述衝擊頭的相對側上連接到另一個連接元件，以使所述撓性彈簧和所述第二套撓性彈簧的布置關於所述線性線對稱。
6.根據前述權利要求中任一項所述的微衝擊測試設備，其中所述撓性彈簧為板簧、片簧和槽口彈簧。
7.根據前述權利要求中任一項所述的微衝擊測試設備，其中所述衝擊頭包括載荷元件，芯棒，載荷單元，和擊針尖，其中所述載荷單元、載荷元件和擊針尖通過所述芯棒相互連接，以使所述擊針尖和所述芯棒沿所述線性線延伸。
8.根據權利要求7所述的微衝擊測試設備，其中所述擊針尖用於在衝擊時將剪切力施加在所述微電子測試樣品上。
9.根據權利要求7所述的微衝擊測試設備，其中所述支撐部件具有通孔，所述芯棒延伸穿過所述通孔並且從所述通孔向外伸出，並由同軸安裝在所述芯棒上的彈簧支撐在所述通孔中，其中所述彈簧的一端連接到所述支撐部件上，所述彈簧的另一端連接到所述芯棒上。
10.根據權利要求7-9中任一項所述的微衝擊測試設備，還包括線性可變差動變壓器(LVDT)傳感器，其圓柱狀圍繞所述通孔並與所述通孔同軸地嵌入所述支撐部件中，以使所述芯棒至多與所述LVDT傳感器的內表面滑動接觸。
11.根據權利要求7-10中任一項所述的微衝擊測試設備，還包括速度控制塊，其具有以可拆卸的方式連接到所述芯棒的從所述支撐部件的通孔向外伸出的部分的連接裝置，以使所述衝擊頭預加載進入所述加載位置中。
12.根據權利要求11所述的衝擊測試設備，其中所述連接裝置為機械螺釘、夾具或磁體。
13.根據權利要求11所述的衝擊測試設備，其中所述速度控制塊通過引導元件而安裝在所述支撐部件上，所述引導元件提供速度控制模塊沿線性線的調節，由此調節所述衝擊頭的所述加載位置，從而調節所述衝擊頭的預加載。
14.根據前述權利要求中任一項所述的衝擊測試設備，其中所述樣品架包括顯微鏡或電荷耦合裝置(CCD)攝影機或其組合，和用於將測試樣品沿X、Y和Z軸牢固地保持的夾持部件。
15.根據前述權利要求中任一項所述的衝擊測試設備，還包括樣品溫度調節設備，用於使圍繞所述樣品的環境的溫度從-40℃變化到100℃。
16.一種微衝擊測試設備，用於測量其上受到衝擊的微電子樣品的衝擊特性，所述設備包括樣品架，用於容納待測樣品，和衝擊裝置，包括衝擊頭，支撐部件，至少第一撓性彈簧，以其一端連接到所述支撐部件，以其另一端連接到所述衝擊頭的第一側，和至少第二撓性彈簧，至少基本與所述第一撓性彈簧相同，並且以其一端連接到所述支撐部件，以其另一端連接到所述衝擊頭的第二側，所述衝擊頭的第二側與其所述第一側相對，由此所述衝擊頭可相對於所述撓性彈簧沿線性線在彈簧加載位置和衝擊位置之間橫向移動，並且其中，所述樣品架與所述衝擊裝置對準，以使所述樣品布置在所述衝擊頭的所述衝擊位置中，使所述衝擊頭能夠在其從所述加載位置釋放時沿所述線性線從其加載位置朝向其衝擊位置移動後衝擊在所述樣品上。
17.根據權利要求16所述的微衝擊測試設備，還包括附加的偶數個基本相同的撓性彈簧，其中所述偶數個撓性彈簧以與那些第一和第二撓性彈簧相同的方式連接到相應的元件上，以使相同數量的撓性彈簧連接到所述衝擊頭的每一側上。
18.根據權利要求16或17所述的微衝擊測試設備，其中在所述衝擊頭每一側上的所述撓性彈簧以並排方式布置。
19.根據權利要求16-18中任一項所述的微衝擊測試設備，其中當從所述衝擊頭的移動方向看時，在所述衝擊頭每一側上的所述撓性彈簧以至少基本相互重疊的關係布置。
全文摘要
一種微衝擊測試設備，用於測量其上受到衝擊的微電子樣品的衝擊特性。該設備包括容納待測樣品的樣品架，和衝擊裝置。衝擊裝置包括衝擊頭、支撐部件、至少一個連接元件和第一撓性彈簧。由於第一撓性彈簧牢固地一端連接到支撐部件，另一端連接到連接元件，所以支撐部件連接到連接元件。至少基本與第一撓性彈簧相同的第二撓性彈簧牢固地一端連接到連接元件，另一端連接到衝擊頭，以使第一和第二撓性彈簧的端部在其未加載狀態形成矩形。衝擊頭可相對於第一和第二撓性彈簧沿彈簧加載位置和其衝擊位置之間的線性線平移移動。樣品架與衝擊裝置對準，以使樣品布置在衝擊頭衝擊位置，使衝擊頭能夠在從加載位置釋放時沿線性線在從加載位置朝向衝擊位置移動後衝擊在樣品上。
文檔編號G01N3/30GK101091109SQ200680001560
公開日2007年12月19日 申請日期2006年4月27日 優先權日2005年4月29日
發明者蔡國慶, 王毅華, 拉宙嵐江二世 申請人:新加坡科技研究局, 伊利諾斯器械工程公司