專利名稱：多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多通道實時監(jiān)控系統(tǒng)，具體說是一種多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。屬于電子封裝可靠性監(jiān)測技術領域。
背景技術：
表面貼裝技術(Surface Mount Technology，簡稱SMT)在90年代被稱為“電子封裝技術革命”，具有諸多優(yōu)越性，已經(jīng)被廣泛使用在航空、航天、船舶等重要工業(yè)領域。但其也存在著致命的弱點——SMT焊點壽命有限、可靠性差。低周熱疲勞失效和振動沖擊引起的疲勞失效是其主要失效原因。如何判斷SMT焊點疲勞失效一直困擾著科技工作者和諸多工程技術人員。現(xiàn)有的SMT焊點疲勞失效判斷標準主要有以下四種(1)Kinuko等人的焊點內(nèi)應力幅值下降50％(Kinuko Mishiro，shigeo Ishikawa，etc.，“effect of the drop impact on BGA/CSP package reliability”，MicroelectronicsReliability，42(2002)，P.77-82)。在已知SMT芯片中角端焊點最先達到疲勞狀態(tài)的情況下，此方法把角端焊點內(nèi)一次疲勞循環(huán)中的最大應力的變化量作為監(jiān)控對象，采用云紋干涉法對其測量，當焊點內(nèi)應力幅值下降50％時，人為的認為焊點達到疲勞狀態(tài)。這種方法存在的缺點是監(jiān)控對象不容易測量，測量儀器價格高，不易推廣，人為因素很大。
(2)T.E.Wong等人的焊點內(nèi)疲勞裂紋擴展20％(T.E.Wong，F(xiàn).W. Palmieri，etc.，“Durability reliability of BGA solder joints under vibration environment”，IEEE，Electronic Components and Technology Conference，2000)。在已知SMT芯片中角端焊點最先達到疲勞狀態(tài)的情況下，此方法把角端焊點內(nèi)裂紋生長的變化量作為監(jiān)控對象，采用數(shù)值解法(有限元分析)和實驗中用SEM(電子掃描電鏡)觀測共同對其測量，當焊點內(nèi)疲勞裂紋擴展20％時，人為的認為焊點達到疲勞狀態(tài)。這種方法存在的缺點同樣是監(jiān)控對象不容易測量，須借助數(shù)值解法對焊點的疲勞狀態(tài)進行標定，測量儀器價格高，不易推廣，人為因素很大。
(3)J.C.Manock等人的焊點電阻值變化10％(J.C.Manock，“Solder jointattachment reliability evaluation and failure analysis of the 244 I-O pre-moldedPolyHIC package”，IEEE，1993)。在已知SMT芯片中角端焊點最先達到疲勞狀態(tài)的情況下，此方法把角端焊點在疲勞循環(huán)中的電阻的變化量作為監(jiān)控對象，采用外搭電路對其測量，當焊點電阻值變化10％時，人為的認為焊點達到疲勞狀態(tài)。這種方法存在的缺點是監(jiān)控對象(電阻)本身很小，其變化量更小，在熱疲勞過程中這種變化量還相對能測量，但測量電路的精度要求很高。在振動、沖擊等引起的疲勞過程中監(jiān)控對象幾乎沒什么變化。因此，這種方法在使用范圍上有一定的局限性，即使在使用范圍，測量儀器價格高，測量精度在目前我國的科研院所就很難實現(xiàn)，推廣到實際應用中更難，不容易測量，不易推廣，人為因素很大。
(4)王紅芳、趙玫等人的焊點完全開裂(王紅芳，SMT焊點振動疲勞可靠性理論與實驗研究，上海交通大學博士論文，2001.3)。這種方法主要是通過外搭邏輯電路(電路中包括焊點本身)來監(jiān)控焊點的疲勞狀況，通過監(jiān)控在外搭邏輯電路中的信號(電路通則無信號，電路斷則有信號)來對疲勞進行實時監(jiān)控。這種方法相對于前三種方法來講消除了人為因素的影響，實時性更好，外搭電路價格低廉，測量精度高，但是操作性不好，無法形成多通道測量。
從前三種SMT焊點疲勞失效判斷標準來看，實際工程中操作起來比較困難，而且實現(xiàn)實時監(jiān)測幾乎不可能，往往都是后驗結(jié)果，等監(jiān)測到結(jié)果的時候工程事故已經(jīng)發(fā)生。而第四種判斷標準與前三種相比較確實有很大的工程實用性和實時性，但是往往操作起來比較復雜，儀器比較昂貴，很難在工程實際中推廣應用。隨著科技的發(fā)展和社會的需求，多通道、實時、精確、經(jīng)濟、安全、可靠性高、操作簡便的SMT焊點疲勞狀態(tài)監(jiān)控方案的出現(xiàn)是未來電子封裝可靠性監(jiān)測技術領域發(fā)展的目標。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)經(jīng)濟安全、精確可靠地對SMT焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)測，進而實時監(jiān)測SMT焊點可靠性。
為達到上述目的，本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)由帶有SMT芯片的電路板(監(jiān)控對象)、晶體管直流穩(wěn)壓電源(+5V)、特別設計的R-V(電阻-電壓)多通道轉(zhuǎn)換電路板，連接器、AIO(輸入-輸出)采集板和計算機(PC)組成。連接原理為帶有SMT芯片的電路板作為被監(jiān)控對象，監(jiān)控前需要做一些必要的準備。在電路板上把SMT焊點按照回字型進行連接，根據(jù)監(jiān)控需要可以連接成幾個回路，每個回路引出一個接頭連在R-V多通道轉(zhuǎn)換電路板上，從芯片和SMT焊點連接的一頭也同樣引出一個導線連接在自行研制的R-V多通道轉(zhuǎn)換電路板上，同時R-V多通道轉(zhuǎn)換電路板通過連接器連在AIO采集板上，AIO采集板插入PC機主板上的ISA(工業(yè)標準結(jié)構(gòu))插槽。計算機(PC)中的軟件部分為自行利用LabWindows/CVI研制開發(fā)的回路監(jiān)控軟件VED(Visual Event Detector)。本發(fā)明采用LabWindows/CVI軟件包提供的強大底層函數(shù)功能(包括改造函數(shù)功能)所具有VI庫進行軟件編制，開發(fā)了虛擬儀器Visual Event Detector，實現(xiàn)AIO采集板的多通道數(shù)據(jù)采集，實時監(jiān)測每個焊點回路的通斷，及時記錄焊點回路失效事件發(fā)生的準確時間并存檔。
工作過程為當SMT芯片進行熱疲勞或振動、沖擊疲勞實驗過程或在實際使用過程中，把連接好的電路板外接在測試芯片上，外接電路就可以實時地、準確地進行多通道采集SMT焊點的疲勞狀態(tài)，當疲勞狀態(tài)發(fā)生時刻，外接電路即刻作出反應，通過計算機(PC)中的軟件得到顯示(顯示時間，通道等信息)，使工作人員作出合理地、準確地判斷。
本發(fā)明構(gòu)思新穎，具有結(jié)果精確、可靠性高、實時、抗噪、運行安全、經(jīng)濟、使用簡單方便等特點。本發(fā)明的實時監(jiān)控系統(tǒng)在進行SMT焊點疲勞監(jiān)測過程中，可以同時進行多通道監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果能夠準確地、實時地反映SMT焊點的疲勞狀態(tài)。在整個監(jiān)測過程中，有效地避免了其他已有監(jiān)測方法中人為因素的干擾，作到合理地、客觀地反映事物發(fā)展的本質(zhì)，準確無誤地顯示了SMT焊點的疲勞狀態(tài)。另外，本發(fā)明解決了其他已有監(jiān)測方法中未涉及到的人工界面問題，使得不了解SMT焊點疲勞知識的實際操作人員同樣可以作出正確的疲勞狀態(tài)判斷。


圖1為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)連接原理圖。
圖2為R-V多通道轉(zhuǎn)換電路原理圖。
圖3為虛擬儀器的參數(shù)設置界面。
圖4為虛擬儀器的數(shù)據(jù)監(jiān)測界面。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細描述。
本發(fā)明整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)連接原理如附圖1所示。
如圖1所示，本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)由SMT芯片電路板(監(jiān)控對象)、特別設計的R-V(電阻-電壓)多通道轉(zhuǎn)換電路板，NI(美國國家儀器公司)連接器、AIO(輸入-輸出)采集板和計算機(PC)組成。系統(tǒng)由晶體管直流穩(wěn)壓電源(+5V)供電。
系統(tǒng)各組成部分的連接關系為SMT芯片電路板作為被監(jiān)控對象，在電路板上把SMT焊點按照回字型進行連接，根據(jù)監(jiān)控需要可以連接成幾個回路，每個回路引出一個接頭連在R-V多通道轉(zhuǎn)換電路板上，從SMT芯片電路板上芯片和SMT焊點連接的一頭也同樣引出一個導線連接在R-V多通道轉(zhuǎn)換電路板上，形成相應的電回路。同時R-V多通道轉(zhuǎn)換電路板再通過NI連接器(Connector)和AIO采集板相連，AIO采集板插入PC機主板上的ISA插槽，再通過虛擬儀器Event Detector實現(xiàn)試件上每個Loop的通斷監(jiān)測。
本發(fā)明特別設計的R-V多通道轉(zhuǎn)換電路原理如附圖2所示。R-V多通道轉(zhuǎn)換電路的作用為把試件上每個焊點回路通、斷的電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，以備AIO采集板采集使用。圖2中，R-V多通道轉(zhuǎn)換電路有三個連接插口J1連接插口和試件上的每個SMT焊點回路相連；J2連接插口和NI連接器接口相連；J3連接插口和一個+5V的直流穩(wěn)壓電源相連。當和J1連接插頭某腳相連的焊點回路為通路時，則在相應的J2連接插頭腳輸出+5V，否則輸出0V。
本發(fā)明的虛擬儀器初始參數(shù)設置界面如附圖3所示，數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如附圖4所示(采集板處于懸浮狀態(tài)，即輸入端無任何信號輸入)，試驗時可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)測界面直接觀察每個輸入回路的信息，由此確定每個焊點回路是否失效。數(shù)據(jù)監(jiān)測界面試驗時可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)測界面直接觀察每個輸入回路的信息，由此確定每個焊點回路是否失效。
在本發(fā)明的具體實施中，AIO采集板的輸入模式設置時可選用抗噪能力較強的Differential Connections(微分連接)模式，但由于輸入通道數(shù)的要求，也可選用抗噪能力相對較弱的Referenced Single-Ended Ground(單參考地)模式，可獲得8個模擬輸入通道。所以，在進行電路設計時應注意(1)采集板接口的ACH0-ACH7輸入端的電壓輸入信號應大于1V；(2)信號與采集板之間的連線不能大于10feet(英尺)；(3)所有輸入信號共享同一參考接地信號。
本發(fā)明SMT芯片電路板的設計中，連接試件(SMT電路板)、連接采集板的電纜有特殊屏蔽要求，一律采用扁平寬帶電纜線。導線采用通孔焊直接連接到試件上。雖然可插式連接器使用起來很方便，但由于會受到環(huán)境應力的作用而產(chǎn)生電連接失效，將與實際待測的焊點回路失效事件相混淆，所以本發(fā)明沒有采用可插式連接器，在測試記錄設備和試件之間不使用額外的連接器件。
本發(fā)明R-V多通道轉(zhuǎn)換電路中的地線與直流穩(wěn)壓電源、采集板接口的接地腳(AGID)相連。
正確的機械連接必須為輸入電纜提供適當?shù)膽︶尫?Strain-Relief)，以防止每一根電線的疲勞失效，還可以避免輸入電纜隨著試件的振動而振動，影響通孔焊點的可靠性。由此本發(fā)明中的輸入電纜夾緊固定在試件上，再利用膠帶固定在夾具上。
權利要求
1.一種多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于由表面貼裝焊點SMT芯片電路板、電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板，連接器、輸入輸出采集板和計算機組成，由晶體管直流穩(wěn)壓電源供電，SMT芯片電路板作為被監(jiān)控對象，在電路板上把SMT焊點按照回字型進行連接，根據(jù)監(jiān)控需要連接成幾個回路，每個回路引出一個接頭連在電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板上，從SMT芯片電路板上芯片和SMT焊點連接的一頭也同樣引出一個導線連接在電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板上，形成相應的電回路，同時電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板再通過連接器和輸入輸出采集板相連，輸入輸出采集板插入PC機主板上的插槽，再通過計算機中的虛擬儀器實現(xiàn)SMT焊點每個回路的通斷監(jiān)測。
2.如權利要求1的多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的虛擬儀器采用LabWindows/CVI軟件包提供的底層函數(shù)功能所具有VI庫進行軟件編制，進行輸入輸出采集板的多通道數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測界面實時監(jiān)測每個焊點回路的通斷，及時記錄焊點回路失效事件發(fā)生的準確時間并存檔。
3.如權利要求1的多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板中的J1連接插口和試件上的每個SMT焊點回路相連，J2連接插口和NI連接器接口相連，J3連接插口和直流穩(wěn)壓電源相連，當和J1連接插頭某腳相連的焊點回路為通路時，則在相應的J2連接插頭腳輸出+5V，否則輸出0V。
4.如權利要求1的多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的輸入輸出采集板有8個模擬輸入通道，采集板接口輸入端的電壓輸入信號大于1V，信號與采集板之間的連線不大于10英尺，所有輸入信號共享同一參考接地信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多通道表面貼裝焊點疲勞狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，由表面貼裝焊點SMT芯片電路板、電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板，連接器、輸入輸出采集板和計算機組成，由晶體管直流穩(wěn)壓電源供電，SMT芯片電路板作為被監(jiān)控對象，在電路板上把SMT焊點按照回字型進行連接，每個回路引出頭以及從SMT芯片和焊點連接的引出導線均連接在電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板上，形成相應的電回路，電阻電壓多通道轉(zhuǎn)換電路板再通過連接器和輸入輸出采集板相連，輸入輸出采集板插入PC機主板上的插槽，再通過計算機中的虛擬儀器實現(xiàn)SMT焊點每個回路的通斷監(jiān)測。本發(fā)明構(gòu)思新穎，可以同時進行多通道監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果能夠準確地、實時地反映SMT焊點的疲勞狀態(tài)。
文檔編號G01N27/00GK1544953SQ200310108730
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權日2003年11月20日
發(fā)明者王紅芳, 趙玫, 郭強, 孟光 申請人:上海交通大學