專利名稱：一種對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在正常工作狀態(tài)下實時監(jiān)測連接數(shù)字集成電路芯片與電路板的焊接點網(wǎng)絡健康狀態(tài)的電路，尤其涉及一種對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置，屬于焊點網(wǎng)絡監(jiān)測技術領域。
背景技術：
一直以來，焊接點的連接性都是一個重要的可靠性問題。隨著擁有數(shù)千引腳的 BGA(BallGrid Array，球柵陣列)封裝的廣泛應用，復雜電路的封裝問題得到了很好的解決；然而，引腳數(shù)的增加同時也導致了可靠性的降低。因此，對于很多應用電路來說，焊點的健康狀態(tài)監(jiān)測是很有必要的。如圖1所示，該芯片1是由晶片2、晶片底座3以及BGA封裝4組成的。由晶片2 和晶片底座3組成的倒裝片5倒裝在BGA封裝4內(nèi)部，并通過內(nèi)部焊球38連接到封裝的焊盤上。BGA封裝4再通過BLM(ball limiting metallurgy，凸緣極限冶金術)6和外部焊球 7與印制線路板8連接在一起。連接晶片和印制線路板的各種機械連接、內(nèi)部焊球、BLM以及外部焊球統(tǒng)稱為“焊點網(wǎng)絡”。如圖2所示，焊點網(wǎng)絡電阻RSJ(resistance of solder joint network) 9 與R3 — 起串聯(lián)于高電平Vdd 10和芯片I/O 11之間。當芯片內(nèi)部寫邏輯12將I/O輸出寫為0時， RSJ9將根據(jù)自身阻值與R3的比例分得一定的電壓13，稱為敏感電壓。通過監(jiān)測結點14處敏感電壓13，即可知道RSJ9自身阻值是否發(fā)生變化，進而可對其完整性進行評估。由R1、 R2組成的電阻橋網(wǎng)絡同樣通過串聯(lián)分壓的原理在結點15處產(chǎn)生參考電壓16。比較器17 將對敏感電壓13同參考電壓16進行比較，以判斷RSJ 9是否發(fā)生故障。對于焊點容易發(fā)生的間歇性故障來說，由于其持續(xù)時間很短，因此需要在整個使用期間對焊點進行故障監(jiān)測。對此，圖2所示技術在實際的應用中還有一定的局限性。首先，在測試時，測試焊點所連接的I/O輸出必須被設定為低電平才能夠進行測試。這樣，該 I/O引腳便不能投入正常的功能應用。若將I/O用于監(jiān)測間歇性故障，則該I/O引腳便不能投入正常的功能應用。而對不用的I/O進行故障監(jiān)測是沒有意義的。若將I/O用于正常功能應用，則該技術只能在I/O輸出低電平時才能對故障進行監(jiān)測。即不能達到在整個使用期間進行故障監(jiān)測的目的。其次，因為脈沖干擾波形與間歇性故障檢測電壓波形相近，所以當脈沖干擾出現(xiàn)時，該技術會將脈沖干擾視為故障信號而導致虛警。最后，該技術只能給出故障與無故障兩個結果，而不能對焊點網(wǎng)絡9的健康狀態(tài)進行分級評估。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的在于提供一種對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置，它能夠在不影響器件正常使用的前提下，對數(shù)字集成電路器件使用期間連接其內(nèi)部晶片與印制線路板的焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)控。2、技術方案
3對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置，它包括狀態(tài)信號采集電路、狀態(tài)信號檢測電路及判斷輸出電路三個部分。其間關系是狀態(tài)信號采集電路對能夠反映焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)的電壓信號進行采集，并傳輸給狀態(tài)信號檢測電路；狀態(tài)信號檢測電路對狀態(tài)信號進行檢測，并將檢測結果傳輸給判斷輸出電路；最終由判斷輸出電路對檢測結果進行綜合判斷并輸出判斷結果。所述狀態(tài)信號采集電路是由兩條支路連接而成。一條支路串聯(lián)二極管D1、R5連接到高電平Vdd ；另一條串聯(lián)D6、R6連接到低電平地。通過這兩條支路的設置，則無論器件 I/O輸出的是高電平還是低電平，焊點網(wǎng)絡狀態(tài)都能被檢測出來。在焊點網(wǎng)絡電阻較小的情況下(包括當焊點網(wǎng)絡無故障時電阻趨于0的情況)，當I/O輸出高電平時，Dl截止D6導通，焊點網(wǎng)絡電阻、D6與R6串聯(lián)于I/O輸出的高電平和R6接地提供的低電平之間。此時， 在D6與R6之間的結點上將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓。當I/O輸出低電平時，Dl導通D6截止，焊點網(wǎng)絡電阻、Dl與R5串聯(lián)于I/O輸出的低電平和R5連接的Vdd提供的高電平之間。此時， 在Dl與R5之間的結點上將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓。當焊點網(wǎng)絡電阻大到一定程度時，D1、D6 將同時導通。此時，D6與R6以及Dl與R5之間的結點上都將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓。所述狀態(tài)信號檢測電路是由參考閾值電壓提供電路和兩個雙限比較器組成。其間關系是參考閾值電壓提供電路給兩個雙限比較器提供上下限參考閾值電壓。該參考閾值電壓提供電路由R13、R14、R15串聯(lián)成的電阻橋和R8、R7、R4串聯(lián)成的電阻橋并聯(lián)于高低電平之間而成。同時，D6與R6和Dl與R5之間的結點上產(chǎn)生的狀態(tài)檢測電壓分別傳輸給兩個雙限比較器。雙限比較器又稱為窗口比較器，屬于一種典型的電壓比較器，它是由基本運算放大器、二極管及限幅電路組成，其間關系是兩條由基本運算放大器和二極管串聯(lián)的支路并聯(lián)后，再與限幅電路串聯(lián)，其中限幅電路由電阻與穩(wěn)壓二極管并聯(lián)后串聯(lián)于地及另一電阻之間而成。本發(fā)明中基本運算放大器是由集成運算放大器提供。焊點網(wǎng)絡健康狀態(tài)惡化時，其電阻值會變大并導致狀態(tài)檢測電壓的變化。雙限比較器將狀態(tài)檢測電壓與參考電壓進行比較，以評估其健康狀態(tài)。每個雙限比較器的參考電壓都有兩個閾值。當狀態(tài)檢測電壓落入這兩個閾值之間時，比較器輸出低電平并認為健康狀態(tài)惡化。其中，所述的各個電阻，其阻值大小只需滿足相應的公式即可。所述判斷輸出電路是由與門U1、或門U2、U4以及異或門U3共同組成的一個組合門電路。其之間的連接關系是兩個雙限比較器的輸出與雙輸入的與門Ul及異或門U3相連接；與門Ul同一個有著使能輸入Enable的或門U2相連接；異或門U3和或門U2的輸出接入或門U4。它對來自兩條支路上的雙限比較器輸出的檢測信號進行綜合判斷并輸出判斷結果。當器件I/O處于高阻狀態(tài)時，器件與印制線路板上的狀態(tài)信號檢測電路斷開。若器件I/O不在使用狀態(tài)，則可以人為控制I/O輸出高電平或低電平。當器件I/O處于高低電平狀態(tài)，即使用狀態(tài)時，本發(fā)明將焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)分為健康、亞健康和故障三個階段。健康即完好無損。而亞健康則表明其健康狀態(tài)已經(jīng)惡化但還沒有影響到器件的正常使用。故障狀態(tài)表明其健康狀態(tài)已經(jīng)惡化到影響正常使用的程度。當焊點網(wǎng)絡電阻為0Ω左右時，兩個雙限比較器同時輸出高電平，或門U2、U4輸出高低平。此時，判斷焊點網(wǎng)絡處于健康狀態(tài)。當焊點網(wǎng)絡電阻較小時，兩個雙限比較器會一個輸出低電平，而另一個輸出高電平，即或門U2輸出低電平，或門U4輸出高電平。此時，判斷焊點網(wǎng)絡處于亞健康狀態(tài)。當焊點網(wǎng)絡電阻較大時，兩個雙限比較器會同時輸出低電平，或門U2、U4也同時輸出低電平。 此時，判斷焊點網(wǎng)絡狀態(tài)處于故障狀態(tài)。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明能夠在不影響器件正常使用的前提下，對數(shù)字集成電路器件整個正常使用期間連接其內(nèi)部晶片與印制線路板的焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)控。雙限比較器中上限閾值電壓的設置還能夠有效排除脈沖干擾導致的虛警，大大降低了虛警率。此外，健康、亞健康及故障這三個狀態(tài)的劃分可對焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)進行有效地評估。本發(fā)明方法較為簡單，實現(xiàn)容易，功耗不高，不會給系統(tǒng)帶來較大的額外負擔。


圖1是BGA封裝芯片與印制線路板的連接結構圖；圖2是前人發(fā)明的電路示意圖；圖3是本發(fā)明的電路結構圖；圖如是I/O輸出低電平時狀態(tài)信號采集電路的等效電路圖；圖4b是I/O輸出高電平時狀態(tài)信號采集電路的等效電路圖；圖5是雙限比較器閾值電壓提供電路圖；圖6a是I/O輸出高電平時對焊點健康狀態(tài)進行模擬的仿真波形圖；圖6b是I/O輸出低電平時對焊點健康狀態(tài)進行模擬的仿真波形圖。圖中符號說明如下1芯片；2晶片；3晶片底座；4 BGA封裝；5倒裝片；6凸緣極限冶金術；7外部焊球； 8印制線路板；9焊點網(wǎng)絡；10高電平；11數(shù)字集成電路輸入輸出端口 ；12數(shù)字集成電路內(nèi)部寫邏輯；13 R3與RSJ之間的結點上的電壓；14R3與RSJ之間的結點；15 Rl與R2之間的結點；16 Rl與R2之間的結點上的電壓；17比較器；18狀態(tài)信號采集電路；19 RSJ與D1、 D6之間的結點；20 D6與R6之間的結點；21 D6與R6之間的結點上產(chǎn)生的狀態(tài)檢測電壓； 22 Dl與R5之間的結點；23 Dl與R5之間的結點上產(chǎn)生的狀態(tài)檢測電壓；對狀態(tài)信號檢測電路；25對狀態(tài)檢測信號23進行比較判斷的雙限比較器J6對狀態(tài)檢測信號21進行比較判斷的雙限比較器；27 R13與R14之間的結點；28 R14與R15之間的結點；29 R7與R8之間的結點上產(chǎn)生的參考電壓；30 R7與R4之間的結點上產(chǎn)生的參考電壓；31 R13與R14的結點上產(chǎn)生的參考電壓；32 R14與R15之間的結點上產(chǎn)生的參考電壓；33 R7與R8之間的結點；34 R7與R4之間的結點；35亞健康狀態(tài)信號；36故障狀態(tài)信號；37判斷輸出電路； 38內(nèi)部焊球。RSJ 焊點網(wǎng)絡電阻 Rl 48000 Ω R2 2000 Ω R3 4800 Ω R4 1000 Ω R5 1000 Ω R61000Q R7 24k Ω R8 8000 Ω R9-R12 為雙限比較器內(nèi)部電阻，均取 1000 Ω R13 1000 Ω R14 24000 Ω R15 8000 Ω ；D1-D6為二極管，型號1Ν4500 ；D7、D8為穩(wěn)壓二極管，型號為1N4625 ；Ul為與門，型號74F08, U3為異或門，型號74F86，U2、U4為或門，型號74AS1032A ；V為集成運算放大器， 型號為LM324。
具體實施例方式如圖3所示，本發(fā)明是一種對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的電路，它包
5括狀態(tài)信號采集電路18、狀態(tài)信號檢測電路M及判斷輸出電路37三個部分。印制線路板上的狀態(tài)信號采集電路18通過焊點網(wǎng)絡9與數(shù)字集成電路輸入輸出端口 11相連接。狀態(tài)信號采集電路18對能夠反映焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)的電壓信號，即D6與R6之間的結點上產(chǎn)生的狀態(tài)檢測電壓21、Dl與R5之間的結點上產(chǎn)生的狀態(tài)檢測電壓23進行采集，并傳輸給狀態(tài)信號檢測電路24。狀態(tài)信號檢測電路M對上述的狀態(tài)檢測電壓21、23進行檢測，并將檢測結果傳輸給判斷輸出電路37。最終由判斷輸出電路37對檢測結果進行綜合判斷并輸出判斷結果。所述狀態(tài)信號采集電路18是由兩條交匯于結點19處的支路組成。一條串聯(lián)二極管Dl、R5連接到高電平Vdd ；另一條串聯(lián)D6、R6連接到低電平地。通過這兩條支路的設置，則無論器件I/O輸出的是高電平還是低電平焊點網(wǎng)絡健康狀態(tài)都能被檢測出來。在焊點網(wǎng)絡電阻RSJ較小的情況下(包括當焊點網(wǎng)絡無故障時電阻趨于0的情況)，當I/O輸出高電平時，Dl截止D6導通，焊點網(wǎng)絡電阻RSJ、D6與R6串聯(lián)于I/O輸出的高電平和R6接地提供的低電平之間。此時，在D6與R6之間的結點20上將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓21，而Dl與 R5之間的結點22上的電壓即為高電平Vdd。當I/O輸出低電平時，Dl導通D6截止，焊點網(wǎng)絡電阻RSJ、Dl與R5串聯(lián)于I/O輸出的低電平和R5連接的Vdd提供的高電平之間。此時，在Dl與R5之間的結點22上將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓23，而D6與R6之間的結點20上的電壓即為低電平0V。當焊點網(wǎng)絡電阻RSJ大到一定程度時，D1D6將同時導通。此時，結點 20、22上將分別產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓21、23。所述狀態(tài)信號檢測電路M是由參考閾值電壓提供電路和兩個雙限比較器組成。 參考閾值電壓提供電路給兩個雙限比較器提供上下限參考閾值電壓。它由R13、R14、R15串聯(lián)成的電阻橋和R8、R7、R4串聯(lián)成的電阻橋并聯(lián)于高低電平之間而成。R13、R14之間的結點27處產(chǎn)生的參考電壓31即雙限比較器25的上限閾值電壓，R14、R15之間的節(jié)點28處產(chǎn)生的參考電壓32即雙限比較器25的下限閾值電壓；R8、R7之間的結點33處產(chǎn)生的參考電壓四即雙限比較器沈的上限閾值電壓，R7、R4之間的節(jié)點34處產(chǎn)生的參考電壓30即雙限比較器沈的下限閾值電壓。同時，D6與R6之間的結點20、D1與R5之間的結點22分別與狀態(tài)檢測電路M中的兩個雙限比較器25、沈相連接。焊點網(wǎng)絡健康狀態(tài)惡化時，其電阻值會變大并導致狀態(tài)檢測電壓的變化。兩個雙限比較器25 J6將狀態(tài)檢測電壓與參考電壓進行比較，以評估其健康狀態(tài)。每個雙限比較器的參考電壓都有兩個閾值。當狀態(tài)檢測電壓落入這兩個閾值之間時，比較器17輸出低電平并認為健康狀態(tài)惡化。所述判斷輸出電路37是由與門U1、或門U2、U4以及異或門U3共同組成的一個組合門電路。它對來自兩條支路上的雙限比較器25 J6輸出的檢測信號進行綜合判斷并輸出判斷結果。連接方式如下兩個雙限比較器25、26的輸出與雙輸入的與門Ul及異或門 U3相連接；與門Ul同一個有著使能輸入Enable的或門U2相連接；異或門U3和或門U2的輸出接入或門U4。當器件I/O處于高阻狀態(tài)時，使得器件與印制線路板上的狀態(tài)監(jiān)測電路斷開。此時，狀態(tài)信號檢測電路M無法對焊點網(wǎng)絡9的狀態(tài)進行檢測。故將或門U2使能輸入Enable置1，以關閉狀態(tài)信號的輸出。由此，焊點網(wǎng)絡9的健康狀態(tài)可被分為健康、亞健康及故障三個狀態(tài)。狀態(tài)的劃分對應著焊點網(wǎng)絡9電阻值的一定范圍。由于檢測靈敏度的問題，可檢測到的焊點網(wǎng)絡9的電阻值存在一個最小值Rmin。則焊點網(wǎng)絡9的電阻值RSJ 在0Ω到Rmin之間時，兩個雙限比較器25、26同時輸出高電平，或門U2、U4輸出高電平。此時，判斷焊點網(wǎng)絡9處于健康狀態(tài)。當RSJ增大到Rmid而使得Dl、D6同時導通時，兩個雙限比較器25 J6會同時輸出低電平，或門U2、U4也同時輸出低電平。此時，判斷焊點網(wǎng)絡9狀態(tài)處于故障狀態(tài)并輸出故障狀態(tài)信號36。當RSJ處于Rmin和Rmid之間時，兩個雙限比較器 25,26會一個輸出低電平，而另一個輸出高電平，即或門U2輸出低電平，或門U4輸出高電平。此時，判斷焊點網(wǎng)絡9處于亞健康狀態(tài)并輸出亞健康狀態(tài)信號35。裝置的具體實現(xiàn)方法如下狀態(tài)信號采集電路18，由兩條支路連接而成。一條支路串聯(lián)二極管D1、R5連接到高電平Vdd ；另一條串聯(lián)D6、R6連接到低電平地。通過D1、D6的導通與截止，使得無論器件 I/O輸出的是高電平還是低電平，焊點網(wǎng)絡9狀態(tài)都能被檢測出來。當器件I/O輸出低電平時，其等效電路為D6、R6與焊點網(wǎng)絡9電阻RSJ并聯(lián)后再同D1、R5串聯(lián)于高低電平之間，如圖如所示；當器件I/O輸出高電平時，其等效電路為Dl、R5與焊點網(wǎng)絡9電阻RSJ并聯(lián)后再同D6、R6串聯(lián)于高低電平之間，如圖4b所示。隨著RSJ的增大，使得D1、D6剛好同時導通的RSJ值為Rmid。由圖如及圖4b可知，若器件I/O輸出低電平，則RSJ與D1、D6之間的結點19處電壓U19剛好等于二極管導通電壓Von時，D1、D6恰好同時導通。此時，焊點網(wǎng)絡 9的阻值RSJ為Rmid且可由下式表示
權利要求
1. 一種對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置，其特征在于它包括狀態(tài)信號采集電路、狀態(tài)信號檢測電路及判斷輸出電路三個部分；該狀態(tài)信號采集電路對能夠反映焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)的電壓信號進行采集，并傳輸給狀態(tài)信號檢測電路；該狀態(tài)信號檢測電路對狀態(tài)信號進行檢測，并將檢測結果傳輸給判斷輸出電路；最終由該判斷輸出電路對檢測結果進行綜合判斷并輸出判斷結果；所述狀態(tài)信號采集電路是由兩條支路連接而成；一條支路串聯(lián)二極管Dl、R5連接到高電平Vdd ；另一條串聯(lián)D6、R6連接到低電平地；通過這兩條支路的設置，則無論器件I/O 輸出的是高電平還是低電平，焊點網(wǎng)絡狀態(tài)都能被檢測出來；在焊點網(wǎng)絡電阻較小的情況下，當I/O輸出高電平時，Dl截止D6導通，焊點網(wǎng)絡電阻、D6與R6串聯(lián)于I/O輸出的高電平和R6接地提供的低電平之間；此時，在D6與R6之間的結點上將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓；當 I/O輸出低電平時，Dl導通D6截止，焊點網(wǎng)絡電阻、Dl與R5串聯(lián)于I/O輸出的低電平和R5 連接的Vdd提供的高電平之間；此時，在Dl與R5之間的結點上將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓；當焊點網(wǎng)絡電阻大到一定程度時，DU D6將同時導通，此時，D6與R6以及Dl與R5之間的結點上都將產(chǎn)生狀態(tài)檢測電壓；所述狀態(tài)信號檢測電路是由參考閾值電壓提供電路和兩個雙限比較器組成；參考閾值電壓提供電路給兩個雙限比較器提供上下限參考閾值電壓；該參考閾值電壓提供電路由 R13、R14、R15串聯(lián)成的電阻橋和R8、R7、R4串聯(lián)成的電阻橋并聯(lián)于高低電平之間而成；同時，D6與R6和Dl與R5之間的結點上產(chǎn)生的狀態(tài)檢測電壓分別傳輸給兩個雙限比較器；雙限比較器即窗口比較器，是一種典型的電壓比較器，它是由基本運算放大器、二極管D2-D5 及限幅電路組成；兩條由基本運算放大器和二極管D2-D5串聯(lián)的支路并聯(lián)后，再與限幅電路串聯(lián)，其中限幅電路由電阻R9-R12與穩(wěn)壓二極管D7、D8并聯(lián)后串聯(lián)于地及另一電阻之間而成；該基本運算放大器是由集成運算放大器提供；焊點網(wǎng)絡健康狀態(tài)惡化時，其電阻值會變大并導致狀態(tài)檢測電壓的變化；雙限比較器將狀態(tài)檢測電壓與參考電壓進行比較，以評估其健康狀態(tài)；每個雙限比較器的參考電壓都有兩個閾值，當狀態(tài)檢測電壓落入這兩個閾值之間時，比較器輸出低電平并認為健康狀態(tài)惡化；所述判斷輸出電路是由與門U1、或門U2、U4以及異或門U3共同組成的一個組合門電路；兩個雙限比較器的輸出與雙輸入的與門Ul及異或門U3相連接；與門Ul同一個有著使能輸入Enable的或門U2相連接；異或門U3和或門U2的輸出接入或門U4 ；它對來自兩條支路上的雙限比較器輸出的檢測信號進行綜合判斷并輸出判斷結果。
全文摘要
一種對數(shù)字集成電路焊點健康狀態(tài)實時監(jiān)測的裝置，它包括狀態(tài)信號采集電路、狀態(tài)信號檢測電路及判斷輸出電路三個部分。狀態(tài)信號采集電路對能夠反映焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)的電壓信號進行采集，并傳輸給狀態(tài)信號檢測電路；狀態(tài)信號檢測電路對狀態(tài)信號進行檢測，并將檢測結果傳輸給判斷輸出電路；最終由判斷輸出電路對檢測結果進行綜合判斷并輸出判斷結果。本發(fā)明能夠在不影響器件正常使用的前提下，對數(shù)字集成電路器件正常使用期間連接其內(nèi)部晶片與印制線路板的焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)控；健康、亞健康及故障這三個狀態(tài)的劃分可對焊點網(wǎng)絡的健康狀態(tài)進行有效地評估。它方法簡單，實現(xiàn)容易，功耗不高，在焊點網(wǎng)絡監(jiān)測技術領域里有廣闊的應用前景。
文檔編號G05B19/048GK102156425SQ20101059539
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2010年12月20日
發(fā)明者俞少華, 張棟, 洪晟, 高成 申請人:北京航空航天大學