焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法与流程

本发明涉及电子元器件封装与测试技术领域，尤其是一种焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法。

背景技术：

bga(ballgridarray)封装器件具有体积小、高密度、高性能和信号延迟少等优点而被广泛用于各种电子产品中。焊点在bga封装中起着电气连接、机械支撑及散热等作用，是封装结构中最为薄弱的环节bga器件在再流焊焊接过程中，由于bga器件封装体和印制电路板(pcb)热膨胀系数不匹配，在焊接过程中引起形变进而产生的应力基本由焊点承担，因此相比具有柔性引脚的插接器件，bga焊点的可靠性明显低于插接器件。针对焊点在再流焊过程中应力变化和再流焊工艺对焊点焊接质量的影响，国内外学者展开了相关研究，通过有限元软件仿真对焊点再流焊冷却应力进行分析以及对结构参数进行优化以实现减少焊点再流焊冷却应力，来达到提升焊点服役可靠性的目的。而对板级组件bga焊点再流焊冷却应力的仿真结果是否具有一定的正确性，还需要进行试验验证。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法，可以模拟再流焊温度曲线，实现焊点再流焊冷却应力的测量，装置设计简单，极大的方便了验证软件仿真的正确性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统，包括：

温度控制模块，包括温控仪、固态继电器、j型热电偶及红外加热板，所述温控仪中设置有一温度曲线，所述红外加热板通过所述固态继电器与一焊点模型测试样件连接，以根据所述温度曲线加热所述焊点模型测试样件的焊点至凝固温度，所述j型热电偶用于测量焊点的实际温度以在加热时实时控制所述固态继电器的开启和关断，以使焊点的实际温度的变化始终与所述温度曲线保持一致；

冷却应力测量模块，包括空气箱、升降台及动态应变仪，所述空气箱用于放置焊点模型测试样件，所述焊点模型测试样件粘贴有一直角应变花，利用所述升降台控制所述空气箱内所述焊点模型测试样件的高度，并利用环氧树脂对所述焊点模型测试样件灌封，所述动态应变仪实现对所述焊点模型测试样件的焊点再流焊焊后冷却应力的测量。

可选的，所述直角应变花为45°-3直角应变花。

可选的，所述空气箱为jedecjesd51-2空气箱。

本发明还提供了一种利用所述的焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统的测量方法，包括：

基于ansys建立再流焊后焊点的仿真分析模型并进行温度场分析，以得到焊点的温度场分布；

将焊点的温度场分布作为结构分析的载荷以进行结构分析，并得到焊点的冷却应力值；

制作焊点模型测试样件，并在所述焊点模型测试样件的焊点上贴上直角应变花，通过信号线将所述直角应变花与动态应变仪连接；

红外加热板对所述焊点模型测试样件进行加热，同时j型热电偶实时测量焊点的实际温度以控制固态继电器的开启和关断，以使所述焊点模型测试样件根据温控仪中的温度曲线加热至凝固温度；

利用温控仪使所述焊点模型测试样件的焊点冷却至一设定温度，并利用动态应变仪记录焊点的应力变化以获取焊点的冷却应力。

可选的，将获取的焊点的冷却应力与仿真冷却应力进行对比。

可选的，所述焊点模型测试样件中焊点的尺寸大于实际焊点的尺寸。

可选的，所述直角应变花的三轴均按照单臂四分之一桥的形式与所述动态应变仪相连。

可选的，利用如下公式得到焊点的冷却应力：

或者，

其中，

其中，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，ε1为最大主应变，ε3为最小主应变；ε0°、ε45°和ε90°分别为焊点在该点的线应变；e为弹性模量；μ为泊松比。

可选的，所述设定温度介于20摄氏度-30摄氏度之间。

可选的，所述焊点模型测试样件的焊点冷却速率介于0.9℃/s-1.1℃/s之间。

在本发明提供的焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法中，该温度控制模块通过温控仪设置温度曲线，将焊点模型测试样件通过红外加热板加热到焊点凝固温度，再通过j型热电偶测量焊点模型测试样件中焊点的实际温度来控制固态继电器接通和断开红外加热板，从而实现焊点温度变化与再流焊温度曲线变化相一致，在冷却至一设定温度后，利用动态应变仪记录焊点的应力变化以获取焊点的冷却应力，具有功能强，易操作，精度高等特点。可以实现模拟再流焊温度曲线，实现对冷却应力的测量，装置设计简单，极大的方便了验证软件仿真的正确性。

附图说明

图1为焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统的结构示意图；

图2为焊点模型测试样件的结构示意图；

图3为再流焊的温度曲线图；

图4为焊点焊后冷却应力分布图；

图5为应变测量结果图；

其中，附图标记为：

1-pc机；2-动态应变仪；3-信号线；4-升降台；5-焊点模型测试样件；6-j型热电偶；7-红外加热板；8-温控仪；9-固态继电器；10-空气箱。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统，包括：

温度控制模块，包括温控仪8、固态继电器9、j型热电偶6及红外加热板7，所述温控仪8中设置有一如图3所示的再流焊的温度曲线，所述红外加热板7通过所述固态继电器9与一焊点模型测试样件5连接，以根据所述温度曲线加热所述焊点模型测试样件5的焊点至凝固温度，所述j型热电偶6用于测量焊点的实际温度以在加热时实时控制所述固态继电器9的开启和关断，以使焊点的实际温度的变化始终与所述温度曲线保持一致；

冷却应力测量模块，包括jedecjesd51-2空气箱10、升降台4及动态应变仪2，所述空气箱10用于放置焊点模型测试样件5，所述焊点模型测试样件5粘贴有一耐热45°-3的直角应变花，利用所述升降台4调整所述空气箱10内所述焊点模型测试样件5的高度，并利用环氧树脂对所述焊点模型测试样件5灌封，所述动态应变仪2实现对所述焊点模型测试样件5的焊点再流焊焊后冷却应力的测量，测量结果可以传输至一pc机1上进行显示。

基于此，本实施例还提供了一种利用所述焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统的测量方法，包括：

步骤s1:基于ansys建立再流焊后焊点的仿真分析模型并进行温度场分析，以得到焊点的温度场分布，所述仿真分析模型为上下两层pcb板及放大了的bga焊点；实验样件中放大的bga焊点直径为16mm、高度为0.5mm，焊点为2×2阵列，上层pcb板和下层pcb板的尺寸分别为48mm×48mm×1mm和132mm×77mmm×1mm。所述仿真分析模型的材料如下表所示：

步骤s2:将焊点的温度场分布作为结构分析的载荷以进行结构分析，并得到焊点的冷却应力值，焊点焊后冷却应力分布图如图4所示。

步骤s3:如图2所示，制作焊点模型测试样件5，并在所述焊点模型测试样件5的焊点上贴上直角应变花，通过信号线3将所述直角应变花与动态应变仪2连接(直角应变花的三轴均按照单臂四分之一桥的形式与所述动态应变仪2相连)。由于实际的bga焊点尺寸过小无法直接在其上粘贴直角应变花，对此制作了在放大的bga焊点并在上方的pcb板上开出足以放置入直角应变片花的孔，粘贴好直角应变花后再使用环氧树脂灌封好开孔，也就是说，所述焊点模型测试样件5中焊点的尺寸大于实际焊点的尺寸。为了更好的监控焊点在实验过程中温度变化，在焊点顶部设置了热电偶进行温度的测量。

步骤s4:红外加热板7对所述焊点模型测试样件5进行加热，同时j型热电偶6实时测量焊点的实际温度以控制固态继电器9的开启和关断，以使所述焊点模型测试样件5根据温控仪8中的温度曲线加热至凝固温度；所述凝固温度187.2℃，将该凝固温度所对应时刻作为仿真分析的初始开始时刻。

步骤s5:利用温控仪8使所述焊点模型测试样件5的焊点冷却至一设定温度，所述设定温度介于20摄氏度-30摄氏度之间。利用动态应变仪2记录焊点的应力变化并根据计算公式获取焊点的冷却应力。将冷却时长设置为150秒，冷却速率介于0.9℃/s-1.1℃/s之间，经过冷却150秒后得到板级组件整体及bga焊点阵列在该时刻上的温度场分布。

可选的，利用如下公式得到焊点的冷却应力：

或者，

其中，

其中，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，ε1为最大主应变，ε3为最小主应变；ε0°、ε45°和ε90°分别为焊点在该点的线应变；e为弹性模量；μ为泊松比。

如图5所示，经过冷却至室温时焊点的应变分别为ε0°＝72.37×10^-6，ε45°＝-45.68×10^-6，ε90°＝-207.85×10^-6。根据上述计算公式计算出ε1＝7.4096×10^-5，ε3＝-0.00209576，σ1＝29097.77501pa，σ3＝-7178273.16pa，实测得到的冷却应力与仿真冷却应力结果进行对比，结合实际测量时应变片测量的区域，在仿真模型中选取焊点该区域的节点，可得到相同区域节点的主应力仿真值分别为25074pa，-8330000pa。对比仿真结果与实验结果可知，实验与仿真主应力的结果误差分别为16.05％和13.83％，实验测量结果与仿真结果吻合度较高，结果表明，仿真分析结果和实验结果一致性较好。

综上，在本发明实施例提供的焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法中，该温度控制模块通过温控仪设置温度曲线，将焊点模型测试样件通过红外加热板加热到焊点凝固温度，再通过j型热电偶测量焊点模型测试样件中焊点的实际温度来控制固态继电器接通和断开红外加热板，从而实现焊点温度变化与再流焊温度曲线变化相一致，在冷却至一设定温度后，利用动态应变仪记录焊点的应力变化以获取焊点的冷却应力，具有功能强，易操作，精度高等特点。可以实现模拟再流焊温度曲线，实现对冷却应力的测量，装置设计简单，极大的方便了验证软件仿真的正确性。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。