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        電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

        2023-10-15 13:20:54金正國(guó)
        大科技 2023年43期
        關(guān)鍵詞:晶振諧振器氣密性

        金正國(guó)

        (北京中電創(chuàng)新科技有限公司,北京 100102)

        0 引言

        目前,企業(yè)在檢測(cè)電子元器件產(chǎn)品時(shí),主要采用抽檢方式,這種方式在具體運(yùn)用中,要借助專門質(zhì)檢工的力量進(jìn)行操作,這樣一來(lái),不僅增加檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度,還降低檢測(cè)效率,無(wú)法實(shí)現(xiàn)全檢目標(biāo)。而電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,可以有效地解決以上問(wèn)題,這是由于該系統(tǒng)將電磁鐵與彈簧定位塊相結(jié)合的方式[1],精確化定位電子元器件,保證產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果的精確度。因此,技術(shù)人員要在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)其檢測(cè)方法進(jìn)行全面化研究和分析,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)化、高效化檢測(cè)。

        1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含以下3 個(gè)部分。

        (1)電磁振動(dòng)自動(dòng)上料裝置。該裝置主要是由電磁振動(dòng)料道、電磁鐵等多個(gè)部分組成。該裝置在具體設(shè)計(jì)時(shí),要采用電磁振動(dòng)的方式,將電子元器件產(chǎn)品緩慢地轉(zhuǎn)移到螺旋料道中。在電磁振動(dòng)力的影響下,排列好的電子元器件按照一定的順序依次進(jìn)入直料道中[2],從而達(dá)到自動(dòng)化上料的目的。

        (2)檢測(cè)觸頭機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件相關(guān)參數(shù)的精確化檢測(cè),需要在定位操作元器件的基礎(chǔ)上,對(duì)電子元器件引腳進(jìn)行引出處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件質(zhì)量精確化檢測(cè),而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)檢測(cè)觸頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。檢測(cè)觸頭機(jī)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)時(shí),要借助單片機(jī),對(duì)檢測(cè)觸頭進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,當(dāng)待元件定位結(jié)束后,檢測(cè)觸頭可自動(dòng)化伸出,與電子元器件的引腳進(jìn)行有效地連接。當(dāng)檢測(cè)工作結(jié)束后,檢測(cè)觸頭會(huì)自動(dòng)返回,此時(shí),檢測(cè)觸頭與元器件引腳之間處于相互脫離狀態(tài)[3]。

        (3)分選機(jī)構(gòu)。分選機(jī)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)時(shí),要自動(dòng)分流優(yōu)等品和劣等品,為降低分選工作期間所造成的負(fù)載,需要將小直流電機(jī)設(shè)置為執(zhí)行元件。借助固定板,將直流電機(jī)與上料定位機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效地連接。在扭簧的影響下,擋板主要固定于左側(cè)極限位置,通過(guò)全面化檢測(cè)待測(cè)元件質(zhì)量,如果元件質(zhì)量達(dá)標(biāo),直流電機(jī)會(huì)暫停動(dòng)作,此時(shí),元件自動(dòng)被分流至儲(chǔ)料盒內(nèi)。如果元件質(zhì)量不達(dá)標(biāo),單片機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào),并對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功能進(jìn)行觸發(fā),確保擋板自動(dòng)移動(dòng)至定位塊中。

        2 電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        在傳統(tǒng)檢測(cè)模式下,僅僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量元件單個(gè)參數(shù)的測(cè)量,測(cè)量元件多個(gè)參數(shù)時(shí),需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行多次傳送和測(cè)量,同時(shí),按照測(cè)量結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分選,很容易摩擦、劃傷元件表面結(jié)構(gòu),降低電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量。在同一個(gè)工位上,通過(guò)對(duì)元件多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,可以將上料下料輔助時(shí)間成本降到最低,降低工件劃傷概率,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的有效保護(hù)。電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示,從圖1 中可以看出,該系統(tǒng)在具體運(yùn)行中,需要借助檢測(cè)單片機(jī)和模擬開(kāi)關(guān),將元件引腳依次連入電阻測(cè)量電路、可焊性測(cè)量電路、氣密性測(cè)量電路中,全面化測(cè)量這些電路的各個(gè)參數(shù)[4],并對(duì)最終測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化記錄。在測(cè)量引腳可焊性時(shí),需要做好對(duì)3 個(gè)引腳輸出點(diǎn)的設(shè)置。在檢測(cè)元件引腳外形時(shí),要借助傳感器檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一響應(yīng),并借助單片機(jī),集中化分析和處理傳感器所采集到的圖像數(shù)據(jù),并分析和檢測(cè)元件引腳外形特點(diǎn)是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求,最后,向檢測(cè)單片機(jī)實(shí)時(shí)傳輸檢測(cè)結(jié)果[5]。在此基礎(chǔ)上,借助檢測(cè)單片機(jī),系統(tǒng)化分析所有測(cè)量參數(shù),分析和判斷該電子元件質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。同時(shí),還要與上位機(jī)建立良好的通信關(guān)系,使用上位機(jī)界面存儲(chǔ)和顯示測(cè)量結(jié)果,便于其他人員查看和調(diào)用。

        圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        2.2 諧振頻率檢測(cè)

        石英晶體諧振器作為一種常見(jiàn)的電子元件,可以為微控制器穩(wěn)定化運(yùn)行提供源源不斷的時(shí)鐘信號(hào)。在對(duì)石英晶體諧振器頻率進(jìn)行檢測(cè)時(shí),要盡可能地突破主單片機(jī)工作頻率的限制,盡可能地降低待測(cè)元件的頻率[6]。所以,本文結(jié)合石英晶體諧振器提出相應(yīng)的檢測(cè)方法。

        2.2.1 石英晶振的等效電路

        石英晶體諧振器主要是指按照一定的方向,對(duì)二氧化硅進(jìn)行切割,使其切割為薄晶片,然后,使用兩個(gè)電極,封裝拋光和銀層。石英晶體諧振器工作原理如下:將交變的電場(chǎng)設(shè)置到石英晶體兩個(gè)管腳之間,在電場(chǎng)的影響下,該晶體會(huì)出現(xiàn)一定的機(jī)械變形,機(jī)械變形所導(dǎo)致的振動(dòng)現(xiàn)象,會(huì)產(chǎn)生一定程度的交變電場(chǎng),這種現(xiàn)象屬于典型的壓電效應(yīng)。對(duì)于交變電場(chǎng)而言,當(dāng)其頻率上升到某一定值時(shí),石英晶體會(huì)出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象[7],導(dǎo)致振幅出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象,這種頻率被稱為“石英晶體諧振器的諧振頻率”。石英晶體諧振器等效電路如圖2 所示,從圖2 中可以看出,當(dāng)石英晶體諧振器停止工作時(shí),可以將其等效為靜態(tài)電容,該電容用電容C0表示。當(dāng)石英晶體諧振器發(fā)生振動(dòng)時(shí),需要對(duì)振動(dòng)的慣性、晶片的彈性、晶片的摩擦損耗分別等效為電感L、電容C、電阻R。

        圖2 石英晶體諧振器等效電路

        2.2.2 石英晶體諧振器頻率檢測(cè)方法

        單片機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)數(shù)功能,借助引腳,可以確保電平達(dá)到負(fù)跳變現(xiàn)象,使得計(jì)數(shù)器與1 自動(dòng)相加。當(dāng)石英晶體諧振器的頻率較低時(shí),需要在所設(shè)置好的時(shí)間段內(nèi),計(jì)數(shù)處理晶體振蕩波形,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)石英晶體諧振器諧振頻率的精確化計(jì)算[8]。在以上思路的啟示下,相關(guān)人員要重視對(duì)頻率測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。在該電路中,石英晶體諧振器采用并聯(lián)諧振模式,將10M 電阻與非門輸入輸出端相連接,并反相輸出電信號(hào)。在此基礎(chǔ)上,還要將石英晶體諧振器、非門C14 進(jìn)行有效地并聯(lián),從而形成并聯(lián)諧振電路。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作時(shí),借助單片機(jī),對(duì)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,將待測(cè)石英晶體諧振器的兩個(gè)引腳與測(cè)量電路進(jìn)行有效地連接,并將晶振蕩波形延時(shí)時(shí)間控制在6ms。當(dāng)單片機(jī)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí),要重新計(jì)數(shù)石英晶體諧振器振蕩波形。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束后,借助中斷程序,單片機(jī)可以快速讀入T0計(jì)數(shù)值,然后,精確地計(jì)算出最終的諧振頻率。

        2.2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

        在本次實(shí)驗(yàn)中,以“32.768kHz 石英晶體諧振器”為研究對(duì)象,將定時(shí)時(shí)間設(shè)置為1s。為將誤差降到最低,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中,需要采用平均值方法,獲得頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。

        從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出,相對(duì)誤差計(jì)算公式如式(1)所示。

        由式(1)可知,對(duì)于32.769kHz 石英晶體諧振器而言,其頻率檢測(cè)精確度低于100PPM,可完全符合相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和要求。

        2.3 電子元件引腳可焊性檢測(cè)

        2.3.1 干法測(cè)量可焊性原理

        在相同條件下,盡管電子元件表面鍍層所對(duì)應(yīng)的氧化程度會(huì)存在很大的不同,其氧化物的物理特性也存在很大的不同。但是,隨著可焊性提高,同一種氧化物的厚度會(huì)不斷下降。氧化層內(nèi)部含有多種構(gòu)成成分,這些構(gòu)成成分主要以金屬氧化物為主[9],在不同電場(chǎng)強(qiáng)度的影響下,這些成分會(huì)呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不斷降低時(shí),這些構(gòu)成成分會(huì)呈現(xiàn)出一定的絕緣體特性,當(dāng)電壓不斷上升,達(dá)到某一特定數(shù)值時(shí),電流會(huì)出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象,呈現(xiàn)出一定的擊穿特性。在氧化程度的不斷提高下,擊穿電壓不斷增加。通過(guò)對(duì)元件引腳氧化層擊穿電壓特性進(jìn)行系統(tǒng)化檢測(cè),可以分析和判斷該氧化層的氧化程度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)引腳可焊性的有效描述。

        2.3.2 擊穿電壓與可焊性的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

        為更好地驗(yàn)證上述原理,需要對(duì)49S 石英晶體諧振器的擊穿電壓強(qiáng)度和烙鐵焊接感覺(jué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所測(cè)試的石英晶體諧振器數(shù)量為300 個(gè),測(cè)試結(jié)果如表2所示。

        表2 擊穿電壓與可焊性的關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于元件引腳鍍層氧化物而言,隨著引腳可焊性的提高,其擊穿電壓會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)擊穿電壓小于2V 以下時(shí),元件引腳鍍層氧化物會(huì)呈現(xiàn)出良好的焊接性能。當(dāng)擊穿電壓大于19V 時(shí),該氧化物的焊接性能不斷降低。當(dāng)擊穿電壓大于39V 時(shí),該氧化物會(huì)喪失一定的可焊性[10]。

        2.4 氣密性檢測(cè)

        2.4.1 電子元器件氣密性檢測(cè)的重要性

        氣密性主要用于對(duì)電子元器件質(zhì)量的有效衡量。當(dāng)電子元器件工作于高溫、潮濕、高壓等惡劣環(huán)境時(shí),一旦電子元器件的氣密性沒(méi)有達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求,外界的水汽會(huì)自動(dòng)泄露到部分電子元器件內(nèi)部,對(duì)電子元器件內(nèi)部的芯片電路產(chǎn)生一定的腐蝕,降低電子元器件的使用性能。因此,強(qiáng)化對(duì)電子元器件氣密性檢測(cè)顯得尤為重要。

        2.4.2 電子元器件氣密性檢測(cè)新方法

        為解決傳統(tǒng)氣密性檢測(cè)方法存在的弊端,本文提出一套切實(shí)可行的電子元器件氣密性檢測(cè)新方法。首先,向無(wú)水乙醇的密閉罐中添加一定量的晶振,并將所施加的壓力控制為0.5MPa,乙醇在實(shí)際運(yùn)用中,通常表現(xiàn)出良好的滲透性。因此,當(dāng)晶振表現(xiàn)出較差的氣密性,會(huì)導(dǎo)致乙醇自動(dòng)進(jìn)入晶振內(nèi)部。經(jīng)過(guò)半個(gè)小時(shí)后,取出晶振,對(duì)兩引腳之間的擊穿電壓進(jìn)行精確化測(cè)量。發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶振表現(xiàn)出良好的氣密性,乙醇不容易進(jìn)入晶振內(nèi)部,同時(shí),兩引腳之間表現(xiàn)出無(wú)窮大的絕緣電阻,所以,不會(huì)出現(xiàn)被擊穿現(xiàn)象。反之,如果晶振表現(xiàn)出較差的氣密性,乙醇會(huì)自動(dòng)進(jìn)入晶振內(nèi),導(dǎo)致兩引腳之間的絕緣電阻不斷降低,所以,在電壓的影響下,晶振會(huì)產(chǎn)生大量的電流。

        在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),要采用電子元件可焊性測(cè)量法,對(duì)擊穿電壓測(cè)量電路進(jìn)行系統(tǒng)化測(cè)量,整個(gè)測(cè)量對(duì)象是晶振兩個(gè)引腳之間。當(dāng)晶振表現(xiàn)出良好的氣密性,正輸入端所對(duì)應(yīng)的電壓會(huì)不斷降低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸入端電壓,此時(shí),單片機(jī)所獲得的電平信號(hào)相對(duì)較低。反之如果晶振表現(xiàn)出較差的氣密性,比較器的正輸入端電壓會(huì)不斷升高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)負(fù)輸入端電壓,此時(shí),單片機(jī)所獲得的電平信號(hào)相對(duì)較高。結(jié)合高低電平的差異性,借助單片機(jī),可以篩選出氣密性良好的元件。通過(guò)運(yùn)用上述檢測(cè)方法,可以有效地簡(jiǎn)化石英晶體諧振器氣密性檢測(cè)流程,實(shí)現(xiàn)晶振的批量化、高效化、精確化檢測(cè)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,為自動(dòng)化、精確化檢測(cè)電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量,本文借助石英晶體諧振器、電容、電阻等電子元器件,電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行深入化、全面化研究,從而保證電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量。此外為提高電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量,技術(shù)人員要結(jié)合實(shí)際工作情況,對(duì)該產(chǎn)品檢測(cè)方法和檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行不斷地優(yōu)化和完善,從而最大限度地提高電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)而為企業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活提供一定的便利。

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