专利名称：一种对数字集成电路焊点健康状态实时监测的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在正常工作状态下实时监测连接数字集成电路芯片与电路板的焊接点网络健康状态的电路，尤其涉及一种对数字集成电路焊点健康状态实时监测的装置，属于焊点网络监测技术领域。
背景技术：
一直以来，焊接点的连接性都是一个重要的可靠性问题。随着拥有数千引脚的 BGA(BallGrid Array，球栅阵列)封装的广泛应用，复杂电路的封装问题得到了很好的解决；然而，引脚数的增加同时也导致了可靠性的降低。因此，对于很多应用电路来说，焊点的健康状态监测是很有必要的。如图1所示，该芯片1是由晶片2、晶片底座3以及BGA封装4组成的。由晶片2 和晶片底座3组成的倒装片5倒装在BGA封装4内部，并通过内部焊球38连接到封装的焊盘上。BGA封装4再通过BLM(ball limiting metallurgy，凸缘极限冶金术)6和外部焊球 7与印制线路板8连接在一起。连接晶片和印制线路板的各种机械连接、内部焊球、BLM以及外部焊球统称为“焊点网络”。如图2所示，焊点网络电阻RSJ(resistance of solder joint network) 9 与R3 — 起串联于高电平Vdd 10和芯片I/O 11之间。当芯片内部写逻辑12将I/O输出写为0时， RSJ9将根据自身阻值与R3的比例分得一定的电压13，称为敏感电压。通过监测结点14处敏感电压13，即可知道RSJ9自身阻值是否发生变化，进而可对其完整性进行评估。由R1、 R2组成的电阻桥网络同样通过串联分压的原理在结点15处产生参考电压16。比较器17 将对敏感电压13同参考电压16进行比较，以判断RSJ 9是否发生故障。对于焊点容易发生的间歇性故障来说，由于其持续时间很短，因此需要在整个使用期间对焊点进行故障监测。对此，图2所示技术在实际的应用中还有一定的局限性。首先，在测试时，测试焊点所连接的I/O输出必须被设定为低电平才能够进行测试。这样，该 I/O引脚便不能投入正常的功能应用。若将I/O用于监测间歇性故障，则该I/O引脚便不能投入正常的功能应用。而对不用的I/O进行故障监测是没有意义的。若将I/O用于正常功能应用，则该技术只能在I/O输出低电平时才能对故障进行监测。即不能达到在整个使用期间进行故障监测的目的。其次，因为脉冲干扰波形与间歇性故障检测电压波形相近，所以当脉冲干扰出现时，该技术会将脉冲干扰视为故障信号而导致虚警。最后，该技术只能给出故障与无故障两个结果，而不能对焊点网络9的健康状态进行分级评估。
发明内容
1、目的本发明的目的在于提供一种对数字集成电路焊点健康状态实时监测的装置，它能够在不影响器件正常使用的前提下，对数字集成电路器件使用期间连接其内部晶片与印制线路板的焊点网络的健康状态进行实时监控。2、技术方案
3对数字集成电路焊点健康状态实时监测的装置，它包括状态信号采集电路、状态信号检测电路及判断输出电路三个部分。其间关系是状态信号采集电路对能够反映焊点网络的健康状态的电压信号进行采集，并传输给状态信号检测电路；状态信号检测电路对状态信号进行检测，并将检测结果传输给判断输出电路；最终由判断输出电路对检测结果进行综合判断并输出判断结果。所述状态信号采集电路是由两条支路连接而成。一条支路串联二极管D1、R5连接到高电平Vdd ；另一条串联D6、R6连接到低电平地。通过这两条支路的设置，则无论器件 I/O输出的是高电平还是低电平，焊点网络状态都能被检测出来。在焊点网络电阻较小的情况下(包括当焊点网络无故障时电阻趋于0的情况)，当I/O输出高电平时，Dl截止D6导通，焊点网络电阻、D6与R6串联于I/O输出的高电平和R6接地提供的低电平之间。此时， 在D6与R6之间的结点上将产生状态检测电压。当I/O输出低电平时，Dl导通D6截止，焊点网络电阻、Dl与R5串联于I/O输出的低电平和R5连接的Vdd提供的高电平之间。此时， 在Dl与R5之间的结点上将产生状态检测电压。当焊点网络电阻大到一定程度时，D1、D6 将同时导通。此时，D6与R6以及Dl与R5之间的结点上都将产生状态检测电压。所述状态信号检测电路是由参考阈值电压提供电路和两个双限比较器组成。其间关系是参考阈值电压提供电路给两个双限比较器提供上下限参考阈值电压。该参考阈值电压提供电路由R13、R14、R15串联成的电阻桥和R8、R7、R4串联成的电阻桥并联于高低电平之间而成。同时，D6与R6和Dl与R5之间的结点上产生的状态检测电压分别传输给两个双限比较器。双限比较器又称为窗口比较器，属于一种典型的电压比较器，它是由基本运算放大器、二极管及限幅电路组成，其间关系是两条由基本运算放大器和二极管串联的支路并联后，再与限幅电路串联，其中限幅电路由电阻与稳压二极管并联后串联于地及另一电阻之间而成。本发明中基本运算放大器是由集成运算放大器提供。焊点网络健康状态恶化时，其电阻值会变大并导致状态检测电压的变化。双限比较器将状态检测电压与参考电压进行比较，以评估其健康状态。每个双限比较器的参考电压都有两个阈值。当状态检测电压落入这两个阈值之间时，比较器输出低电平并认为健康状态恶化。其中，所述的各个电阻，其阻值大小只需满足相应的公式即可。所述判断输出电路是由与门U1、或门U2、U4以及异或门U3共同组成的一个组合门电路。其之间的连接关系是两个双限比较器的输出与双输入的与门Ul及异或门U3相连接；与门Ul同一个有着使能输入Enable的或门U2相连接；异或门U3和或门U2的输出接入或门U4。它对来自两条支路上的双限比较器输出的检测信号进行综合判断并输出判断结果。当器件I/O处于高阻状态时，器件与印制线路板上的状态信号检测电路断开。若器件I/O不在使用状态，则可以人为控制I/O输出高电平或低电平。当器件I/O处于高低电平状态，即使用状态时，本发明将焊点网络的健康状态分为健康、亚健康和故障三个阶段。健康即完好无损。而亚健康则表明其健康状态已经恶化但还没有影响到器件的正常使用。故障状态表明其健康状态已经恶化到影响正常使用的程度。当焊点网络电阻为0Ω左右时，两个双限比较器同时输出高电平，或门U2、U4输出高低平。此时，判断焊点网络处于健康状态。当焊点网络电阻较小时，两个双限比较器会一个输出低电平，而另一个输出高电平，即或门U2输出低电平，或门U4输出高电平。此时，判断焊点网络处于亚健康状态。当焊点网络电阻较大时，两个双限比较器会同时输出低电平，或门U2、U4也同时输出低电平。 此时，判断焊点网络状态处于故障状态。3、优点及功效本发明能够在不影响器件正常使用的前提下，对数字集成电路器件整个正常使用期间连接其内部晶片与印制线路板的焊点网络的健康状态进行实时监控。双限比较器中上限阈值电压的设置还能够有效排除脉冲干扰导致的虚警，大大降低了虚警率。此外，健康、亚健康及故障这三个状态的划分可对焊点网络的健康状态进行有效地评估。本发明方法较为简单，实现容易，功耗不高，不会给系统带来较大的额外负担。
图1是BGA封装芯片与印制线路板的连接结构图；图2是前人发明的电路示意图；图3是本发明的电路结构图；图如是I/O输出低电平时状态信号采集电路的等效电路图；图4b是I/O输出高电平时状态信号采集电路的等效电路图；图5是双限比较器阈值电压提供电路图；图6a是I/O输出高电平时对焊点健康状态进行模拟的仿真波形图；图6b是I/O输出低电平时对焊点健康状态进行模拟的仿真波形图。图中符号说明如下1芯片；2晶片；3晶片底座；4 BGA封装；5倒装片；6凸缘极限冶金术；7外部焊球； 8印制线路板；9焊点网络；10高电平；11数字集成电路输入输出端口 ；12数字集成电路内部写逻辑；13 R3与RSJ之间的结点上的电压；14R3与RSJ之间的结点；15 Rl与R2之间的结点；16 Rl与R2之间的结点上的电压；17比较器；18状态信号采集电路；19 RSJ与D1、 D6之间的结点；20 D6与R6之间的结点；21 D6与R6之间的结点上产生的状态检测电压； 22 Dl与R5之间的结点；23 Dl与R5之间的结点上产生的状态检测电压；对状态信号检测电路；25对状态检测信号23进行比较判断的双限比较器J6对状态检测信号21进行比较判断的双限比较器；27 R13与R14之间的结点；28 R14与R15之间的结点；29 R7与R8之间的结点上产生的参考电压；30 R7与R4之间的结点上产生的参考电压；31 R13与R14的结点上产生的参考电压；32 R14与R15之间的结点上产生的参考电压；33 R7与R8之间的结点；34 R7与R4之间的结点；35亚健康状态信号；36故障状态信号；37判断输出电路； 38内部焊球。RSJ 焊点网络电阻 Rl 48000 Ω R2 2000 Ω R3 4800 Ω R4 1000 Ω R5 1000 Ω R61000Q R7 24k Ω R8 8000 Ω R9-R12 为双限比较器内部电阻，均取 1000 Ω R13 1000 Ω R14 24000 Ω R15 8000 Ω ；D1-D6为二极管，型号1Ν4500 ；D7、D8为稳压二极管，型号为1N4625 ；Ul为与门，型号74F08, U3为异或门，型号74F86，U2、U4为或门，型号74AS1032A ；V为集成运算放大器， 型号为LM324。
具体实施例方式如图3所示，本发明是一种对数字集成电路焊点健康状态实时监测的电路，它包
5括状态信号采集电路18、状态信号检测电路M及判断输出电路37三个部分。印制线路板上的状态信号采集电路18通过焊点网络9与数字集成电路输入输出端口 11相连接。状态信号采集电路18对能够反映焊点网络的健康状态的电压信号，即D6与R6之间的结点上产生的状态检测电压21、Dl与R5之间的结点上产生的状态检测电压23进行采集，并传输给状态信号检测电路24。状态信号检测电路M对上述的状态检测电压21、23进行检测，并将检测结果传输给判断输出电路37。最终由判断输出电路37对检测结果进行综合判断并输出判断结果。所述状态信号采集电路18是由两条交汇于结点19处的支路组成。一条串联二极管Dl、R5连接到高电平Vdd ；另一条串联D6、R6连接到低电平地。通过这两条支路的设置，则无论器件I/O输出的是高电平还是低电平焊点网络健康状态都能被检测出来。在焊点网络电阻RSJ较小的情况下(包括当焊点网络无故障时电阻趋于0的情况)，当I/O输出高电平时，Dl截止D6导通，焊点网络电阻RSJ、D6与R6串联于I/O输出的高电平和R6接地提供的低电平之间。此时，在D6与R6之间的结点20上将产生状态检测电压21，而Dl与 R5之间的结点22上的电压即为高电平Vdd。当I/O输出低电平时，Dl导通D6截止，焊点网络电阻RSJ、Dl与R5串联于I/O输出的低电平和R5连接的Vdd提供的高电平之间。此时，在Dl与R5之间的结点22上将产生状态检测电压23，而D6与R6之间的结点20上的电压即为低电平0V。当焊点网络电阻RSJ大到一定程度时，D1D6将同时导通。此时，结点 20、22上将分别产生状态检测电压21、23。所述状态信号检测电路M是由参考阈值电压提供电路和两个双限比较器组成。 参考阈值电压提供电路给两个双限比较器提供上下限参考阈值电压。它由R13、R14、R15串联成的电阻桥和R8、R7、R4串联成的电阻桥并联于高低电平之间而成。R13、R14之间的结点27处产生的参考电压31即双限比较器25的上限阈值电压，R14、R15之间的节点28处产生的参考电压32即双限比较器25的下限阈值电压；R8、R7之间的结点33处产生的参考电压四即双限比较器沈的上限阈值电压，R7、R4之间的节点34处产生的参考电压30即双限比较器沈的下限阈值电压。同时，D6与R6之间的结点20、D1与R5之间的结点22分别与状态检测电路M中的两个双限比较器25、沈相连接。焊点网络健康状态恶化时，其电阻值会变大并导致状态检测电压的变化。两个双限比较器25 J6将状态检测电压与参考电压进行比较，以评估其健康状态。每个双限比较器的参考电压都有两个阈值。当状态检测电压落入这两个阈值之间时，比较器17输出低电平并认为健康状态恶化。所述判断输出电路37是由与门U1、或门U2、U4以及异或门U3共同组成的一个组合门电路。它对来自两条支路上的双限比较器25 J6输出的检测信号进行综合判断并输出判断结果。连接方式如下两个双限比较器25、26的输出与双输入的与门Ul及异或门 U3相连接；与门Ul同一个有着使能输入Enable的或门U2相连接；异或门U3和或门U2的输出接入或门U4。当器件I/O处于高阻状态时，使得器件与印制线路板上的状态监测电路断开。此时，状态信号检测电路M无法对焊点网络9的状态进行检测。故将或门U2使能输入Enable置1，以关闭状态信号的输出。由此，焊点网络9的健康状态可被分为健康、亚健康及故障三个状态。状态的划分对应着焊点网络9电阻值的一定范围。由于检测灵敏度的问题，可检测到的焊点网络9的电阻值存在一个最小值Rmin。则焊点网络9的电阻值RSJ 在0Ω到Rmin之间时，两个双限比较器25、26同时输出高电平，或门U2、U4输出高电平。此时，判断焊点网络9处于健康状态。当RSJ增大到Rmid而使得Dl、D6同时导通时，两个双限比较器25 J6会同时输出低电平，或门U2、U4也同时输出低电平。此时，判断焊点网络9状态处于故障状态并输出故障状态信号36。当RSJ处于Rmin和Rmid之间时，两个双限比较器 25,26会一个输出低电平，而另一个输出高电平，即或门U2输出低电平，或门U4输出高电平。此时，判断焊点网络9处于亚健康状态并输出亚健康状态信号35。装置的具体实现方法如下状态信号采集电路18，由两条支路连接而成。一条支路串联二极管D1、R5连接到高电平Vdd ；另一条串联D6、R6连接到低电平地。通过D1、D6的导通与截止，使得无论器件 I/O输出的是高电平还是低电平，焊点网络9状态都能被检测出来。当器件I/O输出低电平时，其等效电路为D6、R6与焊点网络9电阻RSJ并联后再同D1、R5串联于高低电平之间，如图如所示；当器件I/O输出高电平时，其等效电路为Dl、R5与焊点网络9电阻RSJ并联后再同D6、R6串联于高低电平之间，如图4b所示。随着RSJ的增大，使得D1、D6刚好同时导通的RSJ值为Rmid。由图如及图4b可知，若器件I/O输出低电平，则RSJ与D1、D6之间的结点19处电压U19刚好等于二极管导通电压Von时，D1、D6恰好同时导通。此时，焊点网络 9的阻值RSJ为Rmid且可由下式表示
权利要求
1. 一种对数字集成电路焊点健康状态实时监测的装置，其特征在于它包括状态信号采集电路、状态信号检测电路及判断输出电路三个部分；该状态信号采集电路对能够反映焊点网络的健康状态的电压信号进行采集，并传输给状态信号检测电路；该状态信号检测电路对状态信号进行检测，并将检测结果传输给判断输出电路；最终由该判断输出电路对检测结果进行综合判断并输出判断结果；所述状态信号采集电路是由两条支路连接而成；一条支路串联二极管Dl、R5连接到高电平Vdd ；另一条串联D6、R6连接到低电平地；通过这两条支路的设置，则无论器件I/O 输出的是高电平还是低电平，焊点网络状态都能被检测出来；在焊点网络电阻较小的情况下，当I/O输出高电平时，Dl截止D6导通，焊点网络电阻、D6与R6串联于I/O输出的高电平和R6接地提供的低电平之间；此时，在D6与R6之间的结点上将产生状态检测电压；当 I/O输出低电平时，Dl导通D6截止，焊点网络电阻、Dl与R5串联于I/O输出的低电平和R5 连接的Vdd提供的高电平之间；此时，在Dl与R5之间的结点上将产生状态检测电压；当焊点网络电阻大到一定程度时，DU D6将同时导通，此时，D6与R6以及Dl与R5之间的结点上都将产生状态检测电压；所述状态信号检测电路是由参考阈值电压提供电路和两个双限比较器组成；参考阈值电压提供电路给两个双限比较器提供上下限参考阈值电压；该参考阈值电压提供电路由 R13、R14、R15串联成的电阻桥和R8、R7、R4串联成的电阻桥并联于高低电平之间而成；同时，D6与R6和Dl与R5之间的结点上产生的状态检测电压分别传输给两个双限比较器；双限比较器即窗口比较器，是一种典型的电压比较器，它是由基本运算放大器、二极管D2-D5 及限幅电路组成；两条由基本运算放大器和二极管D2-D5串联的支路并联后，再与限幅电路串联，其中限幅电路由电阻R9-R12与稳压二极管D7、D8并联后串联于地及另一电阻之间而成；该基本运算放大器是由集成运算放大器提供；焊点网络健康状态恶化时，其电阻值会变大并导致状态检测电压的变化；双限比较器将状态检测电压与参考电压进行比较，以评估其健康状态；每个双限比较器的参考电压都有两个阈值，当状态检测电压落入这两个阈值之间时，比较器输出低电平并认为健康状态恶化；所述判断输出电路是由与门U1、或门U2、U4以及异或门U3共同组成的一个组合门电路；两个双限比较器的输出与双输入的与门Ul及异或门U3相连接；与门Ul同一个有着使能输入Enable的或门U2相连接；异或门U3和或门U2的输出接入或门U4 ；它对来自两条支路上的双限比较器输出的检测信号进行综合判断并输出判断结果。
全文摘要
一种对数字集成电路焊点健康状态实时监测的装置，它包括状态信号采集电路、状态信号检测电路及判断输出电路三个部分。状态信号采集电路对能够反映焊点网络的健康状态的电压信号进行采集，并传输给状态信号检测电路；状态信号检测电路对状态信号进行检测，并将检测结果传输给判断输出电路；最终由判断输出电路对检测结果进行综合判断并输出判断结果。本发明能够在不影响器件正常使用的前提下，对数字集成电路器件正常使用期间连接其内部晶片与印制线路板的焊点网络的健康状态进行实时监控；健康、亚健康及故障这三个状态的划分可对焊点网络的健康状态进行有效地评估。它方法简单，实现容易，功耗不高，在焊点网络监测技术领域里有广阔的应用前景。
文档编号G05B19/048GK102156425SQ20101059539
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者俞少华, 张栋, 洪晟, 高成 申请人:北京航空航天大学