CN108627726A - 一种模拟功率循环曲线的测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟功率循环曲线的测试装置及其测试方法，该装置包括依次连接的单片机最小系统、继电器、电源、测试样件和示波器。该方法使用单片机最小系统和继电器模块实现功率循环曲线模拟装置。通过单片机控制系统实施控制切换继电器，又因每个继电器控制相应的电压值，从而实现功率循环曲线的模拟。该装置具有体积小，功能强，价格低廉，可以实现任意斜率下的功率曲线性能，装置设计简单，极大的方便了验证软件仿真的正确性。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件封装与测试的技术领域，具体是一种模拟功率循环曲线的测试装置及其测试方法。
背景技术
芯片尺寸封装(Chip Scale Package：CSP)作为一种新型封装技术由于其具有精度高、间距细和尺寸小等方面的优势已经广泛应用于各种电子产品当中。CSP器件在实际使用时，存在着通电(开)、运行工作、待机及断电(关)这等这几个过程的交替循环，这样的循环过程即为典型的功率循环过程，由此CSP器件在实际工作中是处于一种功率循环加载状况下的。CSP器件在功率循环过程中，由于消耗电功率而产生温升，而CSP器件本体与印制电路板(PCB)之间存在着热膨胀系数的不同，在功率循环产生温升的条件下，这样的热膨胀系数失配会导致处于器件本体和PCB之间起着连接作用的CSP焊点不可避免的产生热应力，进而导致可靠性问题的产生。国内外专家只是通过有限元软件仿真对功率循环条件下的焊点进行了温度与应力分析以及对焊点结构参数进行优化而实现减小功率循环条件下焊点内的应力，进而达到提高焊点可靠性的目的。而对csp器件的仿真是否具有一定的正确性，还需要进行试验验证。本专利基于单片机控制系统和继电器模块模拟功率循环曲线进行实验验证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种模拟功率循环曲线的测试方法，该方法使用单片机最小系统和继电器模块实现功率循环曲线模拟装置。具有体积小，功能强，价格低廉，可以实现任意斜率下的功率曲线性能，装置设计简单，极大的方便了测试软件仿真的正确性。
实现本发明目的的技术方案是：
一种模拟功率循环曲线的测试装置，包括依次连接的单片机最小系统、继电器、电源、测试样件和示波器。
所述的单片机最小系统，具体包括：单片机(这里用STC作为串口输入)、电源(用于供电，一般用电脑的USB口供电)、晶振电路(用于记时)、复位电路(用于复位)，电源电路、晶振电路、复位电路均与单片机相连；所述单片机最小系统用于控制继电器。
所述的继电器和电源分别设置4个，每个继电器与单片机最小系统连接，4个继电器分别与4个电源连接，每个电源与测试样件连接。
一种模拟功率循环曲线的测试装置的测试方法，具体包括如下步骤：
1)建立COMSOL焊点在功率载荷下的仿真分析模型；
2)获取焊点的温度值：对步骤1)建立好的仿真分析模型施加功率载荷，获得焊点的温度值；
3)获取对焊点施加的总热功率：仿真中功率以密度形式加载，乘上芯片体积，得到总热功率；
4)获取电源输入器件的电压值：选取适当阻值的贴片电阻，根据P＝U^2/R,已知阻值和总热功率情况下，得到电压值；
5)制作csp焊点测试样件；
6)制作模拟芯片发热装置；
7)制作单片机最小系统，准备继电器模块和电源；
8)根据加载功率的循环曲线，编制程序语言，并将程序烧进单片机；(程序中改变切换继电器开关的时间，可以实现曲线升降的斜率)
9)接线，获得整体实物电路图：将继电器模块与电源和单片机最小系统连接，将贴片电阻两端焊好的导线分别接直流电源的正负极，通电后电阻发热即起到模拟芯片发热的作用，实现了芯片的热功率加载；
10)示波器检测输入样件的电压波形：调整示波器，将示波器的钩子接测试样件正极，夹子接负极；
11)获取实验样件的温度：根据示波器输出的电压波形，当输出到想测试的点时(例如，电压最大，最小时)，用红外摄像仪测试样件的温度；
12)实测得到的温度与仿真温度结果进行对比。
步骤6)中，制作模拟芯片发热装置，具体是将芯片中央预先开出槽孔，孔内涂上适量的导热胶，将表面贴片电阻两端焊好导线，将两端焊接好导线的表面贴片电阻放入芯片空槽内进行灌封。
本发明提供的一种模拟功率循环曲线的测试装置及其测试方法，该方法使用单片机最小系统和继电器模块实现功率循环曲线模拟装置。通过单片机控制系统实施控制切换继电器，又因每个继电器控制相应的电压值，从而实现功率循环曲线的模拟。该装置具有体积小，功能强，价格低廉，可以实现任意斜率下的功率曲线性能，装置设计简单，极大的方便了验证软件仿真的正确性。
附图说明
图1为一种模拟功率循环曲线的测试装置的结构框图；
图2为CSP焊点功率循环加载温度有限元分析模型图；
图3为热功率加载焊点的曲线图；
图4为焊点阵列温度分布图；
图5为测试样件图；
图6为继电器工作原理图；
图7为CSP焊点的温度实验测量系统连接图；
图8为示波器输出电压波形图；
图9为红外摄像仪测试样件温度图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
如图1所示，一种模拟功率循环曲线的测试装置，包括依次连接的单片机最小系统、继电器、电源、测试样件和示波器。
所述的单片机最小系统，具体包括：单片机(这里用STC作为串口输入)、电源(用于供电，一般用电脑的USB口供电)、晶振电路(用于记时)、复位电路(用于复位)，电源电路、晶振电路、复位电路均与单片机相连；所述单片机最小系统用于控制继电器。
所述的继电器和电源分别设置4个，每个继电器与单片机最小系统连接，4个继电器分别与4个电源连接，每个电源与测试样件连接。
一种模拟功率循环曲线的测试装置的测试方法，具体包括如下步骤：
1)建立COMSOL焊点在功率载荷下的仿真分析模型；
2)获取焊点的温度值：对步骤1)建立好的仿真分析模型施加功率载荷，获得焊点的温度值；
3)获取对焊点施加的总热功率：仿真中功率以密度形式加载，乘上芯片体积，得到总热功率；
4)获取电源输入器件的电压值：选取适当阻值的贴片电阻，根据P＝U^2/R,已知阻值和总热功率情况下，得到电压值；
5)制作csp焊点测试样件；
6)制作模拟芯片发热装置；
7)制作单片机最小系统，准备继电器模块和电源；
8)根据加载功率的循环曲线，编制程序语言，并将程序烧进单片机；(程序中改变切换继电器开关的时间，可以实现曲线升降的斜率)
9)接线，获得整体实物电路图：将继电器模块与电源和单片机最小系统连接，将贴片电阻两端焊好的导线分别接直流电源的正负极，通电后电阻发热即起到模拟芯片发热的作用，实现了芯片的热功率加载；
10)示波器检测输入样件的电压波形：调整示波器，将示波器的钩子接测试样件正极，夹子接负极；
11)获取实验样件的温度：根据示波器输出的电压波形，当输出到想测试的点时(例如，电压最大，最小时)，用红外摄像仪测试样件的温度；
12)实测得到的温度与仿真温度结果进行对比。
步骤1)中，所述模型为自上而下依次设置的芯片、焊点和PCB基板；模型中含有1个大芯片和4个小芯片，所述模型尺寸为：中间大芯片尺寸1.78mm×1.78mm×0.378mm，四周4个小芯片尺寸均为1.5mm×1.5mm×0.415mm，各芯片边缘间距均为1mm(各芯片间中心距均为2.64mm)。大芯片CSP焊点为4×4全阵列，共16个焊点，焊点间距0.4mm，焊点高度0.208mm，焊点最大径向尺寸0.26mm；小芯片CSP焊点为3×3全阵列，共9个焊点，焊点间距0.5mm，焊点高度0.235mm，焊点最大径向尺寸0.315mm，基板尺寸17mm×17mm×1.0mm。选取焊点材料为无铅焊料SAC387(Sn95.5Ag3.8Cu0.7)。
步骤4)中，结合功率数值和电源额定电压，选取电阻值，根据芯片尺寸，选取贴片电阻型号为0402。
步骤6)中，制作模拟芯片发热装置，具体是将芯片中央预先开出槽孔，孔内涂上适量的导热胶，将表面贴片电阻两端焊好导线，将两端焊接好导线的表面贴片电阻放入芯片空槽内进行灌封；由于芯片尺寸较小，在制作装置时与焊接导线时，需要在体显微镜下操作。
步骤7)中，所述的单片机为8051单片机。
实施例：
一种模拟功率循环曲线的测试装置的测试方法，具体包括如下步骤：
1)建立COMSOL焊点仿真分析模型，模型如图2所示，材料参数如下表1所示；
2)获取焊点的温度值：对步骤1)建立好的仿真分析模型施加功率载荷，获得焊点的温度值，施加功率载荷曲线如图3所示，仿真所得温度图如图4所示；
3)获取对焊点施加的总热功率：仿真中功率以密度形式加载，乘上5个芯片体积，得到总热功率：热功率中高功率为0.03946W，低功率为0.009865W；
4)获取电源输入器件的电压值：选取200Ω的贴片电阻，根据P＝U^2/R,得到高低电压值：6.28V和3.14V，将电压值均分选取：3.14V、4.19V、5.24V、6.28V四个电压值；
5)制作csp焊点测试样件，样件图如图5所示；
6)制作模拟芯片发热装置：将5个芯片中央预先开出槽孔，孔内涂上适量的导热胶，将表面贴片电阻两端焊好导线，将两端焊接好导线的表面贴片电阻放入芯片空槽内进行灌封。
7)制作单片机最小系统，准备一个4路的继电器和4个电源；
8)根据加载功率的循环曲线，编制程序语言，并将程序烧进单片机；(程序中改变切换继电器开关的时间，可以实现曲线升降的斜率)，功率曲线中升降保温均为10分钟；继电器工作原理图如图6所示，图中四个继电器的A0,A1,A2,A3连接8051单片机，通过单片机控制继电器工作，单片机通过编程语言实现以下内容：最开始电源通电，接通开关K1,此时第一个继电器工作；3.3分钟后，断开K1接通K2，此时第二个继电器工作，3.3分钟后；断开K2接通K3，第三个继电器工作；3.3分钟后，断开K3接通K4，第四个继电器工作；工作10分钟后，断开K4接通K3，第三个继电器工作；3.3分钟后，断开K3接通K2，第二个继电器工作；3.3分钟后，断开K2接通K1，第一个继电器工作；工作10分钟，如此循环下去，实现模拟功率曲线循环过程；
9)接线，获得整体实物电路图：将继电器模块与电源和单片机最小系统连接，将贴片电阻两端焊好的导线分别接直流电源的正负极，通电后电阻发热即起到模拟芯片发热的作用，实现了芯片的热功率加载，测试系统连接图如图7所示；
10)示波器检测输入样件的电压波形：调整示波器，将示波器的钩子接测试样件正极，夹子接负极，示波器输出电压波形图如图8所示；
11)获取实验样件的温度：根据示波器输出的电压波形，当输出到电压最大时，用红外摄像仪测试样件的温度，测试样件温度图如图9所示，图9中右下角所标注出的数值26和38为最低和最高温度；
12)实测与仿真结果进行对比；从图9可见，实际最高温度结果与有限元仿真结果一致，仿真中最高温度为38.495℃，实测最高温度38℃，相对误差为1.29％，在一定误差范围内，实测结果与仿真相对符合，存在误差的原因是仿真中各部分材料参数和实际样件所用的材料参数存在差别，并且使用贴片电阻作为等效热源，从热源到基板存在更大的热阻，从而导致相应的误差。结果表明，仿真分析结果和实验结果一致性较好。
表1 材料参数
Claims (5)
1.一种模拟功率循环曲线的测试装置，其特征在于，包括依次连接的单片机最小系统、继电器、电源、测试样件和示波器。
2.根据权利要求1所述的一种模拟功率循环曲线的测试装置，其特征在于，所述的单片机最小系统，包括单片机、电源电路、晶振电路、复位电路；电源电路、晶振电路、复位电路均与单片机相连；在这里单片机最小系统起控制继电器的作用。
3.根据权利要求1所述的一种模拟功率循环曲线的测试装置，其特征在于，所述的继电器和电源分别设置4个，每个继电器与单片机最小系统连接，4个继电器分别与4个电源连接，每个电源与测试样件连接。
4.一种模拟功率循环曲线的测试装置的测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）建立COMSOL焊点在功率载荷下的仿真分析模型；
2）获取焊点的温度值：对步骤1）建立好的仿真分析模型施加功率载荷，获得焊点的温度值；
3）获取对焊点施加的总热功率：仿真中功率以密度形式加载，乘上芯片体积，得到总热功率；
4）获取电源输入器件的电压值：选取适当阻值的贴片电阻，根据P＝U^2/R,已知阻值和总热功率情况下，得到电压值；
5）制作csp焊点测试样件；
6）制作模拟芯片发热装置；
7）制作单片机最小系统，准备继电器模块和电源；
8）根据加载功率的循环曲线，编制程序语言，并将程序烧进单片机；
9）接线，获得整体实物电路图：将继电器模块与电源和单片机最小系统连接，将贴片电阻两端焊好的导线分别接直流电源的正负极，通电后电阻发热即起到模拟芯片发热的作用，实现了芯片的热功率加载；
10）示波器检测输入样件的电压波形：调整示波器，将示波器的钩子接测试样件正极，夹子接负极；
11）获取实验样件的温度：根据示波器输出的电压波形，当输出到想测试的点时，用红外摄像仪测试样件的温度；
12）实测得到的温度与仿真温度结果进行对比。
5.根据权利要求4所述的一种模拟功率循环曲线的测试装置的测试方法，其特征在于，步骤6）中，制作模拟芯片发热装置，具体是将芯片中央预先开出槽孔，孔内涂上适量的导热胶，将表面贴片电阻两端焊好导线，将两端焊接好导线的表面贴片电阻放入芯片空槽内进行灌封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20181009 Assignee: Guilin Yuanjing Electronic Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980044645 Denomination of invention: A testing device and method for simulating power cycle curves Granted publication date: 20200403 License type: Common License Record date: 20231030 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |