一种微型焊点热电耦合测试方法技术

本发明专利技术为一种微型焊点热电耦合测试方法，属于材料制备与连接领域，采用直流电源获得所需电流密度，陶瓷加电热片与温度控制器控制焊点两端温度梯度，适用于微型焊点热电耦合可靠性测试的研究。该方法可以有效保证微型焊点两端的电流密度，温度梯度和热电耦合方向，从而在焊点电流密度，温度梯度和耦合方向可控的前提下获得具有可靠性的焊点热电耦合数据，并进行评价。

A test method for thermal coupling of miniature solder joints

The invention relates to a thermoelectric coupling test method for miniature solder joints, which belongs to the field of material preparation and connection. The required current density is obtained by DC power supply, and the temperature gradient at both ends of the solder joints is controlled by ceramic heating sheet and temperature controller. The method is suitable for the research of thermoelectric coupling reliability test for miniature solder joints. This method can effectively guarantee the current density, temperature gradient and thermoelectric coupling direction at both ends of the miniature solder joint, so that reliable thermoelectric coupling data can be obtained and evaluated under the premise of controllable current density, temperature gradient and coupling direction of the solder joint.

【技术实现步骤摘要】
一种微型焊点热电耦合测试方法
本专利技术为一种微型焊点热电耦合测试方法，属于材料制备与连接领域，采用直流电源获得所需电流密度，陶瓷加电热片与温度控制器控制焊点两端温度梯度，适用于微型焊点热电耦合可靠性测试的研究。该方法可以有效保证微型焊点两端的电流密度，温度梯度和热电耦合方向，从而在焊点电流密度，温度梯度和耦合方向可控的前提下获得具有可靠性的焊点热电耦合数据，并进行评价。
技术介绍
微电子封装产业随着集成电路技术的快速发展，电子封装变得更轻、更薄、更小、功能更强大，以满足人们对便捷、舒适、强大功能的追求。封装技术也从单一芯片层面集成向更高密度的2.5D/3D封装发展。在此过程中，焊点的特征尺寸从传统的70-100μm锐减为20μm甚至更小。由于焊点在电子封装中起到机械互连、电气互连以及热量耗散的多重作用，承载着力学、电学和热学的多场耦合，因而焊点尺寸的减小势必带来严峻的可靠性问题。作为引起材料失效的基础科学问题，电迁移(Electromigration,EM)和热电耦合(Thermomigration,TM)问题在焊点中表现日益突出，受到业界和研究学者的广泛关注。目前，在热电耦合的相关研究和文献中，获得较高且稳定的温度梯度以及可控的耦合方向一直是较为难解决的问题。目前，在热电迁移的相关研究和文献中，获得较高且稳定的温度梯度一直是较为难解决的问题。在以往的焊点热电迁移可靠性测试中，有研究者采用在焊点的一端通过水冷的方式降低一端温度，与不进行水冷的一端形成温度差，从而实现温度梯度，然而这种结构制作复杂，不能够同时进行电迁移测试，温度梯度也不易控制，不能够实现热电迁移实验的可靠性评价；还有研究者为了获得一定的温度梯度，使用焊点两侧不同面积的焊盘，由于散热面积不同，形成所需的温度梯度。但是热电迁移测试样品两侧尺寸差距太大，其与实际焊点加热面积的差异会造成热迁移可靠性数据的不可对比性。针对以上问题，本专利技术基于现有的用于热电耦合可靠性测试的微型焊点测试方法中存在的问题，设计了操作简单，可实现获得所需电流密度，温度梯度和耦合方向并可控的微型焊点热电耦合测试方法。
技术实现思路
本专利技术针对微型焊点难以实现热电耦合测试，制作出电流密度，温度梯度和热电耦合方向可控的热电耦合测试方法。在焊点焊盘的两端连接电源的正负极，使焊点处于通电状态，并且在焊点焊盘的一端连接陶瓷加热片及热电偶，使焊点两端存在温度差，从而使焊点处于热电耦合状态。通过控制陶瓷加热片、正极、负极所在焊盘两端中的某一端来控制热电耦合的方向。同时期望通过对焊点的焊接过程和热电耦合过程中界面IMC演变行为进行表征，得到SEM，EDS等一系列可靠性数据，最终达到深入评价微型焊点热电耦合可靠性的目的。为了达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案。一种微型焊点热电耦合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)实验所用焊盘由线切割制备，得到“凸”字形焊盘，“凸”字形焊盘尺寸不限；(2)去除焊盘表面的氧化物和有机污染物，将两个焊盘置于粘附双面胶的基板上，用钎料焊膏填充于两个焊盘的焊接面之间，并进行焊接，随后冷却，获得焊点；对焊点进行磨抛，得到可用于进行热电耦合测试的焊点，进行热电耦合实验及相关的可靠性测试；(3)在焊点焊盘的两端连接电源的正负极，使焊点处于通电状态，并且在焊点焊盘的一端连接陶瓷加热片及热电偶，使焊点两端存在温度差，从而使焊点处于热电耦合状态；(3.1)在焊点焊盘的两端分别控制正负极来控制电流方向；通过控制通电电流的大小及焊点界面面积来控制电流密度，获得具有特定电流方向及特定电流密度的电流；(3.2)通过使用陶瓷加热片给焊点一端升温，热电偶实时监测陶瓷加电热片温度，并用温度控制器控制温度；焊点另一端保持室温状态,使得焊点两端存在温度差，从而实现稳定的温度梯度。并且通过设置温度控制器的温度，可准确控制焊点焊盘一端的温度，实现焊点两端温度差的准确控制，使焊点两侧具有可控的温度梯度；(3.3)通过控制陶瓷加热片、正极、负极所在焊盘两端中的某一端来控制热电耦合的方向。当陶瓷加热片与电源正极处于同一端时，电迁移与热迁移方向一致；反之，当陶瓷加热片与电源负极处于同一端时，电迁移与热迁移方向相反；所述基板能够耐受重熔温度和电迁移温度并且不导电，采用印刷电路板等；所述焊盘采用Cu、Cu/Ni/Au，Cu/Cu6Sn5；钎料焊膏为所Sn基的二元合金、三元合金或四元合金；优选是二元合金SnCu系列、SnAg系列、SnZn系列、SnBi系列或SnIn系列，三元合金SnAgCu系列、SnAgBi系列或SnAgIn系列，四元SnAgBiIn系列无铅钎料。所述步骤(2)中的焊接，温度范围选择150℃到360℃；步骤(2)中的冷却，选择随炉冷却、空冷、风冷、水冷或油冷的冷却方式。步骤(2)中相关的可靠性测试是焊点界面微观组织观察、成分分析、热电耦合实验。本专利技术的优点在于能够实现可控的电流密度、温度梯度、热电耦合方向的热电耦合测试。通过控制电流大小及样品截面面积，获得可控的电流密度；通过控制焊点两端的温度差，获得稳定可控的温度梯度；通过控制正极、负极与加热陶瓷片的放置位置，获得可控的热电耦合方向。其工艺简单，成本低廉，在获得可控的电流密度、温度梯度、热电耦合方向得前提下获得具备可靠性的焊点热电耦合数据，并进行评价。附图说明图1：微型焊点结构照片；图2：“凸”字形焊盘尺寸；图3：微型焊点热电耦合测试示意图：电迁移与热迁移方向一致；图4：微型焊点热电耦合测试示意图：电迁移与热迁移方向相反。具体的实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实例1：以下内容结合图1、2和3具体阐述本专利技术的实施方式。1、Cu焊盘准备：将纯度大于99.99wt％，用线切割方式制作铜焊盘，“凸”字形Cu焊盘尺寸如图2所示；2、将Cu焊盘放入丙酮中超声5-10分钟，然后放入配制好的30vol.％硝酸水溶液中浸泡5分钟，去除Cu焊盘表面氧化物和污染物，最后将其放入无水乙醇中进一步超声清洗，清洗完毕烘干备用；3、在10mm×10mm×1.5mm的印刷电路板上粘附耐高温双面胶，并将两个Cu焊盘置于其上，间距为200μm，并且保证Cu焊盘的平行性。用尖头木棒将Sn0.3Ag0.7Cu钎料焊膏填充于两个Cu焊盘之间，采用热风回流焊接机(同志科技，TN380C)进行焊接，在空气中冷却，得到Cu/Sn0.3Ag0.7Cu/Cu对接焊点，并进行磨抛，获得可用于测试的焊点，其截面尺寸为400μm×400μm；4、在焊点焊盘的左端连接电源负极，右端连接电源正极，将陶瓷加热片置于焊盘电源右端，与电源正极处于同一侧，使得电热耦合方向一致，进行热电耦合测试。电流设定的温度为16A，电流通过的截面面积为0.16×10-2cm2，根据公式：J＝I/A，(其中，I是电流，J是电流密度，A是截面面积)计算获得此焊点实际电流密度为1×104A/cm2。温度控制器设定的温度为180℃，焊点两端温度差为8℃，通过温度梯度计算公式：gradT＝△T/h(其中gradT：温度梯度，△T：焊点两端温度差，h：焊缝宽度)计算获得的此焊点实际温度梯度为4×103℃/cm。通过对比热电耦合测试前后的数据，可以分析并评价焊点的热电耦合可靠性。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型焊点热电耦合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)实验所用焊盘由线切割制备，得到“凸”字形焊盘，“凸”字形焊盘尺寸不限；(2)去除焊盘表面的氧化物和有机污染物，将两个焊盘置于粘附双面胶的基板上，用钎料焊膏填充于两个焊盘的焊接面之间，并进行焊接，随后冷却，获得焊点；对焊点进行磨抛，得到可用于进行热电耦合测试的焊点，进行热电耦合实验及相关的可靠性测试；(3)在焊点焊盘的两端连接电源的正负极，使焊点处于通电状态，并且在焊点焊盘的一端连接陶瓷加热片及热电偶，使焊点两端存在温度差，从而使焊点处于热电耦合状态；(3.1)在焊点焊盘的两端分别控制正负极来控制电流方向；通过控制通电电流的大小及焊点界面面积来控制电流密度，获得具有特定电流方向及特定电流密度的电流；(3.2)通过使用陶瓷加热片给焊点一端升温，热电偶实时监测陶瓷加电热片温度，并用温度控制器控制温度；焊点另一端保持室温状态,使得焊点两端存在温度差，从而实现稳定的温度梯度；并且通过设置温度控制器的温度，可准确控制焊点焊盘一端的温度，实现焊点两端温度差的准确控制，使焊点两侧具有可控的温度梯度；(3.3)通过控制陶瓷加热片、正极、负极所在焊盘两端中的某一端来控制热电耦合场的方向；当陶瓷加热片与电源正极处于同一端时，电迁移与热迁移方向一致；反之，当陶瓷加热片与电源负极处于同一端时，电迁移与热迁移方向相反；步骤(3)中电热耦合方向为电流方向，与温度梯度方向相同或相反。...

【技术特征摘要】
1.一种微型焊点热电耦合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)实验所用焊盘由线切割制备，得到“凸”字形焊盘，“凸”字形焊盘尺寸不限；(2)去除焊盘表面的氧化物和有机污染物，将两个焊盘置于粘附双面胶的基板上，用钎料焊膏填充于两个焊盘的焊接面之间，并进行焊接，随后冷却，获得焊点；对焊点进行磨抛，得到可用于进行热电耦合测试的焊点，进行热电耦合实验及相关的可靠性测试；(3)在焊点焊盘的两端连接电源的正负极，使焊点处于通电状态，并且在焊点焊盘的一端连接陶瓷加热片及热电偶，使焊点两端存在温度差，从而使焊点处于热电耦合状态；(3.1)在焊点焊盘的两端分别控制正负极来控制电流方向；通过控制通电电流的大小及焊点界面面积来控制电流密度，获得具有特定电流方向及特定电流密度的电流；(3.2)通过使用陶瓷加热片给焊点一端升温，热电偶实时监测陶瓷加电热片温度，并用温度控制器控制温度；焊点另一端保持室温状态,使得焊点两端存在温度差，从而实现稳定的温度梯度；并且通过设置温度控制器的温度，可准确控制焊点焊盘一端的温度，实现焊点两端温度差的准确控制，使焊点两侧具有可控的温度梯度；(3.3)通过控制陶瓷加热片、正极、负极所在焊盘两端中的某一端来控制热电耦合场的方向；当陶瓷加热片与电源正极处于同一端时，电迁移与热迁移方向一致；反之，当陶瓷加热片与...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭福，孙志洁，王雁，马立民，王乙舒，左勇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11