[發明專利]極端溫度梯度條件下焊點熱遷移實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201910064220.3
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109738483A
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 甘貴生;夏大權;劉歆;蔣劉杰;田謐哲;曹華東;翟翔;吳懿平;楊棟華;蘇鑒
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01K7/02
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李曉兵;李玉盛

本發明公開了一種極端溫度梯度條件下焊點熱遷移實驗裝置及方法，實驗裝置包括加熱系統和冷卻系統；加熱系統包括第一導熱板，在第一導熱板上固定安裝有加熱片和溫度傳感器，溫度傳感器與溫度控制器相連，溫度控制器通過一開關電源與第一導熱板相接；制冷系統包括液氮罐和裝在液氮罐內的液氮，在液氮罐的罐口上安裝有一個第二導熱板，在第二導熱板下方固定安裝有一插入液氮罐內并浸泡在液氮內的傳溫棒；第一導熱板置于第二導熱板上方，在第一導熱板和第二導熱板之間形成一個試樣檢測空間，第一導熱板和第二導熱板通過該連接裝置夾緊試樣。本發明得到的極端溫度梯度條件下焊點熱遷移實驗裝置及方法溫度梯度大，實驗周期長，且造價低、體積小。

技術領域

本發明涉及一種熱疲勞實驗裝置，具體涉及一種極端溫度梯度條件下焊點熱遷移實驗裝置及方法。

背景技術

隨著集成電路的高速發展，電子元器件封裝的密度越來越高，焊點的尺寸越來越小，焊點數量數以千計。目前IGBT和LED等大功率器件的逐步推廣和應用，其元器件內部芯片所承受的功率越來越大，封裝體內部的熱流密度也越來越高，由高電流密度引起的電遷移失效和大溫度梯度所引起的熱遷移失效儼然已成為焊點可靠性的突出問題。前期國內外研究人員認為電遷移引起的原子遷移率要大于熱遷移，一直忽視熱遷移的影響。最近研究表明，在微焊點中，在足夠大的溫度梯度下引起焊點的原子遷移效應要大于電遷移引起的原子遷移效應。溫度梯度達到一定值后的原子遷移將影響焊點界面 IMC 層的生長，造成焊點冷端的IMC層增厚，熱端IMC層減薄，其IMC具有脆性，容易在界面處發生斷裂，使得焊點失效，嚴重影響其焊點的可靠性。

申請號為201610173135.7的中國專利申請文件介紹了一種檢測互連焊點熱遷移性能的裝置與方法。由于采用的是半導體制冷片作為制冷端的冷源，其冷卻的效果是很有限的，導致溫度梯度不夠大，實驗周期時間長，耗費了大量的人力物力。張金松做的實驗裝置冷端采用冷卻水(張金松, 吳懿平, 王永國, and 陶媛,集成電路微互連結構中的熱遷移, 物理學報 [J]vol. 59, no. 06, pp. 4395-4402, 2010)，其冷卻效果也是有限的，無法達到較大的溫度梯度。這類較小的溫度梯度條件下的焊點熱遷移，還是無法真實反映IGBT和LED等大功率器件在運行過程中的熱遷移失效。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：如何提供一種溫度梯度大，實驗周期時間長，且造價低、體積小，并能夠測試大功率器件的熱功率遷移的極端溫度梯度條件下焊點熱遷移實驗裝置及方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：

一種極端溫度梯度條件下焊點熱遷移實驗裝置，其特征在于，它包括加熱系統和冷卻系統；所述加熱系統包括第一導熱板，在第一導熱板上固定安裝有一加熱片和一個用于檢測第一導熱板實時溫度的溫度傳感器，所述溫度傳感器與一溫度控制器相連，所述溫度控制器通過一開關電源與第一導熱板相接，并通過控制開關電源的輸出功率控制第一導熱板的溫度；所述制冷系統包括液氮罐和裝在液氮罐內的液氮，在液氮罐的罐口上安裝有一個第二導熱板，在第二導熱板下方固定安裝有一插入液氮罐內并浸泡在液氮內的傳溫棒，所述傳溫棒豎向設置，在第二導熱板上設有用于實時檢測第二導熱板溫度的測溫裝置；所述第一導熱板置于第二導熱板上方，在第一導熱板和第二導熱板之間形成一個試樣檢測空間，所述第一導熱板和第二導熱板通過一連接裝置固定在一起，通過該連接裝置可調節第一導熱板和第二導熱板之間的間距。這樣，傳溫棒上下兩端分別與第二導熱板和液氮罐內的液氮相接觸，通過傳溫棒可將液氮的溫度傳遞到第二導熱板，進而使第二導熱板在實驗過程中能夠保持一個恒定的低溫，而通過溫度控制器對開關電源輸出功率的控制，能夠將第一導熱板控制在預定的高溫內，進而在第一導熱板和第二導熱板之間形成一個高低溫梯度，從而為焊點試樣或凸點試樣提供了極端溫度梯度條件下的熱遷移實驗。其中，傳溫棒的傳溫速度既快又穩定，而開關電源也具有升溫快的效果，從而能夠極大的縮短實驗周期和實驗時間，同時，傳溫棒和開關電源的造價低，整個實驗裝置的結構緊湊，使實驗裝置更加小型化，且造價低。