CN1799300A - 使用光电放大器的板挠度测量 - Google Patents

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Abstract

制造商测试印刷电路板(PCB)以保证所有元件已经被正确地焊接。某些测试可能导致板挠曲，这可能损坏元件到板的界面(即焊接接头)或元件。本发明的实施方案使用光电放大器测量在PCB经受机械负荷之前、期间和之后的PCB挠曲量，所述光电放大器通过光纤和安装在头组件中的透镜向安装在PCB表面上的目标发送和接收光束。接收到的光束的强度和光电放大器输出的模拟电压成比例，并且和头组件和目标之间的距离成比例。数据采集系统将模拟电压转换为数字电压，并且，软件接口将该所述数字电压与PCB挠度/位移相关联。GUI显示PCB在经受机械负荷之前、期间和之后的挠度。

Description

使用光电放大器的板挠度测量
背景技术
1.技术领域
本发明的实施方案涉及板处理设备，并且特别涉及用于处理具有表面安装的(surfacemounted)集成电路的印刷电路板的板处理设备。
2.现有技术
当产品被销售给原始设备制造商(OEM)时，产品通常附有技术要求(specification)。技术要求通常包括可接受的工作条件、连接建议、直流(DC)规范、交流(AC)规范，等等。产品一般被保障可依照所述技术要求来运行。
产品制造商进行某些测试来确保产品符合这些技术要求。例如，具有焊接元件的印刷电路板(PCB)的制造商测试整个板的电气连接，以保证所有元件已经被正确地焊接到板上。某些测试要求板被重复地插入连接器并从连接器移去。用于这些和其他测试的设备在板上施加了大量的力。测试设备也可能扭转和弯曲所述电路板。
当板上的力没有被良好地分布，或者当板没有被良好地支撑时，板会容易发生挠曲。当板挠曲时，元件到板的界面(即焊接接头)可能变成损坏的，或者元件可能变成损坏的。例如，如果板通过了其测试并且从板处理设备移去时，元件变成损坏的或者焊接接头裂开，则制造商有可能把该板发送给客户而不知道该板是有缺陷的。被发送的有缺陷的板可能在计算机系统中导致很难隔离和修复的间歇性问题。在一些实例中，板可能根本不工作。当技术进步并且元件变得更为精密时，损坏元件或者危害焊接接头的可能性增加了。
附图说明
在附图中，类似的参考数字一般指示相同、功能上类似和/或结构上等同的要素。要素第一次在其中出现的附图被用参考数字中最左边的数位指示，其中：
图1是根据本发明的实施方案的挠度测量系统的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的PCB挠度测量过程的流程图；
图3是根据本发明的实施方案，示出在图1中所示的软件接口可以执行的过程的流程图；
图4是根据本发明的实施方案，由图1中所示的软件接口显示的图形用户界面的屏幕截图；
图5是根据本发明的实施方案，示出了将位移转换为挠度的结果的图形表示。
具体实施方案
图1是根据本发明的实施方案的印刷电路板(PCB)挠度测量系统100的示意图。系统100包括印刷电路板(PCB)102和耦合到PCB 102的测试设备104。
PCB 102可以是任意适当的能够经受机械负荷、振动、冲击等或其模拟的印刷电路板。在本发明的一个实施方案中，PCB 102包括使用表面安装技术(SMT)焊接到PCB 102表面的元件108(例如芯片组、器件、接口)。元件108可以是任何已知的球栅阵列(BGA)安装的元件。
为了使PCB 102经历挠曲，测试设备104可以是任意适当的能够使PCB 102经受机械负荷、振动、冲击等的设备，力图导致。或者，为了使PCB 102经历挠曲，测试设备104可以是任意适当的能够模拟使PCB 102经受机械负荷、振动、冲击等的设备。适当的设备包括例如自动或手动在线(in-circuit)测试设备或外部功能测试设备。
示例性的挠度测量系统100包括一个或多个附着到PCB 102表面的目标112。目标102可以是任意适当的薄的带片、纸片等，它们以大致均匀的方式反射/折射相当量的光。例如，在一个实施方案中，目标112是粘在PCB 102的表面上的小的白色标签，可从加利福尼亚州Brea的Avery Dennison公司获得。在另一个实施方案中，目标112是可以从明尼苏达州圣保罗的3M公司获得的小的反射带片。
示例性的挠度测量系统100包括光学电路，例如一个或更多个耦合到对应的光纤116和光纤118的光电放大器114。光纤116被耦合到对应的透镜120。光纤118被耦合到对应的透镜122。透镜120和122被安装在一个或更多个头组件(head assembly)130中。头组件130可以以任何适当的将头组件130固定到元件108上的方式(例如，靠近元件108的周边)被安装到元件108上。
光电放大器114、光纤116和118、透镜120和122以及头组件130的一个适当的实施可以是可从纽约州Amherst的KOM Lamb处获得的Banner P32C2 Convergent LED Fiber(Banner P32C2型汇聚LED光纤)。当然，任何适当的模块或分立的光束发射器、光束接收器、光纤和透镜可以被用来实施本发明的实施方案。在阅读过这里的描述之后，相关领域普通技术人员将很容易认识到如何实施其他的实施方案。
示例性的挠度测量系统100包括数据采集系统140，数据耦合系统140耦合到每一个光电放大器114。在一个实施方案中，数据采集系统140可以是可从位于德克萨斯州州Austin的National Instruments获得的成品DAQ Pad 6020E。当然，存在其他的数据采集系统和技术(例如插入膝上型电脑的PCMCIA卡(可从俄亥俄州Akron的Quatec获得的DAQP-16模拟输入PCMCIA卡(DAQP-16 Analog Input PCMCIA Card)))，并且，本发明的实施方案不受数据采集系统类型的限制。
示例性的挠度测量系统100包括耦合到数据采集系统140的软件接口142。示例软件接口142可以使用适当的编程语言来生成。在一个实施方案中，软件接口142可以是用可从位于德克萨斯州州Austin的National Instruments获得的LabView写成的定制虚拟仪器(Virtual Instrument)。在另一个实施方案中，软件接口142可以采用用于Windows的惠普虚拟工程环境(Hewlett Packard Visual Engineering Environment，HP VEE)来写成，用于Windows的惠普虚拟工程环境可从加利福尼亚州Palo Alto的惠普获得。在另一个实施方案中，软件接口142可以采用可从华盛顿州Redmond的微软获得的Visual Basic写成。当然，软件接口142可以用其他适当的语言写成，例如可从National Instruments获得的LabWindows\CVI和ComponentWorks，以及可从新罕布什尔州Amherst的DasyTec GMBH获得的DasyLab。
图2是根据本发明的实施方案的PCB挠度测量过程200的流程图。示例性的过程200可以被用来确定测试设备和/或制造设备是否可能潜在地损坏安装到印刷电路板上的元件。例如，因为测试设备和制造设备可能扭转和弯曲印刷电路板，本发明的实施方案提前确定(即在实际测试和制造过程之前)特定测试和制造过程是否可能损坏印刷电路板和/或安装到该印刷电路板上的元件。
在本发明的一些实施方案中，存在几个通道(channel)，每一个通道均具有被放置在元件108的不同拐角处的光电放大器114、光纤116和118、透镜120和122，以及头组件130，过程200可以针对系统100中的每一个通道来实施。其上具有机器可读指令的机器可读介质可以被用来使处理器执行所述过程200。当然，过程200仅仅是一个示例性的过程，并且其他过程也可以被使用。
在框202中，PCB 102无机械负荷、振动和/或冲击，并且光电放大器114可以通过对应的光纤116和透镜120发射光束到对应的目标112。被发射的光可以具有预定的强度(和波长)。透镜120将被发射的光导向对应的目标112。
在框204中，目标112反射/折射光束，并且透镜122将被反射/折射的光束通过光纤118导回光电放大器114。被反射/折射的光束可以具有这样的光强度，即所述光强度和当PCB 102没有机械负荷、振动和/或冲击时头组件130到目标112的距离相关。
在框206中，光电放大器114测量被反射/折射的光束的能量(即强度)，并将其转换为和被反射/折射的光束的强度成比例的模拟电压值。
在框208中，光电放大器114将模拟电压值输出到数据采集系统140。在一个实施方案中，光电放大器114输出大约2伏到数据采集系统140。
在框210中，数据采集系统140从光电放大器114接收模拟电压值，并将模拟电压值转换为和该模拟电压值相关的数字值。在一个实施方案中，数据采集系统140从光电放大器114接收大约2伏，并将该大约2伏转换为和该大约2伏相关的数字值。
在框212中，数据采集系统140将和该模拟电压值相关的数字值储存在表141中。表141可以是数据采集系统140中任意适当的存储器。在一个实施方案中，数据采集系统140在表141中储存和大约2伏相关的数字值。在本发明的存在几个通道的实施方案中，对于每一个通道可能有单独的表141。
在框214中，测试设备104使PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击。或者，可以使PCB 102经受模拟的机械负荷、振动和/或冲击。
在框216中，光电放大器114可以通过对应的光纤116和透镜120发射第二光束到对应的目标112。透镜120将被发射的光导向对应的目标112。
在框218中，目标112反射/或折射第二光束，并且透镜122将第二被反射/折射光束通过光纤118导回光电放大器114。第二被反射/折射光束可以具有这样的光强度，即所述光强度和当PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击时头组件130到目标112的距离相关。
当PCB 102没有机械负荷、振动和/或冲击时头组件130和目标112之间的距离可以不同于(例如小于)当PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击时头组件130和目标112之间的距离。当PCB 102没有机械负荷、振动和/或冲击时第一被反射/折射光束的强度可以不同于(例如大于)当PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击时第二被反射/折射光束的强度。
在框220中，光电放大器114将第二被反射/折射光束转换为和第二被反射/折射光束的强度成比例的第二模拟电压值。
在框222中，光电放大器114将第二模拟电压值输出到数据采集系统140。在一个实施方案中，光电放大器114输出大约7伏到数据采集系统140。
在框224中，数据采集系统140从光电放大器114接收第二模拟电压值，并将该第二模拟电压值转换为和该第二模拟电压值相关的第二数字值。在一个实施方案中，数据采集系统140从光电放大器114接收大约7伏，并将该大约7伏转换为和该大约7伏相关的数字值。
在框226中，数据采集系统140将第二数字值储存在表141中。在一个实施方案中，数据采集系统140在表141中储存和大约7伏相关的数字值。
在框228中，可以撤去机械负荷、振动和/或冲击。或者，可以模拟从PCB 102撤去机械负荷、振动和/或冲击。
在框230中，光电放大器114可以通过对应的光纤116和透镜120发射第三光束到对应的目标112。透镜120将被发射的光导向对应的目标112。
在框232中，目标112反射/或折射第三光束，并且透镜122将第三被反射/折射光束通过光纤118导回光电放大器114。第三被反射/折射光束可以具有这样的光强度，即所述光强度和当负荷被从PCB 102撤去时头组件130到目标112的距离相关。
当负荷从PCB 102撤去时第三被反射/折射光束的强度可以不同于(例如大于)当PCB102经受机械负荷、振动和/或冲击时的第二被反射/折射光束的强度。当负荷从PCB 102撤去时第三被反射/折射光束的强度可以不同于(例如小于)当PCB 102没有机械负荷、振动和/或冲击时的第一被反射/折射光束的强度。
当负荷已经从PCB 102撤去时头组件130和目标112之间的距离可以不同于(例如小于)当PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击时头组件130和目标112之间的距离，并且不同于(例如大于)当PCB 102没有机械负荷、振动和/或冲击时头组件130和目标112之间的距离。
在框234中，光电放大器114将第三被反射/折射光束转换为和第三被反射/折射光束的强度成比例的第三模拟电压值。
在框236中，光电放大器114将第三模拟电压值输出到数据采集系统140。在一个实施方案中，光电放大器114输出大约4伏到数据采集系统140。
在框238中，数据采集系统140从光电放大器114接收第三模拟电压值，并将该第三模拟电压值转换为和该第三模拟电压值相关的第三数字值。在一个实施方案中，数据采集系统140从光电放大器114接收大约4伏，并将该大约4伏转换为和该大约4伏相关的数字值。
在框240中，数据采集系统140将第三数字值储存在表141中。在一个实施方案中，数据采集系统140在表141中储存和大约4伏相关的数字值。
在框242中，软件接口142从表141接收第一、第二和第三数字值，并基于第一、第二和第三数字值间的变化，确定在PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击之前、期间和之后，头组件距目标112的位移。因为头组件130被固定在元件108的表面上，所以软件接口142实际上在基于第一、第二和第三数字值间的变化，确定在机械负荷、振动和/或冲击之前、期间和之后元件108距PCB 102的位移。
在框244中，软件接口142基于在机械负荷、振动和/或冲击之前、期间和之后，头组件130距目标112的位移来确定在机械负荷、振动和/或冲击之前、期间和之后PCB 102的挠度(deflection)。
在框246中，软件接口142确定由测试设备106所导致的PCB 102的挠度是否是可接受的。或者，软件接口142确定由模拟测试所导致的PCB 102的挠度是否是可接受的。
如果PCB 102的挠度不可接受，则控制传给框248，并且确定测试设备106用于测试PCB 102是不可接受的。反之，如果PCB 102的挠度可接受，则控制传给框250，并且确定测试设备106用于测试PCB 102是可接受的。当然，过程200可以持续很多轮。
尽管被描述为离散的事件，但是发射/反射光束可以是在离散的时间间隔被测量的连续事件。例如，测量可以是慢速动态测量。
图3是根据本发明的另一个实施方案，示出软件接口142可以执行的过程300的流程图。示例性的过程300可以被用来根据和第一、第二和第三被反射/折射光束相关的第一、第二和第三数字值确定PCB 102的挠度。可以使用其上具有机器可读指令的机器可读介质来使处理器执行过程300。
在框302中，软件接口142估计第一数字值，确定第一数字值代表头组件130距目标112没有位移，并将位移设置为等于和没有位移相关的值。在一个实施方案中，软件接口142确定大约2伏代表没有位移，将头组件距目标112的位移设置为等于0.0000(例如初始化)。
在框304中，软件接口142从第二数字值减去第一数字值以得到电压差。在一个实施方案中，软件接口142从大约7伏减去大约2伏，以得到大约5伏的差。
在框306中，软件接口142将电压差转换为头组件130距目标112的位移。在一个实施方案中，软件接口142将大约5伏电压差转换为大约0.001英寸的位移。
在框308中，软件接口142将头组件距目标112的位移转换为PCB 102从元件108的法线(normal)的挠度。在一个实施方案中，软件接口142将0.001的位移转换为大约0.0006英寸的挠度。
在框310中，软件接口142从第三数字值减去第二数字值以得到电压差。在一个实施方案中，软件接口142从大约4伏减去大约7伏，以得到大约负3伏的差。
在框312中，软件接口142将电压差转换为头组件130距目标112的位移。在一个实施方案中，软件接口142将大约负3伏电压差转换为大约0.0003英寸的位移。
在框314中，软件接口142将头组件距目标112的位移转换为PCB 102从元件108的法线的挠度。在一个实施方案中，软件接口142将头组件130距目标112的0.0000英寸的位移转换为PCB 102从元件108的法线的0.0000英寸的挠度(例如，在机械负荷、振动、冲击之前)。在另一个实施方案中，软件接口142将头组件130距目标112的0.0006英寸的位移转换为PCB 102从元件108的法线的0.001英寸的挠度(例如，在机械负荷、振动、冲击期间)。在又一个实施方案中，软件接口142将头组件130距目标112的0.0003英寸的位移转换为PCB 102从元件108的法线的0.0003英寸的挠度(例如，在机械负荷、振动、冲击之后)。
图4是根据本发明的实施方案，软件接口142显示的图形用户界面的屏幕截图(screenshot)。如示例性的屏幕截图所示，软件接口142的图形用户界面包括每通道(即每个光电放大器114的输出)模拟电压随时间变化的图402。图402包括曲线406、410和414。软件接口142的图形用户界面还包括每通道头组件130距目标112的位移随时间变化的图404。图404包括曲线408、412和416。
曲线406代表头组件130距目标112的0.0000英寸的位移(例如，在机械负荷、振动、冲击之前)。曲线408代表从光电放大器114输出到数据采集系统140的2伏模拟电压(例如，在机械负荷、振动、冲击之前)。
曲线410代表头组件130距目标112的0.001英寸的位移(例如，在机械负荷、振动、冲击期间)。曲线412代表从光电放大器114输出到数据采集系统140的大约7伏模拟电压(例如，在机械负荷、振动、冲击期间)。
曲线414代表头组件130距目标112的0.0005英寸的位移(例如，在机械负荷、振动、冲击之后)。曲线412代表从光电放大器114输出到数据采集系统140的大约4伏模拟电压(例如，在机械负荷、振动、冲击撤去之后)。
图5是根据本发明的一个实施方案的图形表示，示出了基于从光电放大器114输出的模拟电压的变化，将头组件130距目标112随着时间(例如在使PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击之前、期间和之后)的位移转换为PCB 102的挠度的结果。
曲线502示出了PCB 102大约0.0000英寸的挠度，该挠度对应于大约2伏的模拟输出电压并且对应于使PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击之前，头组件130距目标112大约0.0000英寸的位移。
曲线504示出了PCB 102大约0.0006英寸的挠度，该挠度对应于大约7伏的模拟输出电压并且对应于使PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击期间，头组件130距目标112大约0.001英寸的位移。
曲线506示出了PCB 102大约0.0003英寸的挠度，该挠度对应于大约4伏的模拟输出电压并且对应于使PCB 102经受机械负荷、振动和/或冲击期间，头组件130距目标112的大约0.0006英寸的位移。
可以使用硬件、软件、固件或硬件和软件的组合来实现本发明的实施方案。在使用软件的实现中，软件可以被储存在计算机程序产品上(例如光盘、磁盘、软盘等)，或储存在程序储存设备中(例如光盘驱动器、磁盘驱动器、软盘驱动器等)。
上面对本发明被示出的实施方案的描述并非期望是穷尽的，或者将本发明限制于所公开的精确形式。虽然为了说明的目的，在这里描述了本发明的具体实施方案和实施例，但是本领域熟练技术人员将认识到，在本发明的范围内，各种等效修改也是可能的。根据上面的详细描述，可以对本发明做出这些修改。
各种操作已经被以最有助于理解本发明的实施方案的方式描述为多个按顺序的离散操作。但是，它们被描述的顺序不应该被理解成暗示了这些操作一定是依赖于顺序的，或者操作应该被按照所述操作被呈现的顺序来执行。
遍及本说明书，对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合该实施方案所描述的特定特征、结构、过程、框或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在遍及本说明书的各个地方出现“在一个实施方案中”或“在实施方案中”的措辞不一定全都指同一个实施方案。此外，在一个或更多个实施方案中，可以用任何适当的方式来组合特定特征、结构或特性。

Claims (28)

1.一种系统，包括：
印刷电路板(PCB)；
适于以机械方式给所述PCB加负荷的设备；以及
耦合来确定在以机械方式给所述PCB加负荷之前、期间和之后所述PCB的挠度的光学线路。
2.如权利要求1所述的系统，还包括安装到所述PCB上的元件。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述元件是处理器。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述元件是表面安装技术(SMT)元件。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述元件是球栅阵列(BGA)元件。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述光学线路包括安装到所述元件上的头组件。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述头组件包括一对在所述头组件内部的透镜。
8.如权利要求7所述的系统，还包括耦合到所述一对透镜的一对光纤。
9.如权利要求8所述的系统，还包括耦合到所述一对光纤的光电放大器。
10.如权利要求9所述的系统，还包括耦合到所述光电放大器的数据采集系统。
11.如权利要求10所述的系统，还包括耦合到所述数据采集系统的软件接口。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述软件接口包括图形用户界面。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述光学线路还被耦合来：
当所述PCB没有机械负荷时，从所述PCB上的目标接收第一反射光束；
将所述第一反射光束转换为第一比例电压值；
当使所述PCB经受机械负荷时，从所述目标接收第二反射光束；
将所述第二反射光束转换为第二比例电压值；以及
当所述机械负荷被从所述PCB撤去时，从所述目标接收第三反射光束。
14.一种方法，包括：
测量印刷电路板(PCB)的第一挠度；
以机械方式给所述PCB加负荷；
测量所述PCB的第二挠度；
撤去所述机械负荷；以及
测量所述PCB的第三挠度。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：
在加机械负荷之前，从印刷电路板(PCB)上的目标接收第一反射光束；
在加机械负荷期间，从所述目标接收反射光束；以及
在加机械负荷之后，接收第三反射光束。
16.如权利要求15所述的方法，还包括将所述第一反射光束的第一强度和所述第二反射光束的第二强度分别转换为第一模拟电压值和第二模拟电压值。
17.如权利要求16所述的方法，还包括将所述第一模拟电压值和所述第二模拟电压值分别转换为与所述第一模拟电压值相关的第一数字值和与所述第二模拟电压值相关的第二数字值。
18.如权利要求17所述的方法，还包括根据所述第一和第二数字值确定所述目标的位移。
19.如权利要求14所述的方法，还包括在图形用户界面上显示PCB的挠度。
20.如权利要求18所述的方法，还包括在图形用户界面上显示所述目标的位移。
21.如权利要求17所述的方法，还包括在图形用户界面上显示所述第一和第二模拟电压值。
22.一种装置，包括：
一对透镜；
耦合到所述一对透镜的一对光纤；
耦合到所述一对透镜的光束发射器和光束接收器；
耦合到所述光束接收器的数据采集系统；以及
耦合到所述数据采集系统的软件接口，所述软件接口具有显示印刷电路板(PCB)挠度的图形用户界面。
23.如权利要求22所述的装置，其中，所述一对透镜被安装在头组件(130)中。
24.如权利要求22所述的装置，其中，所述光束发射器和光束接收器包括光电放大器。
25.如权利要求24所述的装置，其中，所述光电放大器还包括将光束强度转换为模拟电压值的转换器。
26.一种方法，包括：
分别接收第一模拟电压值、第二模拟电压值和第三模拟电压值，所述电压值分别指示在第一机械负荷、第二机械负荷和第三机械负荷期间，分别从印刷电路板(PCB)上的目标反射的第一光束、第二光束和第三光束的第一光强、第二光强和第三光强；
确定所述第一模拟电压值、第二模拟电压值和第三模拟电压间的差；
基于在所述第一模拟电压值、第二模拟电压值和第三模拟电压间的所述差来确定PCB的挠度。
27.如权利要求26所述的方法，还包括在图形用户界面上显示PCB的挠度。
28.如权利要求26所述的方法，还包括在所述图形用户界面上显示所述第一模拟电压值、第二模拟电压值和第三模拟电压。
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