专利名称：多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道实时监控系统，具体说是一种多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统。属于电子封装可靠性监测技术领域。
背景技术：
表面贴装技术(Surface Mount Technology，简称SMT)在90年代被称为“电子封装技术革命”，具有诸多优越性，已经被广泛使用在航空、航天、船舶等重要工业领域。但其也存在着致命的弱点——SMT焊点寿命有限、可靠性差。低周热疲劳失效和振动冲击引起的疲劳失效是其主要失效原因。如何判断SMT焊点疲劳失效一直困扰着科技工作者和诸多工程技术人员。现有的SMT焊点疲劳失效判断标准主要有以下四种(1)Kinuko等人的焊点内应力幅值下降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芯片中角端焊点最先达到疲劳状态的情况下，此方法把角端焊点内一次疲劳循环中的最大应力的变化量作为监控对象，采用云纹干涉法对其测量，当焊点内应力幅值下降50％时，人为的认为焊点达到疲劳状态。这种方法存在的缺点是监控对象不容易测量，测量仪器价格高，不易推广，人为因素很大。
(2)T.E.Wong等人的焊点内疲劳裂纹扩展20％(T.E.Wong，F.W. Palmieri，etc.，“Durability reliability of BGA solder joints under vibration environment”，IEEE，Electronic Components and Technology Conference，2000)。在已知SMT芯片中角端焊点最先达到疲劳状态的情况下，此方法把角端焊点内裂纹生长的变化量作为监控对象，采用数值解法(有限元分析)和实验中用SEM(电子扫描电镜)观测共同对其测量，当焊点内疲劳裂纹扩展20％时，人为的认为焊点达到疲劳状态。这种方法存在的缺点同样是监控对象不容易测量，须借助数值解法对焊点的疲劳状态进行标定，测量仪器价格高，不易推广，人为因素很大。
(3)J.C.Manock等人的焊点电阻值变化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芯片中角端焊点最先达到疲劳状态的情况下，此方法把角端焊点在疲劳循环中的电阻的变化量作为监控对象，采用外搭电路对其测量，当焊点电阻值变化10％时，人为的认为焊点达到疲劳状态。这种方法存在的缺点是监控对象(电阻)本身很小，其变化量更小，在热疲劳过程中这种变化量还相对能测量，但测量电路的精度要求很高。在振动、冲击等引起的疲劳过程中监控对象几乎没什么变化。因此，这种方法在使用范围上有一定的局限性，即使在使用范围，测量仪器价格高，测量精度在目前我国的科研院所就很难实现，推广到实际应用中更难，不容易测量，不易推广，人为因素很大。
(4)王红芳、赵玫等人的焊点完全开裂(王红芳，SMT焊点振动疲劳可靠性理论与实验研究，上海交通大学博士论文，2001.3)。这种方法主要是通过外搭逻辑电路(电路中包括焊点本身)来监控焊点的疲劳状况，通过监控在外搭逻辑电路中的信号(电路通则无信号，电路断则有信号)来对疲劳进行实时监控。这种方法相对于前三种方法来讲消除了人为因素的影响，实时性更好，外搭电路价格低廉，测量精度高，但是操作性不好，无法形成多通道测量。
从前三种SMT焊点疲劳失效判断标准来看，实际工程中操作起来比较困难，而且实现实时监测几乎不可能，往往都是后验结果，等监测到结果的时候工程事故已经发生。而第四种判断标准与前三种相比较确实有很大的工程实用性和实时性，但是往往操作起来比较复杂，仪器比较昂贵，很难在工程实际中推广应用。随着科技的发展和社会的需求，多通道、实时、精确、经济、安全、可靠性高、操作简便的SMT焊点疲劳状态监控方案的出现是未来电子封装可靠性监测技术领域发展的目标。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统，实现经济安全、精确可靠地对SMT焊点疲劳状态实时监测，进而实时监测SMT焊点可靠性。
为达到上述目的，本发明的监控系统由带有SMT芯片的电路板(监控对象)、晶体管直流稳压电源(+5V)、特别设计的R-V(电阻-电压)多通道转换电路板，连接器、AIO(输入-输出)采集板和计算机(PC)组成。连接原理为带有SMT芯片的电路板作为被监控对象，监控前需要做一些必要的准备。在电路板上把SMT焊点按照回字型进行连接，根据监控需要可以连接成几个回路，每个回路引出一个接头连在R-V多通道转换电路板上，从芯片和SMT焊点连接的一头也同样引出一个导线连接在自行研制的R-V多通道转换电路板上，同时R-V多通道转换电路板通过连接器连在AIO采集板上，AIO采集板插入PC机主板上的ISA(工业标准结构)插槽。计算机(PC)中的软件部分为自行利用LabWindows/CVI研制开发的回路监控软件VED(Visual Event Detector)。本发明采用LabWindows/CVI软件包提供的强大底层函数功能(包括改造函数功能)所具有VI库进行软件编制，开发了虚拟仪器Visual Event Detector，实现AIO采集板的多通道数据采集，实时监测每个焊点回路的通断，及时记录焊点回路失效事件发生的准确时间并存档。
工作过程为当SMT芯片进行热疲劳或振动、冲击疲劳实验过程或在实际使用过程中，把连接好的电路板外接在测试芯片上，外接电路就可以实时地、准确地进行多通道采集SMT焊点的疲劳状态，当疲劳状态发生时刻，外接电路即刻作出反应，通过计算机(PC)中的软件得到显示(显示时间，通道等信息)，使工作人员作出合理地、准确地判断。
本发明构思新颖，具有结果精确、可靠性高、实时、抗噪、运行安全、经济、使用简单方便等特点。本发明的实时监控系统在进行SMT焊点疲劳监测过程中，可以同时进行多通道监测，监测结果能够准确地、实时地反映SMT焊点的疲劳状态。在整个监测过程中，有效地避免了其他已有监测方法中人为因素的干扰，作到合理地、客观地反映事物发展的本质，准确无误地显示了SMT焊点的疲劳状态。另外，本发明解决了其他已有监测方法中未涉及到的人工界面问题，使得不了解SMT焊点疲劳知识的实际操作人员同样可以作出正确的疲劳状态判断。


图1为本发明的硬件结构连接原理图。
图2为R-V多通道转换电路原理图。
图3为虚拟仪器的参数设置界面。
图4为虚拟仪器的数据监测界面。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
本发明整个监控系统的硬件结构连接原理如附图1所示。
如图1所示，本发明的监控系统由SMT芯片电路板(监控对象)、特别设计的R-V(电阻-电压)多通道转换电路板，NI(美国国家仪器公司)连接器、AIO(输入-输出)采集板和计算机(PC)组成。系统由晶体管直流稳压电源(+5V)供电。
系统各组成部分的连接关系为SMT芯片电路板作为被监控对象，在电路板上把SMT焊点按照回字型进行连接，根据监控需要可以连接成几个回路，每个回路引出一个接头连在R-V多通道转换电路板上，从SMT芯片电路板上芯片和SMT焊点连接的一头也同样引出一个导线连接在R-V多通道转换电路板上，形成相应的电回路。同时R-V多通道转换电路板再通过NI连接器(Connector)和AIO采集板相连，AIO采集板插入PC机主板上的ISA插槽，再通过虚拟仪器Event Detector实现试件上每个Loop的通断监测。
本发明特别设计的R-V多通道转换电路原理如附图2所示。R-V多通道转换电路的作用为把试件上每个焊点回路通、断的电阻信号转换成电压信号，以备AIO采集板采集使用。图2中，R-V多通道转换电路有三个连接插口J1连接插口和试件上的每个SMT焊点回路相连；J2连接插口和NI连接器接口相连；J3连接插口和一个+5V的直流稳压电源相连。当和J1连接插头某脚相连的焊点回路为通路时，则在相应的J2连接插头脚输出+5V，否则输出0V。
本发明的虚拟仪器初始参数设置界面如附图3所示，数据监测界面如附图4所示(采集板处于悬浮状态，即输入端无任何信号输入)，试验时可以通过数据监测界面直接观察每个输入回路的信息，由此确定每个焊点回路是否失效。数据监测界面试验时可以通过数据监测界面直接观察每个输入回路的信息，由此确定每个焊点回路是否失效。
在本发明的具体实施中，AIO采集板的输入模式设置时可选用抗噪能力较强的Differential Connections(微分连接)模式，但由于输入通道数的要求，也可选用抗噪能力相对较弱的Referenced Single-Ended Ground(单参考地)模式，可获得8个模拟输入通道。所以，在进行电路设计时应注意(1)采集板接口的ACH0-ACH7输入端的电压输入信号应大于1V；(2)信号与采集板之间的连线不能大于10feet(英尺)；(3)所有输入信号共享同一参考接地信号。
本发明SMT芯片电路板的设计中，连接试件(SMT电路板)、连接采集板的电缆有特殊屏蔽要求，一律采用扁平宽带电缆线。导线采用通孔焊直接连接到试件上。虽然可插式连接器使用起来很方便，但由于会受到环境应力的作用而产生电连接失效，将与实际待测的焊点回路失效事件相混淆，所以本发明没有采用可插式连接器，在测试记录设备和试件之间不使用额外的连接器件。
本发明R-V多通道转换电路中的地线与直流稳压电源、采集板接口的接地脚(AGID)相连。
正确的机械连接必须为输入电缆提供适当的应力释放(Strain-Relief)，以防止每一根电线的疲劳失效，还可以避免输入电缆随着试件的振动而振动，影响通孔焊点的可靠性。由此本发明中的输入电缆夹紧固定在试件上，再利用胶带固定在夹具上。
权利要求
1.一种多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统，其特征在于由表面贴装焊点SMT芯片电路板、电阻电压多通道转换电路板，连接器、输入输出采集板和计算机组成，由晶体管直流稳压电源供电，SMT芯片电路板作为被监控对象，在电路板上把SMT焊点按照回字型进行连接，根据监控需要连接成几个回路，每个回路引出一个接头连在电阻电压多通道转换电路板上，从SMT芯片电路板上芯片和SMT焊点连接的一头也同样引出一个导线连接在电阻电压多通道转换电路板上，形成相应的电回路，同时电阻电压多通道转换电路板再通过连接器和输入输出采集板相连，输入输出采集板插入PC机主板上的插槽，再通过计算机中的虚拟仪器实现SMT焊点每个回路的通断监测。
2.如权利要求1的多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统，其特征在于所述的虚拟仪器采用LabWindows/CVI软件包提供的底层函数功能所具有VI库进行软件编制，进行输入输出采集板的多通道数据采集，通过数据监测界面实时监测每个焊点回路的通断，及时记录焊点回路失效事件发生的准确时间并存档。
3.如权利要求1的多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统，其特征在于所述的电阻电压多通道转换电路板中的J1连接插口和试件上的每个SMT焊点回路相连，J2连接插口和NI连接器接口相连，J3连接插口和直流稳压电源相连，当和J1连接插头某脚相连的焊点回路为通路时，则在相应的J2连接插头脚输出+5V，否则输出0V。
4.如权利要求1的多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统，其特征在于所述的输入输出采集板有8个模拟输入通道，采集板接口输入端的电压输入信号大于1V，信号与采集板之间的连线不大于10英尺，所有输入信号共享同一参考接地信号。
全文摘要
本发明涉及一种多通道表面贴装焊点疲劳状态实时监控系统，由表面贴装焊点SMT芯片电路板、电阻电压多通道转换电路板，连接器、输入输出采集板和计算机组成，由晶体管直流稳压电源供电，SMT芯片电路板作为被监控对象，在电路板上把SMT焊点按照回字型进行连接，每个回路引出头以及从SMT芯片和焊点连接的引出导线均连接在电阻电压多通道转换电路板上，形成相应的电回路，电阻电压多通道转换电路板再通过连接器和输入输出采集板相连，输入输出采集板插入PC机主板上的插槽，再通过计算机中的虚拟仪器实现SMT焊点每个回路的通断监测。本发明构思新颖，可以同时进行多通道监测，监测结果能够准确地、实时地反映SMT焊点的疲劳状态。
文档编号G01N27/00GK1544953SQ200310108730
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月20日 优先权日2003年11月20日
发明者王红芳, 赵玫, 郭强, 孟光 申请人:上海交通大学