一种焊点再流焊焊后残余应力的测量系统的制作方法

本实用新型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残余应力的测量系统。

背景技术：

bga(ballgridarray)封装作为一种常用的封装技术，由于其具有引脚数量大、成品率高、电性能及散热性能好等优势已被广泛应用于各种电子产品当中，成为了目前封装技术的主流。bga器件中互连焊点(即bga焊点)直接承担着电气连接、机械支撑及散热作用，通常bga器件的失效大都是由于焊点失效所引起，如再流焊期间或热循环过程中热膨胀系数的失配会导致焊点的失效；再流焊过程中bga焊点经历固态到熔融而又冷凝的过程后焊点内会产生并累积不小的内应力即焊后残余应力，残余应力的存在将会引起焊点的损伤，这种损伤在在后续的生产工艺以及产品使用过程中，会扩展、汇合而形成宏观裂纹，直接导致器件的失效或者引起吸潮、界面脱层以及间接引起其它材料失效，因此对焊点焊后残余应力所引起的焊点失效问题应给予足够重视以确保焊点服役后的可靠性。国内外专家只是通过有限元软件仿真对焊点再流焊焊后残余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焊后残余应力，进而达到提高焊点可靠性的目的。而对bga焊点焊后残余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：

本实用新型的目的在于提供一种焊点再流焊焊后残余应力的测量系统，可以实现模拟再流焊温度曲线，实现对残余应力的测量，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，本实用新型提供了一种焊点再流焊焊后残余应力的测量系统，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；

残余应力测量模块，包括钻孔器及动态应变仪，所述钻孔器用于在所述焊点模型测试样件的三轴应变花的中心钻设一定深度的盲孔，若干所述动态应变仪实现对释放应变的测量。

本实用新型还提供了一种焊点再流焊焊后残余应力的测量方法，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，以对所述仿真分析模型施加再流焊温度载荷，并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，并得到焊点的残余应力值；

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三轴应变花，通过三根信号输出线将所述三轴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；

使所述焊点模型测试样件冷却至一设定温度，并控制所述焊点模型测试样件保持在所述设定温度下一设定时间；

利用钻孔器在所述三轴应变花的中心钻设一定深度的盲孔，并利用所述动态应变仪实现对释放应变的测量，以得到焊点的残余应力值。

可选的，所述动态应变仪测量到的焊点的残余应力值与仿真残余应力值进行对比。

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，利用如下公式得到焊点的残余应力值：

其中，σmax为最大主应力即残余应力值；ε1、ε2和ε3分别为相应各动态应变仪钻孔后测得的释放应变；p为均布等双向应力；为标定常量；e为弹性模量；ν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。

在本实用新型提供的焊点再流焊焊后残余应力的测量系统中，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，在冷却一段时间后利用钻孔器，在焊点模型测试样件的三轴应变花钻孔中心钻一定直径和一定深度的盲孔；通过动态应变仪实现对释放应变的测量，进而实现对焊点残余应力的测量，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，实现对残余应力的测量，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为焊点再流焊焊后残余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；

其中，附图标记为：

1-pc机；2-动态应变仪；3-信号输入线；4-钻孔器；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。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型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，本实用新型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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种焊点再流焊焊后残余应力的测量系统，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；

残余应力测量模块，包括钻孔器4、动态应变仪2及pc机1，所述钻孔器4用于在所述焊点模型测试样件5的三轴应变花的中心钻设一定深度的盲孔，若干所述动态应变仪2实现对释放应变的测量，所述pc机1用于显示测量的结果。

基于此，本实施例还提供了一种利用所述焊点再流焊焊后残余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，以对所述仿真分析模型施加再流焊温度载荷，并得到焊点的温度场分布。其中，如图2所示，所述仿真分析模型为上下两层pcb板，所以可以放大bga焊点。上层pcb板101和下层pcb板102上下相对设置，盲孔104、三轴应变花105以及放大后的bga焊点103参照如图2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，并得到焊点的残余应力值，施加的再流焊温度曲线如图3所示，对仿真分析模型进行再流焊焊后残余应力分析时，设置焊点冷却凝固温度(即187.2℃)作为仿真分析模型初始温度；参考图3所示，将再流焊温度曲线冷却段中无铅焊点冷却凝固温度所对应的210秒时刻(图中a点所对应时刻)作为仿真分析的初始开始时刻，经150秒降温至图3所示360秒时刻(图中b点所对应时刻、温度25℃)，再继续冷却600秒后至图3所示960秒时刻(图中c点所对应时刻)，将960秒时刻作为仿真分析结束时刻。进行结构分析，获得焊点的残余应力值。

步骤s3:制作焊点模型测试样件5，并在所述焊点模型测试样件5的焊点上贴上三轴应变花，例如是三轴45°应变花，通过三根信号输出线3将所述三轴应变花与动态应变仪2连接。由于实际的bga焊点尺寸过小无法直接在其上粘贴应变片，本实施例中，焊点模型测试样件5中放大的bga焊点直径为16mm、高度为1.5mm，焊点为2x2全阵列，共4个焊点，焊点材料选用sac305无铅焊料，材料的参数如表1所示；焊点间距为24mm。上层pcb尺寸为48mm×48mm×1mm，下层pcb尺寸为132mm×77mmm×1mm。

表1材料参数

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；通过红外加热板7对焊点模型测试样件5进行加热，设置温控仪8控制的温度为焊点凝固温度187.2℃，待j型热电偶6测量到焊点模型测试样件5中焊点实际温度为焊点凝固温度187.2℃时，此时固态继电器9将断开红外加热板7电源，实现对焊点模型测试样件5加热至焊点冷却凝固温度187.2℃；

步骤s5:断开红外加热板7电源，使所述焊点模型测试样件5冷却至一设定温度(例如是20摄氏度-30摄氏度之间)，并控制所述焊点模型测试样件5保持在所述设定温度下一设定时间，例如停留10min时间；

步骤s6:利用钻孔器4在所述三轴应变花的中心钻设一定深度的盲孔，并利用所述动态应变仪2实现对释放应变的测量，以得到焊点的残余应力值，其中，利用如下公式得到焊点的残余应力值：

其中，σmax为最大主应力即残余应力值；ε1、ε2和ε3分别为相应各动态应变仪2钻孔后测得的释放应变；p为均布等双向应力；为标定常量；e为弹性模量；ν为泊松比。

具体的，通过动态应变仪2实现对释放应变的测量，释放应变都趋于平稳时刻的应变分别为ε1＝-39×10^-6，ε2＝-145×10^-6，ε3＝-98×10^-6；通过释放应变，根据相应的钻孔法测量残余应力计算公式实现对焊点残余应力的测量。

实测得到的残余应力与仿真残余应力结果进行对比。根据相应的钻孔法测量残余应力计算公式计算出残余应力大小为17.463mpa，由于实验测定的残余应力位置为焊点中间位置，因此在仿真结果中读取相同位置节点处的残余应力值，结果为18.457mpa。对比实验测量结果与仿真结果，实验测定的残余应力值比仿真结果大0.956mpa，误差率为5.19％，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，在本实用新型实施例提供的焊点再流焊焊后残余应力的测量系统中，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，在冷却一段时间后利用钻孔器，在焊点模型测试样件的三轴应变花钻孔中心钻一定直径和一定深度的盲孔；通过动态应变仪实现对释放应变的测量，进而实现对焊点残余应力的测量，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，实现对残余应力的测量，装置设计简单，极大的方便了验证软件仿真的正确性。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型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，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。