基本信息
- 项目名称：
- 服役期无铅焊点微电阻在线测量系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本套测量系统主要包括焊点测试仪，温度控制仪，实验装置及上位机应用软件四个部分。通过实时测量焊点电阻变化来反映焊点内部裂纹的生长情况。在温度循环条件下，焊点测试仪，温度控制仪分别采集焊点微电阻值、剪切应力及温度信号，并发送至上位机软件，完成在线实时试验曲线的绘制，从而达到预测电失效，研究焊点可靠性的目的。
- 详细介绍：
- 本项目所使用的设备均为高安全性设备。在技术特征上，都是目前市场上比较成熟的设备，具有较高的稳定性。同时，设备的性能要求并不苛刻，便能实现精确的微电阻测量，进而通过系统分析，得出精确的阻值—裂纹蠕变状况曲线，根据实际的需要获得相应的数据。在X-ray检查方法中，由于采用了X射线对设备进行检测，将不可避免的对使用者产生一定的健康影响。X射线发射器成本和防护设备成本已经远远超出了本项目中所使用的仪器设备的费用。在设备的使用和维护方面，本项目所使用设备稳定性好，维修方便并且成本较低，制作成本仅2000元左右。对于X射线发射器的使用和维修，要比本项目测试系统繁琐和昂贵很多。对于准自动焊点可靠性检测技术，其所使用的设备主要包括YJLG激光系统、红外探测系统、X-Y扫描工作平台以及由计算机控制的驱动系统、闭路电视监视系统，其所使用的设备价格昂贵，结构复杂，在实际生产过程中，将会大大增加生产成本。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明的目的：随着无铅焊料应用的普及，无铅焊料焊点的可靠性问题备受关注。随着微电子器件中的焊点越来越小，对可靠性要求日益提高。鉴于无铅焊接材料的应用前景和存在的不可靠性问题，对于无铅焊接材料焊点性能的监测及检测显得十分的重要。本项目中，通过系统对于无铅焊接材料焊点内部裂纹的生长状况进行实时监测，实现对焊点寿命以及电子产品寿命的预测，达到预防因焊点疲劳失效造成的事故的目的。 设计的基本思路：测试系统主要包括焊点测试仪，温度控制仪，实验装置及上位机应用软件四个部分。当焊点在载荷的作用下产生蠕变和疲劳时，焊点测试仪实时测量焊点的电阻和拉力，温度控制仪根据模式选择和参数设定控制温度，并将循环次数和温度值发送到焊点测试仪。焊点测试仪内部的微处理器随后将所有测量的物理量，以特定数据帧的形式，经由通讯接口发送到上位机应用软件。上位机应用软件提取相关数据，完成曲线绘图、数据存取、打印等工作。 项目创新点：1、利用等效裂纹与电阻应变的新方法研究焊点的蠕变特性。2、在传统四探针法测微电阻的基础上，提出用五点差分法测量焊点的微电阻。3、利用测试仪、测试装置和上位机软件creep实时地测量无铅焊点的电阻变化，分析蠕变情况。 技术关键：1、实时精确测量焊点的微电阻是本项目的难点，系统采用五点差分法测量微电阻，与传统测量方法相比，可以更为精确的测量微电阻。2、焊点测试仪的软/硬件实现是本项目的重点，系统采用合理稳定的硬件设计配合精确有效的软件程序保证了试验测量的准确可靠。
科学性、先进性
- 该系统可以实时的监测需要被检测的焊点的蠕变情况，并且根据连续点情况的测量，有效地分析运算出该焊点失效的时间，从而对其可靠性进行较为准确的预测估计。关于焊点蠕变的检测，目前在科研、生产领域有一些比较成熟的检测方法。但是，这些相对比较成熟的检测方法，针对的都是部件检测。比如X-ray检测、超声波检测、机械性破坏检测、显微组织检测、染色试验荧光渗透剂检测、加载检测及可靠性评价，这些针对的都是多个焊点集中的芯片、零件等，其检测并不能够针对到具体的焊点结构。 通过对X-ray检查方法和准自动焊点可靠性检测技术的介绍，我们可以看：本项目所得到的服役期无铅焊点微电阻在线测试系统在性能方面，可以实现实时监测的功能。通过间隔时间数据的采集，能够得到高精度准确的焊点裂纹蠕变的动态变化曲线，结合相应的蠕变理论和具体焊点的失效裂纹标准找出对应的焊点电阻阻值，能够很好的预测焊点的使用安全寿命和可靠性。
获奖情况及鉴定结果
- 在第八届湖南省“挑战杯”中获得一等奖 该作品利用一种新的电测的方法，从一个新的角度来研究焊点蠕变损伤的问题，丰富了焊点损伤的测量研究方法，同时，通过这种新的测量手段，扩展了蠕变问题的相系数据库，得到了宝贵的理论研究成果，对于此领域影响和意义重大。 鉴定人：蒋礼教授
作品所处阶段
- 中试阶段。
技术转让方式
- 暂无技术转让。
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目采用了全新的问题处理视角，将不易检测的焊点蠕变现象和具体的电阻数值变化结合在了一起，构建起了一套全新的焊点蠕变检测模型。并且，该系统实现了对微焊点电阻的测量，采用了新的五点差分法，有效避免了一些不利的影响因素，确保了实验的准确性。该系统还在该领域率先实现了实时在线检测，开发出了有效地数据采集、处理系统，为未来焊点蠕变性能检测提供了强有力的全新方法和理论。该理论和系统技术必将得到更加广泛的应用，开创出一条全新的前进道路。 无铅焊接材料已经广泛的深入到各种电子产品的生产领域。对于电子产品焊点蠕变性能的检测，会随着电子产品在人类生活中的比例的增加而得到越来越多的应用。对微电子设备中的焊点性能检测也是必不可少的，并且，微电子的特点也必然带来“微焊点”，对焊点检测技术也提出了很高的要求。 在设备的使用和维护方面，本项目所使用设备稳定性好，维修方便并且成本较低，制作成本仅2000元左右。对于X射线发射器的使用和维修，要比本项目测试系统繁琐和昂贵很多。
同类课题研究水平概述
- 近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快，世界上各大著名公司、国家实验室和研究院所投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。其中Sn-Ag合金被认为是很具有潜力的无铅焊料，尤其是Sn-3.5Ag的共晶合金。随着无铅焊料应用的普及，微电子器件中对焊点的可靠性要求越来越高，焊点的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量。一个焊点的失效就有可能导致电路系统整体的失效，在热、机械、电磁或化学载荷作用下的萌生、聚集与长大的过程，是应力/应变的函数，失效同时也是材料、界面和电子封装结构形状的函数。对焊点破坏行为和破坏机理、焊点的可靠性评估和寿命预测的研究已有不少新的成果。 当前关于无铅焊料的蠕变特性研究逐渐成为热点，吸引了众多研究者。但均利用光学、在线SEM 的方法。例如，McDougall J.采用光学手段捕捉试样表面特定划痕的形变图像，利用Adobe Photoshop® 对这些图像进行预处理，再借助图像数据数字化软件“Datathief”提取特定划痕上坐标点的变化，由此测量无铅焊点的蠕应变分布。K.J.LAU 利用在线SEM方法研究无铅焊点的蠕变失效，其基本过程为：在剪切蠕变试验过程中，捕捉无铅焊点的SEM 显微结构图，并记录载荷的位移；同时，根据铜基板表面的激光栅格显微图像及其有限元分析结果，测量焊点的应变。 上述光学、在线SEM 的方法均未能实时、高效、简捷地对焊点的蠕变特性进行测试、评估。一般存在测量周期过长，设备造价昂贵，操作不便，破坏实验样品，对操作人员健康不利等诸多缺陷，给测量和研究者带来不便。并且在此类的实验方法中，并不能实现实时的监控和测量。虽然许多研究者也从微观角度对无铅焊点的蠕变特性进行研究，但采用在线测量电阻应变的方法尚未有过报道。 在无铅焊点应用于电子产品中，就理论和实际而言，其机械特性与电学特性存在一定的关系。鉴于此，我们采用一种尚未有报道的无铅焊点蠕变研究方法即在线微电阻测量的方法，分别从理论和实验两方面对Sn-3.5Ag焊点剪切蠕变应变电阻进行研究和探讨，从而间接研究Sn-3.5Ag焊点的蠕变行为特点。系统主要基于等效裂纹与电阻应变理论，在Delphi集成开发平台的基础上，开发出了无铅焊点蠕变电阻测试系统，实现在线地、实时地测量电阻应变与蠕变的关系。
