CN111006577A - 一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法，涉及陶瓷基板技术领域，能够实时反映变温过程中陶瓷基板表面不同部位的热应变情况，操作简便，测量精度高；该系统包括陶瓷基板，设于冷热循环装置内，在冷热循环装置的变温过程中产生应变；应变片，设于陶瓷基板表面，用于感知陶瓷基板的应变；应变仪，与应变片连接，用于采集应变片感知到的应变数据；数据处理单元，用于对应变仪采集的应变数据进行分析和处理；温度传感器，用于采集陶瓷基板表面的温度，并传输给温度记录仪；以及温度记录仪，与温度传感器连接，用于记录和保存温度传感器测量的温度数据。本发明提供的技术方案适用于陶瓷表面应变测量的过程中。

Description

一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法

【技术领域】

本发明涉及陶瓷基板技术领域，尤其涉及一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法。

【背景技术】

随着电子技术的快速发展，芯片、IGBT等电子器件的集成度不断增加，电子产品也不断向小型化、轻量化、智能化的方向发展。单位功率密度也随之不断提高，导致器件产生大量热量，使得电路工作温度不断上升，因此对芯片和IGBT等电子器件的封装工艺的可靠性提出了更高的要求，特别是耐热循环性。

由于陶瓷和金属的物理、化学性能差别较大，特别是热膨胀系数存在较大差异，连接后在接头内部会产生较高的残余应力，除此之外，当器件处于工作环境条件下时，特别是在热循环过程中，由于陶瓷和金属的热膨胀系数差别较大，陶瓷和钎料金属的差异会导致接头中在实际温度循环过程中产生热应力，随着热循环的不断进行，最终会造成基板开裂失效。

陶瓷基板是一种陶瓷材料和金属材料的复合结构，测量陶瓷基板热循环之后的弯曲高度可以直接有效地表现热循环之后陶瓷基板的宏观变形，并不能反映热循环过程中陶瓷基板实时的热应变情况。

电阻应变片法是众多的表面应力应变的测量方法中的一种方法，它是基于电阻丝的应变-电阻效应来测量应变。应变片的敏感栅受力后使其电阻发生变化。将应变片粘贴至陶瓷基板，利用应变-电阻效应便能把陶瓷基板表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量，电阻应变片就是利用这一原理制成的传感元件。这种测量方法具有灵敏度高，误差小等特点，在很多方面有所应用。

为了研究陶瓷基板的失效机理，引入电阻应变片法测量陶瓷基板热循环过程中的应变。高温应变片是一次性使用的元件，当其采用粘贴或焊接方式安装在试件上后，不能取下来重新使用。利用高温电阻应变片测量应变是用来测量高温下试件应变的一种常见方法，其温度特性好，并且使用操作简便，测量精度高。但是，现有电阻应变片测量陶瓷基板的应变只能获取应变随着时间的变化趋势，无法直接获得应变随着温度的实时应变变化趋势。

因此，有必要研究一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法，能够实时反映变温过程中陶瓷基板表面不同部位的热应变情况，操作简便，测量精度高。

一方面，本发明提供一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，所述系统包括：

陶瓷基板，设于冷热循环装置内，在冷热循环装置的变温过程中产生应变；

若干应变片，设于陶瓷基板表面，用于感知陶瓷基板的应变；

应变仪，与应变片连接，用于采集应变片感知到的应变数据；

数据处理单元，用于对应变仪采集的应变数据和温度记录仪记录的温度数据进行分析和处理；

若干温度传感器，用于采集陶瓷基板表面的温度，并传输给温度记录仪；

以及温度记录仪，与温度传感器连接，用于记录和保存温度传感器测量的温度数据。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，冷热循环装置的变温过程为30℃～200℃～30℃，从30℃以1℃/s的升温速率升温至200℃，随炉冷却至30℃。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，若干应变片分别设置在陶瓷基板上表面的中心位置和边缘位置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应变片包括基片、电阻丝、覆盖层和两根引出线；所述电阻丝呈弯曲状嵌设在所述基片上，所述电阻丝的两端分别和一根所述引出线连接；所述基片和所述电阻丝上铺设有所述覆盖层；两根所述引出线分别与应变仪连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述基片和所述覆盖层的材质均为聚酰亚胺；所述电阻丝的材质为卡玛箔；所述引出线的材质为镀锡铜线。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应变仪为XL2101S8动静态应变仪。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应变片采用胶水粘贴于陶瓷基板的表面。

另一方面，本发明提供一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量方法，其特征在于，采用如上任一所述的测量系统；

所述测量方法的步骤包括：

S1、将应变片粘贴于陶瓷基板的表面，并将其引线与应变仪连接；

S2、将温度传感器设于陶瓷基板的表面，并将其与温度记录仪连接；

S3、将冷热循环装置的循环温度设置为30℃～200℃～30℃，将升温模式设置为1℃/s的升温速率，将降温模式设置为随炉冷却；

S4、开始温变并采集陶瓷基板的应变数据和温度数据；

S5、输出结果。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应变仪在采集应变数据前，需根据测试要求选择相应的桥路、采集频率和采样方式。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，选择的桥路为1/4无补偿桥路；采集方式为连续采集；频率为：1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2500Hz或5000Hz。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：该方法可以表征陶瓷基板在变温过程中的实时应变值，操作简单，测量精度高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例提供的粘贴应变片的陶瓷基板结构图；

图3是本发明一个实施例提供的应变片的层状结构图；

图4是本发明一个实施例提供的应变随时间的变化关系图；

图5是本发明一个实施例提供的温度随时间的变化关系图；

图6是本发明一个实施例提供的应变随温度的变化关系图。

其中，图中：

1-陶瓷基板；2-应变片；3-温度传感器；21-基片；22-电阻丝；23-覆盖层；24-引出线。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，例如相同或相似的成分或工艺微调等，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统。该测量系统利用高温胶将高温应变片粘贴至陶瓷基板，待胶水固化后将粘贴有高温应变片的陶瓷基板通过高温应变片的引线与应变仪的测量通道实现连接，应变仪通过USB接口与计算机连接，利用应变仪采集变温过程中热应力作用下陶瓷基板产生的应变值，并通过计算机中的数据采集分析软件将测量数据直观实时地表示出来。同时利用温度传感器和温度记录仪的组合实时采集陶瓷基板所处环境温度值。温度传感器接触陶瓷基板表面，并经由无纸温度记录仪实时记录采集到的陶瓷基板表面温度。温度记录仪与计算机连接，用于将采集到的实时基板温度传输给计算机进行处理。

本发明提供一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其结构如图1所示，包括陶瓷基板、XL2101S8动静态应变仪、数据处理单元、冷热循环装置、温度记录仪和温度传感器。数据处理单元可以是计算机、ipad或者其他用于数据处理的单元或系统。陶瓷基板置于冷热循环装置内，能够感知冷热循环的环境变化，并根据自身的热膨胀性能随环境变化产生应变。陶瓷基板表面用耐高温胶粘贴有若干高温应变片，用于感知和监测陶瓷基板在冷热循环环境下的应变。高温应变片的结构包括基片21、电阻丝22、覆盖层23和引出线24，如图3所示，基片上设有用于放置电阻丝的凹槽，电阻丝呈弯曲状铺设在基片表面的凹槽内，电阻丝的两端分别连接引出线，电阻丝和基片的上方铺设有覆盖层，用于保护电阻丝，免于其与外部接触。基片和覆盖层的材质为绝缘材质，本申请选用聚酰亚胺；电阻丝材质为卡玛箔，引出线材质为镀锡铜线。基片主要作用是支撑电阻丝，并与构件表面保持绝缘。电阻丝主要作用是把结构部件的变形转换成电阻丝的电阻变化，进而转换成电压的变化进行输出。覆盖层的主要作用是保护电阻丝免受外力冲击等的机械损伤，提高应变片的稳定性。引出线是为了便于电阻丝与外部测量导线可靠地相连接而设置的，有利于保护焊点，避免应力集中，提高应变片本身的安全和寿命。高温应变片通过其两条引出线与应变仪连接。应变仪与计算机通信连接。应变仪用于采集高温应变片感知到的应变数据，并将应变数据传输给计算机进行分析和处理。温度传感器设于陶瓷基板的表面，用于采集陶瓷基板表面的温度值，并将采集到的温度值传输给温度记录仪进行记录和保存。

实施例1：

陶瓷基板可以是尺寸为57×57×0.3mm的氮化硅陶瓷基板，在陶瓷基板的中心与边缘位置分别粘贴一片高温应变片，中心位置和边缘位置的这两个高温应变片的粘贴方向一致，如图2所示。将粘贴有高温应变片的氮化硅陶瓷基板通过高温应变片的引线与应变仪相连接，应变仪通过USB接口与计算机进行连接，由设于计算机内的数据采集分析软件对采集到的陶瓷基板的应变数据进行分析和处理。

实际采集应变数据时，需保证采集分析软件的清零(即处于初始设置)。开启加热冷却循环装置，使陶瓷基板处于热循环环境，并且开启应变仪等仪器开始采集应变数据。测量过程中对陶瓷基板不施加任何外部载荷，主要探究在温度变化条件下，由于陶瓷基板各材料之间的热膨胀差异性所导致的热应力对陶瓷基板产生的热应变影响。

其中，热循环的变温过程为在30℃～200℃～30℃的温度范围条件下，从30℃以1℃/s的升温速率升温至200℃，然后随炉冷却至30℃。所采集的陶瓷基板应变随时间的变化关系如图4所示，中心应变和边缘应变随着循环的进行，测量的应变值呈现反向增加的趋势；同时利用温度传感器实时采集陶瓷基板表面温度，再通过无纸温度记录仪对实时温度进行记录，陶瓷基板温度随时间的关系图如图5所示。采集过程中需要保持应变采集和温度采集的同步性，以此获取温度随时间的关系及应变随时间的关系从而得到应变随着温度的变化关系，陶瓷基板应变随温度的关系如图6所示，随着温度的升高应变值增加，随着温度的降低应变值降低。

应变仪主要包括两路测量端子、桥路选择开关、网口、USB接口、级联接口和电源开关。通过桥路选择开关选择相应的测量桥路，应变仪上可设置桥路选择示意图，指示工作人员选择不同桥路时的具体操作。在实际测量过程中，用户可根据测试要求选择不同的组桥方式，一般常用的组桥方式有1/4桥(无补偿)、1/4桥(公共补偿)、半桥和全桥。在组桥时务必保证桥路选择开关与所接桥路必须保持一致，未使用测点的桥路选择开关必须打到全桥状态，否则可能会造成数据过载或数据错误。连接过程中需选择频率、采样方式以及需通过“保存平衡文件”功能保存平衡后初始零点，方便用户对数据进行分析。本申请采用应变片对陶瓷基板进行应变测量时，选择1/4(无补偿)桥路，采样频率根据实际测量的要求可以有多种选择，适用于静态和频率低于5000Hz的动态应变测试现场的频率选择包括1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2500Hz、5000Hz。采样方式为手动采集、连续采集、监测采集、触发采集。本申请采用的是连续采集，可以连续采集所需数据，不间断，较便捷。

以上对本申请实施例所提供的一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，所述系统包括：

陶瓷基板，设于冷热循环装置内，在冷热循环装置的变温过程中产生应变；

应变片，设于陶瓷基板表面，用于感知陶瓷基板的应变；

应变仪，与应变片连接，用于采集应变片感知到的应变数据；

数据处理单元，用于对应变仪采集的应变数据和温度记录仪记录的温度数据进行分析和处理；

温度传感器，用于采集陶瓷基板表面的温度，并传输给温度记录仪；

以及温度记录仪，与温度传感器连接，用于记录和保存温度传感器测量的温度数据。

2.根据权利要求1所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，冷热循环装置的变温过程为30℃～200℃～30℃，从30℃以1℃/s的升温速率升温至200℃，随炉冷却至30℃。

3.根据权利要求2所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，若干应变片分别设置在陶瓷基板上表面的中心位置和边缘位置。

4.根据权利要求3所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，所述应变片包括基片、电阻丝、覆盖层和两根引出线；所述电阻丝呈弯曲状嵌设在所述基片上，所述电阻丝的两端分别和一根所述引出线连接；所述基片和所述电阻丝上铺设有所述覆盖层；两根所述引出线分别与应变仪连接。

5.根据权利要求4所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，所述基片和所述覆盖层的材质均为聚酰亚胺；所述电阻丝的材质为卡玛箔；所述引出线的材质为镀锡铜线。

6.根据权利要求1所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，所述应变仪为XL2101S8动静态应变仪。

7.根据权利要求3所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量系统，其特征在于，所述应变片采用胶水粘贴于陶瓷基板的表面。

8.一种变温过程中陶瓷基板热应变的测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的测量系统；

所述测量方法的步骤包括：

S1、将应变片粘贴于陶瓷基板的表面，并将其引线与应变仪连接；

S2、将温度传感器设于陶瓷基板的表面，并将其与温度记录仪连接；

S3、将冷热循环装置的循环温度设置为30℃～200℃～30℃，将升温模式设置为1℃/s的升温速率，将降温模式设置为随炉冷却；

S4、开始温变并采集陶瓷基板的应变数据和温度数据；

S5、输出结果。

9.根据权利要求8所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量方法，其特征在于，所述应变仪在采集应变数据前，需根据测试要求选择相应的桥路、采集频率和采样方式。

10.根据权利要求9所述的变温过程中陶瓷基板热应变的测量方法，其特征在于，选择的桥路为1/4无补偿桥路；采集方式为连续采集；频率为：1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2500Hz或5000Hz。

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