CN111551462B - 一种微焊点热疲劳的测试设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微焊点热疲劳的测试设备和方法，包括感应加热系统、冷却系统、工作平台和温度信息监控系统；所述感应加热系统和所述冷却系统均与所述温度信息监控系统连接；温度信息监控系统监测工作平台的温度信息，当工作平台的温度上升到高温阈值时，温度信息监控系统关闭感应加热系统停止为工作平台加热，同时打开冷却系统为工作平台降温，当工作平台的温度信息降至低温阈值时，温度信息监控系统关闭冷却系统，打开感应加热系统，如此循环直至热疲劳的实验结束，本发明可以自动对微焊点进行加热与冷却，解决了解决传统热疲劳测试方法温变速率范围小、操作繁琐和测试效率低的问题，具有操作方便、成本低、测试花费时间短和效率高的特点。

Description

一种微焊点热疲劳的测试设备和方法

技术领域

本发明涉及热疲劳测试技术领域，特别是涉及一种微焊点热疲劳的测试设备和方法。

背景技术

随着电子封装微连接技术朝着微型化、高速化和集成化的方向发展，各种新型封装技术如表面贴装技术(Surface Mount Technology，SMT)、球栅阵列封装技术(Ball GridArray，BGA)以及芯片级封装技术(Chip Scale Package，CSP)等被广泛开发应用，而这些封装技术均是通过微连接焊点来进行不同材料和芯片之间的连接，因此微焊点在电子元件中的芯片与基板之间不仅起到机械支撑和信号传输的作用，而且更是在电子元件中散发热量的重要途经。因而焊点的性能和质量对于电子元件的整体性能具有至关重要的影响。在电子元件工作过程中由于自身特性以及周边环境的影响，焊点时刻经历着温度信息的上升和下降，导致循环温度信息梯度的产生，从而在焊点内部引起热应力循环而导致疲劳破坏，这将对电子元件造成致命性灾难。

目前对于微焊点热疲劳的研究主要采用传统热疲劳方式进行实验，一般采用的设备为高低温交变试验箱。该种方式属于慢速疲劳测试，一个周期需花费数个小时，并且往往数百上千个周期才能得到所需结果。另外有人采用将焊点在恒定温度信息的热箱和冷箱之间循环移动的方法来进行热疲劳测试，该种方法相较于传统测试方法时间上有所提高，但仍须五百小时以上才能出现效果。并且升降温速率取决于移动速度，较难控制，另外操作繁琐、容易出现误差。随着电子元件的高度集成化发展，焊点尺寸急剧减小、引脚数量剧增，单位面积发热量显著增加，造成温度信息快速上升。再加上大功率开关、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等元件频繁的通断造成焊点瞬间的温度信息变化，导致传统热疲劳测试方法难以适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种微焊点热疲劳的测试设备和方法，以解决传统热疲劳测试方法温变速率范围小、操作繁琐和测试效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种微焊点热疲劳的测试设备，其特征在于，包括感应加热系统、冷却系统、工作平台和温度信息监控系统；

所述感应加热系统和所述冷却系统均与所述温度信息监控系统连接；

所述感应加热系统用于加热所述工作平台，所述冷却系统用于冷却所述工作平台；所述温度信息监控系统用于监测所述工作平台的温度信息，当所述工作平台的温度信息上升到高温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述感应加热系统停止为所述工作平台加热，同时控制所述冷却系统为所述工作平台降温，当所述工作平台的温度信息降至低温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述冷却系统停止冷却所述工作平台，同时控制所述感应加热系统加热所述工作平台。

可选的，所述感应加热系统包括感应加热线圈、高频感应加热设备和加热电源；所述感应加热线圈与所述高频感应加热设备电连接；所述高频感应加热设备与所述加热电源连接；所述感应加热线圈为中空的螺旋型结构；所述螺旋型结构的内部设置有所述工作平台，且所述感应加热线圈与所述工作平台不接触。

可选的，所述冷却系统包括液体介质冷却装置、第一流量控制器、冷却箱、电泵和电泵电源；所述液体介质冷却装置包括进水口和出水口；所述电泵与所述电泵电源相连接；所述电泵设置在所述冷却箱中；所述电泵与所述第一流量控制器的一端连接，所述第一流量控制器的另一端通过水管与所述进水口连接；所述出水口通过水管与所述冷却箱连通；所述液体介质冷却装置设置在所述工作平台的下部且与所述工作平台相接触。

可选的，所述温度信息监控系统包括贴片式热电偶、温度信息巡控仪、第一电磁继电器和第二电磁继电器；所述贴片式热电偶设置在所述工作平台上，所述贴片式热电偶与所述温度信息巡控仪连接；所述高频感应加热设备与所述加热电源之间设置有所述第一电磁继电器；所述电泵与所述电泵电源之间设置有所述第二电磁继电器；所述第一电磁继电器和所述第二电磁继电器均与所述温度信息巡控仪连接；所述温度信息巡控仪通过控制所述第一电磁继电器以控制所述感应加热系统的打开和关闭；所述温度信息巡控仪通过控制第二电磁继电器以控制所述冷却系统的打开和关闭；所述温度信息巡控仪与电脑连接，所述温度信息巡控仪用于将所述贴片式热电偶采集的温度信息显示在所述电脑上。

可选的，所述第一电磁继电器和所述第二电磁继电器的常闭触点相互串接。

可选的，所述工作平台上还设置有气体保护系统；所述气体保护系统包括气管、第二流量控制器和保护端盖；所述保护端盖包覆在所述工作平台上；所述保护端盖上开有小孔；所述气管的一端通过所述小孔与所述保护端盖连接，所述气管的另一端通过所述第二流量控制器与气瓶连接。

可选的，所述第二电磁继电器上设置有计数器。

一种微焊点热疲劳的测试方法，所述方法包括：

打开感应加热系统为工作平台加热；

获取温度信息监控系统采集的温度信息；

判断所述温度信息是否等于高温阈值，生成第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述温度信息等于所述高温阈值，所述温度信息监控系统关闭所述感应加热系统，打开冷却系统；

判断所述温度信息是否等于低温阈值，生成第二判断结果；

若所述第二判断结果为所述温度信息等于所述低温阈值，所述温度信息监控系统关闭所述冷却系统，打开所述感应加热系统。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种微焊点热疲劳的测试设备和方法，所述温度信息监控系统监测所述工作平台的温度信息，当所述工作平台的温度信息上升到高温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述感应加热系统停止为所述工作平台加热，同时控制所述冷却系统为所述工作平台降温，当所述工作平台的温度信息降至低温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述冷却系统停止冷却所述工作平台，同时控制所述感应加热系统加热所述工作平台，如此循环直至热疲劳的实验结束，本发明公开的实验设备可以自动对微焊点进行加热与冷却，解决了解决传统热疲劳测试方法温变速率范围小、操作繁琐和测试效率低的问题，具有操作方便、成本低、测试花费时间短和效率高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种微焊点热疲劳的测试设备示意图；

图2为本发明提供的一种微焊点热疲劳的测试方法流程图；

图3为本发明提供的热疲劳测试过程中的微焊点试样的温度曲线图；

图4为本发明提供的微焊点试样微观组织示意图；

符号说明：

1高频感应加热设备、2加热电源、3第一电磁继电器、4贴片式热电偶、5电脑、6温度信息巡控仪、7第一流量控制器、8第二电磁继电器、9电泵电源、10冷却箱、11电泵、12水管、13液体介质冷却装置、14工作平台、15感应加热线圈、16微焊点试样、17第二流量控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种微焊点热疲劳的测试设备和方法，以解决传统热疲劳测试方法温变速率范围小、操作繁琐和测试效率低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的一种微焊点热疲劳的测试设备示意图，如图1所示，一种微焊点热疲劳的测试设备，包括感应加热系统、气体保护系统、冷却系统、工作平台14和温度信息监控系统；所述工作平台14为圆台状金属，用于放置进行热疲劳的微焊点试样16；所述感应加热系统和所述冷却系统均与所述温度信息监控系统连接；所述感应加热系统用于加热所述工作平台14上的所述微焊点试样16，所述冷却系统用于冷却所述工作平台14上的所述微焊点试样16；所述温度信息监控系统用于监测所述工作平台14的温度信息，当所述工作平台14的温度信息上升到高温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述感应加热系统停止为所述工作平台14加热，同时控制所述冷却系统为所述工作平台14降温，当所述工作平台14的温度信息降至低温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述冷却系统停止冷却所述工作平台14，同时控制所述感应加热系统加热所述工作平台14。

所述感应加热系统包括感应加热线圈15、高频感应加热设备1和加热电源2；所述感应加热线圈15与所述高频感应加热设备1电连接；所述高频感应加热设备1与所述加热电源2连接；所述高频感应加热设备的加热电流、电压和加热时间均可调，以满足不同需求的加热速率；所述感应加热线圈15为中空的螺旋型结构；所述螺旋型结构的内部设置有所述工作平台14，且所述感应加热线圈15与所述工作平台14不接触；所述感应加热线圈15位于工作平台14周围悬空放置，并与气体保护系统周边存在一定间隙，螺旋型结构的感应加热线圈15可以在线圈内部产生均匀分布的切割磁感线，电磁感应原理使工作平台14内部产生均匀的感应电流，从而令工作平台14温度上升，再利用金属传热原理将热量传入微焊点试样16内部，达到加热的目的。

所述冷却系统包括液体介质冷却装置13、第一流量控制器7、冷却箱10、电泵11和电泵电源9；所述液体介质冷却装置13包括进水口和出水口；所述电泵11与所述电泵电源9相连接；所述电泵11设置在所述冷却箱10中；所述电泵11与所述第一流量控制器7的一端连接，所述第一流量控制器7的另一端通过水管与所述进水口连接；所述冷却箱中装有冷却介质，所述冷却介质依靠电泵进行动力传输通过所述进水口进入液体介质冷却装置；所述液体介质冷却装置13设置在所述工作平台14的下部且与所述工作平台14相接触；所述出水口通过水管12与所述冷却箱10连通，吸热后的冷却介质在所述出水口流出，以达到流通冷却的目的；所述冷却介质可根据不同需求进行选择，搭配所述第一流量控制器7控制冷却介质的流速大小以满足不同冷却速率。液体介质冷却装置13的出水口将冷却介质重新导入冷却箱10，实现冷却介质的循环利用，达到降低成本、节约资源的目的。

所述温度信息监控系统用于对工作平台14微焊点试样16温度的监控，所述温度信息监控系统包括贴片式热电偶4、温度信息巡控仪6、第一电磁继电器3和第二电磁继电器8；所述贴片式热电偶4设置在所述工作平台14上，所述贴片式热电偶4与所述温度信息巡控仪6连接；所述高频感应加热设备1与所述加热电源2之间设置有所述第一电磁继电器3；所述电泵11与所述电泵电源9之间设置有所述第二电磁继电器8；所述第一电磁继电器3和所述第二电磁继电器8均与所述温度信息巡控仪6连接；所述温度信息巡控仪6通过控制所述第一电磁继电器3以控制所述感应加热系统的打开和关闭；所述温度信息巡控仪6通过控制第二电磁继电器8以控制所述冷却系统的打开和关闭；所述第一电磁继电器3和所述第二电磁继电器8的常闭触点相互串接达到相互自锁的作用，保证同一时间只能有一个电磁继电器工作。当温度达到温度信息巡控仪6设置的高温阈值后，控制第一电磁继电器3断电，从而停止高频感应加热设备1的工作，此时第二电磁继电器8接通电泵电源9，电泵开始工作，冷却开始，当达到温度信息巡控仪6设置的低温阈值后，控制第二电磁继电器8断电，同时第一电磁继电器3通电，加热系统继续工作，如此循环，实现设备的自动化运转，减少人工操作时间。

所述第二电磁继电器8上设置有计数器，所述第二电磁继电器8断电一次，计数器数值加1，待计数器累计至设置数值时，将进行报警提醒，此时可结束整个实验。

所述温度信息巡控仪6与电脑5连接，所述温度信息巡控仪6用于将所述贴片式热电偶4采集的温度信息显示在所述电脑5上。

所述工作平台上还设置有对微焊点试件16进行气氛保护的气体保护系统；所述气体保护系统包括气管、第二流量控制器17和保护端盖；所述保护端盖包覆在所述工作平台14上；所述保护端盖上开有小孔；所述气管的一端通过所述小孔与所述保护端盖连接，所述气管的另一端通过所述第二流量控制器17与气瓶连接。所述气体保护系统通过包覆所述工作平台14且一端与气管进行连接，以输入保护气体，而且气管另一端与气瓶相连处安装有第二流量控制器17，可根据实验需求输入不同流量的气体。

图2为本发明提供的一种微焊点热疲劳的测试方法流程图。如图2所示，一种微焊点热疲劳的测试方法，所述方法包括：

步骤1：打开感应加热系统为工作平台14加热；

步骤2：获取温度信息监控系统采集的温度信息；

步骤3:判断所述温度信息是否等于高温阈值，生成第一判断结果；

步骤4：若所述第一判断结果为所述温度信息等于所述高温阈值，所述温度信息监控系统关闭所述感应加热系统，打开冷却系统；

步骤5：判断所述温度信息是否等于低温阈值，生成第二判断结果；

步骤6：若所述第二判断结果为所述温度信息等于所述低温阈值，所述温度信息监控系统关闭所述冷却系统，打开所述感应加热系统。

在实际应用中，本发明提供的微焊点热疲劳的实验方法可实现微焊点的快速热疲劳，将各项参数设置好后，设备将自动进行加热与冷却阶段，并在实验达到相应周期后自动提醒实验结束，并获得微焊点在传统热疲劳测试方法一致的试验结果，且时间大大减少、效率大幅度提高。

本发明提供的微焊点热疲劳的实验方法，具体步骤如下：

S1、经试验预先设置高频感应加热设备的加热电流或电压、加热时间，温度信息巡控仪6设置试验需达到的高温阈值和低温阈值，设置第一流量控制器7和第二流量控制器17的流量速率，设置计数器需达到的试验周期。

S2、将贴片式热电偶4固定于工作平台14，将第一电磁继电器3和第二电磁继电器8分别与温度信息巡控仪6和加热电源2与电泵电源9连接，第一电磁继电器3和第二电磁继电器8之间自锁连接。

S3、在冷却箱10中注入适量的冷却介质，将微焊点试样放置在工作平台上。

S4、打开气瓶开关，接通加热电源2的开关和电泵11的开关，设备开始工作。

S5、围绕在工作平台14的的感应加热线圈15对工作平台14进行持续加热。

当加热温度达到步骤S1设定的高温阈值时，温度信息巡控仪6控制第一电磁继电器3由通电状态转为断电状态，使高频感应加热设备1停止加热，同时第二电磁继电器8由断电状态转变为通电状态，电泵电源9被接通开始工作，冷却开始，第一流量控制器7开始控制冷却介质由冷却箱10传输进入液体介质冷却装置13，冷却介质吸收热量后从出水口传送回冷却箱10，实现冷却介质的循环运用。

当冷却后的温度达到步骤S1设置的低温阈值时，温度信息巡控仪6控制第二电磁继电器8由通电状态转变为断电状态，电泵11此时停止工作，此时计数器数值加1，同时第一电磁继电器3由断电状态转变为通电状态，高频感应加热设备1继续工作。

S6、重复步骤S5，直至计数器达到步骤S1设置数值，计数器开始报警，此时即可完成对微焊点试件的热疲劳试验。

S7、对上述微焊点试样进行清理并分析，以评定该微焊点试样的热疲劳性能。

本发明优选将高频感应加热设备1的加热电流设置为29A，加热时间设置为13s，温度信息巡控仪6设置需达到的高温阈值为150℃、低温阈值为25℃，设置第一流量控制器7速率为14L/min、第二流量控制器17速率设置为2L/min，设置计数器需达到的试验周期200次，优选微焊点试样16为铜板。

图3为本发明提供的热疲劳测试过程中的微焊点试样的温度曲线图(其中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为温度，单位为℃)。图4为本发明提供的微焊点试样微观组织示意图。由图3、4可知，微焊点试样在200次快速热循环后，铜板大量溶解，形成凹坑形状，该焊点的热疲劳性能明显呈现大幅度下降趋势。铜板作为电子元件电气连接的重要组成部分，其质量的减少易引发整个电子产品的失效。

本发明公开了一种微焊点热疲劳的测试设备和方法，温度信息巡控仪6可在工作平台14上升到预设高温阈值时，断开加热电源2从而促使高频感应加热设备1停止加热，同时控制电泵电源9接通，电泵11开始工作，对微焊点进行冷却；在工作平台14降至另一预设低温阈值后，断开电泵电源9，并接通加热电源2，高频感应加热设备1继续工作，如此循环直至热疲劳实验结束。本发明公开的微焊点热疲劳的测试设备，可自动对微焊点进行加热与冷却，并在测试达到相应周期后自动提醒测试结束，实现了微焊点的快速热疲劳并获得微焊点在传统热疲劳测试方法一致的试验结果。本发明公开的微焊点热疲劳的测试设备和方法大大减少了微焊点热疲劳的测试时间，大幅度提高了微焊点热疲劳的测试效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (5)

1.一种微焊点热疲劳的测试设备，其特征在于，包括感应加热系统、气体保护系统、冷却系统、工作平台和温度信息监控系统；

所述感应加热系统和所述冷却系统均与所述温度信息监控系统连接；

所述感应加热系统用于加热所述工作平台，所述冷却系统用于冷却所述工作平台；所述温度信息监控系统用于监测所述工作平台的温度信息，当所述工作平台的温度信息上升到高温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述感应加热系统停止为所述工作平台加热，同时控制所述冷却系统为所述工作平台降温，当所述工作平台的温度信息降至低温阈值时，所述温度信息监控系统控制所述冷却系统停止冷却所述工作平台，同时控制所述感应加热系统加热所述工作平台；

所述气体保护系统包括气管、第二流量控制器和保护端盖；所述保护端盖包覆在所述工作平台上；所述保护端盖上开有小孔；所述气管的一端通过所述小孔与所述保护端盖连接，所述气管的另一端通过所述第二流量控制器与气瓶连接；所述气体保护系统通过包覆所述工作平台且一端与气管进行连接，以输入保护气体，而且气管另一端与所述气瓶相连处安装有所述第二流量控制器，根据实验需求输入不同流量的气体；

所述感应加热系统包括感应加热线圈、高频感应加热设备和加热电源；所述感应加热线圈与所述高频感应加热设备电连接；所述高频感应加热设备与所述加热电源连接；所述感应加热线圈为中空的螺旋型结构；所述螺旋型结构的内部设置有所述工作平台，且所述感应加热线圈与所述工作平台不接触；所述感应加热线圈位于所述工作平台周围悬空放置，并与所述气体保护系统周边存在间隙，所述螺旋型结构的感应加热线圈在线圈内部产生均匀分布的切割磁感线，电磁感应原理使所述工作平台内部产生均匀的感应电流，令所述工作平台温度上升，再利用金属传热原理将热量传入所述微焊点试样内部，达到加热的目的；

所述冷却系统包括液体介质冷却装置、第一流量控制器、冷却箱、电泵和电泵电源；所述液体介质冷却装置包括进水口和出水口；所述电泵与所述电泵电源相连接；所述电泵设置在所述冷却箱中；所述电泵与所述第一流量控制器的一端连接，所述第一流量控制器的另一端通过水管与所述进水口连接；所述出水口通过水管与所述冷却箱连通；所述液体介质冷却装置设置在所述工作平台的下部且与所述工作平台相接触。

2.根据权利要求1任意一项所述的微焊点热疲劳的测试设备，其特征在于，所述温度信息监控系统包括贴片式热电偶、温度信息巡控仪、第一电磁继电器和第二电磁继电器；所述贴片式热电偶设置在所述工作平台上，所述贴片式热电偶与所述温度信息巡控仪连接；所述高频感应加热设备与所述加热电源之间设置有所述第一电磁继电器；所述电泵与所述电泵电源之间设置有所述第二电磁继电器；所述第一电磁继电器和所述第二电磁继电器均与所述温度信息巡控仪连接；所述温度信息巡控仪通过控制所述第一电磁继电器以控制所述感应加热系统的打开和关闭；所述温度信息巡控仪通过控制第二电磁继电器以控制所述冷却系统的打开和关闭；所述温度信息巡控仪与电脑连接，所述温度信息巡控仪用于将所述贴片式热电偶采集的温度信息显示在所述电脑上。

3.根据权利要求2所述的微焊点热疲劳的测试设备，其特征在于，所述第一电磁继电器和所述第二电磁继电器的常闭触点相互串接。

4.根据权利要求2所述的微焊点热疲劳的测试设备，其特征在于，所述第二电磁继电器上设置有计数器。

5.一种微焊点热疲劳的测试方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4任意一项所述的微焊点热疲劳的测试设备，所述方法包括：

打开感应加热系统为工作平台加热；

获取温度信息监控系统采集的温度信息；

判断所述温度信息是否等于高温阈值，生成第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述温度信息等于所述高温阈值，所述温度信息监控系统关闭所述感应加热系统，打开冷却系统；

判断所述温度信息是否等于低温阈值，生成第二判断结果；

若所述第二判断结果为所述温度信息等于所述低温阈值，所述温度信息监控系统关闭所述冷却系统，打开所述感应加热系统。

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