使用光電放大器的板撓度測量的製作方法
2023-06-12 10:07:21 1
專利名稱：使用光電放大器的板撓度測量的製作方法
技術領域：
本發明的實施方案涉及板處理設備，並且特別涉及用於處理具有表面安裝的(surfacemounted)集成電路的印刷電路板的板處理設備。
2.現有技術當產品被銷售給原始設備製造商(OEM)時，產品通常附有技術要求(specification)。技術要求通常包括可接受的工作條件、連接建議、直流(DC)規範、交流(AC)規範，等等。產品一般被保障可依照所述技術要求來運行。
產品製造商進行某些測試來確保產品符合這些技術要求。例如，具有焊接元件的印刷電路板(PCB)的製造商測試整個板的電氣連接，以保證所有元件已經被正確地焊接到板上。某些測試要求板被重複地插入連接器並從連接器移去。用於這些和其他測試的設備在板上施加了大量的力。測試設備也可能扭轉和彎曲所述電路板。
當板上的力沒有被良好地分布，或者當板沒有被良好地支撐時，板會容易發生撓曲。當板撓曲時，元件到板的界面(即焊接接頭)可能變成損壞的，或者元件可能變成損壞的。例如，如果板通過了其測試並且從板處理設備移去時，元件變成損壞的或者焊接接頭裂開，則製造商有可能把該板發送給客戶而不知道該板是有缺陷的。被發送的有缺陷的板可能在計算機系統中導致很難隔離和修復的間歇性問題。在一些實例中，板可能根本不工作。當技術進步並且元件變得更為精密時，損壞元件或者危害焊接接頭的可能性增加了。
在附圖中，類似的參考數字一般指示相同、功能上類似和/或結構上等同的要素。要素第一次在其中出現的附圖被用參考數字中最左邊的數位指示，其中圖1是根據本發明的實施方案的撓度測量系統的示意圖；圖2是根據本發明的實施方案的PCB撓度測量過程的流程圖；圖3是根據本發明的實施方案，示出在圖1中所示的軟體接口可以執行的過程的流程圖；圖4是根據本發明的實施方案，由圖1中所示的軟體接口顯示的圖形用戶界面的屏幕截圖；
圖5是根據本發明的實施方案，示出了將位移轉換為撓度的結果的圖形表示。
具體實施方案圖1是根據本發明的實施方案的印刷電路板(PCB)撓度測量系統100的示意圖。系統100包括印刷電路板(PCB)102和耦合到PCB 102的測試設備104。
PCB 102可以是任意適當的能夠經受機械負荷、振動、衝擊等或其模擬的印刷電路板。在本發明的一個實施方案中，PCB 102包括使用表面安裝技術(SMT)焊接到PCB 102表面的元件108(例如晶片組、器件、接口)。元件108可以是任何已知的球柵陣列(BGA)安裝的元件。
為了使PCB 102經歷撓曲，測試設備104可以是任意適當的能夠使PCB 102經受機械負荷、振動、衝擊等的設備，力圖導致。或者，為了使PCB 102經歷撓曲，測試設備104可以是任意適當的能夠模擬使PCB 102經受機械負荷、振動、衝擊等的設備。適當的設備包括例如自動或手動在線(in-circuit)測試設備或外部功能測試設備。
示例性的撓度測量系統100包括一個或多個附著到PCB 102表面的目標112。目標102可以是任意適當的薄的帶片、紙片等，它們以大致均勻的方式反射/折射相當量的光。例如，在一個實施方案中，目標112是粘在PCB 102的表面上的小的白色標籤，可從加利福尼亞州Brea的Avery Dennison公司獲得。在另一個實施方案中，目標112是可以從明尼蘇達州聖保羅的3M公司獲得的小的反射帶片。
示例性的撓度測量系統100包括光學電路，例如一個或更多個耦合到對應的光纖116和光纖118的光電放大器114。光纖116被耦合到對應的透鏡120。光纖118被耦合到對應的透鏡122。透鏡120和122被安裝在一個或更多個頭組件(head assembly)130中。頭組件130可以以任何適當的將頭組件130固定到元件108上的方式(例如，靠近元件108的周邊)被安裝到元件108上。
光電放大器114、光纖116和118、透鏡120和122以及頭組件130的一個適當的實施可以是可從紐約州Amherst的KOM Lamb處獲得的Banner P32C2 Convergent LED Fiber(Banner P32C2型匯聚LED光纖)。當然，任何適當的模塊或分立的光束髮射器、光束接收器、光纖和透鏡可以被用來實施本發明的實施方案。在閱讀過這裡的描述之後，相關領域普通技術人員將很容易認識到如何實施其他的實施方案。
示例性的撓度測量系統100包括數據採集系統140，數據耦合系統140耦合到每一個光電放大器114。在一個實施方案中，數據採集系統140可以是可從位於德克薩斯州州Austin的National Instruments獲得的成品DAQ Pad 6020E。當然，存在其他的數據採集系統和技術(例如插入膝上型電腦的PCMCIA卡(可從俄亥俄州Akron的Quatec獲得的DAQP-16模擬輸入PCMCIA卡(DAQP-16 Analog Input PCMCIA Card)))，並且，本發明的實施方案不受數據採集系統類型的限制。
示例性的撓度測量系統100包括耦合到數據採集系統140的軟體接口142。示例軟體接口142可以使用適當的程式語言來生成。在一個實施方案中，軟體接口142可以是用可從位於德克薩斯州州Austin的National Instruments獲得的LabView寫成的定製虛擬儀器(Virtual Instrument)。在另一個實施方案中，軟體接口142可以採用用於Windows的惠普虛擬工程環境(Hewlett Packard Visual Engineering Environment，HP VEE)來寫成，用於Windows的惠普虛擬工程環境可從加利福尼亞州Palo Alto的惠普獲得。在另一個實施方案中，軟體接口142可以採用可從華盛頓州Redmond的微軟獲得的Visual Basic寫成。當然，軟體接口142可以用其他適當的語言寫成，例如可從National Instruments獲得的LabWindows\CVI和ComponentWorks，以及可從新罕布夏州Amherst的DasyTec GMBH獲得的DasyLab。
圖2是根據本發明的實施方案的PCB撓度測量過程200的流程圖。示例性的過程200可以被用來確定測試設備和/或製造設備是否可能潛在地損壞安裝到印刷電路板上的元件。例如，因為測試設備和製造設備可能扭轉和彎曲印刷電路板，本發明的實施方案提前確定(即在實際測試和製造過程之前)特定測試和製造過程是否可能損壞印刷電路板和/或安裝到該印刷電路板上的元件。
在本發明的一些實施方案中，存在幾個通道(channel)，每一個通道均具有被放置在元件108的不同拐角處的光電放大器114、光纖116和118、透鏡120和122，以及頭組件130，過程200可以針對系統100中的每一個通道來實施。其上具有機器可讀指令的機器可讀介質可以被用來使處理器執行所述過程200。當然，過程200僅僅是一個示例性的過程，並且其他過程也可以被使用。
在框202中，PCB 102無機械負荷、振動和/或衝擊，並且光電放大器114可以通過對應的光纖116和透鏡120發射光束到對應的目標112。被發射的光可以具有預定的強度(和波長)。透鏡120將被發射的光導向對應的目標112。
在框204中，目標112反射/折射光束，並且透鏡122將被反射/折射的光束通過光纖118導回光電放大器114。被反射/折射的光束可以具有這樣的光強度，即所述光強度和當PCB 102沒有機械負荷、振動和/或衝擊時頭組件130到目標112的距離相關。
在框206中，光電放大器114測量被反射/折射的光束的能量(即強度)，並將其轉換為和被反射/折射的光束的強度成比例的模擬電壓值。
在框208中，光電放大器114將模擬電壓值輸出到數據採集系統140。在一個實施方案中，光電放大器114輸出大約2伏到數據採集系統140。
在框210中，數據採集系統140從光電放大器114接收模擬電壓值，並將模擬電壓值轉換為和該模擬電壓值相關的數字值。在一個實施方案中，數據採集系統140從光電放大器114接收大約2伏，並將該大約2伏轉換為和該大約2伏相關的數字值。
在框212中，數據採集系統140將和該模擬電壓值相關的數字值儲存在表141中。表141可以是數據採集系統140中任意適當的存儲器。在一個實施方案中，數據採集系統140在表141中儲存和大約2伏相關的數字值。在本發明的存在幾個通道的實施方案中，對於每一個通道可能有單獨的表141。
在框214中，測試設備104使PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊。或者，可以使PCB 102經受模擬的機械負荷、振動和/或衝擊。
在框216中，光電放大器114可以通過對應的光纖116和透鏡120發射第二光束到對應的目標112。透鏡120將被發射的光導向對應的目標112。
在框218中，目標112反射/或折射第二光束，並且透鏡122將第二被反射/折射光束通過光纖118導回光電放大器114。第二被反射/折射光束可以具有這樣的光強度，即所述光強度和當PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊時頭組件130到目標112的距離相關。
當PCB 102沒有機械負荷、振動和/或衝擊時頭組件130和目標112之間的距離可以不同於(例如小於)當PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊時頭組件130和目標112之間的距離。當PCB 102沒有機械負荷、振動和/或衝擊時第一被反射/折射光束的強度可以不同於(例如大於)當PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊時第二被反射/折射光束的強度。
在框220中，光電放大器114將第二被反射/折射光束轉換為和第二被反射/折射光束的強度成比例的第二模擬電壓值。
在框222中，光電放大器114將第二模擬電壓值輸出到數據採集系統140。在一個實施方案中，光電放大器114輸出大約7伏到數據採集系統140。
在框224中，數據採集系統140從光電放大器114接收第二模擬電壓值，並將該第二模擬電壓值轉換為和該第二模擬電壓值相關的第二數字值。在一個實施方案中，數據採集系統140從光電放大器114接收大約7伏，並將該大約7伏轉換為和該大約7伏相關的數字值。
在框226中，數據採集系統140將第二數字值儲存在表141中。在一個實施方案中，數據採集系統140在表141中儲存和大約7伏相關的數字值。
在框228中，可以撤去機械負荷、振動和/或衝擊。或者，可以模擬從PCB 102撤去機械負荷、振動和/或衝擊。
在框230中，光電放大器114可以通過對應的光纖116和透鏡120發射第三光束到對應的目標112。透鏡120將被發射的光導向對應的目標112。
在框232中，目標112反射/或折射第三光束，並且透鏡122將第三被反射/折射光束通過光纖118導回光電放大器114。第三被反射/折射光束可以具有這樣的光強度，即所述光強度和當負荷被從PCB 102撤去時頭組件130到目標112的距離相關。
當負荷從PCB 102撤去時第三被反射/折射光束的強度可以不同於(例如大於)當PCB102經受機械負荷、振動和/或衝擊時的第二被反射/折射光束的強度。當負荷從PCB 102撤去時第三被反射/折射光束的強度可以不同於(例如小於)當PCB 102沒有機械負荷、振動和/或衝擊時的第一被反射/折射光束的強度。
當負荷已經從PCB 102撤去時頭組件130和目標112之間的距離可以不同於(例如小於)當PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊時頭組件130和目標112之間的距離，並且不同於(例如大於)當PCB 102沒有機械負荷、振動和/或衝擊時頭組件130和目標112之間的距離。
在框234中，光電放大器114將第三被反射/折射光束轉換為和第三被反射/折射光束的強度成比例的第三模擬電壓值。
在框236中，光電放大器114將第三模擬電壓值輸出到數據採集系統140。在一個實施方案中，光電放大器114輸出大約4伏到數據採集系統140。
在框238中，數據採集系統140從光電放大器114接收第三模擬電壓值，並將該第三模擬電壓值轉換為和該第三模擬電壓值相關的第三數字值。在一個實施方案中，數據採集系統140從光電放大器114接收大約4伏，並將該大約4伏轉換為和該大約4伏相關的數字值。
在框240中，數據採集系統140將第三數字值儲存在表141中。在一個實施方案中，數據採集系統140在表141中儲存和大約4伏相關的數字值。
在框242中，軟體接口142從表141接收第一、第二和第三數字值，並基於第一、第二和第三數字值間的變化，確定在PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊之前、期間和之後，頭組件距目標112的位移。因為頭組件130被固定在元件108的表面上，所以軟體接口142實際上在基於第一、第二和第三數字值間的變化，確定在機械負荷、振動和/或衝擊之前、期間和之後元件108距PCB 102的位移。
在框244中，軟體接口142基於在機械負荷、振動和/或衝擊之前、期間和之後，頭組件130距目標112的位移來確定在機械負荷、振動和/或衝擊之前、期間和之後PCB 102的撓度(deflection)。
在框246中，軟體接口142確定由測試設備106所導致的PCB 102的撓度是否是可接受的。或者，軟體接口142確定由模擬測試所導致的PCB 102的撓度是否是可接受的。
如果PCB 102的撓度不可接受，則控制傳給框248，並且確定測試設備106用於測試PCB 102是不可接受的。反之，如果PCB 102的撓度可接受，則控制傳給框250，並且確定測試設備106用於測試PCB 102是可接受的。當然，過程200可以持續很多輪。
儘管被描述為離散的事件，但是發射/反射光束可以是在離散的時間間隔被測量的連續事件。例如，測量可以是慢速動態測量。
圖3是根據本發明的另一個實施方案，示出軟體接口142可以執行的過程300的流程圖。示例性的過程300可以被用來根據和第一、第二和第三被反射/折射光束相關的第一、第二和第三數字值確定PCB 102的撓度。可以使用其上具有機器可讀指令的機器可讀介質來使處理器執行過程300。
在框302中，軟體接口142估計第一數字值，確定第一數字值代表頭組件130距目標112沒有位移，並將位移設置為等於和沒有位移相關的值。在一個實施方案中，軟體接口142確定大約2伏代表沒有位移，將頭組件距目標112的位移設置為等於0.0000(例如初始化)。
在框304中，軟體接口142從第二數字值減去第一數字值以得到電壓差。在一個實施方案中，軟體接口142從大約7伏減去大約2伏，以得到大約5伏的差。
在框306中，軟體接口142將電壓差轉換為頭組件130距目標112的位移。在一個實施方案中，軟體接口142將大約5伏電壓差轉換為大約0.001英寸的位移。
在框308中，軟體接口142將頭組件距目標112的位移轉換為PCB 102從元件108的法線(normal)的撓度。在一個實施方案中，軟體接口142將0.001的位移轉換為大約0.0006英寸的撓度。
在框310中，軟體接口142從第三數字值減去第二數字值以得到電壓差。在一個實施方案中，軟體接口142從大約4伏減去大約7伏，以得到大約負3伏的差。
在框312中，軟體接口142將電壓差轉換為頭組件130距目標112的位移。在一個實施方案中，軟體接口142將大約負3伏電壓差轉換為大約0.0003英寸的位移。
在框314中，軟體接口142將頭組件距目標112的位移轉換為PCB 102從元件108的法線的撓度。在一個實施方案中，軟體接口142將頭組件130距目標112的0.0000英寸的位移轉換為PCB 102從元件108的法線的0.0000英寸的撓度(例如，在機械負荷、振動、衝擊之前)。在另一個實施方案中，軟體接口142將頭組件130距目標112的0.0006英寸的位移轉換為PCB 102從元件108的法線的0.001英寸的撓度(例如，在機械負荷、振動、衝擊期間)。在又一個實施方案中，軟體接口142將頭組件130距目標112的0.0003英寸的位移轉換為PCB 102從元件108的法線的0.0003英寸的撓度(例如，在機械負荷、振動、衝擊之後)。
圖4是根據本發明的實施方案，軟體接口142顯示的圖形用戶界面的屏幕截圖(screenshot)。如示例性的屏幕截圖所示，軟體接口142的圖形用戶界面包括每通道(即每個光電放大器114的輸出)模擬電壓隨時間變化的圖402。圖402包括曲線406、410和414。軟體接口142的圖形用戶界面還包括每通道頭組件130距目標112的位移隨時間變化的圖404。圖404包括曲線408、412和416。
曲線406代表頭組件130距目標112的0.0000英寸的位移(例如，在機械負荷、振動、衝擊之前)。曲線408代表從光電放大器114輸出到數據採集系統140的2伏模擬電壓(例如，在機械負荷、振動、衝擊之前)。
曲線410代表頭組件130距目標112的0.001英寸的位移(例如，在機械負荷、振動、衝擊期間)。曲線412代表從光電放大器114輸出到數據採集系統140的大約7伏模擬電壓(例如，在機械負荷、振動、衝擊期間)。
曲線414代表頭組件130距目標112的0.0005英寸的位移(例如，在機械負荷、振動、衝擊之後)。曲線412代表從光電放大器114輸出到數據採集系統140的大約4伏模擬電壓(例如，在機械負荷、振動、衝擊撤去之後)。
圖5是根據本發明的一個實施方案的圖形表示，示出了基於從光電放大器114輸出的模擬電壓的變化，將頭組件130距目標112隨著時間(例如在使PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊之前、期間和之後)的位移轉換為PCB 102的撓度的結果。
曲線502示出了PCB 102大約0.0000英寸的撓度，該撓度對應於大約2伏的模擬輸出電壓並且對應於使PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊之前，頭組件130距目標112大約0.0000英寸的位移。
曲線504示出了PCB 102大約0.0006英寸的撓度，該撓度對應於大約7伏的模擬輸出電壓並且對應於使PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊期間，頭組件130距目標112大約0.001英寸的位移。
曲線506示出了PCB 102大約0.0003英寸的撓度，該撓度對應於大約4伏的模擬輸出電壓並且對應於使PCB 102經受機械負荷、振動和/或衝擊期間，頭組件130距目標112的大約0.0006英寸的位移。
可以使用硬體、軟體、固件或硬體和軟體的組合來實現本發明的實施方案。在使用軟體的實現中，軟體可以被儲存在電腦程式產品上(例如光碟、磁碟、軟盤等)，或儲存在程序儲存設備中(例如光碟驅動器、磁碟驅動器、軟盤驅動器等)。
上面對本發明被示出的實施方案的描述並非期望是窮盡的，或者將本發明限制於所公開的精確形式。雖然為了說明的目的，在這裡描述了本發明的具體實施方案和實施例，但是本領域熟練技術人員將認識到，在本發明的範圍內，各種等效修改也是可能的。根據上面的詳細描述，可以對本發明做出這些修改。
各種操作已經被以最有助於理解本發明的實施方案的方式描述為多個按順序的離散操作。但是，它們被描述的順序不應該被理解成暗示了這些操作一定是依賴於順序的，或者操作應該被按照所述操作被呈現的順序來執行。
遍及本說明書，對「一個實施方案」或「實施方案」的引用意味著結合該實施方案所描述的特定特徵、結構、過程、框或特性被包括在本發明的至少一個實施方案中。因此，在遍及本說明書的各個地方出現「在一個實施方案中」或「在實施方案中」的措辭不一定全都指同一個實施方案。此外，在一個或更多個實施方案中，可以用任何適當的方式來組合特定特徵、結構或特性。
權利要求
1.一種系統，包括印刷電路板(PCB)；適於以機械方式給所述PCB加負荷的設備；以及耦合來確定在以機械方式給所述PCB加負荷之前、期間和之後所述PCB的撓度的光學線路。
2.如權利要求1所述的系統，還包括安裝到所述PCB上的元件。
3.如權利要求2所述的系統，其中，所述元件是處理器。
4.如權利要求2所述的系統，其中，所述元件是表面安裝技術(SMT)元件。
5.如權利要求2所述的系統，其中，所述元件是球柵陣列(BGA)元件。
6.如權利要求1所述的系統，其中，所述光學線路包括安裝到所述元件上的頭組件。
7.如權利要求6所述的系統，其中，所述頭組件包括一對在所述頭組件內部的透鏡。
8.如權利要求7所述的系統，還包括耦合到所述一對透鏡的一對光纖。
9.如權利要求8所述的系統，還包括耦合到所述一對光纖的光電放大器。
10.如權利要求9所述的系統，還包括耦合到所述光電放大器的數據採集系統。
11.如權利要求10所述的系統，還包括耦合到所述數據採集系統的軟體接口。
12.如權利要求11所述的系統，其中，所述軟體接口包括圖形用戶界面。
13.如權利要求1所述的系統，其中，所述光學線路還被耦合來當所述PCB沒有機械負荷時，從所述PCB上的目標接收第一反射光束；將所述第一反射光束轉換為第一比例電壓值；當使所述PCB經受機械負荷時，從所述目標接收第二反射光束；將所述第二反射光束轉換為第二比例電壓值；以及當所述機械負荷被從所述PCB撤去時，從所述目標接收第三反射光束。
14.一種方法，包括測量印刷電路板(PCB)的第一撓度；以機械方式給所述PCB加負荷；測量所述PCB的第二撓度；撤去所述機械負荷；以及測量所述PCB的第三撓度。
15.如權利要求14所述的方法，還包括在加機械負荷之前，從印刷電路板(PCB)上的目標接收第一反射光束；在加機械負荷期間，從所述目標接收反射光束；以及在加機械負荷之後，接收第三反射光束。
16.如權利要求15所述的方法，還包括將所述第一反射光束的第一強度和所述第二反射光束的第二強度分別轉換為第一模擬電壓值和第二模擬電壓值。
17.如權利要求16所述的方法，還包括將所述第一模擬電壓值和所述第二模擬電壓值分別轉換為與所述第一模擬電壓值相關的第一數字值和與所述第二模擬電壓值相關的第二數字值。
18.如權利要求17所述的方法，還包括根據所述第一和第二數字值確定所述目標的位移。
19.如權利要求14所述的方法，還包括在圖形用戶界面上顯示PCB的撓度。
20.如權利要求18所述的方法，還包括在圖形用戶界面上顯示所述目標的位移。
21.如權利要求17所述的方法，還包括在圖形用戶界面上顯示所述第一和第二模擬電壓值。
22.一種裝置，包括一對透鏡；耦合到所述一對透鏡的一對光纖；耦合到所述一對透鏡的光束髮射器和光束接收器；耦合到所述光束接收器的數據採集系統；以及耦合到所述數據採集系統的軟體接口，所述軟體接口具有顯示印刷電路板(PCB)撓度的圖形用戶界面。
23.如權利要求22所述的裝置，其中，所述一對透鏡被安裝在頭組件(130)中。
24.如權利要求22所述的裝置，其中，所述光束髮射器和光束接收器包括光電放大器。
25.如權利要求24所述的裝置，其中，所述光電放大器還包括將光束強度轉換為模擬電壓值的轉換器。
26.一種方法，包括分別接收第一模擬電壓值、第二模擬電壓值和第三模擬電壓值，所述電壓值分別指示在第一機械負荷、第二機械負荷和第三機械負荷期間，分別從印刷電路板(PCB)上的目標反射的第一光束、第二光束和第三光束的第一光強、第二光強和第三光強；確定所述第一模擬電壓值、第二模擬電壓值和第三模擬電壓間的差；基於在所述第一模擬電壓值、第二模擬電壓值和第三模擬電壓間的所述差來確定PCB的撓度。
27.如權利要求26所述的方法，還包括在圖形用戶界面上顯示PCB的撓度。
28.如權利要求26所述的方法，還包括在所述圖形用戶界面上顯示所述第一模擬電壓值、第二模擬電壓值和第三模擬電壓。
全文摘要
製造商測試印刷電路板(PCB)以保證所有元件已經被正確地焊接。某些測試可能導致板撓曲，這可能損壞元件到板的界面(即焊接接頭)或元件。本發明的實施方案使用光電放大器測量在PCB經受機械負荷之前、期間和之後的PCB撓曲量，所述光電放大器通過光纖和安裝在頭組件中的透鏡向安裝在PCB表面上的目標發送和接收光束。接收到的光束的強度和光電放大器輸出的模擬電壓成比例，並且和頭組件和目標之間的距離成比例。數據採集系統將模擬電壓轉換為數字電壓，並且，軟體接口將該所述數字電壓與PCB撓度/位移相關聯。GUI顯示PCB在經受機械負荷之前、期間和之後的撓度。
文檔編號H05K13/08GK1799300SQ200480015172
公開日2006年7月5日 申請日期2004年3月12日 優先權日2003年4月1日
發明者艾倫·麥卡利斯特, 奧爾頓·赫齊爾廷 申請人:英特爾公司