CN218157672U - 磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及了一种磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，本实用新型可以对金属熔体，金属凝固与熔化过程以及金属与金属之间发生反应时的电阻变化进行测量。测量过程中可进行气体保护。加热炉可与待测样品分离，可实现在不同降温速度下进行电阻测量。更换样品方便易操作，易于实现自动化和连续生产。可实现在有限空间内进行电阻测量；适合于电路板加工过程焊接效果检测；整个样品加热装置与电阻测量装置可实现在旋转磁场狭小空间下进行测量；本实用新型可用于热处理等检测材料内部结构变化。

Description

磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置

技术领域

本实用新型涉及金属熔体的电阻测量领域，特别是涉及一种磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置。

背景技术

随着电子产品功能的完善和强大，电路板模块集成化发展快速，焊点也越发密集，产品在使用过程中的可靠性也越来越引起人们的重视，而电子产品的故障主要出现在连接部分。目前对电子工业产品连接可靠性的要求达到了前所未有的高度。在无铅软钎焊接技术的推进过程中，存在焊点剥离、热裂等失效行为，也存在晶须的形成以及封装体中的电迁移问题。目前研发的Sn基无铅钎料有着优于Sn-Pb钎料的力学性能且拥有着优良的热疲劳抗性和蠕变抗性。但是它仍然有一些缺点：脆性大、焊接温度高，可焊性差，可靠性低等。磁场不仅能从宏观上控制材料的物理和化学反应过程，还能将磁力无接触式地传递到液态金属以改变原子的排列、匹配和迁移。在前期研究中发现稳恒磁场与旋转磁场也逐渐应用到电子封装中。在焊接过程中施加磁场，可提高钎料的润湿性，细化焊缝区金属微观组织并使成分均匀分布，显著增强焊点的力学性能和可靠性。

焊点的质量与可靠性取决于钎料与铜基体界面反应生成的金属间化合物(IMC)的结构特性。Ziman理论表明金属的电阻是结构因子的函数，通过监测焊点电阻变化可分析IMC结构特性，进而指导软钎焊焊接过程，得到最优焊接参数，提高焊接质量。现有技术测量金属熔体电阻有直接接触法测量与电磁感应非接触式测量两种主要方法。由于金属熔体电阻小，需要加热，目前测量金属熔体电阻主要用四极法进行测量。发明专利：201010115584.9，一种测试金属熔体电阻率的装置及测试方法，利用四级法对金属熔体进行测量。该测量方式适合于在密封状态下测量熔体电阻，样品只能在炉中缓慢冷却，冷却速度控制幅度有限，不利于连续测量，不能在磁场下实施测量。有些现有技术利用可分离式加热炉对熔融玻璃熔体进行瞬态测量，这一测量方法不能进行真空处理，只适合于非金属材料。且该种方法只适合于对熔体进行测量，材料熔化与凝固过程，熔体不能充填测试管，电阻无法测量。现有技术中还有用四级法对旋转磁场中Al-Cu-Co升温过程中固态下电阻进行测量，没有对合金液态及凝固状态电阻进行测量。

综上，现有设备不能够实现对金属熔体的电阻在旋转磁场有限空间内的瞬态测量。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，包括加热系统、电阻测量系统、磁场发生装置、样品平移机构和样品升降机构，所述样品平移机构用于带动样品水平移动，加热系统设置在样品平移机构上方，所述样品升降机构用于带动样品平移机构上下移动，使样品进入或脱离磁场发生装置，所述加热系统用于对样品进行加热，所述磁场发生装置用于给样品施加磁场，所述加热系统设置在加热系统升降装置上，所述加热系统升降装置用于带动加热系统向下移动至磁场发生装置内对处于磁场发生装置中样品进行加热，或带动加热系统向上移动脱离磁场发生装置，使得磁场发生装置中的样品自然冷却，所述电阻测量系统用于形成测量回路，测量磁场发生装置中的样品两端的电压和通过的电流，计算得到磁场发生装置中的样品的电阻。

进一步的，还包括分离式坩埚和坩埚盖，所述分离式坩埚放入悬挂在平移架上的盘上，盘上设置有刚性吊索。盘底部可以设置有莫来石做的密封炉子底部的凸台，用来固定坩埚位置，使其处在炉子恒温区，以及磁场的恒定磁场强度区域，刚性吊索设置在样品平移机构上，所述分离式坩埚用于放置样品，分离式坩埚中部竖直设置有隔板，所述隔板左右两侧固定在分离式坩埚侧壁上，下端悬空，所述坩埚盖可拆卸安装在分离式坩埚上，坩埚盖上固定有两个金属螺栓，金属螺栓分别位于隔板左右两侧，所述金属螺栓上端连接有导线，下端伸入分离式坩埚内，所述导线外侧套有陶瓷管，两根导线上端露在陶瓷管外且分别通过卡扣可拆卸连接电阻测量系统的两个输入端。

进一步的，还包括一体式坩埚，所述一体式坩埚通过刚性吊索设置在样品平移机构上，样品金属板水平设置在坩埚内，所述样品金属板下方设置有铜基板，所述一体式坩埚上方开设有通孔，通孔内固定有第一导线，所述第一导线下端连接待测样品金属板，上端延伸到一体式坩埚外，所述铜基板下端固定有铜螺钉，所述铜螺钉设置在一体式坩埚底部且下端连接第二导线，所述第一导线和第二导线外侧套有陶瓷管，第一导线和第二导线上端分别通过卡扣可拆卸连接电阻测量系统的两个输入端。

进一步的，所述磁场发生装置设置在旋转机构上，所述旋转机构用于带动磁场发生装置绕竖直轴线转动。

进一步的，所述坩埚盖通过金属丝或石英棒等可拆卸安装在分离式坩埚上。

进一步的，所述加热系统为加热炉。

进一步的，样品平移机构上可拆卸设置有多个样品。

进一步的，所述电阻测量系统包括电源、电流表和电压表，所述电源和电流表串联，且两端连接至两个输入端，所述电压表与两个输入端并联。

进一步的，还包括气氛保护机构，所述气氛保护机构包括充气泵和惰性气体储存罐，所述充气泵输入端连接惰性气体储存罐，输出端通过连接管连接到坩埚上设置的气体喷嘴。

进一步的，分离式坩埚或一体式坩埚上还设置有温度测量装置。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型可以对金属熔体，金属凝固与熔化过程以及金属与金属之间发生反应时的电阻变化进行测量。测量过程中，进行气体保护。加热炉可与待测样品分离，可实现在不同降温速度下进行电阻测量。更换样品方便易操作，易于实现自动化和连续生产。可实现在有限空间内进行电阻测量；适合于电路板加工过程焊接效果检测；整个样品加热装置与电阻测量装置可实现在旋转磁场狭小空间下进行测量；本实用新型可用于热处理等检测材料内部结构变化。

本实用新型的优点包括：1、本实用新型采用分离式加热系统，加热装置可与盛放金属材料的坩埚分离，实现金属材料加热，保温与冷却过程的变温速测量；2、可在磁场/旋转磁场狭小空间内实施；3、可对样品的熔化过程、凝固过程、不同温度下熔体以及液固界面反应过程等电阻变化进行测量和检测。4、本实用新型在保护气氛下完成，避免氧化；5、本实用新型设计适用于本测试系统用坩埚，切实有效，简单易行(只需打开卡扣，取出样品，然后更换样品)，通过样品平移机构可连续输送样品进行测试，实现工业化，自动化和连续生产。6、通过样品平移机构可实现流水线式连续测量，效率高。

附图说明

图1为本实用新型的装置正面结构图；

图2为本实用新型的装置俯视结构图；

图3为实施例1的分离式坩埚正面结构示意图；

图4为实施例1的分离式坩埚俯视结构示意图；

图5为实施例2的一体式坩埚正面结构示意图。

附图中各标号代表的部件列表如下：

1、样品平移机构；2、样品升降机构；3、加热系统；4、磁场发生装置；5、分离式坩埚；6、坩埚盖；7、隔板；8、金属螺栓；9、陶瓷管；10、卡扣；11、刚性吊索；12、一体式坩埚；13、样品合金板；14、第一导线；15、铜螺钉；16、第二导线；17、样品；18、气氛保护机构；19、旋转机构；20、加热系统升降装置；21、压杆；22、铜基板

具体实施方式

以下结合具体实施例对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1-2所示，磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，包括加热系统3、电阻测量系统、磁场发生装置4、样品平移机构1和样品升降机构2，所述样品平移机构1用于带动样品17水平移动，加热系统3设置在样品平移机构1上方，所述样品升降机构2用于带动样品平移机构1上下移动，使样品17进入或脱离磁场发生装置4，所述加热系统3用于对样品17进行加热，所述磁场发生装置4用于给样品17施加磁场，所述加热系统3设置在加热系统升降装置20上，所述加热系统升降装置20用于带动加热系统向下移动至磁场发生装置4内对处于磁场发生装置4中样品17进行加热，或带动加热系统向上移动脱离磁场发生装置4，使得磁场发生装置4中的样品自然冷却，所述电阻测量系统用于形成测量回路，测量磁场发生装置4中的样品17两端的电压和通过的电流，计算得到磁场发生装置4中的样品17的电阻。

作为一种实施方式，所述加热系统包括电阻式加热炉，炉内置有石英管，石英管通透性好，易于观测内部材料随温度熔化和凝固状态，所述陶瓷管具有均热、绝缘作用。所述加热炉温度由带有PID的温控仪进行控温。所述加热炉固定在无磁不锈钢笼式结构内，其位置由加热系统升降装置进行上下调节。所述加热炉放置在莫来石纤维压制的带有凸台的基座上，保证炉子热均匀区较大，且固定坩埚位置。所述密封盖上置有保护气氛喷嘴，气氛保护机构18在实验过程中对金属样品进行洗气式防氧化保护。所述加热炉放置在旋转磁场狭小空间，可由控制机构调整位置，使其处于旋转磁场中间，保证旋转磁场能够正常工作而不碰触加热炉外壁。加热炉对样品加热时间可由电阻率测试结果、界面反应结果以及焊接效果等判定，加热完毕后，加热炉可由控制机构向上引出，使样品保留在旋转磁场中，此时保护气体继续施加，可实现样品在炉冷、空冷、风冷以及水冷等条件下降温冷却，以期得到更好的焊接效果和参数值。并实现对整个过程电阻率的测量。既能够测量钎焊过程液固反应时电阻率变化，也有助于研究钎焊过程中熔化与凝固期间样品结构的变化，具有重要的意义。

所述电阻测量系统包括稳恒直流电压电源，所述稳恒直流电压电源0-220V连续可调。所述电阻测量系统设置有测量试样两端电压的高灵敏万用表，可精确至微伏。所述电阻测量系统设置有精密电流表，可测回路中电流大小。所述电阻测量系统设置有外接0-200Ω可调电阻，用于调节回路中电流大小与稳定性。所述电阻测量系统中各连接探头之间刚性连接，保证电阻测量过程电路的稳定。

所述磁场发生装置4放置在旋转机构19上，所述旋转机构19转速可调。所述磁场发生装置具有冷却系统，防护磁场在高温下消磁。所述磁场为恒定磁场，使用过程中无需通电，具有稳定可靠，成本低廉的优点。

实施例1，如图3-4所示，测量金属熔体电阻时，采用分离式坩埚，包括分离式坩埚5和坩埚盖6，所述分离式坩埚放在勺型吊篮内，勺型吊篮通过刚性吊索11设置在样品平移机构1上，所述分离式坩埚5内放置有金属样品，可对纯金属，合金等熔化，凝固以及熔体升温与降温过程的电阻进行测量。

中间隔板7有利于对金属熔体电阻进行测量，上面坩埚盖有两个通孔，放置测量探头，测量探头为金属螺栓，其上有螺帽固定螺栓在坩埚内的位置。上述螺栓上部有螺帽固定电阻测量时电路所用铜导线，铜导线外部包裹有陶瓷管。上述石英坩埚上设置有压杆21，压杆21用于固定坩埚盖位置。

实验时，分离式坩埚5放置在勺型吊篮上，勺型吊篮通过刚性吊索吊在样品平移机构1上，样品平移机构1将分离式坩埚5移动到磁场发生装置4正上方，样品升降机构带动勺型吊篮下降进入磁场发生装置内，再控制加热炉下降至勺型吊篮内对坩埚内样品进行加热，同时启动磁场发生装置和旋转机构对分离式坩埚施加磁场，加热完毕后，加热炉上移待用，分离式坩埚5依然处在磁场中直至样品冷却凝固结束，该凝固过程可在炉中、空中、风中、或水中等冷却。在整个升温降温过程中，通过电阻测量系统测量分离式坩埚内的金属样品在熔融态以及凝固过程中的电阻，实验完毕后，打开卡扣，升起勺型吊篮，启动样品平移机构，将下一个放置有样品的勺型吊篮移动到磁场发生装置4正上方，测量完成的坩埚可通过卡扣取下，如此循环可以连续对样品进行测量。

实施例2，如图5所示，测试钎焊过程中钎料与基体焊接过程中电阻变化以及高温焊接电路板使用过程中电阻变化时，可采用一体式坩埚12进行物理模拟实验研究，也可对实际焊点进行电阻测量。所述一体式坩埚12放在勺型吊篮内，勺型吊篮通过刚性吊索11设置在样品平移机构1上，利用银锡合金板和铜基体模拟钎焊过程中的钎料与基体，通过测量银锡合金板和铜基体的电阻变化即可测试钎焊过程中钎料与基体电阻变化，电阻变化规律可反应出焊接界面、钎料状态等变化情况。

一体式坩埚12材质为石英。一体式坩埚12下端为内螺纹，与带有外螺纹的铜基板22相接，铜基板22下部中心攻有螺孔，铜螺钉15将第二导线16拧紧并与铜基板22紧密相连，一体式坩埚12底部第二导线16经过坩埚下部开的槽引出并固定其方向，并延石英坩埚壁向上引出后经过陶瓷管9，最后连入电阻测量系统的电路。石英坩埚上方开有小孔，螺栓有小孔深入坩埚内并与钎料接触，在坩埚上下两面上有螺母固定螺栓位置以及深入坩埚内的长度。螺栓上部亦有螺母固定第一导线14，第一导线14连接电阻测量系统。第一导线14外围包裹有陶瓷管9。即铜基板22下连接导线及坩埚上方连接导线分别通过卡扣与电路中电压表和可变电阻以及电流表分别相连，形成回路，利用R＝U/I计算银锡合金板与铜基体的电阻值。在计算过程中注意空载时电阻值的变化，得到样品真实阻值R样＝R总-R0。实验完毕后，打开卡扣，升起勺型吊篮和坩埚，启动样品平移机构，将下一个放置有样品的勺型吊篮，移动到磁场发生装置上方，将坩埚降入磁场发生装置内，可再次进行测量。

本实用新型采用分离式加热系统，加热装置可与盛放金属材料的坩埚分离，实现金属材料加热，保温与冷却过程的变温速测量。本实用新型外接式电阻测量探头对金属试样电阻进行测量。接触法测量液态金属电阻中探头材料是一个难以解决的问题，本实用新型专利中对不同的待测金属样品设计不同材质电阻探头，接触式探头每次试验皆需更换，只有在低温无反应状态下可以重复使用。本实用新型专利可实现在旋转磁场有限空间内对金属样品连续更换，同时实现对样品的加热与冷却速度进行控制。本实用新型中电阻测量系统随着技术提升可以利用精密电阻仪直接测量金属待测样品电阻变化。本实用新型设计待测钎料或电路板焊接件专有坩埚，可实现钎料与铜基体焊接过程的电阻测量，测量结果与界面组织结构与焊接性能进行对比，得到最优焊接参数。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，包括加热系统(3)、电阻测量系统、磁场发生装置(4)、样品平移机构(1)和样品升降机构(2)，所述样品平移机构(1)用于带动样品容器和样品容器中的样品(17)水平移动，加热系统(3)设置在样品平移机构(1)上方，所述样品升降机构(2)用于带动样品平移机构(1)上下移动，使样品(17)进入或脱离磁场发生装置(4)，所述加热系统(3)用于对样品(17)进行加热，所述磁场发生装置(4)用于给样品(17)施加磁场，所述加热系统(3)设置在加热系统升降装置(20)上，所述加热系统升降装置(20)用于带动加热系统向下移动至磁场发生装置(4)内对处于磁场发生装置(4)中样品(17)进行加热，或带动加热系统向上移动脱离磁场发生装置(4)，使得磁场发生装置(4)中的样品自然冷却，所述电阻测量系统用于形成测量回路，测量磁场发生装置(4)中的样品(17)两端的电压和通过的电流。

2.根据权利要求1所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，所述样品容器包括分离式坩埚(5)和坩埚盖(6)，所述分离式坩埚(5)通过刚性吊索(11)设置在样品平移机构(1)上，所述分离式坩埚(5)用于放置样品(17)，分离式坩埚(5)中部竖直设置有隔板(7)，所述隔板(7)左右两侧固定在分离式坩埚(5)侧壁上，下端悬空，并将坩埚上部分离为两个不相通空间；所述坩埚盖(6)可拆卸安装在分离式坩埚(5)上，坩埚盖(6)上固定有两个金属螺栓(8)，金属螺栓(8)分别位于隔板(7)左右两侧，所述金属螺栓(8)上端连接有导线，下端伸入分离式坩埚(5)内，所述导线外侧套有陶瓷管(9)，两根导线上端露在陶瓷管(9)外且分别通过卡扣(10)可拆卸连接电阻测量系统的两个输入端。

3.根据权利要求1所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，所述样品容器包括一体式坩埚(12)，所述一体式坩埚(12)通过刚性吊索(11)设置在样品平移机构(1)上，样品金属板(13)水平设置在坩埚内，所述样品金属板(13)下方设置有铜基板(22)，所述一体式坩埚(12)上方开设有通孔，通孔内固定有第一导线(14)，所述第一导线(14)下端连接样品金属板(13)，上端延伸到一体式坩埚(12)外，所述铜基板(22)下端固定有铜螺钉(15)，所述铜螺钉(15)固定于一体式坩埚(12)底部且下端连接第二导线(16)，所述第一导线(14)和第二导线(16)外侧套有陶瓷管(9)，第一导线(14)和第二导线(16)上端分别通过卡扣(10)可拆卸连接电阻测量系统的两个输入端。

4.根据权利要求1所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，所述磁场发生装置(4)设置在旋转机构(19)上，所述旋转机构(19)用于带动磁场发生装置(4)绕竖直轴线转动。

5.根据权利要求2所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，所述坩埚盖(6)通过金属丝可拆卸安装在分离式坩埚(5)上。

6.根据权利要求1所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，所述加热系统(3)为加热炉。

7.根据权利要求1所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，样品平移机构(1)上可拆卸设置有多个样品(17)。

8.根据权利要求1所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，所述电阻测量系统包括电源、电流表和电压表，所述电源和电流表串联，且两端连接至两个输入端，所述电压表与两个输入端并联。

9.根据权利要求2和3中任一项所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，还包括气氛保护机构(18)，所述气氛保护机构(18)包括充气泵和惰性气体储存罐，所述充气泵输入端连接惰性气体储存罐，输出端通过连接管连接到坩埚上设置的气体喷嘴。

10.根据权利要求2和3中任一项所述的磁场内电路板焊点电阻和金属熔体电阻测量装置，其特征在于，分离式坩埚(5)或一体式坩埚(12)上还设置有温度测量装置。

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