密封电子元器件及电子设备多余物自动检测技术教材Word文档格式.docx
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本文以密封电子元器件及电子设备多余物自动检测技术为研究对象,通过文献调研以及实际经验总结,提出了有效检测电子设备多余物的方法。
并且通过实验对该技术的有效性进行了分析和总结。
关键词:
密封电子元器件多余物电子设备检测
1.引言
1.1问题提出
由多余物问题引发的故障往往具有随机性,因此其危害程度难以控制。
在国外,美国的飞行器“阿特兰蒂斯号”,由于飞行器内存在金属材质的多余物,导致Lyman-Alpha提前失效;
1990年,“阿里安”火箭由于多余物问题在法属圭亚那发射时发生爆炸;
Delta运载火箭在研制过程中,因为其内部设备中存在多余物,造成了上百万美元的损失。
在国内,1992年3月,因为铝质多余物导致发动机点火线路发生故障,从而造成备受世人瞩目的澳星B1卫星发射失败;
2002年3月,神舟三号运载火箭因为内部存在金属多余物而发生故障。
由于保密的原因,还有许多由多余物问题引发的航天事故并没有对外公布。
由于多余物的存在,质子号发动机厂受到批评,龙声号火箭发射失败,海上平台发射火箭失败,由此可见多余物对于电子设备的可靠性存在严重威胁。
多余物微粒造成危害的案例远远不止这些,因此需要解决密封电子元器件及电子设备的多余物问题。
随着我国“神舟”系列载人飞船的发射成功,以及“嫦娥”探月计划取得的初步成功,我国航天事业正处于蓬勃发展的黄金时期,对航天型号可靠性的要求也不断提高,密封电子元器件及电子设备多余物引起的失效问题日益突出,引起了生产厂家、用户以及相关单位的高度重视。
1.2多余物检测系统的研究现状
国内外对电子元器件多余物检测的研究取得了大量成果[14~18]。
在研究过程中主要将多余物分为大质量多余物和小质量多余物。
大质量多余物的检测方法主要有:
观察法,借助显微镜、手电筒等工具用人眼对器件内部进行观察;
耳听法,用手摆动器件,听是否产生噪声;
吸除法,借助工具把多余物从器件中吸除;
清洗法,用超声波等对元器件内部进行清洗。
因为大质量多余物在生产过程中比较容易避免,所以人们更关心小质量多余物检测。
小质量多余物的检测方法主要有:
镜检法,器件密封前用显微镜观察器件内部;
X光射线法,器件密封后用X光进行观察;
微粒碰撞噪声检测法(ParticleImpactNoiseDetection,PIND),通过振动设备给器件提供振动试验条件,然后检测器件内壁与多余物发生碰撞产生的噪声信号,最后判断是否存在多余物。
镜检法不能检测封装后的器件,X光射线法分辨率低,PIND法操作方便、检测准确率高,所以PIND法是目前使用最广泛的多余物检测方法
1.3相关概念
1.3.1多余物
多余物是指密封电子元器件及电子设备在生产、组装及密封过程中,遗留在其内部的非零部件松散活动物体。
常见的多余物微粒有金属屑、锡粒、银泥、松香、铝片、管壳剥离的电镀层、纤维丝、线圈包扎带、金属导线段、导线皮、接插件簧片、垫片等物质。
这些微粒在元器件生产的各个环节都有可能引入,如继电器的骨架点焊、引出管脚焊接、集成电路的键合、晶体管的封帽以及装置的电装等工艺环节。
表1-1常见多余物微粒分类
微粒类别
举例
主要来源
信号表现
灰尘微粒
空气中的砂粒、尘土等
不清洁的加工制造环境
幅度大,时间较长
非金属微粒
塑料屑、助焊剂颗粒等
加工环节与焊料环节
幅度小,时间短
非磁性金属微粒
铁屑、银泥、锡球
加工环节与封装环节
幅度大,时间长
磁性金属微粒
焊接飞溅物,铁屑
电弧焊接,组件加工
短时出现
1.3.2电子元器件
电子元器件是元件和器件的总称。
电子元件:
指在工厂生产加工时不改变分子成分的成品
电子器件:
对电压、电流有控制、变换作用(放大、开关、整流、检波、振荡和调制等)。
电子元器件行业主要由电子元件业、半导体分立器件和集成电路业等部分组成。
电子元器件包括:
电阻、电容器、电位器、电子管、散热器、机电元件、连接器、半导体分立器件、电声器件、激光器件、电子显示器件、光电器件、传感器、电源、开关、微特电机、电子变压器、继电器、印制电路板、集成电路、各类电路、压电、晶体、石英、陶瓷磁性材料、印刷电路用基材基板、电子功能工艺专用材料、电子胶(带)制品、电子化学材料及部品等。
2.正文
2.1研究内容
本文针对现有密封电子元器件及电子设备多余物检测系统存在的问题,开展了密封电子元器件及电子设备多余物自动检测技术的研究工作,建立了密封电子元器件及电子设备多余物检测的理论体系,设计并研制了6种型号的多余物自动检测系统,提出了一种新的PIND试验规范。
具体研究内容包括微粒碰撞噪声检测机理及试验条件、多余物自动检测方法、多余物材质识别方法、多余物自动检测系统和新的PIND试验规范,主要研究内容如图1-3所示。
图1-3主要研究内容
2.2密封电子元器件多余物自动检测系统1
1.系统可以依据GJB360、GJB548、GJB128、GJB65、GJB2888等军用标准规定的PIND试验条件,编辑设定多达20个多余物检测方案分别针对不同种类的密封电子元器件,使多余物检测更具有针对性;
2.支持自定义检测方案,可以根据检测产品的特点自定义检测试验条件和检测程序,具备扩展性;
3.全自动化检测,操作方便。
根据现场以及被测产品特点,设定多余物有无判别标准,检测软件自动实现多余物有无判别,不受操作人员熟练程度、从业经验及疲劳程度和判别标准理解不同等主观因素影响,判别结果稳定统一,可信性强;
4.系统通过高速数据采集卡全程采集试验过程数据,利用虚拟仪器技术实现实时波形显示,动态刷新,试验效果好;
5.提供完善的数据存储、查询、波形浏览功能,可永久性保存数据,实现所有产品的检测结果可追溯的管理目标;
6.专家辅助决策功能,对检测结果存在疑虑的波形,现场专家可通过观察分析采集波形,作进一步详细判断;
7.具备数据后处理功能,检测精度高。
数据处理软件采用了小波消噪、复小波分析及神经网络等算法,数据处理能力强,大大提高了系统的检测精度;
可扩展多余物材质识别功能;
8.具备安全保护机制,多余物检测方案的制定和编写需要密码验证,防止无资质的人员修改,确保检测设备安全和检测结果一致可信。
2.3密封电子设备多余物检测系统2
1.检测原理新颖,灵敏度高。
系统参考和借鉴PIND原理,应用多个声发射传感器,有效检测到活动多余物微粒在设备中的移动信号,检测精度高,为密封电子设备多余物检测提供了技术手段。
2.驱动能力强,可以实现对密封电子设备的多余物检测。
具有多种装卡机构,可以对各种具有规则及不规则外形的电子设备装卡,实现多余物检测。
3.支持自定义检测方案,可以根据检测产品的特点自定义检测次数、数据采集触发条件和检测程序,方便用户编辑和扩展。
4.系统通过高速数据采集卡全程采集试验过程数据,利用虚拟仪器技术实现实时波形显示,动态刷新,试验效果好。
5.提供完善的数据存储、查询、波形浏览功能,可永久性保存数据,实现所有产品的检测结果可追溯的管理目标。
6.专家辅助决策功能,对检测结果存在疑虑的波形,现场专家可通过观察分析采集波形,作进一步详细判断。
7.多余物有无的自动判别,系统可以根据现场和被测产品特点设定多余物有无判别标准,软件自动判别是否存在多余物信号,判别标准统一,判别结果稳定可信。
8.具有材质识别能力,应用小波消噪、小波包变换、神经网络等数字信号处理方法实现了多余物材质识别;
软件提供神经网络训练接口,可以通过采集不同样本的数据增加不同材质的识别能力和识别精度。
3项目总体实施方案
3.1具体方案
项目将首先解决密封电子元器件的多余物检测问题。
为了彻底解决这个问题,课题组计划从理论体系、试验标准和自动化检测系统的研制三个方面同时开展研究。
理论体系包括PIND试验机理、多余物检测方法和多余物材质识别方法的研究。
PIND试验机理的研究通过建立微粒碰撞的动力学模型,从理论分析的角度确定更有利于微粒激活及发生有效碰撞的PIND试验条件的选取原则;
利用现代计算机技术,全程采集PIND试验数据,深入分析PIND信号特征及分类,针对不同类型的PIND信号分别研究自动检测方法;
多余物微粒材质识别方法的研究,从检测信号提取表征多余物材质信息的特征量,研究多余物材质分类识别方法,获得多余物微粒的材质信息,追查多余物产生环节,为多余物控制提供技术手段。
图1-4项目总体实施方案
在充分借鉴和吸收现有PIND检测系统体系结构和优点基础上,利用现代化控制手段,采用高性能单片机系统和直接数字频率合成等技术实现对振动台高精度的驱动控制;
研制高速高精度长时间数据采集系统,全程采集PIND输出信号,应用现代软件编程技术实现多余物自动检测识别方法,根据被测元件的质量等级及特点分别研制高精度多余物自动检测系统。
将密封电子元器件多余物检测领域内取得的研究成果,拓展应用到密封电子设备的多余物检测领域,解决密封电子设备的多余物检测问题。
密封电子元器件及电子设备多余物自动检测技术的总体实施方案如图1-4所示。
3.2实施项目所用技术----DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统设计
DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统在参考现行军标的基础上,根据PIND检测原理设计,系统总体方案框图如图5-1所示。
系统由振动台、振动台驱动器(下位机)和上位机3部分组成。
振动台用于产生机械冲击和振动,振动台驱动器对振动台实施驱动控制,并对声音、加速度传感器输出信号进行调理,上位机对试验输出信号进行采集和自动分析。
图5-1DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统总体方案框图
本系统与美国Model4511型PIND检测仪相比,冲击加速度峰值、振动频率、振动加速度等参数选择更加灵活,控制精度更高。
这不仅为提高多余物检测精度奠定了硬件基础,也为研究新的PIND检测条件对检测效果提供了试验平台。
本系统通过上位机软件判别多余物,不仅提高了检测精度,减小了误判率和漏判率,而且具有波形保存和数据维护功能。
DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统与Model4511型PIND检测仪性能比较如表5-1所示。
表5-1DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统与Model4511型PIND检测仪性能比较
项目
DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物检测系统
Model4511型PIND检测仪
振动台驱动能力
采用高性能单片机为核心,控制精度高
最大振动加速度:
20g,控制精度5%
最大冲击加速度:
2000g,控制精度8%
振动频率:
25~250Hz任意设定
可设定连续频率扫描检测
采用模拟分立器件构成,控制精度低,故障率高。
20g,精度10%
2000g,精度20%
检测方案
可满足GJB360,GJB548,GJB128,GJB65,GJB2888等军标,支持自定义检测方案设定
可满足GJB360,GJB548,GJB128,GJB65,GJB2888等军标,不支持自定义检测方案设定
自动化程度
全自动检测,自动判别,判别标准可设,可自学习、自适应调整,自动化程度高
靠试验员看示波器听扬声器确定检测结果,工作强度大,自动化程度低
试验数据可追溯性
500kHz高速高精度数据采集卡,全程采集数据,具有实时再现、事后再现能力,试验数据、状态可追溯
实时检测波形再现,无事后再现能力,不可追溯试验数据、状态,疑似波形再现性差
机械噪声识别能力
具有脉冲时刻分析、自适应聚类等识别算法,可识别机械噪声,识别结果具有置信度指标
靠人工观察示波器判别机械噪声,识别结果与熟练程度等主观因素相关,因人而异,不具有置信度指标
检测精度可信性
具有小波分析、复小波分析等数据后处理能力,可有效检测低淹没在噪声中的微小质量多余物信号,检测精度高于90%,检测结果一致可信
依赖人工检测,不具有后处理能力,对于信噪比低较低的多余物信号无能为力,检测精度不高于50%,检测结果一致性差,可信性低
专家辅助决策
检测试验波形可再现,现场专家可通过仔细观察波形进行辅助决策
检测波形不能再现,无法进行辅助决策
安全保护机制
密码保护功能,试验方案、判别标准修改需要密码验证,防止无资质人员修改
无
3.3系统技术指标
在PIND试验规范中对不同种类密封电子元器件的PIND测试试验条件不同,其中差异最大的是对冲击脉宽和幅度的规定。
PIND用振动台以机械碰撞方式产生冲击,冲击脉宽由振动台决定。
对集成电路、半导体分立器件的冲击脉宽要求是0.1ms,加速度幅度1000g,适用振动台型号为M230;
对航天继电器的冲击脉宽要求是1ms,加速度幅度200g,适用振动台型号为M230R。
技术指标如下:
1.最大振动加速度:
20g(1g=9.8m/s2),设置分辨率0.1g;
2.最大冲击加速度:
2000g或200g,冲击脉宽100μs/1ms;
3.振动频率:
25~250Hz可设定,设置分辨率1Hz;
4.检测灵敏度:
0.02mg以上微粒,多余物检测准确度:
90%;
5.显示方式:
下位机LCD显示指令,上位机显示器动态显示波形;
6.工位数:
1台;
负载能力:
<
0.4kg;
7.可靠性指标:
MTBF≥1000小时;
MTTR≤40小时。
3.4系统功能特点
1.系统可以依据GJB360、GJB548、GJB128、GJB65和GJB2888等军用标准规定的PIND试验条件,编辑设定多达20个多余物检测方案,分别针对不同种类的密封电子元器件,使多余物检测更具有针对性;
3.全自动化检测,操作方便,上下位机均可实现控制。
5.提供完善的数据存储、查询和波形浏览功能,可永久性保存数据,实现所有产品检测结果可追溯的管理目标;
8.兼容性好,保留与PTI公司MODEL4511L相同的声、光报警装置以及示波器接口,音调音量可调;
9.具备安全保护机制,多余物检测方案的制定和编写需要密码验证,防止无权限的人员修改,确保检测设备安全和检测结果一致可信。
DJZC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统于2007年7月研制成功,系统如图5-27所示。
于2007年9月26日通过了总装备部的产品定型鉴定。
鉴定专家一致认为:
该系统填补了国内空白,其主要技术指标达到了国际领先水平,并在国营第792厂、航天165厂、中电集团49所等单位得到了很好应用。
其运行结果表明,系统性能稳定可靠,检测精度高,其主要技术指标优于国际同类产品。
图5-27DZJC-I型微粒碰撞噪声多余物自动检测系统
4.总结
随着我国“神舟”系列载人飞船的发射成功,以及“嫦娥”探月计划取得的初步成功,我国航天事业正处于蓬勃发展的黄金时期,对航天型号可靠性的要求也不断提高,密封电子元器件及电子设备多余物引起的失效问题日益突出,应引起生产厂家、用户以及相关单位的高度重视。
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