CN106339521B - 基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明给出了一种基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，可用于焊点空洞缺陷筛选、寿命预测及评价等技术领域。本发明通过具有空洞缺陷的焊点热传导有限元建模方法，以及在激光脉冲恒定热流密度、自然对流激励条件下，具有空洞缺陷焊点热传导问题及反问题的数值求解算法，将数值求解算法嵌入焊点热传导有限元模型中，建立焊点空洞缺陷尺寸随红外温度查的变化规律模型。最终根据此规律模型，实现了焊点空洞缺陷的在线检测。本发明的检测方法操作简单，判断准确，已可以初步用于生产实际中，在人工判断情况下，对焊点空洞缺陷可做到接近100％的检测率。
Description
技术领域
本发明属于电子产品焊点的空洞缺陷筛选、寿命预测及评价等技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于激光脉冲激励仿真的焊点缺陷的检测方法。
背景技术
随着电子技术的迅猛发展，电子产品被应用到更为广泛的领域，人们对电子产品的质量与可靠性也提出了更高的要求。实际中，因焊点空洞、虚焊，裂纹等缺陷导致电子产品失效的问题较多，焊点质量是影响电子产品可靠性的关键因素。因此，对电子产品焊点质量的检测，筛选有缺陷的产品，是保证产品使用可靠性的关键。
焊点由于内部缺陷、损伤等会造成不同区域的导热性能发生变化，当焊点内部发生热量的传递现象时，会引起表面温度的变化，通过对检测表面温度分布规律的分析可判断焊点内部缺陷与损伤的位置、大小和性质等。红外测温检测基于缺陷焊点上述特性，通过检测焊点与焊盘、引线之间的热阻来推断焊点连接情况的。然而，为了实现对产品焊点情况进行检测，对空洞缺陷进行筛选，首先需要明确焊点空洞缺陷与温度分布的映射关系。
目前业界已经应用的检测方式主要有三种：自动光学检测(AOI)、自动X射线检测(AXI)和飞针测试。这几种检测技术各有利弊，互为补充，但即使综合利用这三种技术，仍不能确保检测出焊点的缺陷。研发新的可靠的虚焊焊点检测技术是业界共同努力的方向。基于激光脉冲激励的焊点空洞检测属于一种无损检测技术。随着现代电子业、计算机业的快速发展，脉冲激励无损检测技术也得到长足发展和延伸，应用领域以其不接触、单向、快速、定量、无污染、易判读、适用范围广的综合优势而不断扩大。该检测方法不接触焊点表面便可获得其加载后温度分布及其走势，而空洞处本身对热扩散反射、聚集、加速等有异常的表现，我们就是利用这一点来实现焊点空洞的检测任务。
事实上，由于无法按要求精确制备具有固定尺寸空洞的焊点，则不能直接通过试验确定焊点空洞缺陷尺寸与温度分布之间的映射关系。为此，提供一种通过仿真的手段，建立起焊点空洞缺陷尺寸与温度分布的映射关系非常有必要，从而实现对焊点空洞缺陷的在线检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，用于焊点空洞缺陷的筛选、寿命预测及评价。
本发明的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，包括如下步骤：
(1)建立可量化空洞缺陷的焊点模型
在AutoCAD软件的菜单栏中将Thermal Desktop热分析软件嵌套其中，将两个软件联合，建立起焊点的建模与仿真分析环境；根据焊点结构形式和尺寸，在AutoCAD软件中建立焊点空洞缺陷和PCB板的二维结构模型，焊点空洞缺陷与PCB板之间的传热关系通过热阻来表征，通过调整热阻值来模拟空洞缺陷的大小；
(2)设置激光脉冲激励仿真条件
在焊点空洞缺陷和PCB板的二维结构模型(即焊点样本AutoCAD模型)的基础上，设置Thermal Desktop仿真边界条件，仿真边界条件包括激光脉冲功率、脉冲时间、焊点与空气对流换热系数、环境温度，激光脉冲功率设定为2W-5W；脉冲时间确定为0.1-2.5s；焊点与空气对流换热系数为5-12W/m2/C、环境温度为20-35℃；
(3)确定焊点空洞缺陷尺寸与红外温差△T的映射关系
在焊点样本Thermal Desktop仿真模型的基础上，设定不同焊点空洞缺陷程度的焊点，并拟合得到焊点空洞缺陷尺寸r与红外温差△T(即引线与焊点表面的温度差)的拟合模型为
r＝9.914×10-7ΔT2+7.141×10-5ΔT-0.0003444；
(4)在检测过程中，根据步骤(3)中的拟合模型对焊点是否存在空洞缺陷进行判断。当r>0时，即ΔT>11℃时表明焊点存在空洞缺陷；当r≤0时，即ΔT≤11℃时表明焊点不存在空洞缺陷。
其中，激光脉冲激励还可以由红外灯脉冲激励代替。
其中，焊点结构形式包括BGA、PBGA或SOP。
其中，将带有空洞的焊点等效为球形空腔的金属球体。
其中，焊点空洞缺陷与PCB板之间的传热关系通过热阻模型来描述，仿真过程中，通过调整热阻值来模拟空洞缺陷尺寸r的大小。
本发明的检测方法操作简单，判断准确，已可以初步用于生产实际中，在人工判断情况下，对焊点空洞缺陷可做到接近100％的检测率。
附图说明
图1为本发明的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法中焊点样本AutoCAD模型示意图。
图2(a)、图2(b)为本发明的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法中焊点红外温度仿真曲线(热阻为10000W/m2/C)，其中图2(a)正常焊点，图2(b)有缺陷焊点。
图3为本发明的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法中空洞焊点传热示意图，三个箭头表示热流的流向。
图4为本发明的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法中焊点空洞缺陷尺寸随红外温度差△T的变化曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的实施方式，下面将对本发明的方法结合附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，包括如下步骤：
(1)建立可量化空洞缺陷的焊点模型
在AutoCAD软件的菜单栏中将Thermal Desktop热分析软件嵌套其中，将两个软件联合，从而建立起焊点的建模与仿真分析环境。通过这两个软件的联合，来实现对焊点空洞缺陷的仿真分析。
根据焊点结构形式为BGA和尺寸，在AutoCAD软件中建立焊点空洞缺陷和PCB板的二维结构模型，PCB板尺寸为25mm×50mm，焊点尺寸为1.5mm×2mm，如图1中所示，U1为焊点，U2为PCB板。
(2)设置激光脉冲激励的仿真条件
对于具有空洞缺陷的焊点，按照能量守恒定律及傅里叶导热定律，激光脉冲红外温度测试中，有以下热平衡关系：
焊点热力学能增量＝激光脉冲能量-PCB板热耗散量-空气对流热耗散量
在焊点边界上的红外激光热流密度值恒定、自然对流等边界条件下，焊点内部温度近似为均匀，传热方程为：
电路板传热方程为
焊点与板子接触时δhb为1，否则为0；zb为板子厚度。
根据Adrian Beijian和Allan D Kraus所著的《Heat Transfer Handbook》中关于半球VS平板接触热阻计算公式，自然对流、激光脉冲条件下焊点半球VS平板的接触热阻计算公式为：
一般Sn63Pb37焊球的导热系数为k＝36W·(m·℃)-1，a为接触面等效半径，单位为m。
根据以上三个公式可以计算出激光脉冲激励的仿真条件。具体来说，在焊点样本AutoCAD模型的基础上，设置Thermal Desktop仿真的边界条件和属性参数，包括激光脉冲功率为2W，脉冲时间为2.5s，焊点与空气对流换热系数12W/m2/C，环境温度设置为20℃。按照该仿真条件，对焊点的温度分布情况进行仿真，得到不同缺陷情况下焊点的红外温度测量曲线如图2中所示。
(3)确定焊点空洞缺陷尺寸与红外温差△T的映射关系
本发明将带有空洞缺陷的焊点简化为一个存在球形空腔的金属球体，如图3所示，其中U3为引线，U4为焊点的空洞缺陷，U5为焊点。在焊点样本Thermal Desktop仿真模型的基础上，计算得到不同焊点空洞缺陷尺寸r与红外温度△T的对应关系，如表所示。
表1焊点空洞缺陷尺寸与红外温差△T对应关系
| 序号 | 缺陷尺寸r(mm) | 热阻1/R(W/C) | 红外温差△T(℃) |
| 1 | 0 | 0.15 | 11 |
| 2 | 0.378 | 0.12 | 13.5 |
| 3 | 0.625 | 0.1 | 17 |
| 4 | 0.771 | 0.08 | 21 |
| 5 | 0.824 | 0.07 | 24 |
| 6 | 0.867 | 0.06 | 28 |
| 7 | 0.886 | 0.055 | 31 |
| 8 | 0.902 | 0.05 | 34 |
| 9 | 0.917 | 0.045 | 38 |
| 10 | 0.930 | 0.04 | 43 |
对表中的数据进行拟合，得到焊点空洞缺陷尺寸r随红外温差△T的变化曲线，如图所示，则焊点空洞缺陷尺寸r随△T的变化规律模型为：
r＝9.914×10-7ΔT2+7.141×10-5ΔT-0.0003444
(4)在检测过程中，根据步骤(3)中的拟合模型对焊点是否存在空洞缺陷进行判断。当r>0时，即ΔT>11℃时表明焊点存在空洞缺陷；当r≤0时，即ΔT≤11℃时表明焊点不存在空洞缺陷。
在另一具体实施方式中，将BGA代替为PBGA，也可以形成新的实施方式。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
Claims (4)
1.基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，包括以下步骤：
(1)建立可量化空洞缺陷的焊点模型
在AutoCAD软件的菜单栏中将Thermal Desktop热分析软件嵌套其中，将两个软件联合，建立起焊点的建模与仿真分析环境；根据焊点结构形式和尺寸，在AutoCAD软件中建立焊点空洞缺陷和PCB板的二维结构模型，焊点空洞缺陷与PCB板之间的传热关系通过热阻来表征，通过调整热阻值来模拟空洞缺陷的大小；
(2)设置激光脉冲激励仿真条件
在焊点空洞缺陷和PCB板的二维结构模型即焊点样本AutoCAD模型的基础上，设置Thermal Desktop仿真边界条件，仿真边界条件包括激光脉冲功率、脉冲时间、焊点与空气对流换热系数、环境温度，激光脉冲功率设定为2W-5W；脉冲时间确定为0.1-2.5s；焊点与空气对流换热系数为5-12W/m2/C、环境温度为20-35℃；其中热平衡关系及热仿真公式推导过程如下：
焊点热力学能增量＝激光脉冲能量-PCB板热耗散量-空气对流热耗散量
在焊点边界上的红外激光热流密度值恒定、自然对流边界条件下，焊点内部温度近似为均匀，传热方程为：
电路板传热方程为：
焊点与板子接触时δhb为1，否则为0；zb为板子厚度；
(3)确定焊点空洞缺陷尺寸与红外温差△T的映射关系
在焊点样本Thermal Desktop仿真模型的基础上，设定不同焊点空洞缺陷程度的焊点，并拟合得到焊点空洞缺陷尺寸r与红外温差△T即引线与焊点表面的温度差的拟合模型为
r＝9.914×10-7ΔT2+7.141×10-5ΔT-0.0003444
(4)在检测过程中，根据步骤(3)中的拟合模型对焊点是否存在空洞缺陷进行判断，将带有空洞的焊点等效为球形空腔的金属球体，当r>0时，即ΔT>11℃时表明焊点存在空洞缺陷；当r≤0时，即ΔT≤11℃时表明焊点不存在空洞缺陷。
2.如权利要求1所述的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，其中，激光脉冲激励代替为红外灯脉冲激励。
3.如权利要求1所述的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，其中，焊点结构形式包括BGA、PBGA或SOP。
4.如权利要求1所述的基于激光脉冲激励仿真的焊点空洞缺陷检测方法，其中，焊点空洞缺陷与PCB板之间的传热关系通过热阻模型来描述，仿真过程中，通过调整热阻值来模拟空洞缺陷尺寸r的大小。
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