CN104698366A - Bga封装焊点连接失效故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接点故障诊断与健康管理技术领域，特别涉及BGA封装焊点连接失效故障监测方法。在本发明中，在待测BGA封装焊接点连接一小电容，IP核通过向一焊点输出高、低电平对外部电容充放电并从另一焊接点读取电容电压实现焊接点健康状态的监测，本IP核可同时对两个待测焊接点进行监测，对每个焊接点的监测只需两个时钟周期。

Description

BGA封装焊点连接失效故障监测方法

技术领域

本发明属于焊接点故障诊断与健康管理技术领域，特别涉及BGA封装焊点连接失效故障监测方法。

背景技术

随着集成电路的高速发展，FPGA向着高密度、小型化的方向不断发展，BGA封装形式应运而生。焊接在PCB板上的FPGA焊接点发生连接失效时，将带来关键设备的灾难性故障。由于焊接点连接失效是由热应力、机械应力等多种复杂因素共同作用引起的，传统基于光学的监测方法很难对BGA封装形式FPGA焊接点连接失效进行监测。

发明内容

本发明的目的在于提出BGA封装焊点连接失效故障监测方法。本发明具有工作可靠、实现简单、实时监测以及对间歇性连接失效有很强监测能力等特点。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

BGA封装焊点连接失效故障监测方法，基于BGA封装焊点连接失效故障监测装置。所述BGA封装焊点连接失效故障监测装置包括：电容、IP核、封装在PCB板上的第一焊点、封装在PCB板上的第二焊点，所述第一焊点和第二焊点的公共节点电连接电容的一端，所述电容的另一端接地；所述IP核用于同时向每个焊点输出低电平信号，或者用于向其中一个焊点输出高电平信号；所述IP核用于在向其中一个焊点输出高电平信号时，接收来自另一个焊点的电平信号；

所述BGA封装焊点连接失效故障监测方法的过程为：按照设定的焊点故障监测周期循环地对每个焊点的连接失效故障进行监测；每个设定的焊点故障监测周期由按照时间顺序排列的第一设定时间段、第二设定时间段、第三设定时间段和第四设定时间段组成；

在每个设定的焊点故障监测周期的第一设定时间段，IP核同时向每个焊点输出低电平信号；在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，IP核向第一焊点输出高电平信号，并同时接收来自第二焊点的电平信号；在每个设定的焊点故障监测周期的第三设定时间段，IP核同时向每个焊点输出低电平信号；在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，IP核向第二焊点输出高电平信号，并同时接收来自第一焊点的电平信号；

在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，IP核根据来自第二焊点的电平信号的高低，来判断第一焊点的阻抗；在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，IP核根据来自第一焊点的电平信号的高低，来判断第二焊点的阻抗。

本发明的特点和进一步改进在于：

在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，如果IP核接收的来自第二焊点的电平信号如果变为高电平信号，则根据第二焊点的电平转换时间的长度，得出第一焊点的阻抗，所述第二焊点的电平转换时间的起点为对应设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段的起始时刻，所述第二焊点的电平转换时间的终点为来自第二焊点的电平信号变为高电平信号的时刻；

在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，如果IP核接收的来自第一焊点的电平信号如果变为高电平信号，则根据第一焊点的电平转换时间的长度，得出第二焊点的阻抗，所述第一焊点的电平转换时间的起点为对应设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段的起始时刻，所述第一焊点的电平转换时间的终点为来自第一焊点的电平信号变为高电平信号的时刻。

所述电容的电容值C为R表示设定的焊点阻抗阈值，f表示焊点故障监测频率，所述焊点故障监测频率为所述设定的焊点故障监测周期的倒数。

在每个设定的焊点故障监测周期，每个设定时间段的长度相等。

本发明的有益效果为：本发明的有益效果是实现了焊接点连接失效的在线监测，对间歇连接失效具有监测能力，实现方便简单，对原电路改动较小。

附图说明

图1为IP核检测焊点失效原理图；

图2为本发明的IP核工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

焊接点的连接失效是由外界环境热应力、机械应力等共同作用下形成的，表现为该焊接点阻抗从几毫欧姆到几百欧姆甚至无穷大的变化。参照图1，为本发明的IP核检测焊点失效原理图。本发明首先提出了一种基于BGA封装焊点连接失效故障监测装置。该基于BGA封装焊点连接失效故障监测装置包括：用FPGA实现的IP核，IP核用于向外输出高电平信号或低电平信号，或者用于接收来自外界的高/低电平信号。该基于BGA封装焊点连接失效故障监测装置还包括：电容、封装在PCB板上的第一焊点a、以及封装在PCB板上的第二焊点b，第一焊点a和第二焊点b的公共节点电连接电容的一端(正端)，所述电容的另一端(负端)接地；本发明实施例中，IP核用于同时向每个焊点输出低电平信号，或者用于向其中一个焊点输出高电平信号；IP核用于在向其中一个焊点输出高电平信号时，接收来自另一个焊点的电平信号。本发明中，IP核用VHDL语言基于状态机编写。

本发明实施例中，上述电容的电容值C为R表示设定的焊点阻抗阈值，f表示焊点故障监测频率，焊点故障监测频率为设定的焊点故障监测周期的倒数。

本发明在上述基于BGA封装焊点连接失效故障监测装置的基础上，提出了一种基于BGA封装焊点连接失效故障监测方法。焊接点发生故障时，其阻抗会发生相应变化，通过检测焊点阻抗值，可了解该焊点的健康情况。检测原理如图1所示。对第一焊点a进行故障预测时，IP核向第一焊点a输出方波信号，在第一焊点a为高电平时对外部电容进行充电，第一焊点a的阻抗的升高将使得第二焊点b由低电平到高电平阀值(IP核高电平信号与低电平信号的门限)的时间增长，对第二焊点b由低电平到高电平阀值的时间进行测量即可得到第一焊点a的阻抗的相关信息。同理，可得到第二焊点b的阻抗大小。在对第一焊点a进行故障预测时，t时刻外部电容电压值U_t为：

$U_t=U_0+(U_1-U_0)\×(1-e^{-\frac{1}{\mathrm{RC}}})$

其中，U₀为外部电容的初始电压值(在对第一焊点a进行故障预测的初始时刻外部电容的电压值)，U₁为通过充电(指本发明中对第一焊点a进行故障预测时对外部电容进行充电的过程)外部电容最终能够达到的电压值，在本发明实施例中，U₀、U₁、R和C均为已知值。

本发明实施例中，上述基于BGA封装焊点连接失效故障监测方法的过程为：

按照设定的焊点故障监测周期循环地对每个焊点的连接失效故障进行监测；每个设定的焊点故障监测周期由按照时间顺序排列的第一设定时间段、第二设定时间段、第三设定时间段和第四设定时间段组成；在每个设定的焊点故障监测周期，每个设定时间段的长度相等。

在每个设定的焊点故障监测周期的第一设定时间段，IP核同时向每个焊点输出低电平信号，电容进行放电。在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，IP核向第一焊点输出高电平信号，并同时接收来自第二焊点的电平信号，此时电容进行充电。在每个设定的焊点故障监测周期的第三设定时间段，IP核同时向每个焊点输出低电平信号，此时电容进行放电。在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，IP核向第二焊点输出高电平信号，并同时接收来自第一焊点的电平信号，此时电容进行充电。

在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，IP核根据来自第二焊点的电平信号的高低，来判断第一焊点的阻抗；具体地说，在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，如果IP核接收的来自第二焊点的电平信号如果变为高电平信号，则根据第二焊点的电平转换时间的长度，得出第一焊点的阻抗，第二焊点的电平转换时间的起点为对应设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段的起始时刻，第二焊点的电平转换时间的终点为来自第二焊点的电平信号变为高电平信号的时刻。在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，如果IP核接收的来自第二焊点的电平信号如果变为高电平信号，则第一焊点的阻抗小于设定的焊点阻抗阈值。否则，如果IP核接收的来自第二焊点的电平信号始终为低电平信号，则判断第一焊点发生一次高阻。

在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，IP核根据来自第一焊点的电平信号的高低，来判断第二焊点的阻抗。具体地说，在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，如果IP核接收的来自第一焊点的电平信号如果变为高电平信号，则根据第一焊点的电平转换时间的长度，得出第二焊点的阻抗，所述第一焊点的电平转换时间的起点为对应设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段的起始时刻，所述第一焊点的电平转换时间的终点为来自第一焊点的电平信号变为高电平信号的时刻。在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，如果IP核接收的来自第一焊点的电平信号如果变为高电平信号，则第二焊点的阻抗小于设定的焊点阻抗阈值。否则，如果IP核接收的来自第一焊点的电平信号始终为低电平信号，则判断第二焊点发生一次高阻。

参照图2，为本发明的IP核工作流程示意图。图2中，Step1代表：向第一焊点a和第二焊点b输出低电平“0”，Step3代表：向第一焊点a和第二焊点b输出低电平“0”，Step1和Step3用于清除外部电容的电荷。Step2用于测试第一焊点a的阻抗，在执行Step2时，IP核向第一焊点a输出高电平信号，在此期间，通过监测第二焊点的电平转换时间的长度来确定第一焊点a的阻抗，进而确定其健康状态。Step4用于测试第二焊点b的阻抗，在执行Step4时，IP核向第二焊点b输出高电平信号，在此期间，通过监测第一焊点的电平转换时间的长度来确定第二焊点b的阻抗，进而确定其健康状态。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.BGA封装焊点连接失效故障监测方法，基于BGA封装焊点连接失效故障监测装置，其特征在于，所述BGA封装焊点连接失效故障监测装置包括：电容、IP核、封装在PCB板上的第一焊点(a)、封装在PCB板上的第二焊点(b)，所述第一焊点(a)和第二焊点(b)的公共节点电连接电容的一端，所述电容的另一端接地；所述IP核用于同时向每个焊点输出低电平信号，或者用于向其中一个焊点输出高电平信号；所述IP核用于在向其中一个焊点输出高电平信号时，接收来自另一个焊点的电平信号；

所述BGA封装焊点连接失效故障监测方法的过程为：按照设定的焊点故障监测周期循环地对每个焊点的连接失效故障进行监测；每个设定的焊点故障监测周期由按照时间顺序排列的第一设定时间段、第二设定时间段、第三设定时间段和第四设定时间段组成；

在每个设定的焊点故障监测周期的第一设定时间段，IP核同时向每个焊点输出低电平信号；在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，IP核向第一焊点输出高电平信号，并同时接收来自第二焊点的电平信号；在每个设定的焊点故障监测周期的第三设定时间段，IP核同时向每个焊点输出低电平信号；在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，IP核向第二焊点输出高电平信号，并同时接收来自第一焊点的电平信号；

在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，IP核根据来自第二焊点的电平信号的高低，来判断第一焊点的阻抗；在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，IP核根据来自第一焊点的电平信号的高低，来判断第二焊点的阻抗。

2.如权利要求1所述的BGA封装焊点连接失效故障监测方法，其特征在于，在每个设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段，如果IP核接收的来自第二焊点的电平信号如果变为高电平信号，则根据第二焊点的电平转换时间的长度，得出第一焊点的阻抗，所述第二焊点的电平转换时间的起点为对应设定的焊点故障监测周期的第二设定时间段的起始时刻，所述第二焊点的电平转换时间的终点为来自第二焊点的电平信号变为高电平信号的时刻；

在每个设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段，如果IP核接收的来自第一焊点的电平信号如果变为高电平信号，则根据第一焊点的电平转换时间的长度，得出第二焊点的阻抗，所述第一焊点的电平转换时间的起点为对应设定的焊点故障监测周期的第四设定时间段的起始时刻，所述第一焊点的电平转换时间的终点为来自第一焊点的电平信号变为高电平信号的时刻。

3.如权利要求1所述的BGA封装焊点连接失效故障监测方法，其特征在于，所述电容的电容值C为R表示设定的焊点阻抗阈值，f表示焊点故障监测频率，所述焊点故障监测频率为所述设定的焊点故障监测周期的倒数。

4.如权利要求1所述的BGA封装焊点连接失效故障监测方法，其特征在于，在每个设定的焊点故障监测周期，每个设定时间段的长度相等。