TW201447277A - 感應單元，電子模組以及計算各電子模組之腐蝕物暴露水準之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種電子模組(1)之感應器單元(10，10’)，其既小且輕，至少包含一暴露元件(5，5a，5b)，該元件表面含一化學元素、及/或一化學化合物，能因腐蝕物之出現而在可見光下觀察到顏色之變化，其暴露元件係以銅元素為佳。本發明亦關於一個別之電子模組(1)，以及一種方法，用以計算此一電子模組(1)之腐蝕物暴露水準。
Description
本發明係關於一感應器單元，用於一電子模組、各電子模組，以及一種方法，用以計算各電子模組之腐蝕物暴露水準。
例如高可靠度產品之印刷電路板(PCB)，其電子模組之性能及可靠度，可被包括硫(S)和氯(Cl)在內之腐蝕物污染而損害。因此，在儲存、運送、製造或使用時，必須決定一產品之腐蝕物暴露水準。
目前已知使用大型硫分析儀，用以感應空氣或其他氣體內含硫之水準，例如EST分析公司以脈衝紫外線(UV)螢光為基礎之全硫分析儀TS 3000。
此外，目前Techno-Sciences Inc.公司有售一款仍為大型之硫感應器，用於氫燃料電池之操作，其係以本地表面電漿子之共振為基礎，能偵測十億分比之痕量級硫化合物。該感應器特色為附加奈米粒子之薄膜技術，耦合一可見光-近紅外線(VIS-NIR)光源至紫外線-可見光(UV-VIS)之線性偵測器。該感應器係以混合電漿子衰減為基礎，即貴重金屬之奈米粒子之混合電漿子模式，因奈米粒子之表面分子吸收而產生之衰減，可被觀察到。因此，其係採用奈米結構之銀，用以偵測痕量級硫化合物。其係源
自硫與銀之強烈交互作用，該作用係於奈米粒子表面破壞本地電子位能，造成電子散射增加，進而增加混合電漿子之衰減。
此外，Plurafil公司提出一連續腐蝕傳送器，其係即時測量銅和銀表面之腐蝕物生成量，並傳送此一訊息至一控制系統。因此，該裝置提供兩個石英晶體微平衡感應器，其一鍍銅，另一鍍銀，各有一以質量為基礎之自然共振頻率。若酸性氣體與其基礎金屬產生反應，該鍍層即累積腐蝕物薄膜。此一過程造成感應器質量之增加，以及自然共振頻率之降低。使用適當轉換係數，感應器測知之質量即換算成腐蝕物之厚度，單位為埃(Ångstroms)。
按上述考量，既知腐蝕物偵測之可行性問題在於，提供小而輕之感應器，用於例如S和Cl之腐蝕物，而其能在電子模組之全部壽命期間觀察腐蝕物之污染。
上述問題係以一具申請專利範圍第1項特徵之感應單元解決，以及以一具申請專利範圍第13項特徵之電子模組解決。為解決上述問題，用以計算一電子模組之腐蝕物暴露水準之創新性程序，亦於申請專利範圍第14項陳述。
本發明用於電子模組之感應單元，其特徵為至少包含一暴露之元件，該元件表面含有一化學元素、及/或一化學化合物，能因腐蝕物之出現而在可見光下觀察到顏色之變化，其係以銅元素為佳。
在一優良實施例中，其感應單元另含一光接收元件，例如一光譜儀或一照相機，用以接收該暴露元件所反射之可見光。
在另一實施例中，其感應單元包含一處理器，能用於測定該暴露元件所反射之可見光顏色，其反射之可見光處理以RGB(紅綠藍)顏色強度為佳。此處，RGB顏色強度為廣泛熟知之參數，以RGB色彩模型為基礎，為一描述反射之可見光顏色之一種方式。該光線之光譜亦能使用三稜鏡或散射光柵一類方式來建立。
上文所述之本發明感應單元，尤其以上文所述之優良實施例為基礎者，其主要優點為該感應單元可在產品上以一合理之形態實施，亦即在電子模組或PCB產品上，因其器件尺寸很小。亦即該感應單元夠小也夠輕，使其能夠如同其他電子元件那般，裝設在電子模組(PCB)之基板表面上。
此一感應單元之基本想法為，某些化學元素、及/或化學化合物若暴露於腐蝕性氣體或物質時，而且若以可見光照射時，尤以白光為佳，會產生顏色變化。表示腐蝕物與該化學元素、及/或化學化合物反應時，或被任一者吸收時，會改變其反射光之顏色。
關於腐蝕物硫(S)和氯(Cl)，銅元素(Cu)若暴露於S，顏色會從淡褐色(銅色)變成藍色，若暴露於Cl和H2O，則會變成藍綠色。若Cu暴露於一含S之空氣，在暴露的Cu表面上，Cu會與S反應，形成硫化銅(單硫化銅，CuS)，其係於自然界中以深靛藍色之銅硫礦出現。Cl與Cu之腐蝕產物為二氯化銅(CuCl2)，尤其是二水氯化銅(CuCl2*2H2O)。CuCl2*2H2O顏色為淡藍綠色。為使暴露元件表面因為腐蝕反應而產生顏色變化，故該暴露元件係提供一自由且暴露之表面，該表面含一用於腐蝕反應或吸附腐蝕物之化學元素或化學化合物。暴露表面以其總表面積能被一小透鏡(直徑<1mm)成像者為佳。若暴露之元件包含至少兩種元素或多種元素，每一種元素之表面
積以能容許足夠靈敏度之尺寸為佳。依據本技術，全部組件可達<1mm2之尺寸，而其元件以包含不同表面形狀為佳，例如圓形或長條形。上述之暴露元件或元素之最小表面積，須使顏色變化能被可靠偵測。
無論使用光譜儀，或使用一照相機拍攝暴露元件之影像，然後再使用一合適之影像軟體，均可測定暴露元件所反射光線之顏色，並以預先完成之各個顏色校正值為基礎，由其計算出例如S或Cl之腐蝕物暴露水準。腐蝕物之暴露水準係指周圍空氣中所含S、Cl或S+Cl之預定濃度水準。
下文中，本發明之說明係以S和Cl為範例腐蝕物，然而本技術仍可應用於其他腐蝕物以及Cu元素以外之其他暴露元件材料。
在另一實施例中，該感應單元亦額外包含一照射至露暴元件之光源，尤其提供白光為佳，波長範圍以350nm-800nm為佳。
如上文所闡述，其感應單元包含一處理器，能利用所測得之反射可見光線之顏色，計算出暴露於腐蝕物之水準-例如暴露於S/Cl者，其反射之可見光處理以RGB顏色強度為佳。在腐蝕物暴露水準測定之前，必須以SEM/EDXS或其他分析方法所得知之腐蝕物含量(例如At%Cl或S)，修正目前由暴露元件所反射之可見光之紅、綠及藍色之相對強度。
該感應單元可以包含至少一專為測定反射之可見光顏色而設之光學元件，例如濾光片。因此，一次只能測定一種顏色。在一優良實施例中，許多濾光片可以並排裝在一起，例如三個紅色、綠色及藍色之濾光片，使反射光線之紅色、綠色及藍色成份在同一時間由光線接收元件之不同區域接收-例如一CCD照相機。熟悉此一技術者，顯然能夠組合任何光譜寬度之濾光片，用以測定相對顏色強度。
針對高可靠度電子裝置之安裝而言，例如通訊或軍事設備，若其感應單元能持續或間歇式操作接收反射光線、及/或測定反射可見光之顏色、及/或計算腐蝕物暴露水準時，即具有優點。
關於感應單元所測量、測定或計算之資料之遠端存取，若感應單元額外含有一電子模組之個別號碼之代碼，使光接收元件能操作接收由個別號碼之代碼所反射之可見光，即具有優點。該代碼可用例如一維或二維條碼實現。因此，腐蝕物之污染，可以依據特定電子模組及其特定製程、傳送途徑或其他與壽命相關之特性加以修正。若其代碼係以一維或二維條碼實現，則其光接收元件和處理器應以類似條碼掃描器之運作為佳，以便測定個別號碼之電子模組。
另一實施例中，該感應單元額外含有一傳送器，可由感應單元操作傳送資料至遠端站台，其傳送資料包含來自暴露元件、及/或個別號碼之代碼之反射可見光所測得之光譜資料、及/或由反射之可見光所測定之顏色資料、及/或計算得知之腐蝕物暴露水準之資料。如此，即可於電子模組之全部壽命期間由電子模組接收資料，而無須開啟該感應單元或電子模組之外殼。
另一實施例為額外包含一溫度感應器之感應單元。腐蝕物與暴露表面之反應，係取決於溫度以及暴露之時間長短。考量電子模組之周圍溫度，即可增強測定腐蝕物暴露水準之準確度。
在一優良實施例中，暴露元件係由一不含防焊罩之區域所包圍，因為如此即可增強其S靈敏度。暴露元件係為該感應單元之組成元件。感應器之組裝，係隨後以標準著裝法(例如表面著裝焊接)安裝於電子模組
上。
另一實施例中，感應單元包含一有一開口之外殼，其開口之設置係以接近暴露元件為佳。外殼一方面保護感應單元之內部，一方面使周圍含有腐蝕物之空氣能經由開口抵達暴露元件。
上述問題亦由一電子模組解決。本發明之電子模組，其優點為小而輕之感應單元係與該電子模組牢固連接/附著，成為該電子模組之元件組當中，一與其他電子元件相當之零件。此一感應單元之外部尺寸，可為例如3x3x1mm(9mm3)，但不侷限於此。
本發明用以計算一具上述感應單元之電子模組之腐蝕物暴露水準之程序，係包含下列步驟。首先，暴露元件所反射之可見光，係由光線接收元件所吸收-例如照相機(例如CCD照相機)或光譜儀。然後測定所接收之反射可見光之顏色，其係以反射可見光線之RGB顏色強度為佳，而測定則以處理器為佳。接下來，利用處理器，由反射可見光所測定之顏色計算出腐蝕物暴露之水準。
一優良實施例中，腐蝕物之暴露水準係由反射可見光所測定之顏色計算而得，尤以反射可見光線之RGB顏色強度之測定為佳，其計算係以數學模型為基礎，例如利用二次方程式。
如上文之解釋，腐蝕物暴露水準之計算，於一優良實施例中亦可另外以測定之周圍溫度為基礎。
本發明完整開放之揭露，包含其最佳模式在內，係針對所屬領域之專業技術人員，以下列各種不同實施例詳細說明。因此，所展示之其他特徵或優點，均為本發明之一部分，與獨立申請專利範圍無關。
1‧‧‧電子模組
2‧‧‧基板
3‧‧‧電子元件
5‧‧‧暴露元件
5a,5b‧‧‧暴露元件之組件
7‧‧‧二維條碼
9‧‧‧無防焊罩之區域
10,10’‧‧‧感應單元
16‧‧‧外殼
17‧‧‧外殼之開口
18‧‧‧光源
19‧‧‧SMT焊接點
20‧‧‧光學元件
18‧‧‧光接收元件
6‧‧‧處理IC
21‧‧‧濾光片
23‧‧‧ASIC控制單元
25‧‧‧電源供應單元
27‧‧‧傳送器
29‧‧‧成像單元
31‧‧‧溫度感應器
詳細說明係參考附圖之示意圖
第1圖 本發明具一暴露元件之電子模組，此為上視圖，第2圖 具備個別號碼代碼之暴露元件範例，此為上視圖，第3圖 第一種實施例，其感應單元已安裝於本發明之電子模組，此為側視圖，第4圖 另一種實施例，其感應單元係安裝於本發明之電子模組，此為側視圖，第5圖 紅色百分比強度和周圍空氣S濃度(單位為at%)之關係圖，其係以實驗測定(參見方形點)，再以二次方程式擬合，第6圖 藍色百分比強度和周圍空氣S濃度(單位為at%)之關係圖，其係以實驗測定(參見方形點)，再以二次方程式擬合(參見直線)，第7圖 紅色百分比強度和周圍空氣S+Cl濃度(單位為at%)之關係圖，其係以實驗測定(參見方形點)，再以二次方程式擬合(參見直線)，以及第8圖 藍色百分比強度和周圍空氣S+Cl濃度(單位為at%)之關係圖，其係以實驗測定(參見方形點)，再以二次方程式擬合(參見直線)。
以下本發明之實施例，係針對腐蝕物S及Cl以及暴露元件Cu元素進行說明。本發明亦可針對包含其他化學元素或化學化合物之腐蝕物和暴露元件實現。
第1圖所繪為本發明之電子模組(PCB)1，其表面包含不同電子元件3。導電銅線未顯示。電子模組1另外包含一電絕緣基板2(例如注入樹脂之B階包覆，預浸布)，其表面設有銅線及電子元件3。電子模組1之右邊角落設有一本發明之感應單元10，其具一暴露元件5。
如第2圖所示，包含九個類似覆層之元件，係為暴露元件5之一例，其表面係由建成一排之圓5a所構成，或由建成一垂直列之長條5b所構成。除暴露元件5之外，有一代表電子模組1之個別號碼之代碼，係以二維條碼7呈現。
暴露元件5之區域9，未被防焊罩(阻焊劑)所覆蓋，而此為類似薄漆之聚合物薄膜，用於該電子模組1其餘區域PCB 1之銅線上，以防止氧化及防止距離相近之焊面之間形成焊橋。此外，電子模組3和焊面(第1圖未顯示)並未覆蓋防焊罩。
如第3圖所示，感應單元10另外包含一外殼11，其具一接近暴露元件5之開口12，以及一包含例如至少一LED之光源13。光源13係提供可見光波長範圍之光線，通過一例如包含鏡頭之光學元件15，並照射於暴露元件5表面以及二維條碼7上。由暴露元件5和二維條碼7所反射之可見光，係由一接收元件17接收，例如一光譜儀或一照相機(例如一CCD照相機)。接收元件17將暴露元件5和二維條碼7之光訊號轉換成電子訊號。外殼11係利用一SMT焊接點14固定於基板2表面。
接收元件17係與一處理積體電路(IC)19連接，其係為處理器，用以處理接收元件17傳送出來之電子訊號，一如下文所詳述。
第3圖所示本發明感應單元10之實施例中，暴露元件5所反射之光線係穿越三個並排設置之濾光片21，例如紅濾光片、藍濾光片及綠濾光片。因此，例如備有一CCD照相機之接收元件17，即以照相機三個不同區域來接收已濾光之反射光線。
第4圖所示之感應單元10’實施例，係額外增加一做為另一處理器之ASIC控制單元23、一例如電池之電源供應單元25、以及一傳送器27，例如射頻傳送器，例如一根據IEEE標準之藍芽傳送器。其ASIC控制單元23、電源供應單元25、以及傳送器27係彼此相連，並與包含光源13、光學元件15、濾光片21、接收元件17和處理IC 19在內之成像單元29相連。上述元件及零件能經由連接傳送電訊號及電能。
成像單元29和ASIC控制單元所處理之資料，係經由傳送器27傳送至一遠端站台。
電訊號代表暴露元件反射之可見光顏色，而接收元件17所提供之二維條碼內容則由處理IC 19處理，若可行，則額外由ASIC控制單元23處理。此處之顏色訊息係由訊號萃取而得，例如紅色、綠色、藍色可見光之強度，尤指所測定之相對百分比強度(請解釋此一數值)。利用一個別之校正值，例如第5圖至第8圖所示之圖表，即可測定周圍空氣之S濃度、Cl濃度、或S+Cl濃度之原子量百分比，以及S、Cl或S+Cl之個別腐蝕物暴露水準。此外，由二維條碼之圖示，個別電子模組1之號碼係由處理器19、23所測定。
另一實施例中，其感應單元10’亦可另含一測量周圍溫度之
溫度感應器31。周圍溫度之資訊亦提供給ASIC控制單元23，用以正確測定S、Cl或S+Cl之腐蝕物暴露水準。
若感應單元10、10’所測定之腐蝕物暴露水準傳出某一預定之最大值，則可觸發警報(例如一音效警報或視覺警報)。
為校正感應單元10、10’，必須進行實驗，以測定暴露元件所反射之可見光顏色之相關性，以及在周圍空氣之腐蝕物暴露水準或腐蝕物濃度。因此，須於一真空瓶內準備一銅暴露元件、一S及/或Cl源、以及一滴去離子水。然後將空氣抽出該真空瓶。接下來該真空瓶將被置於一爐內或一空氣對空氣之溫度循環室內，進行不同溫度及時間週期之暴露。然後可獲得銅暴露元件之光學成像，並進行RGB強度分析。此際係採用SEM/EDXS元素分析法，用以獲得瓶內之S及Cl濃度。以下表1顯示銅暴露元件之SEM/EDXS以及光學RGB顏色強度之測試結果。
如第5圖至第8圖之圖表所示，可觀察到反射之紅色及藍色光和SEM/EDXS分析法所測定之S濃度或S+Cl濃度之間，有良好之相關性。第5圖和第7圖顯示S和Cl水準上升時，紅色百分比強度即減低。此外根據第6圖和第8圖之圖表，當S和Cl水準上升時，藍色百分比強度即上升。
其相關性可由二次方程式決定(參見第5圖至第8圖之擬合曲線)，尤其
●對於第5圖：y=0.0126x2-1.035x+21.341，其中x為紅色百分比強度(單位為%)，y為S濃度(單位為at%)
●對於第6圖：y=0.0047x2-0.2242x+2.5257，其中x為藍色百分比強度(單位為%)，y為S濃度(單位為at%)
●對於第7圖：y=0.0112x2-0.9597x+20.713，其中x為紅色百分比強度(單位為%)，y為S+Cl濃度(單位為at%)及
●對於第8圖：y=0.0036x2-0.1147x+0.2473，其中x為藍色百分比強度(單位為%)，y為S+Cl濃度(單位為at%)。
本發明解釋，採用暴露元件表面顏色變化之簡單概念，用以偵測腐蝕物之存在，並以此測定腐蝕物暴露水準，做為高可靠度電路板或包含此類電路板之失效機率之度量值。本解法能輕易實施，且具成本效益。此外，亦可分別測定個別電路板或產品之腐蝕物暴露水準。此感應單元可於製造模組1或積體元件時以儀器實現，其係留存於電子組裝成品中，使高可靠度、可維修之系統能發布警報而先行維修。本發明之感應單元10、10’能持續監視腐蝕物之暴露水準，甚至傳送包含個別電子模組號碼之資料至遠端站台。
依據上文之教導啟示，熟悉此技術者對於所述之範例及實施例顯然能做無數改良及變化。所揭露之範例及實施例，其目的僅為展示。其他實施例之變化可包含此處所揭露之少數或全部特徵。因此，所有此類實施例之改良或變化，已在本發明範疇內，應全數涵蓋。
1‧‧‧電子模組
2‧‧‧基板
5‧‧‧暴露元件
5a‧‧‧暴露元件之組件
7‧‧‧二維條碼
10‧‧‧感應單元
11‧‧‧外殼
12‧‧‧外殼之開口
13‧‧‧光源
14‧‧‧SMT焊接點
15‧‧‧光學元件
17‧‧‧光接收元件
19‧‧‧處理IC
21‧‧‧濾光片
Claims (15)
- 一種感應器單元(10，10’)，其至少包含一暴露元件(5，5a，5b)，該元件表面含一化學元素、及/或一化學化合物，能因腐蝕物之出現而在可見光下觀察到顏色之變化，其係以銅元素為佳。
- 根據申請專利範圍第1項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，感應單元另含一光接收元件(17)，例如一光譜儀或一照相機，用以接收該暴露元件(5，5a，5b)所反射之可見光。
- 根據申請專利範圍第1項或第2項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，感應單元(10，10’)包含一處理器(19)，能用於測定該暴露元件(5，5a，5b)所反射之可見光顏色，尤以其反射可見光之RGB顏色強度為佳。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，感應單元(10，10’)另包含一照射至暴露元件(5，5a，5b)之光源(13)，尤其提供白光為佳。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，感應單元(10，10’)能利用所測得之反射可見光線之顏色，計算出暴露於腐蝕物之水準，例如暴露於S、及/或Cl者，其反射之可見光以RGB顏色強度為佳。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，另包含至少一光學元件(13，21)，例如濾光片(21)。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，感應單元(10，10’)能持續或間歇式操作接收反射光線、及/或測定反射可見光之顏色、及/或計算腐蝕物暴露水準。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，另含一電子模組之個別號碼之代碼(7)，使光接收元件能操作接收由個別號碼之代碼所反射之可見光。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，另含一傳送器(27)，可由感應單元(10，10’)操作傳送資料至遠端站台，其傳送資料包含來自暴露元件(5，5a，5b)所測得之反射可見光資料、及/或個別號碼之代碼(7)、及/或由反射之可見光所測定之顏色資料、及/或計算得知之腐蝕物暴露水準之資料。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，另含一溫度感應器(31)。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，暴露元件(5，5a，5b)係由一無防焊罩之區域(9)所包圍。
- 根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，其特徵為，感應器單元(10，10’)包含一有一開口(12)之外殼(11)，其開口(12)之設置係以接近暴露元件(5，5a，5b)為佳。
- 一種電子模組(1)，包含一根據前述申請專利範圍任一項所述之感應器單元(10，10’)，尤指附著於電子模組(1)之基板(2)表面者。
- 一種方法，用以計算一包含申請專利範圍第1項至第12項任一項所述感應器單元(10，10’)之電子模組(1)之腐蝕物暴露水準，其特徵為，暴露元件(5，5a，5b)所反射之可見光將被接收，然後測定所接收之反射可見光之顏色，其係以反射可見光線之RGB顏色強度為佳，接下來由所測定之顏色計算出腐蝕物暴露之水準，尤以基於一數學模型者為佳。
- 根據前述申請專利範圍第14項所述之方法，其特徵為，腐蝕物暴露水準之計算係另外以溫度感應器(31)所測定之周圍溫度為基礎。
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