專利名稱：一種單焊球沖擊測試儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測試儀器，具體是一種單焊球焊接抗剪切強度沖擊測試儀。
背景技術：
球列陣廣泛被應用于電子封裝技術中，而球列陣與基底的封裝強度是工業(yè)界普遍 認可的基本標準之一。之前，為測試該強度，工業(yè)界普遍采用單焊球剪切測試來得到可靠的 焊球附著強度的結果。但由于低速率剪切測試無法預測真實情況下高應變速率的撞擊，后 來發(fā)展為單焊球沖擊測試儀，其以高速精確的特點使測試結果得到普遍認可?，F(xiàn)有的單焊球沖擊測試儀如中國發(fā)明專利公報2009年6月10號公開的中國發(fā)明 專利申請《單焊球沖擊測試儀》，申請?zhí)?00810184512. 2，其通過使用旋轉驅動機構來驅動 沖擊頭，對試件施加高速沖擊荷載，以測試部件之間連接的抗剪強度。支撐機構使沖擊頭與 試件的一部分對準以接收測試力，并阻止沖擊頭和試件中的至少一個進行相對運動。旋轉 驅動機構在沖擊頭和試件之間產生沖擊力，以及測力傳感器接收上述方式獲得的力并提供 相應輸出。其組成結構如圖1至圖3所示，包括1、由調整裝置611、612、613組成的對準系統(tǒng)XYZ工作臺610，調整裝置611、612、 613是通過X、Y、Z三方向的三螺桿頂推各滑塊來實現(xiàn)X、Y、Z方向的調整的；2、由包括支撐件621、沖擊頭623、電機625和離合器627組成的沖擊系統(tǒng)；3、包括夾具641的采樣平臺640 ；4、包括焊球位置圖像監(jiān)控儀的檢測系統(tǒng)630。采樣平臺640固定在XYZ工作臺調整裝置613的垂直豎板上并水平伸出。使用時靠人工調節(jié)被測焊球與沖擊頭的沖擊點高度設定。由于該測試對起始條件的要求較為苛刻，被測焊球與沖擊頭的相對位置對結果的 影響較大。水平面相對位置的偏斜，沖擊點高度設定不當均會產生與真實情況偏離較大的結果。由于低速沖擊測試無法真實反應實際便攜電子設備受沖擊的狀況，我們需要對芯 片上的焊球進行單焊球高速沖擊測試來得到關于高速沖擊下焊縫的變形和開裂情況。通過 使用之前已有的儀器，我們可以得到單焊球由于沖擊所產生的壓力變化，并由采集卡導出 信號顯示在計算機屏幕上。由于該沖擊速度加速時間短，撞擊速度高且精確，實驗證明該儀 器的測量結果準確，可以反應真實撞擊情況。之前的該儀器實驗結果也表明，由于撞擊速率高，剪切時間短，且焊球相對于整個 機構較小，測試的初始狀態(tài)對結果的影響十分明顯。此外，由于多項設置都需要手動操作， 也使得測試過程復雜且冗長，且精度較低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個目的，就是提供一種可使對測試部件的沖擊點高度起始條件得到比較精確設定的單焊球沖擊測試儀。實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術措施是一種單焊球沖擊測試儀，包括對準系統(tǒng)、沖擊系統(tǒng)、采樣平臺系統(tǒng)；所述的對準系 統(tǒng)包括XYZ工作臺，采樣平臺固定在XYZ工作臺上水平伸出；其特征是所述的采樣平臺結 構為一上部矩形框架，其一框邊固定在XYZ工作臺上，其相對的框邊的中間開有螺孔 穿擰有夾緊螺桿，夾緊螺桿的內端連接有滑動夾緊塊，滑動夾緊塊的兩側以框架的另兩條 平行框邊為導軌，螺桿滑塊形成移動夾緊部件；所述的矩形框架底部，設有兩條平行于所述導軌的平行滑軌，兩端分別支撐在框 架的固定框邊和其相對框邊上，滑軌上設有滑塊，滑塊的中間開有垂直螺孔穿擰有頂升螺 桿，頂升螺桿的頂部通過滾珠軸承連接有試件支撐平臺，支撐平臺處在所述導軌上并在所 述滑動夾緊塊的內側；所述的矩形框架平行導軌的內端，設有測力傳感器。在上述基礎上還可以做進一步的改進所述的固定框邊頂面上開有螺孔，用螺釘固定有芯片擋板，所述的芯片擋板為U 形，開口朝向沖擊頭潛在運行的路徑。所述的沖擊系統(tǒng)的支撐架上通過支架設有探針式測距傳感器，其探針朝向下方指 向所述矩形框架最外框邊的表面拋光頂面。所述的XYZ工作臺由X、Y、Z調整裝置組成，是由X、Y、Z三方向的各可控電機通過 螺桿頂推各滑塊來實現(xiàn)X、Y、Z方向的調整。設有焊球位置圖像監(jiān)控儀。設有控制器，其與測力傳感器、探針式傳感器、可控電機控制電路、感應電機工作 電流的電壓傳感器、離合器的開關控制電路、感應離合器工作電流的電壓傳感器、焊球位置 圖像監(jiān)控儀和X、Y、Z三方向的各可控電機有信號線或控制線電連接。有益效果本發(fā)明可以使得測試全程得到方便精確的監(jiān)控與分析，使原有儀器的 應用型得到很大的增強，本發(fā)明能確實保證起始條件的精確，優(yōu)化后的裝置可以保證被測 部件完全水平且固定，并通過精確的傳感器便捷地對沖擊高度進行定位。此外，自動化系統(tǒng)控制也被應用于改良后的儀器。通過電腦數(shù)據(jù)采集卡對完整的 測試過程進行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，并通過結果對測試條件進行反饋調節(jié)，使得操作過程 簡便準確，從而極大的有利于采集測試的進行。


圖1是現(xiàn)有的單焊球沖擊測試儀組成結構示意圖；圖2是圖1所示的單焊球沖擊測試儀的沖擊系統(tǒng)和驅動機構示意圖；圖3是圖1所示的單焊球沖擊測試儀的旋轉加速系統(tǒng)的示意圖；圖4是本發(fā)明的采樣平臺結構立體示意圖之一；圖5是本發(fā)明的采樣平臺結構立體示意圖之二 ；圖6是沿圖+的A-A線剖視示意圖；圖7是探針式測距傳感器配置圖8是針對具體測試情況而設計的擋板示意圖；圖9是撞擊信號處理方法的說明圖；圖10是部件關系簡圖；圖11是具體操作流程圖。
具體實施例方式如圖1至圖3所示的為現(xiàn)有的單焊球沖擊測試儀組成結構。本發(fā)明的單焊球沖擊測試儀，利用了原來的由調整裝置611、612、613組成的對準 系統(tǒng)XYZ工作臺610，以及由包括支撐件621、沖擊頭623、電機625和離合器627組成的沖 擊系統(tǒng)；和包括夾具641的采樣平臺640 ；包括焊球位置圖像監(jiān)控儀的檢測系統(tǒng)630 ；采樣 平臺640固定在XYZ工作臺調整裝置613的垂直豎板上并水平伸出。如圖4至圖10所示，本發(fā)明的單焊球焊接抗剪切強度沖擊測試儀，包括對準系統(tǒng)、 沖擊系統(tǒng)、采樣平臺系統(tǒng)，對準系統(tǒng)包括XYZ工作臺，XYZ工作臺由X、Y、Z調整裝置組成，是 由Χ、Υ、Ζ三方向的各可控電機通過螺桿頂推各滑塊來實現(xiàn)Χ、Υ、Ζ方向的調整；設有焊球位 置圖像監(jiān)控儀，采樣平臺固定在XYZ工作臺上水平伸出，采樣平臺的結構如下一上部矩形框架102，其一框邊固定在XYZ工作臺上，其相對的框邊的中間開有螺 孔穿擰有夾緊螺桿106，夾緊螺桿的內端連接有滑動夾緊塊104，滑動夾緊塊的兩側以框架 的另兩條平行框邊為導軌，螺桿滑塊形成移動夾緊部件；在矩形框架底部，設有兩條平行于 前述導軌的平行滑軌202、203，兩端分別支撐在框架的固定框邊和其相對框邊上，滑軌上設 有滑塊204，滑塊的中間開有垂直螺孔穿擰有頂升螺桿205，頂升螺桿的頂部通過滾珠軸承 連接有試件支撐平臺206，支撐平臺處在所述導軌上并在滑動夾緊塊的內側，這樣構成垂 直升降螺桿機構；在矩形框架平行導軌的內端，設有測力傳感器，在固定框邊頂面上開有螺 孔，用螺釘105固定有芯片擋板103，芯片擋板為U形，開口朝向沖擊頭潛在運行的路徑。在沖擊系統(tǒng)的支撐架上，通過支架302設有探針式測距傳感器，其探針301朝向下 方指向矩形框架102最外框邊的表面拋光頂面302。另外，還設有控制器，其與測力傳感器、探針式傳感器、可控電機控制電路、感應電 機工作電流的電壓傳感器、離合器的開關控制電路、感應離合器工作電流的電壓傳感器、焊 球位置圖像監(jiān)控儀和X、Y、Z三方向的各可控電機有信號線或控制線電連接。如圖11所示，改進后該儀器可以實現(xiàn)便捷精確的初始化設定，并且擁有自帶的反 饋控制系統(tǒng)，對三向移動平臺位置，電機的開關，離合器的啟動與否進行自動調控，使整個 測量過程更加精確，測試過程更加快捷。測試初始化步驟0 根據(jù)被測芯片規(guī)格，挑選合適的擋板103，并通過105處的螺釘固定在水平 框架102處。步驟1 通過調整螺桿106松開移動夾緊部件104，將被測部件置于垂直升降機構 的支撐平臺206上。步驟2 調整螺桿205使被測部件一端卡于擋板103下方。步驟3 通過調整螺桿106緩慢收攏移動夾緊部件104，調整螺桿204使支撐平臺 206向上運動，并使得被測部件一端卡于擋板103下方且無法繼續(xù)向上移動。
步驟4 通過調整螺桿106夾緊樣品。步驟5 通過放大攝像頭對被測部件進行觀察，通過控制程序對三向工作平臺的 水平方向進行調整，使撞擊頭下方到位。步驟6 水平調整支架位置，使水平面302位于測距探針301垂直下方。測距傳感 器的所得數(shù)據(jù)將以2X105的頻率輸入控制程序，后者對三向工作平臺的垂直方向進行調 整，使探針301與基準面302恰好接觸。步驟7 通過監(jiān)視模塊檢查沖擊測試電機及離合器的工作狀態(tài)。由于芯片擋板既要為測試部件提供一個水平上限，又不能接觸焊球或在沖擊頭潛 在運行的路徑中，視芯片規(guī)格而選取不同的擋板可以較好的達到這一目的。擋板內部邊框 的三角形部位可以卡住芯片角落而不與內部焊球接觸，并且不阻礙沖擊頭撞擊焊球。在測 試初始化過程中，根據(jù)芯片的規(guī)格，選取適合的框架，并通過螺釘105固定在上部框架上。垂直升降螺桿機構由滑動機構及其中央的螺旋升降機構構成。其中螺旋升降機構 分兩部分，分別為螺紋軸與矩形水平支撐平臺。螺紋軸與水平支撐平臺通過滾珠軸承連接。 通過旋轉螺桿205使得水平支撐平臺得以精確垂直起落，誤差保持在1 μ m以內?；瑒訖C構 與軌道連接。滑軌分別插入兩處圓孔，形成穩(wěn)定的滑動系統(tǒng)。該機構中心具有螺紋孔，為螺 桿升降機構服務。測距傳感器的設計由于沖擊頭撞擊軌跡的最下端與焊錫球的位置有測試標準的嚴格規(guī)定，距離超出 誤差范圍的過大將導致沖擊頭刻入底板中，使得到的焊球的剪切力數(shù)據(jù)過大；過小將導致 沖擊頭不能完全剪切整個焊球，使得得到的剪切力數(shù)據(jù)偏小。因此，我們在此處采用高精度 的探針式傳感器。選用的傳感器外形為圓柱體。該傳感器被固定在傳感器支架302上，整 體保持垂直。傳感器支架被置于撞擊測試電機的支架頂端，通過螺孔固定。在傳感器支架下方、固定在XYZ工作臺上的采樣平臺的前端，設有表面拋光的水 平面302，可以通過對三向工作平臺的水平操作，將之移至探針式傳感器下方，為測量所得 距離提供可靠的保證。將沖擊頭底部和傳感器底部設置成垂直方向上等高，由于樣品上表面，即焊錫球 底部與矩形框架最外框頂面有3. 5mm的高度差。因此，當傳感器接觸至矩形框架最外框頂 面時，將會產生信號。此時，沖擊頭將與焊錫球底部有3. 5mm的高度差。在初始化過程中，首先調整水平X-Y方向位置，使要測試的焊錫位于沖擊頭下方。 這時調整Z方向，使沖擊頭高于焊錫球底部3. 5mm，并以此作為垂直高度調整位置起點。這 時將Z方向繼續(xù)向上抬起，直至達到符合標準的一確定高度為止。此時通過調整水平X-Y 方向位置，沖擊頭即可以在單焊錫球剪切測試的標準高度下進行沖擊測試。原有的設計中，較多的控制依然為手動。這增加了產生誤差的環(huán)節(jié)，并且使得測試 過程復雜冗長。在此次改良的儀器中，引入了反饋調節(jié)控制系統(tǒng)，使得眾多操作步驟由程序 控制，簡化了操作，減小了誤差。如方框圖10與流程圖11所示，信號通過采集卡實現(xiàn)流入控制程序，而通過電機的 驅動實現(xiàn)信號輸出控制。輸入信號主要包括測距傳感器的距離信號，電機與離合器的工作狀態(tài)信號，以及 對焊球位置進行圖像監(jiān)控的視頻信號。
輸出信號主要包括對電機與離合器的開關信號，控制三向工作平臺移動的開關 信號，以及錯誤警告信號。測距傳感器的距離信號由探針式測距傳感器發(fā)出，通過采集卡采集。在三向工作 平臺向上移動的過程中，測距傳感器將以2X105HZ的頻率更新距離讀數(shù)。當距離達到期望 值時，程序將控制三向工作平臺垂直移動的信號置為否，終止其啟動，來鎖定高度。電機與離合器的工作狀態(tài)信號由二者驅動傳送至控制程序，撞擊測試開始前默認 設定均應為否。測試起始時，將電機驅動開關設為開啟，并且在1秒后將離合器開關置為開 啟。此延時過程是為了保證電機已加速至穩(wěn)定速度，使沖擊頭能在離合器開啟的短時間內 達到期望速度。圖像監(jiān)控由視頻采集卡收集，在程序中對被測焊球圖像進行放大，用于調整三向 工作平臺的水平位置。三向工作平臺的三個方向運行控制是通過相對應的三個電機驅動進 行的，通過輸入高平或低平信號來進行開關控制。錯誤警告信號于各個反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時發(fā)出，向用戶發(fā)送錯誤報告。這將為測 試的順利和儀器安全運作提供保險。數(shù)據(jù)采樣和處理系統(tǒng)在撞擊測試發(fā)生前后，我們需要對測力傳感器所產生的信號進行全方位分析。整 個數(shù)據(jù)采樣和處理系統(tǒng)包括監(jiān)視模塊，采集與分析模塊，以及存儲模塊。這些模塊相互聯(lián) 系，共同嵌入反饋控制系統(tǒng)中。在監(jiān)視模塊中，所取得的距離信號，由測距探針傳感器301提供。該傳感器頻率為 3 X IO5HZ,通過監(jiān)視窗口的讀數(shù)可以發(fā)現(xiàn)可能導致儀器功能損壞的異常。監(jiān)視窗口中的夾 緊機構傳感器導出的波形圖以每秒2X IO6次的刷新率不斷刷新，為噪聲去除調整及突發(fā)情 況提供依據(jù)。電機/離合器的狀態(tài)信號顯示于監(jiān)視窗口中，為布爾形式，來監(jiān)測是否異常發(fā) 生。在采集與分析模塊中，信號的采集為窗口采集，以0. 01秒為一個區(qū)間。如圖9所 示，波形采集方法被定為在實時監(jiān)控的基礎上，為確保去除噪聲干擾，定義當連續(xù)10個數(shù) 據(jù)大于臨界域時，沖擊信號開始；在次之后，當連續(xù)10個數(shù)據(jù)小于臨界域是，沖擊信號結 束。由于采集卡采集數(shù)據(jù)是窗口式采集，為避免不同窗口將沖擊波形分離，該程序將把沖擊 信號起始點前后2個窗口進行緩存，并將該3個窗口進行數(shù)據(jù)整合。由于沖擊時間小于1 個窗口的采集周期，該方法將保證不會遺漏被采數(shù)據(jù)。在發(fā)生沖擊從而產生沖擊信號的過 程中，將沖擊產生的波峰完全取出并呈現(xiàn)在波形圖上。對該波形進行分析，分析包括持續(xù) 時間，最大沖力，承受沖擊能量等。結果將顯示在面板中。在存儲模塊中，在對撞擊波形進行截取和分析之后，根據(jù)用戶要求，將相關波形數(shù) 據(jù)以表格形式存儲在文件中。路徑與文件名將由用戶定制。
權利要求
一種單焊球沖擊測試儀，包括對準系統(tǒng)、沖擊系統(tǒng)、采樣平臺系統(tǒng)；所述的對準系統(tǒng)包括XYZ工作臺，采樣平臺固定在XYZ工作臺上水平伸出；其特征是所述的采樣平臺結構為一上部矩形框架，其一框邊固定在XYZ工作臺上，其相對的框邊的中間開有螺孔穿擰有夾緊螺桿，夾緊螺桿的內端連接有滑動夾緊塊，滑動夾緊塊的兩側以框架的另兩條平行框邊為導軌，螺桿滑塊形成移動夾緊部件；所述的矩形框架底部，設有兩條平行于所述導軌的平行滑軌，兩端分別支撐在框架的固定框邊和其相對框邊上，滑軌上設有滑塊，滑塊的中間開有垂直螺孔穿擰有頂升螺桿，頂升螺桿的頂部通過滾珠軸承連接有試件支撐平臺，支撐平臺處在所述導軌上并在所述滑動夾緊塊的內側；所述的矩形框架平行導軌的內端，設有測力傳感器；所述的沖擊系統(tǒng)的支撐架上通過支架設有探針式測距傳感器，其探針朝向下方指向所述矩形框架最外框邊的表面拋光頂面。
2.根據(jù)權利要求1所述的單焊球沖擊測試儀，其特征是所述的固定框邊頂面上開有 螺孔，用螺釘固定有芯片擋板，所述的芯片擋板為U形，開口朝向沖擊頭潛在運行的路徑。
3.根據(jù)權利要求2所述的單焊球沖擊測試儀，其特征是所述的XYZ工作臺由X、Y、Z 調整裝置組成，是由X、Y、Z三方向的各可控電機通過螺桿頂推各滑塊來實現(xiàn)X、Y、Z方向的 調整。
4.根據(jù)權利要求3所述的單焊球沖擊測試儀，其特征是設有焊球位置圖像監(jiān)控儀。
5.根據(jù)權利要求4所述的單焊球沖擊測試儀，其特征是設有控制器，其與測力傳感 器、探針式傳感器、可控電機控制電路、感應電機工作電流的電壓傳感器、離合器的開關控 制電路、感應離合器工作電流的電壓傳感器、焊球位置圖像監(jiān)控儀和X、Y、Z三方向的各可 控電機有信號線或控制線電連接。
全文摘要
一種單焊球沖擊測試儀，包括對準系統(tǒng)、沖擊系統(tǒng)、采樣平臺系統(tǒng)；所述的對準系統(tǒng)包括XYZ工作臺，采樣平臺固定在XYZ工作臺上水平伸出；沖擊系統(tǒng)的支撐架上通過支架設有探針式測距傳感器。本發(fā)明可以使得測試全程得到方便精確的監(jiān)控與分析，使原有儀器的應用型得到很大的增強，本發(fā)明能確實保證起始條件的精確，優(yōu)化后的裝置可以保證被測部件完全水平且固定，并通過精確的傳感器便捷地對沖擊高度進行定位。此外，自動化系統(tǒng)控制也被應用于改良后的儀器。通過電腦數(shù)據(jù)采集卡對完整的測試過程進行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，并通過結果對測試條件進行反饋調節(jié)，使得操作過程簡便準確，從而極大的有利于采集測試的進行。
文檔編號G01M7/08GK101886997SQ20101022240
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者吳景深, 張哲明, 章彥博 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院