一、原位双轴测试仪的功能与意义

1. 设备概述

• 定义：一种可同时对材料或结构施加双轴（X/Y方向）力学载荷的测试设备，支持实时监测形变、应力-应变曲线及失效过程。

• 核心参数：载荷范围（N/kN）、位移分辨率（μm）、加载频率、温度/湿度环境集成能力。

2. 应用场景

• 模拟芯片封装在复杂工况下的多轴应力状态（如封装翘曲、基板弯曲、焊点剪切疲劳）。

• 评估材料界面（如塑封料与基板、TSV通孔与硅）的抗分层能力。

二、教学模块融合设计

模块1：理论基础补充

1. 双轴力学与封装失效

• 双轴应力对封装结构的叠加效应（如热膨胀+机械弯曲导致的分层风险）。

• 对比单轴测试的局限性，强调多轴测试的必要性。

2. 原位测试技术原理

• 实时观测技术：结合数字图像相关（DIC）或显微摄像头，捕捉形变与裂纹扩展过程。

• 同步环境控制：高温/低温、湿度环境与力学加载的耦合测试方法。

教学形式：

• 动画演示双轴应力分布（如ANSYS仿真结果）。

• 文献案例：某3D封装因双轴翘曲导致TSV断裂的分析。

模块2：新增实验项目

实验4：原位双轴力学测试

1. 实验目标

• 掌握双轴测试仪操作流程，分析封装结构在复合应力下的失效模式。

• 关联实际场景（如芯片贴装后的板级弯曲、车载振动+温度冲击）。

2. 实验步骤

• 实时记录应力-应变曲线、DIC全场形变数据。

• 通过显微摄像头观察界面分层或焊点裂纹萌生过程。

• 双轴载荷模式（同步拉伸/压缩，或非对称加载）。

• 环境条件（可选：85℃高温或-40℃低温）。

• 样品制备：封装样品（如BGA、QFN）固定在双轴测试台，表面喷涂散斑（DIC用）。

• 参数设置：

• 数据采集：

3. 分析要求

• 绘制双轴应力-应变曲线，计算屈服强度与断裂韧性。

• 结合DIC数据，定位初始失效位置并分析应力集中原因。

教学形式：

• 分组操作（4人/组），分角色负责设备操作、数据记录、显微观察。

• 对比单轴与双轴测试结果，讨论多轴载荷对失效机制的影响。

模块3：进阶案例分析

案例3：FCBGA封装在板级弯曲下的双轴失效

1. 背景：某服务器CPU在主板安装后出现随机失效，推测为封装翘曲导致焊点疲劳。

2. 测试过程：

• 使用原位双轴测试仪模拟主板弯曲（X/Y方向非对称加载）。

• 同步红外热成像监测芯片温度分布，关联热-力耦合效应。

3. 结论：

• 焊点裂纹起源于基板边缘（应力集中区），建议优化基板CTE或增加底部填充胶。

教学形式：

• 提供真实测试数据（载荷曲线、DIC形变图、失效显微照片），小组讨论失效路径。

• 结合仿真软件（如ABAQUS）复现应力分布，验证实验结论。

三、教学资源扩展

1. 设备清单更新

• 原位双轴测试仪（配备环境箱、DIC系统）、红外热像仪、高速显微摄像头。

2. 虚拟仿真工具

• 双轴力学仿真模块（COMSOL Multiphysics或ANSYS Mechanical）。

3. 参考资料

• 论文：《双轴加载下塑封材料界面分层行为研究》。

• 标准：JEDEC JESD22-B113（板级弯曲测试方法）。

四、考核方式调整

1. 实验报告新增要求（20%）

• 分析双轴与单轴测试的失效模式差异，提出设计优化建议。

2. 实操考核新增项目

• 任务：设置双轴非对称加载参数（如X方向拉伸10N，Y方向压缩5N），并解释其对封装可靠性的影响。

五、扩展讨论

1. 先进封装挑战

• 柔性电子封装的双轴疲劳测试（如折叠屏芯片的弯曲+拉伸耦合失效）。

2. 智能化应用

• 基于机器学习的双轴载荷-失效预测模型（输入应力分布、材料参数，输出寿命估计）。

通过融入原位双轴测试仪，学生可深入理解复杂应力环境下封装失效的多物理场耦合机制，掌握先进封装可靠性分析的核心技术，契合行业对高精度、多维度测试能力的需求。