【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多物理场耦合试验台，尤其是提供一种以理论创新为基础在复杂电场、磁场及热场影响条件下金属迁移行为的试验台。
技术介绍
1、半导体功率器件的服役环境愈发严苛，这就要求电子封装技术与时俱进能够保证恶劣环境下的封装可靠性，现有金属可靠性的试验台主要集中在在单一载荷服役条件下进行。然而，尤其是以单一电场作用下的实验，会产生电迁移现象。
2、在中国专利文献上公开的“一种微焊点迁移测试装置”，其公开号为cn 218956725u，但其只涉及一种微焊点电迁移测试装置，属于电迁移设备领域，只考虑了焊点在电场载荷下的影响，其焊点本身以及其服役环境，所应用的范围有一定的局限性。
3、在此基础上部分研究人员也进一步提出了电-热耦合载荷条件下封装和金属失效研究，发现温度场对材料的电迁移现象有一定的影响。在实际生产生活中，金属材料应用所面临的服役环境往往是在多载荷共同作用下。特别是在电动汽车的应用上涉及到更高的要求、更好的质量。在其工作过程中，往往可能在遭受到外力冲击振动的同时，器件内部也会受到电流、温度以及磁场等载荷的叠加作用，电热磁多载荷存在的情况将会成为金属材料应用的常态服役环境，也是影响金属材料内部原子迁移的三个关键因素，是导致电子材料老化衰退和失效的主要原因。
4、随着芯片集成度的提高以及高功率芯片的迅速发展，单一的电子封装材料迁移实验技术台存在严重不足和缺失，严重影响了相关电子封装合金材料选择和应用。为增强材料的使用可靠性，单一的电场载荷装置已不能应对其使用环境。本专利技术特别提供了一种能够
技术实现思路
1、本专利技术是以金属材料在电场载荷条件下发生的迁移行为，提出理论补充和完善。电迁移是一种施加高电流密度时金属化结构中的原子质量传输现象，原子质量传输的过程受到多种驱动力的耦合作用，主要包括与电子动量交换产生的电子风力、浓度梯度、温度梯度以及应力梯度等。huntington等人对电迁移的驱动力给出了具体系统的研究，他们将金属原子或离子受到的库伦力与电子风力等效为一个电迁移力few，即：
2、few＝fe+fw＝ez*e (1)
3、其中z*为有效电荷数，e为电荷数，e为电场强度。
4、由电迁移力所引起的原子通量jem变化可表示为：
5、
6、其中：ρ是电阻率，j是电流密度，c的浓度扩散原子，d为热激活扩散系数，kt为平均热能。
7、在如今的工业条件及民用条件下，电场和磁场相伴而生，而huntington理论仅考虑了电场对金属原子运动的影响，而忽略了磁场的影响。特别是在强磁条件下，材料内部的电子不断偏转积聚，材料内部产生了横向的电势差，即发生显著的霍尔效应。将霍尔效应产生的横向霍尔电场记为ey。随着材料内部霍尔效应的不断增强，电子受到的横向静电力fy不断增加，当该静电力增大到与磁场产生的洛伦兹力fq受力平衡后，电子结束横移，恢复为平衡状态沿一定的方向做定向移动。此时，材料内部的电场强度eh为未加磁场前的外加电场强度ex霍尔电场强度ey矢量和，如下所示，可表示为：
8、
9、平衡时，fy＝fq即：
10、eey＝ebυ (4)
11、ey＝bυ (5)
12、进一步，材料在实际的迁移过程中原子不仅仅受到电场、磁场的影响，随着通电时长越久，材料还受到应力梯度与焦耳热导致温度上升的影响。而热效应的影响在电场、磁场载荷条件下还处于空窗期。本专利技术依据huntington理论以及霍尔效应为基础，引入了elenae.antonova等人的研究理论，综合电、磁、热三物理场的基础理论对其进行完善补充，说明了受温度以及应力影响的原子迁移过程，得到了原子受到的驱动力表示为:
13、f＝few+fb+ft (6)
14、few＝-ez*e (7)
15、
16、
17、其中，为应力梯度，z*为结合了静电力和电子风力的效应的原子的有效电荷数，e为电场强度，ω为原子体积，q为原子输运的热量，为温度梯度。在上述的研究中已经表明了磁场的加入增强了材料内部的电场强度，即此时的电场强度为eh。同时在研究过程中采用冷却装置保持材料附近温度接近室温，可近似认为▽t＝0。即在电磁场的作用下此时原子受到的驱动力表示为：
18、
19、其中，eh为电磁场下的电场强度，由式1-4可以看出，在电磁场的作用下原子所受到的驱动力主要包括由应力梯度所引起的背应力以及由电磁场共同作用下的电迁移力所影响且两个力方向相反。联合式2、4得
20、
21、其中，b为外加磁场强度，υ为电子运动速率。
22、本专利技术中在电磁场的条件下对材料内部原子进行受力分析后发现，原子的受力情况与电迁移时相似均受到电迁移力以及背应力的耦合作用。然而不同的是在电磁载荷条件下由于平衡磁场的洛伦兹力产生了额外的电场强度使得材料内部的电场强度eh相较于未加入磁场时的电场强度e得到增强，即eh>e。电场强度的变化引起了原子所受电迁移力的变化，此时few磁>few。由此可以说明磁场的加入增大了原子在材料加载初期所受到的电迁移力。
23、根据上述理论的补充和完善，本专利技术以理论创新为基础，提出了一种多物理场耦合作用条件下金属迁移行为的测试平台。现有的金属材料迁移行为的测试平台都是在单一电场载荷的条件下，但在实际应用中随着金属材料的使用年限加长以及材料内部的老化外部因素的影响，往往会受到多种物理场的叠加影响。为了解决现有技术中单一电场载荷条件下产生的电迁移以及材料衰退失效等不利影响，而提供了一种以金属材料迁移行为为基础的电、热、磁三物理场耦合实验平台，从而完成对金属材料性能的测试。
24、多物理场耦合作用条件下金属迁移行为的测试平台如图1所示，由电流控制系统、温度监测系统、磁场发生装置、加热装置四部分组成。
25、多物理场耦合作用条件下金属迁移行为的测试平台的电流控制系统主要是电流通过稳压直流电源提供，电源电压调节范围0-15v。在直流电源对试样恒流加载过程中，使用万能表实时测量监测电流电压变化情况。
26、多物理场耦合作用条件下金属迁移行为的测试平台的加热装置主要由恒温加热平台以及冷却循环系统组成，通过调节大液体容器下方的恒温加热平台加热温度以及冷却系统的进水口和出水口控制水流速度确保水浴温度分别保持在20℃、40℃、80℃左右。
27、多物理场耦合作用条件下金属迁移行为的测试平台的的磁场发生装置如图2所示，将试样材料放在通电螺线管内并将其与电路串联，通过稳压直流电源供电，通过电磁之间相互作用，提供稳定的磁场。
28、本多物理场耦合作用条件下金属迁移行为的测试平台的温度检测系统是在加载试样材料上本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多物理场耦合作用条件下金属迁移理论及测试方法，其主要特征包括完善了现有的基础理论，提出了理论创新及原子迁移过程受力分析。
2.根据权利要求书1所述的提出的理论创新，其特征在于包括以Huntington理论、霍尔效应以及Elena E.Antonova等人的研究理论为基础，提出并完善了一种新的金属材料在多物理场耦合条件下的原子受力分析理论以及计算公式如下：
3.根据权利要求书1所述的提出的一种多物理场耦合作用条件下的金属迁移行为材料测试平台，其特征在于是以权利要求书2理论上的创新为基础，搭建的一种电场、磁场、热场三场耦合的材料迁移行为测试平台。
4.根据权利要求书3所提出的一种多物理场耦合作用下的金属迁移行为材料的测试平台，其特征在于以制备一种金属材料In-Sn-6Cu为例，验证该材料在不同载荷条件下的性能，判断测试平台的测试效果的可靠性。
5.根据权利要求书4所述的实验测试性能，其特征在于通过xrd表征方法观察其内部性能变化，分析其内部原子运动的受力结果、阴阳极晶格畸变，计算材料在不同载荷条件下的晶胞体积变化验证理论创新的可
6.根据权利要求书3所述的一种多物理场耦合作用条件下的金属材料测试平台，其特征在于包括电流控制系统、温度监测系统、磁场发生装置、加热装置四部分组成。
7.根据权利要求3和6所述的多物理场耦合金属迁移行为试验台的电流控制系统，其特征在于，电流通过稳压直流电源(1)提供，各个装置的连接通过导线(2)进行连接，电源电压调节范围0-15V。在直流电源对试样恒流加载过程中，使用万能表实时测量监测电流电压变化情况，电路中并联了保护电阻(3)，以及试样材料(9)和串联保护电阻(12)，试样材料(9)以及串联保护电阻(12)分别泡在液体石蜡中(11、13)的小液体容器左(8)和小液体容器右(14)，并将小液体容器左(8)和小液体容器右(14)放在大液体容器(6)里，并由进水口(15)和出水口(4)通上水(5)进行循环。
8.根据权利要求3和6所述所述的多物理场耦合金属迁移行为试验平台的加热装置，其特征在于，主要由恒温加热平台以及冷却循环系统组成，通过调节恒温加热平台(17)加热温度以及冷却系统的水流速度确保水浴温度分别保持在20℃、40℃、80℃左右。水流的控制分别由进水口(15)和出水口(4)控制，温度检测通过左右汞温度计(7、16)进行观察。
9.根据权利要求3和6所述的一种多物理场耦合金属迁移行为试验平台的磁场发生装置，其特征在于，磁场发生装置在试样材料外部放置通电螺线管(18)，通电后在电场的作用下均匀受到磁场力影响。
10.根据权利要求书3和6所述的一种多物理场耦合金属迁移行为试验平台的磁场发生装置，
...【技术特征摘要】
1.一种多物理场耦合作用条件下金属迁移理论及测试方法，其主要特征包括完善了现有的基础理论，提出了理论创新及原子迁移过程受力分析。
2.根据权利要求书1所述的提出的理论创新，其特征在于包括以huntington理论、霍尔效应以及elena e.antonova等人的研究理论为基础，提出并完善了一种新的金属材料在多物理场耦合条件下的原子受力分析理论以及计算公式如下：
3.根据权利要求书1所述的提出的一种多物理场耦合作用条件下的金属迁移行为材料测试平台，其特征在于是以权利要求书2理论上的创新为基础，搭建的一种电场、磁场、热场三场耦合的材料迁移行为测试平台。
4.根据权利要求书3所提出的一种多物理场耦合作用下的金属迁移行为材料的测试平台，其特征在于以制备一种金属材料in-sn-6cu为例，验证该材料在不同载荷条件下的性能，判断测试平台的测试效果的可靠性。
5.根据权利要求书4所述的实验测试性能，其特征在于通过xrd表征方法观察其内部性能变化，分析其内部原子运动的受力结果、阴阳极晶格畸变，计算材料在不同载荷条件下的晶胞体积变化验证理论创新的可行性。
6.根据权利要求书3所述的一种多物理场耦合作用条件下的金属材料测试平台，其特征在于包括电流控制系统、温度监测系统、磁场发生装置、加热装置四部分组成。
7.根据权利要...
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