CN101886997A - 一种单焊球冲击测试仪 - Google Patents

Abstract

一种单焊球冲击测试仪，包括对准系统、冲击系统、采样平台系统；所述的对准系统包括XYZ工作台，采样平台固定在XYZ工作台上水平伸出；冲击系统的支撑架上通过支架设有探针式测距传感器。本发明可以使得测试全程得到方便精确的监控与分析，使原有仪器的应用型得到很大的增强，本发明能确实保证起始条件的精确，优化后的装置可以保证被测部件完全水平且固定，并通过精确的传感器便捷地对冲击高度进行定位。此外，自动化系统控制也被应用于改良后的仪器。通过电脑数据采集卡对完整的测试过程进行实时监控与数据采集，并通过结果对测试条件进行反馈调节，使得操作过程简便准确，从而极大的有利于采集测试的进行。

Description

一种单焊球冲击测试仪

技术领域

本发明涉及一种测试仪器，具体是一种单焊球焊接抗剪切强度冲击测试仪。

背景技术

球列阵广泛被应用于电子封装技术中，而球列阵与基底的封装强度是工业界普遍认可的基本标准之一。之前，为测试该强度，工业界普遍采用单焊球剪切测试来得到可靠的焊球附着强度的结果。但由于低速率剪切测试无法预测真实情况下高应变速率的撞击，后来发展为单焊球冲击测试仪，其以高速精确的特点使测试结果得到普遍认可。

现有的单焊球冲击测试仪如中国发明专利公报2009年6月10号公开的中国发明专利申请《单焊球冲击测试仪》，申请号200810184512.2，其通过使用旋转驱动机构来驱动冲击头，对试件施加高速冲击荷载，以测试部件之间连接的抗剪强度。支撑机构使冲击头与试件的一部分对准以接收测试力，并阻止冲击头和试件中的至少一个进行相对运动。旋转驱动机构在冲击头和试件之间产生冲击力，以及测力传感器接收上述方式获得的力并提供相应输出。

其组成结构如图1至图3所示，包括：

1、由调整装置611、612、613组成的对准系统XYZ工作台610，调整装置611、612、613是通过X、Y、Z三方向的三螺杆顶推各滑块来实现X、Y、Z方向的调整的；

2、由包括支撑件621、冲击头623、电机625和离合器627组成的冲击系统；

3、包括夹具641的采样平台640；

4、包括焊球位置图像监控仪的检测系统630。

采样平台640固定在XYZ工作台调整装置613的垂直竖板上并水平伸出。

使用时靠人工调节被测焊球与冲击头的冲击点高度设定。

由于该测试对起始条件的要求较为苛刻，被测焊球与冲击头的相对位置对结果的影响较大。水平面相对位置的偏斜，冲击点高度设定不当均会产生与真实情况偏离较大的结果。

由于低速冲击测试无法真实反应实际便携电子设备受冲击的状况，我们需要对芯片上的焊球进行单焊球高速冲击测试来得到关于高速冲击下焊缝的变形和开裂情况。通过使用之前已有的仪器，我们可以得到单焊球由于冲击所产生的压力变化，并由采集卡导出信号显示在计算机屏幕上。由于该冲击速度加速时间短，撞击速度高且精确，实验证明该仪器的测量结果准确，可以反应真实撞击情况。

之前的该仪器实验结果也表明，由于撞击速率高，剪切时间短，且焊球相对于整个机构较小，测试的初始状态对结果的影响十分明显。此外，由于多项设置都需要手动操作，也使得测试过程复杂且冗长，且精度较低。

发明内容

本发明的第一个目的，就是提供一种可使对测试部件的冲击点高度起始条件得到比较精确设定的单焊球冲击测试仪。

实现上述目的，本发明采取的技术措施是：

一种单焊球冲击测试仪，包括对准系统、冲击系统、采样平台系统；所述的对准系统包括XYZ工作台，采样平台固定在XYZ工作台上水平伸出；其特征是：所述的采样平台结构为：

一上部矩形框架，其一框边固定在XYZ工作台上，其相对的框边的中间开有螺孔穿拧有夹紧螺杆，夹紧螺杆的内端连接有滑动夹紧块，滑动夹紧块的两侧以框架的另两条平行框边为导轨，螺杆滑块形成移动夹紧部件；

所述的矩形框架底部，设有两条平行于所述导轨的平行滑轨，两端分别支撑在框架的固定框边和其相对框边上，滑轨上设有滑块，滑块的中间开有垂直螺孔穿拧有顶升螺杆，顶升螺杆的顶部通过滚珠轴承连接有试件支撑平台，支撑平台处在所述导轨上并在所述滑动夹紧块的内侧；

所述的矩形框架平行导轨的内端，设有测力传感器。

在上述基础上还可以做进一步的改进：

所述的固定框边顶面上开有螺孔，用螺钉固定有芯片挡板，所述的芯片挡板为U形，开口朝向冲击头潜在运行的路径。

所述的冲击系统的支撑架上通过支架设有探针式测距传感器，其探针朝向下方指向所述矩形框架最外框边的表面抛光顶面。

所述的XYZ工作台由X、Y、Z调整装置组成，是由X、Y、Z三方向的各可控电机通过螺杆顶推各滑块来实现X、Y、Z方向的调整。

设有焊球位置图像监控仪。

设有控制器，其与测力传感器、探针式传感器、可控电机控制电路、感应电机工作电流的电压传感器、离合器的开关控制电路、感应离合器工作电流的电压传感器、焊球位置图像监控仪和X、Y、Z三方向的各可控电机有信号线或控制线电连接。

有益效果：本发明可以使得测试全程得到方便精确的监控与分析，使原有仪器的应用型得到很大的增强，本发明能确实保证起始条件的精确，优化后的装置可以保证被测部件完全水平且固定，并通过精确的传感器便捷地对冲击高度进行定位。

此外，自动化系统控制也被应用于改良后的仪器。通过电脑数据采集卡对完整的测试过程进行实时监控与数据采集，并通过结果对测试条件进行反馈调节，使得操作过程简便准确，从而极大的有利于采集测试的进行。

附图说明

图1是现有的单焊球冲击测试仪组成结构示意图；

图2是图1所示的单焊球冲击测试仪的冲击系统和驱动机构示意图；

图3是图1所示的单焊球冲击测试仪的旋转加速系统的示意图；

图4是本发明的采样平台结构立体示意图之一；

图5是本发明的采样平台结构立体示意图之二；

图6是沿图4的A-A线剖视示意图；

图7是探针式测距传感器配置图；

图8是针对具体测试情况而设计的挡板示意图；

图9是撞击信号处理方法的说明图；

图10是部件关系简图；

图11是具体操作流程图。

具体实施方式

如图1至图3所示的为现有的单焊球冲击测试仪组成结构。

本发明的单焊球冲击测试仪，利用了原来的由调整装置611、612、613组成的对准系统XYZ工作台610，以及由包括支撑件621、冲击头623、电机625和离合器627组成的冲击系统；和包括夹具641的采样平台640；包括焊球位置图像监控仪的检测系统630；采样平台640固定在XYZ工作台调整装置613的垂直竖板上并水平伸出。

如图4至图10所示，本发明的单焊球焊接抗剪切强度冲击测试仪，包括对准系统、冲击系统、采样平台系统，对准系统包括XYZ工作台，XYZ工作台由X、Y、Z调整装置组成，是由X、Y、Z三方向的各可控电机通过螺杆顶推各滑块来实现X、Y、Z方向的调整；设有焊球位置图像监控仪，采样平台固定在XYZ工作台上水平伸出，采样平台的结构如下：

一上部矩形框架102，其一框边固定在XYZ工作台上，其相对的框边的中间开有螺孔穿拧有夹紧螺杆106，夹紧螺杆的内端连接有滑动夹紧块104，滑动夹紧块的两侧以框架的另两条平行框边为导轨，螺杆滑块形成移动夹紧部件；在矩形框架底部，设有两条平行于前述导轨的平行滑轨202、203，两端分别支撑在框架的固定框边和其相对框边上，滑轨上设有滑块204，滑块的中间开有垂直螺孔穿拧有顶升螺杆205，顶升螺杆的顶部通过滚珠轴承连接有试件支撑平台206，支撑平台处在所述导轨上并在滑动夹紧块的内侧，这样构成垂直升降螺杆机构；在矩形框架平行导轨的内端，设有测力传感器，在固定框边顶面上开有螺孔，用螺钉105固定有芯片挡板103，芯片挡板为U形，开口朝向冲击头潜在运行的路径。

在冲击系统的支撑架上，通过支架302设有探针式测距传感器，其探针301朝向下方指向矩形框架102最外框边的表面抛光顶面302。

另外，还设有控制器，其与测力传感器、探针式传感器、可控电机控制电路、感应电机工作电流的电压传感器、离合器的开关控制电路、感应离合器工作电流的电压传感器、焊球位置图像监控仪和X、Y、Z三方向的各可控电机有信号线或控制线电连接。

如图11所示，改进后该仪器可以实现便捷精确的初始化设定，并且拥有自带的反馈控制系统，对三向移动平台位置，电机的开关，离合器的启动与否进行自动调控，使整个测量过程更加精确，测试过程更加快捷。

测试初始化

步骤0：根据被测芯片规格，挑选合适的挡板103，并通过105处的螺钉固定在水平框架102处。

步骤1：通过调整螺杆106松开移动夹紧部件104，将被测部件置于垂直升降机构的支撑平台206上。

步骤2：调整螺杆205使被测部件一端卡于挡板103下方。

步骤3：通过调整螺杆106缓慢收拢移动夹紧部件104，调整螺杆204使支撑平台206向上运动，并使得被测部件一端卡于挡板103下方且无法继续向上移动。

步骤4：通过调整螺杆106夹紧样品。

步骤5：通过放大摄像头对被测部件进行观察，通过控制程序对三向工作平台的水平方向进行调整，使撞击头下方到位。

步骤6：水平调整支架位置，使水平面302位于测距探针301垂直下方。测距传感器的所得数据将以2×105的频率输入控制程序，后者对三向工作平台的垂直方向进行调整，使探针301与基准面302恰好接触。

步骤7：通过监视模块检查冲击测试电机及离合器的工作状态。

由于芯片挡板既要为测试部件提供一个水平上限，又不能接触焊球或在冲击头潜在运行的路径中，视芯片规格而选取不同的挡板可以较好的达到这一目的。挡板内部边框的三角形部位可以卡住芯片角落而不与内部焊球接触，并且不阻碍冲击头撞击焊球。在测试初始化过程中，根据芯片的规格，选取适合的框架，并通过螺钉105固定在上部框架上。

垂直升降螺杆机构由滑动机构及其中央的螺旋升降机构构成。其中螺旋升降机构分两部分，分别为螺纹轴与矩形水平支撑平台。螺纹轴与水平支撑平台通过滚珠轴承连接。通过旋转螺杆205使得水平支撑平台得以精确垂直起落，误差保持在1μm以内。滑动机构与轨道连接。滑轨分别插入两处圆孔，形成稳定的滑动系统。该机构中心具有螺纹孔，为螺杆升降机构服务。

测距传感器的设计

由于冲击头撞击轨迹的最下端与焊锡球的位置有测试标准的严格规定，距离超出误差范围的过大将导致冲击头刻入底板中，使得到的焊球的剪切力数据过大；过小将导致冲击头不能完全剪切整个焊球，使得得到的剪切力数据偏小。因此，我们在此处采用高精度的探针式传感器。选用的传感器外形为圆柱体。该传感器被固定在传感器支架302上，整体保持垂直。传感器支架被置于撞击测试电机的支架顶端，通过螺孔固定。

在传感器支架下方、固定在XYZ工作台上的采样平台的前端，设有表面抛光的水平面302，可以通过对三向工作平台的水平操作，将之移至探针式传感器下方，为测量所得距离提供可靠的保证。

将冲击头底部和传感器底部设置成垂直方向上等高，由于样品上表面，即焊锡球底部与矩形框架最外框顶面有3.5mm的高度差。因此，当传感器接触至矩形框架最外框顶面时，将会产生信号。此时，冲击头将与焊锡球底部有3.5mm的高度差。

在初始化过程中，首先调整水平X-Y方向位置，使要测试的焊锡位于冲击头下方。这时调整Z方向，使冲击头高于焊锡球底部3.5mm，并以此作为垂直高度调整位置起点。这时将Z方向继续向上抬起，直至达到符合标准的一确定高度为止。此时通过调整水平X-Y方向位置，冲击头即可以在单焊锡球剪切测试的标准高度下进行冲击测试。

原有的设计中，较多的控制依然为手动。这增加了产生误差的环节，并且使得测试过程复杂冗长。在此次改良的仪器中，引入了反馈调节控制系统，使得众多操作步骤由程序控制，简化了操作，减小了误差。

如方框图10与流程图11所示，信号通过采集卡实现流入控制程序，而通过电机的驱动实现信号输出控制。

输入信号主要包括：测距传感器的距离信号，电机与离合器的工作状态信号，以及对焊球位置进行图像监控的视频信号。

输出信号主要包括：对电机与离合器的开关信号，控制三向工作平台移动的开关信号，以及错误警告信号。

测距传感器的距离信号由探针式测距传感器发出，通过采集卡采集。在三向工作平台向上移动的过程中，测距传感器将以2×10⁵HZ的频率更新距离读数。当距离达到期望值时，程序将控制三向工作平台垂直移动的信号置为否，终止其启动，来锁定高度。

电机与离合器的工作状态信号由二者驱动传送至控制程序，撞击测试开始前默认设定均应为否。测试起始时，将电机驱动开关设为开启，并且在1秒后将离合器开关置为开启。此延时过程是为了保证电机已加速至稳定速度，使冲击头能在离合器开启的短时间内达到期望速度。

图像监控由视频采集卡收集，在程序中对被测焊球图像进行放大，用于调整三向工作平台的水平位置。三向工作平台的三个方向运行控制是通过相对应的三个电机驱动进行的，通过输入高平或低平信号来进行开关控制。

错误警告信号于各个反馈环节出现异常时发出，向用户发送错误报告。这将为测试的顺利和仪器安全运作提供保险。

数据采样和处理系统

在撞击测试发生前后，我们需要对测力传感器所产生的信号进行全方位分析。整个数据采样和处理系统包括监视模块，采集与分析模块，以及存储模块。这些模块相互联系，共同嵌入反馈控制系统中。

在监视模块中，所取得的距离信号，由测距探针传感器301提供。该传感器频率为3×10⁵HZ，通过监视窗口的读数可以发现可能导致仪器功能损坏的异常。监视窗口中的夹紧机构传感器导出的波形图以每秒2×10⁶次的刷新率不断刷新，为噪声去除调整及突发情况提供依据。电机/离合器的状态信号显示于监视窗口中，为布尔形式，来监测是否异常发生。

在采集与分析模块中，信号的采集为窗口采集，以0.01秒为一个区间。如图9所示，波形采集方法被定为：在实时监控的基础上，为确保去除噪声干扰，定义当连续10个数据大于临界域时，冲击信号开始；在次之后，当连续10个数据小于临界域是，冲击信号结束。由于采集卡采集数据是窗口式采集，为避免不同窗口将冲击波形分离，该程序将把冲击信号起始点前后2个窗口进行缓存，并将该3个窗口进行数据整合。由于冲击时间小于1个窗口的采集周期，该方法将保证不会遗漏被采数据。在发生冲击从而产生冲击信号的过程中，将冲击产生的波峰完全取出并呈现在波形图上。对该波形进行分析，分析包括：持续时间，最大冲力，承受冲击能量等。结果将显示在面板中。

在存储模块中，在对撞击波形进行截取和分析之后，根据用户要求，将相关波形数据以表格形式存储在文件中。路径与文件名将由用户定制。

Claims (5)

1.一种单焊球冲击测试仪，包括对准系统、冲击系统、采样平台系统；所述的对准系统包括XYZ工作台，采样平台固定在XYZ工作台上水平伸出；其特征是：所述的采样平台结构为：

一上部矩形框架，其一框边固定在XYZ工作台上，其相对的框边的中间开有螺孔穿拧有夹紧螺杆，夹紧螺杆的内端连接有滑动夹紧块，滑动夹紧块的两侧以框架的另两条平行框边为导轨，螺杆滑块形成移动夹紧部件；

所述的矩形框架底部，设有两条平行于所述导轨的平行滑轨，两端分别支撑在框架的固定框边和其相对框边上，滑轨上设有滑块，滑块的中间开有垂直螺孔穿拧有顶升螺杆，顶升螺杆的顶部通过滚珠轴承连接有试件支撑平台，支撑平台处在所述导轨上并在所述滑动夹紧块的内侧；

所述的矩形框架平行导轨的内端，设有测力传感器；

所述的冲击系统的支撑架上通过支架设有探针式测距传感器，其探针朝向下方指向所述矩形框架最外框边的表面抛光顶面。

2.根据权利要求1所述的单焊球冲击测试仪，其特征是：所述的固定框边顶面上开有螺孔，用螺钉固定有芯片挡板，所述的芯片挡板为U形，开口朝向冲击头潜在运行的路径。

3.根据权利要求2所述的单焊球冲击测试仪，其特征是：所述的XYZ工作台由X、Y、Z调整装置组成，是由X、Y、Z三方向的各可控电机通过螺杆顶推各滑块来实现X、Y、Z方向的调整。

4.根据权利要求3所述的单焊球冲击测试仪，其特征是：设有焊球位置图像监控仪。

5.根据权利要求4所述的单焊球冲击测试仪，其特征是：设有控制器，其与测力传感器、探针式传感器、可控电机控制电路、感应电机工作电流的电压传感器、离合器的开关控制电路、感应离合器工作电流的电压传感器、焊球位置图像监控仪和X、Y、Z三方向的各可控电机有信号线或控制线电连接。

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