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一、原位雙軸測試儀的功能與意義

1. 設備概述

• 定義：一種可同時對材料或結構施加雙軸（X/Y方向）力學載荷的測試設備，支持實時監測形變、應力-應變曲線及失效過程。

• 核心參數：載荷范圍（N/kN）、位移分辨率（μm）、加載頻率、溫度/濕度環境集成能力。

2. 應用場景

• 模擬芯片封裝在復雜工況下的多軸應力狀態（如封裝翹曲、基板彎曲、焊點剪切疲勞）。

• 評估材料界面（如塑封料與基板、TSV通孔與硅）的抗分層能力。

二、教學模塊融合設計

模塊1：理論基礎補充

1. 雙軸力學與封裝失效

• 雙軸應力對封裝結構的疊加效應（如熱膨脹+機械彎曲導致的分層風險）。

• 對比單軸測試的局限性，強調多軸測試的必要性。

2. 原位測試技術原理

• 實時觀測技術：結合數字圖像相關（DIC）或顯微攝像頭，捕捉形變與裂紋擴展過程。

• 同步環境控制：高溫/低溫、濕度環境與力學加載的耦合測試方法。

教學形式：

• 動畫演示雙軸應力分布（如ANSYS仿真結果）。

• 文獻案例：某3D封裝因雙軸翹曲導致TSV斷裂的分析。

模塊2：新增實驗項目

實驗4：原位雙軸力學測試

1. 實驗目標

• 掌握雙軸測試儀操作流程，分析封裝結構在復合應力下的失效模式。

• 關聯實際場景（如芯片貼裝后的板級彎曲、車載振動+溫度沖擊）。

2. 實驗步驟

• 實時記錄應力-應變曲線、DIC全場形變數據。

• 通過顯微攝像頭觀察界面分層或焊點裂紋萌生過程。

• 雙軸載荷模式（同步拉伸/壓縮，或非對稱加載）。

• 環境條件（可選：85℃高溫或-40℃低溫）。

• 樣品制備：封裝樣品（如BGA、QFN）固定在雙軸測試臺，表面噴涂散斑（DIC用）。

• 參數設置：

• 數據采集：

3. 分析要求

• 繪制雙軸應力-應變曲線，計算屈服強度與斷裂韌性。

• 結合DIC數據，定位初始失效位置并分析應力集中原因。

教學形式：

• 分組操作（4人/組），分角色負責設備操作、數據記錄、顯微觀察。

• 對比單軸與雙軸測試結果，討論多軸載荷對失效機制的影響。

模塊3：進階案例分析

案例3：FCBGA封裝在板級彎曲下的雙軸失效

1. 背景：某服務器CPU在主板安裝后出現隨機失效，推測為封裝翹曲導致焊點疲勞。

2. 測試過程：

• 使用原位雙軸測試儀模擬主板彎曲（X/Y方向非對稱加載）。

• 同步紅外熱成像監測芯片溫度分布，關聯熱-力耦合效應。

3. 結論：

• 焊點裂紋起源于基板邊緣（應力集中區），建議優化基板CTE或增加底部填充膠。

教學形式：

• 提供真實測試數據（載荷曲線、DIC形變圖、失效顯微照片），小組討論失效路徑。

• 結合仿真軟件（如ABAQUS）復現應力分布，驗證實驗結論。

三、教學資源擴展

1. 設備清單更新

• 原位雙軸測試儀（配備環境箱、DIC系統）、紅外熱像儀、高速顯微攝像頭。

2. 虛擬仿真工具

• 雙軸力學仿真模塊（COMSOL Multiphysics或ANSYS Mechanical）。

3. 參考資料

• 論文：《雙軸加載下塑封材料界面分層行為研究》。

• 標準：JEDEC JESD22-B113（板級彎曲測試方法）。

四、考核方式調整

1. 實驗報告新增要求（20%）

• 分析雙軸與單軸測試的失效模式差異，提出設計優化建議。

2. 實操考核新增項目

• 任務：設置雙軸非對稱加載參數（如X方向拉伸10N，Y方向壓縮5N），并解釋其對封裝可靠性的影響。

五、擴展討論

1. 先進封裝挑戰

• 柔性電子封裝的雙軸疲勞測試（如折疊屏芯片的彎曲+拉伸耦合失效）。

2. 智能化應用

• 基于機器學習的雙軸載荷-失效預測模型（輸入應力分布、材料參數，輸出壽命估計）。

通過融入原位雙軸測試儀，學生可深入理解復雜應力環境下封裝失效的多物理場耦合機制，掌握先進封裝可靠性分析的核心技術，契合行業對高精度、多維度測試能力的需求。