CN109738322B

CN109738322B - 电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法

Info

Publication number: CN109738322B
Application number: CN201910063611.3A
Authority: CN
Inventors: 甘贵生; 夏大权; 刘歆; 田谧哲; 曹华东; 蒋刘杰; 吴懿平; 杨栋华; 王卫生; 甘树德
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109738322A

Abstract

本发明公开了一种电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法，试验装置包括加热系统，制冷系统，冷却液循环系统和电子报警计数器，加热系统包括加热电源和焊咀，在焊咀侧端设有试样放置点，在加热电源上连接有设置加热电源的加热和暂停时间的第一循环时间继电器；制冷系统包括水箱、热电阻，在水箱底部设有制冷片，在水箱外设有温度控制器；冷却液循环系统包括装在水箱内的冷却液和与水箱相接的水泵，在水箱上设有冷却液循环管，冷却液循环管的中部与焊咀固定连接，在水泵上还连接有能够设定试样的冷却时间和冷却暂停时间的第二循环时间继电器。本发明得到的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法具有体积小、造价低，且升温速率快的优点。

Description

电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种热疲劳实验装置，具体涉及一种电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法。

背景技术

随着IGBT和LED等大功率器件的逐步推广和应用，封装体密度越来越高，焊点尺寸越来越小，焊点数量越来越多，其元器件内部芯片所承受的功率越来越大，封装体内部的热流密度也越来越高，为了更好的发挥其性能必须进行冷却降温。因此元器件内部焊点在服役过程中必将承受着高频率、急剧的温度变化，必将导致元器件内部各种材料的热膨胀系数失配，以及起连接作用的焊点承受着应力应变的循环变化，进而引起焊点的热疲劳破坏，导致整个封装器件的失效。

基于上述问题，在封装体生产前，需对封装体内各个焊点进行热疲劳实验，以生产出合格的封装体，使封装体的使用寿命更长。目前，常规的含热冲击和热循环实验温度变化慢，循环周期特别长。例如文献[Yan Qi,Rex Lam,et al.Temperature profile effectsin accelerated thermal cycling of SnPb and Pb-free solder joints.Microelectronics Reliability,2006,46 (2-4):574-588]采用两种升温速率（14℃/min和95℃/min）对晶体管2512和PBGA256电子元件的SnPb和无铅焊料进行试验。研究发现，在相同的失效模式下，高升温速率大大缩短了测试时间，但升温速率依然达不到大功率器件内部焊点在服役过程中温度变化速率。又如某公司的D/GDWJB-800L高低温冲击试验箱，其设备升温速率低（0~25℃/min），单个循环周期大。又如文献[李聪，电子封装快速热疲劳可靠性的研究，华中科技大学硕士论文，2012]和[陈继兵, 快速热疲劳对无铅微焊点性能和微观组织的影响, 华中科技大学博士论文, 2013]采用三种升温速率（7℃/S、12.5℃/S和14℃/S）和三种热循环温度（55～125℃、55～180℃、60～200℃）对无铅焊点进行快速热疲劳试验。其试验装置的升温速率较常规热疲劳有较大提升，但升温速率还有优化的空间，且低温段温度过高还需要大幅度降低。同时，现有的热疲劳实验装置体积大，造价高，实验成本大。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种升温速率快，且体积小、造价低的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种电烙铁加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，它包括加热系统，制冷系统，冷却液循环系统和计数系统，所述加热系统包括加热电源以及和加热电源电连接的焊接手柄，在焊接手柄的末端设有焊咀，在焊咀的侧端设有一试样放置点，在加热电源上还设有与其通过电连接的第一循环时间继电器，通过第一循环时间继电器可设置加热电源的加热时间和暂停时间；所述制冷系统包括水箱，在水箱内设有用于检测水箱内液体温度的热电阻，在水箱底部设有一个用于为水箱内液体制冷的制冷片，在水箱外设有一个用于调节制冷片制冷温度的温度控制器，所述热电阻与温度控制器通过无线连接，并能够将实时检测的温度通过无线的方式传递给温度控制器；所述冷却液循环系统包括装在水箱内的冷却液和一个与水箱通过管道相接的水泵，在水箱上还设有一个一端固定在水箱内、另一端与水泵相接的冷却液循环管，所述冷却液循环管的中部与焊咀固定连接，在水泵上还连接有一个第二循环时间继电器，所述第二循环时间继电器能够控制水泵的开闭，并能够设定试样的冷却时间和冷却暂停时间；所述计数系统包括一个能够设定设备运行周期次数，并在达到该周期数值后进行报警的电子报警计数器，所述电子报警计数器与水泵相接，水泵每通电一次，电子报警计数器计数一次，水泵暂停时，电子报警计数器保持计数值。这样，通过加热电源加热，同步将焊咀加热，从而带动试样处于高温下，在一定时间段的加热后，水泵带动冷却液到达焊咀处，并对试样进行降温，通过第一循环时间继电器设定加热时间，通过第二循环继电器设定冷却时间，进而使得试样在高温和低温下不断重复转换，以在短时间内达到实验目的。该装置所需各个设备的体积较小，易组装，同时造价也低，从而便于大范围推广，能够减少实验成本。另外，通过加热电源加热，冷却液进行冷却的方式使得试样的升温速率快，能够极大的缩短实验时间。

进一步的，在制冷系统的温度控制器与水箱之间还设有一个与制冷片相接的第一开关电源。这样，通过控制其第一开关电源输出功率，就能够达到控制制冷片冷却时输出功率，进而控制制冷温度的目的。

进一步的，所述制冷片为半导体制冷片。这样，采用半导体制冷片的体积小，可靠性高。

进一步的，所述冷却液循环系统中第二循环时间继电器与水泵之间还连接有一第二开关电源。这样，通过第二开关电源为水泵提供电能，将其与第二循环时间继电器连接后，可根据第二循环时间继电器所设定的冷却时间和暂停时间实现对第二开关电源的启动或关闭，进而达到控制水泵的启停的目的。

进一步的，与焊咀的试样放置点侧端相对的一侧为曲面，所述冷却液循环管的中部通过焊接固定在该曲面上。这样，将焊咀的其中一面设为曲面后，能够使焊咀与冷却液循环管完美贴合，连接牢固，同时，设为曲面后，焊咀的厚度减小，而试样贴在曲面的相对侧，进而能够实现对试样快速加热和降温的目的。

进一步的，所述冷却液循环管呈U形，采用紫铜管制成。这样，紫铜管具有韧性好、传热速度快的优点，采用紫铜管作为冷却液循环管能够实现快速传递温度的效果。将其设为U形，可便于冷却循环管与水泵和水箱进行连接。

一种电烙铁加热式快速热疲劳实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，制作实验装置，所述实验装置如上所述，并将试样贴在焊咀的试样放置点处；S2，根据工艺要求，通过温度控制器设定制冷片的制冷温度，设定电子报警计数器的循环周期次数，并同步设定第一循环时间继电器的加热时间和暂停时间，设定第二循环继电器的试样冷却时间和冷却暂停时间，所述第一循环时间继电器的加热时间和第二循环时间继电器的冷却循环时间需交替设置；S3，设定加热电源的加热温度，通过加热电源将热量传递到焊咀，焊咀对试样加热，加热到所设定的加热时间后，第一循环时间继电器进入暂停时间，第二循环时间继电器进入冷却循环时间，水泵开启，并通过冷却液循环管将冷却液从水箱中抽出使其循环，并流到焊咀处的冷却液循环管中，对焊咀处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器进入加热时间，加热电源开始加热；S4，以S3的模式往复实验，每一个第一循环时间继电器和第二循环时间继电器开启一次为一个周期，每个周期运行一次，电子报警计数器计数一次，当达到电子报警计数器所设定的周期数后，电子报警计数器报警，实验完成。这样，在实验时，只需根据工艺需求对第一循环时间继电器、第二循环时间继电器以及电子报警计数器进行工艺参数设定后，就能进行实验，其实验的自动化程度高，精确性好，操作方便。

进一步的，所述加热时间包括试样升温时间和试样保温时间，所述试样冷却时间包括试样降温时间和试样保温时间。这样，加热时间包括的升温时间和保温时间，冷却时间包括降温时间和保温时间后，可确保试样每次所接触的温度相同，不会存在差异。

与现有技术相比，本发明得到的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法具有如下优点：

1、通过加热电源加热，同步将焊咀加热，从而带动试样处于高温下，在一定时间段的加热后，水泵带动冷却液到达焊咀处，并对试样进行降温，通过第一循环时间继电器设定加热时间，通过第二循环继电器设定冷却时间，进而使得试样在高温和低温下不断重复转换，以在短时间内达到实验目的。

2、装置所需各个设备的体积较小，易组装，同时造价也低，从而便于大范围推广，能够减少实验成本。

3、通过加热电源加热，冷却液进行冷却的方式使得试样的升温速率快，能够极大的缩短实验时间。

4、本发明装置无磁场效应，避免了电磁场对试验样品的影响。

附图说明

图1为实施例中电烙铁加热式快速热疲劳实验装置的安装结构示意图；

图2为实施例中焊咀和冷却液循环管的安装结构放大示意图。

图中：加热电源1、手柄2、第一时间循环继电器3、冷却液循环管4、温度控制器5、第一开关电源6、热电阻7、冷却液8、水箱9、制冷片10、水泵11、电子报警计数器12、第二开关电源13、第二时间循环继电器14、焊咀15、试样放置点16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

本实施例提供一种电烙铁加热式快速热疲劳实验装置及实验方法，如图1、图2所示，电烙铁加热式快速热疲劳实验装置包括加热系统，制冷系统，冷却液循环系统和计数系统，所述加热系统包括加热电源1以及和加热电源1电连接的焊接手柄2，在焊接手柄2的末端设有焊咀15，在焊咀15的侧端设有一试样放置点16，在加热电源1上还设有与其通过电连接的第一循环时间继电器3，通过第一循环时间继电器3可设置加热电源1的加热时间和暂停时间，在温度控制器5与水箱9之间还设有一个与制冷片10相接的第一开关电源6；所述制冷系统包括水箱9，在水箱9内设有用于检测水箱9内液体温度的热电阻7，在水箱9底部设有一个用于为水箱9内液体制冷的制冷片10，在水箱9外设有一个用于调节制冷片10制冷温度的温度控制器5，所述热电阻7与温度控制器5通过无线连接，并能够将实时检测的温度通过无线的方式传递给温度控制器5；所述冷却液循环系统包括装在水箱9内的冷却液8和一个与水箱9通过管道相接的水泵11，在水箱9上还设有一个一端固定在水箱9内、另一端与水泵11相接的冷却液循环管4，所述冷却液循环管4的中部与焊咀15固定连接，在水泵11上还连接有一个第二循环时间继电器14，所述第二循环时间继电器14能够控制水泵11的开闭，并能够设定试样的冷却时间和冷却暂停时间，在第二循环时间继电器14与水泵11之间还连接有一第二开关电源13，通过第二开关电源13为水泵11提供电能；所述计数系统包括一个能够设定设备运行周期次数，并在达到该周期数值后进行报警的电子报警计数器12，所述电子报警计数器12与水泵11相接，水泵11每通电一次，电子报警计数器12计数一次，水泵11暂停时，电子报警计数器12保持计数值。

本实施例中的制冷片10为半导体制冷片，温度控制器5为PID温度控制器，水泵11为直流电源水泵。

如图2所示，与焊咀15的试样放置点16侧端相对的一侧为曲面，所述冷却液循环管4的中部通过焊接固定在该曲面上。具体的，冷却液循环管4呈U形，采用紫铜管制成。

上述电烙铁加热式快速热疲劳实验方法，包括如下步骤：S1，制作实验装置，所述实验装置如上所述，并将试样贴在焊咀15的试样放置点16处；S2，根据工艺要求，通过温度控制器5设定制冷片10的制冷温度，设定电子报警计数器12的循环周期次数，并同步设定第一循环时间继电器3的加热时间和暂停时间，设定第二循环继电器14的试样冷却时间和冷却暂停时间，所述第一循环时间继电器3的加热时间和第二循环时间继电器14的冷却循环时间需交替设置；S3，设定加热电源1的加热温度，通过加热电源1将热量传递到焊咀15，焊咀15对试样加热，加热到所设定的加热时间后，第一循环时间继电器3进入暂停时间，第二循环时间继电器14进入冷却循环时间，水泵11开启，并通过冷却液循环管4将冷却液8从水箱9中抽出使其循环，并流到焊咀15处的冷却液循环管4中，对焊咀15处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器14进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器3进入加热时间，加热电源1开始加热；S4，以S3的模式往复实验，每一个第一循环时间继电器3和第二循环时间继电器14开启一次为一个周期，每个周期运行一次，电子报警计数器12计数一次，当达到电子报警计数器12所设定的周期数后，电子报警计数器12报警，实验完成。

上述加热时间包括试样升温时间和试样保温时间，所述试样冷却时间包括试样降温时间和试样保温时间。

针对上述实验方法，本实施例的具体实验方案如下：

方案1：S1，将试样贴在焊咀15的试样放置点16处；S2，设置温度控制器5的冷却温度为0℃，打开第一开关电源6，等待冷却液8温度达到0℃；

设定电子报警计数器12的循环周期为100次；设置第一时间循环继电器3加热时间（包括试样升温时间为15s，保温时间为5s），暂停时间为15s；设置第二时间循环继电器14冷却时间（包括试样降温时间为10s，保温时间为5s)，暂停时间为20s；S3，设置T12加热电源1加热温度为150℃。启动加热电源1，焊咀15对试样加热，加热到150℃后，第一循环时间继电器3进入暂停时间，第二循环时间继电器14进入冷却循环时间，水泵11开启，并通过冷却液循环管4将冷却液8从水箱9中抽出使其循环，并流到焊咀15处的冷却液循环管4中，对焊咀15处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器14进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器3进入加热时间，加热电源1开始加热。S4，第一循环时间继电器3和第二循环时间继电器4以S3的模式重复试验，当系统循环周期达到100次，电子报警计数器12发出警报。取下试样16，实验完毕。

方案2：S1，将试样贴在焊咀15的试样放置点16处；S2，设置温度控制器5的冷却温度为5℃，打开第一开关电源6，等待冷却液8温度达到5℃；

设定电子报警计数器12的循环周期为200次；设置第一时间循环继电器3加热时间（包括试样升温时间为10s，保温时间为5s），暂停时间为20s；设置第二时间循环继电器14冷却时间（包括试样降温时间为15s，保温时间为5s)，暂停时间为15s；S3，设置T12加热电源1加热温度为150℃。启动加热电源1，焊咀15对试样加热，加热到150℃后，第一循环时间继电器3进入暂停时间，第二循环时间继电器14进入冷却循环时间，水泵11开启，并通过冷却液循环管4将冷却液8从水箱9中抽出使其循环，并流到焊咀15处的冷却液循环管4中，对焊咀15处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器14进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器3进入加热时间，加热电源1开始加热。S4，第一循环时间继电器3和第二循环时间继电器4以S3的模式重复试验，当系统循环周期达到200次，电子报警计数器12发出警报。取下试样16，实验完毕。

方案3：S1，将试样贴在焊咀15的试样放置点16处；S2，设置温度控制器5的冷却温度为0℃，打开第一开关电源6，等待冷却液8温度达到0℃；

设定电子报警计数器12的循环周期为500次；设置第一时间循环继电器3加热时间（包括试样升温时间为15s，保温时间为5s），暂停时间为15s；设置第二时间循环继电器14冷却时间（包括试样降温时间为10s，保温时间为5s)，暂停时间为20s；S3，设置T12加热电源1加热温度为150℃。启动加热电源1，焊咀15对试样加热，加热到150℃后，第一循环时间继电器3进入暂停时间，第二循环时间继电器14进入冷却循环时间，水泵11开启，并通过冷却液循环管4将冷却液8从水箱9中抽出使其循环，并流到焊咀15处的冷却液循环管4中，对焊咀15处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器14进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器3进入加热时间，加热电源1开始加热。S4，第一循环时间继电器3和第二循环时间继电器4以S3的模式重复试验，当系统循环周期达到500次，电子报警计数器12发出警报。取下试样16，实验完毕。

方案4：S1，将试样贴在焊咀15的试样放置点16处；S2，设置温度控制器5的冷却温度为10℃，打开第一开关电源6，等待冷却液8温度达到10℃；

设定电子报警计数器12的循环周期为1000次；设置第一时间循环继电器3加热时间（包括试样升温时间为15s，保温时间为5s），暂停时间为15s；设置第二时间循环继电器14冷却时间（包括试样降温时间为15s，保温时间为5s)，暂停时间为20s；S3，设置T12加热电源1加热温度为150℃。启动加热电源1，焊咀15对试样加热，加热到150℃后，第一循环时间继电器3进入暂停时间，第二循环时间继电器14进入冷却循环时间，水泵11开启，并通过冷却液循环管4将冷却液8从水箱9中抽出使其循环，并流到焊咀15处的冷却液循环管4中，对焊咀15处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器14进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器3进入加热时间，加热电源1开始加热。S4，第一循环时间继电器3和第二循环时间继电器4以S3的模式重复试验，当系统循环周期达到1000次，电子报警计数器12发出警报。取下试样16，实验完毕。

方案5：S1，将试样贴在焊咀15的试样放置点16处；S2，设置温度控制器5的冷却温度为0℃，打开第一开关电源6，等待冷却液8温度达到0℃；

设定电子报警计数器12的循环周期为1000次；设置第一时间循环继电器3加热时间（包括试样升温时间为20s，保温时间为5s），暂停时间为15s；设置第二时间循环继电器14冷却时间（包括试样降温时间为10s，保温时间为5s)，暂停时间为25s；S3，设置T12加热电源1加热温度为150℃。启动加热电源1，焊咀15对试样加热，加热到150℃后，第一循环时间继电器3进入暂停时间，第二循环时间继电器14进入冷却循环时间，水泵11开启，并通过冷却液循环管4将冷却液8从水箱9中抽出使其循环，并流到焊咀15处的冷却液循环管4中，对焊咀15处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器14进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器3进入加热时间，加热电源1开始加热。S4，第一循环时间继电器3和第二循环时间继电器4以S3的模式重复试验，当系统循环周期达到1000次，电子报警计数器12发出警报。取下试样16，实验完毕。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种电烙铁加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，它包括加热系统，制冷系统，冷却液循环系统和计数系统，所述加热系统包括加热电源（1）以及和加热电源（1）电连接的焊接手柄（2），在焊接手柄（2）的末端设有焊咀（15），在焊咀（15）的侧端设有一试样放置点（16），在加热电源（1）上还设有与其通过电连接的第一循环时间继电器（3），通过第一循环时间继电器（3）可设置加热电源（1）的加热时间和暂停时间；所述制冷系统包括水箱（9），在水箱（9）内设有用于检测水箱（9）内液体温度的热电阻（7），在水箱（9）底部设有一个用于为水箱（9）内液体制冷的制冷片（10），在水箱（9）外设有一个用于调节制冷片（10）制冷温度的温度控制器（5），所述热电阻（7）与温度控制器（5）通过无线连接，并能够将实时检测的温度通过无线的方式传递给温度控制器（5）；所述冷却液循环系统包括装在水箱（9）内的冷却液（8）和一个与水箱（9）通过管道相接的水泵（11），在水箱（9）上还设有一个一端固定在水箱（9）内、另一端与水泵（11）相接的冷却液循环管（4），所述冷却液循环管（4）的中部与焊咀（15）固定连接，在水泵（11）上还连接有一个第二循环时间继电器（14），所述第二循环时间继电器（14）能够控制水泵（11）的开闭，并能够设定试样的冷却时间和冷却暂停时间；与焊咀（15）的试样放置点（16）侧端相对的一侧为曲面，所述冷却液循环管（4）的中部通过焊接固定在该曲面上；所述计数系统包括一个能够设定设备运行周期次数，并在达到该周期数值后进行报警的电子报警计数器（12），所述电子报警计数器（12）与水泵（11）相接，水泵（11）每通电一次，电子报警计数器（12）计数一次，水泵（11）暂停时，电子报警计数器（12）保持计数值。

2.根据权利要求1所述的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，在制冷系统的温度控制器（5）与水箱（9）之间还设有一个与制冷片（10）相接的第一开关电源（6）。

3.根据权利要求1或2所述的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述制冷片（10）为半导体制冷片。

4.根据权利要求1或2所述的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述冷却液循环系统中第二循环时间继电器（14）与水泵（11）之间还连接有一第二开关电源（13）。

5.根据权利要求4所述的电烙铁加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述冷却液循环管（4）呈U形，采用紫铜管制成。

6.一种电烙铁加热式快速热疲劳实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，制作实验装置，所述实验装置如权利要求4所述，并将试样贴在焊咀（15）的试样放置点（16）处；S2，根据工艺要求，通过温度控制器（5）设定制冷片（10）的制冷温度，设定电子报警计数器（12）的循环周期次数，并同步设定第一循环时间继电器（3）的加热时间和暂停时间，设定第二循环继电器（14）的试样冷却时间和冷却暂停时间，所述第一循环时间继电器（3）的加热时间和第二循环时间继电器（14）的冷却循环时间需交替设置；S3，设定加热电源（1）的加热温度，通过加热电源（1）将热量传递到焊咀（15），焊咀（15）对试样加热，加热到所设定的加热时间后，第一循环时间继电器（3）进入暂停时间，第二循环时间继电器（14）进入冷却循环时间，水泵（11）开启，并通过冷却液循环管（4）将冷却液（8）从水箱（9）中抽出使其循环，并流到焊咀（15）处的冷却液循环管（4）中，对焊咀（15）处的试样进行降温冷却，待试样达到试样冷却时间后，第二循环时间继电器（14）进入冷却暂停时间，第一循环时间继电器（3）进入加热时间，加热电源（1）开始加热；S4，以S3的模式往复实验，每一个第一循环时间继电器（3）和第二循环时间继电器（14）开启一次为一个周期，每个周期运行一次，电子报警计数器（12）计数一次，当达到电子报警计数器（12）所设定的周期数后，电子报警计数器（12）报警，实验完成。

7.根据权利要求6所述的电烙铁加热式快速热疲劳实验方法，其特征在于，所述加热时间包括试样升温时间和试样保温时间，所述试样冷却时间包括试样降温时间和试样保温时间。