如何测量印刷电路板应变率

1. 为何要进行PCB应变测量

在现代社会中,电子设备充斥着我们的生活,包括汽车、计算机、智能手机、飞机等。在这些产品中,都集成了印刷电路板(PCB)。可靠的产品设计依赖于印刷电路板整体电气系统的可靠性。

印刷电路板不仅在其制造过程中受到机械和热冲击,而且在运输和工作期间同样如此(包括变形、误用、振动、冲击、热膨胀等)。

 在 PCB 制造过程中,可能会出现下列故障和应力::

  • 安装连接器、动力导轨、冷却板、接触销、焊料端子或电池夹导致的弯曲应变
  • 表面安装装置(SMD)、表面安装技术(SMT)和钻孔孔装置(THD)和通孔(THT)和销孔(PIH)装配过程中导致的断裂
  • 球栅阵列(BGA)焊接点的应力裂纹及脱落
  • 分离过程中的瞬时应变峰值(分离过程中临界应变/剪切应变的测定)
  • 壳体中由于压装、螺钉拧紧或封装过程而产生的机械应力(应变)
  • SMD电容器由于高弯曲应力导致在其他工序中断裂
  • 在ICT测试中施加太多力的测试探针

在运输和运营过程中,下列影响可能导致故障:

  • 机械载荷(静态)
  • 振动与冲击(动态)
  • 热膨胀引起的热效应(外壳、散热器、印刷电路板和电子元件的α值不同)

所有这些效应都会导致元件的完全失效。如果检测到PCB的系统性故障太晚,所产生的成本将是巨大的,图中显示,每个缺陷单元的成本将会放大10倍。

2. PCB 测试的扩展要求和国际标准

在开发的早期阶段检测系统故障是非常必要的,OEM 制造商已经越来越多地开始要求供应商检查 PCB 机械质量。

由于以下原因,过去几年 PCB 测试一直在增加:

  • 使用无铅焊料(RoHS,欧盟准则),其对机械载荷更敏感,且容易断裂(挠曲引起的损伤)。
  • 更紧凑的结构元件,如球栅阵列(BGA)替代表面安装器件(SMD)
  • 较硬的接触件导致较高的机械张力。

国际协会,如IPC(协会连接电子工业)和JEDEC(联合电子设备工程委员会)- 已经建立标准,说明在何处,如何以及如何在PCB上进行应变测量。

许多公司已经建立了自己的测试程序,包括于 PCB 的测试场景,尽可能覆盖所有可能出现的状况。

3. 如何测量 PCB 上的应变

有限元分析方法是基于数学模型的方法,因此这种模拟方法在很多方面受到限制。因此,至少需要额外 PCB 的物理测试来测试实际应变行为。其他测试方法,如CTS和X射线,不足以检查机械冲击的影响,并且,最重要的是,这类方法极为昂贵。

因此,采用应变片测试非常精确可靠,是目前最精准的测试方法。但 PCB 尺寸通常很小,面临的挑战是在有限的空间内安装应变片。

HBM 提供超过2000种不同应变片,以及一些专门用于 PCB 测试的应变片。RF91 微型三栅应变花非常适合用于 PCB 测试,尤其适合未知应变方向的测试。

RF91 有两种不同的版本:

  • 预制电缆
  • 集成焊盘

它的直径只有5mm,因此可以很容易地安装在PCB上。其他应变片,如RY31-3/120(直径6.9mm),也可用于PCB测试。

HBM RF91 微型应变花关键特性

  • 直径仅 5mm
  • 电阻 120 Ω
  • 可立即交货
  • 未知应力方向应力测量
  • 三层测量栅丝
  • 奥氏体和铁素体钢及铝的温度补偿
  • 预制引线(0.5米)或带焊盘两种规格
  • 可采用两线,三线或 HBM 专有四线配置

最新: PCB 测试套件

使用新的 PCB 测试套件开箱即可测量。从匹配的应变片、桥路放大器到数据采集软件,该套件包括根据 IPC/JEDEC 9704 标准对PCB进行应变测量所需的一切。
 

 

 

从传感器到结果,“即插即测”:

  • 符合 IPC/JEDEC 9704 标准的应变片及安装辅助工具
  • QuantumX 桥路放大器模块 MX1615B
  • catman 数据软件及一个可立即使用的测试项目

了解 PCB 测试套件

PCB  测试套件关键特性:

  • 便携工具箱,包括所有材料
  • 安装快速,简单 - 可灵活安装在不同位置
  • 为您的测量任务提供技术支持和服务。
  • 完全兼容的 QuantumX 模块和 catman软件
  • 所有产品都可以重新订购

 

4. 在什么位置测量 PCB 应变

PCB 张力状态大多是未知的和机械复杂的。应变会导致 PCB 板的变形,并且变形不遵循梁变形或扭转的轴等经典模型。

此外,PCB 一般包含许多单一部件,以不同的方式焊接或连接到PCB上。这意味着PCB在材料应力性能方面是非常不均匀的。

因此,检查 PCB 的每个区段很多情况下是也不可能的。因此,PCB 的测试一般在故障风险特别高的区域,例如:

  • 边角: 如果固定的话,边角一般处于机械临界状态。
  • 刚性区域(例如接近电容器的区域): 越大的部件会导致 PCB 刚度增加。
  • 接近互连的区域(焊点失效): 焊点在屈服强度方面是非常薄弱的。

5. 如何安装 RF91 应变花

1. PCB 板安装应变片准备工作

 

首先,必须为印刷电路板安装箔式应变片做好准备。点击视频了解所需的步骤。

2. 黏贴 RF91 应变花到 PCB

 

这个视频演示了如何将应变花采用 Z70 冷固化粘合剂安装到电路板上。

3. PCB 应变数据采集

 

最后,使用 QuantumX MX1615B 和 catman 软件 采集应变数据并进行分析。

QuantumX MX1615B 桥路放大器

QuantumX 是一个模块化、可自由扩展的数据采集系统,用于快速测量和测试。所有模块均提供以太网接口,可自由组合。所有通道可实现完全同步采集-模块到模块的时间 <1µs。

每个通道可通过软件单独设置,支持以下功能:

 

  • 全桥、半桥或四分之一桥的应变片(120或350Ω)
  • 标准电压,PT100,电阻,电位计
  • 每个通道采样率高达20kS/s,有源低通滤波

详细了解 QuantumX MX1615B

QuantumX MX1615B 关键特性:

  • 连接桥路输入, PT100/RTD, 电压, 电位计等,16个通道,24 bit A/D 转化
  • 直流或载频技术,抗干扰
  • 内置 120 和 350 Ω 四分之一桥路补偿电阻
  • 应变全桥6线技术
  • 应变半桥5线技术
  • 四分之一桥 三线或四线技术
  • 20kS/s 采样率, 3kHz 带宽
  • 电隔离(通道到通道,供电,网络)

6. 如何使用 catman AP 进行应变测试

采用 catman AP 进行 PCB 板应变测量非常方便。快速,数据可视化是其强项。并可采用触发和特殊时间节点进行数据记录。

连接 RF91 应变花,通过软件可计算出最大和最小主应变和相应的角度。catman 最新版本还支持应变率测量 (应变和时间关系).

以下为应变测量的步骤:

1. 打开 catman 软件检查应变通道,绿灯表示通道正常可进行测量。在案例中,三栅应变花有三个通道 1, 2, 3.

catman channel settings

 

2. 使用传感器数据库对通道进行设置。并将 3线 120 欧姆条目拖拽到所有三个通道上。

Assigning sensors to channels in catman

1. 现在,需要设置应变片特性。使用 HBM 应变片包装上的 K 系数来设置。输入激励电压、桥式因数和测量范围等。另外,如果你考虑材料温度波动特性,请使用温度补偿多项式。

 

2. 设置采样率,并在开始测量之前正确设置过滤。点击“创建新的传感器”并激活“更新传感器数据库”,保存参数。

 

3. Select all channels and zero the offset of the strain channels of the rosette. The zeroed strain channels appear.

1. 现在,我们必须设置应变花计算通道。因此需要创建一个新的通道并设置。

 

2. 在A、B、C中添加所有三个通道,并定义材料特性和横向灵敏度以及选择合适的应变花类型(0/45或60/120)。选择相关应变(主应变、剪应变)。

 

3. 最后点击 ‘创建计算’ ,计算通道将显示在通道列表中。

 

4. 设置名字并点击 ‘Apply changes’

 

5. 应变率通道将显示在 ‘计算通道’ 列表中。

到 ‘可视化’ 界面,配置您自己的 GUI

catman®AP DAQ 软件

来自 HBM 的 catman®AP 是一个功能强大的软件包,其基于 PC 进行数据采集和数据分析。直观的用户界面,只需点击数下即可开始测量。通过TEDS、传感器电子数据表或可扩展传感器数据库即可配置放大器,进行测试。

多种图形数据分析选项和多种导出格式使 catman®AP 成为测量技术人员可靠且不可或缺的工具。

详细了解 catman AP

catman AP DAQ 数据采集软件关键特性:

  • 数据采集与分析软件
  • 测量结果简单快速
  • 自动化测试
  • 耐久性试验(雨流分析)
  • 模块化,可扩展的通道
  • 实时与后处理
  • 应变花计算
  • 报表生成
  • 数据输出
  • 应变和应变率测量

7. 采用 catman® 进行数据分析

分析的目的是检查 PCB 应变测量数据是否符合的可接受标准。下图演示了根据 IPC/JEDEC-9704A(2012)标准,采用应变率和板厚度函数来进行应变分析。

最大主应变(Y轴)不应超过某个值。随着PCB厚度的增加,可以接受更高的主应变。此外,还需要考虑另一个标准——应变率。这意味着PCB的寿命不仅受最大主应变值的影响,还受应变(脉冲)变化速度的影响。材料的快速变化通常会导致早期的微裂纹和材料损伤。

1. 要分析测试数据,请在catman中创建一个新的“analyze”项目。

 

2. 搜索测试数据并将其拖放到右侧列中。

1. 切换到“可视化”面板。通过将应变片1的测试数据拖放到空表来创建图形。

 

2. 然后选择相应的应变率1,并将其拖到图形说明中的应变片文本 1[01]。使用应变率1作为x轴。

 

3. 将出现下图:

 

4.由于这不是所需的图形,请按以下方式绘图(虚线样式)。

 

5.选择手动对数缩放调整 x 轴。

1. 为描绘极限线,定义以下数据系列函数(根据IPC/JEDEC-9704):

最大允许应变 = sqrt[2.35/(PWB 厚度)]*[1900-300*log(应变率)]

 

x 作为函数

 

1. 最后将计算的函数可视化。将“限制”计算结果拖放到显示的图形中。然后将“x_channel”计算拖放到图形解释中的限制部分,并用作x轴。

 

2.结果图如下所示:

根据IPC/JEDEC-9704《印制线路板应变片测试指南》,测得的应变在可接受的应变范围内。因此,被测PCB在制造过程中没有损坏。

8. 词汇表

  • BGA: 球栅阵列
  • FEA: 有限元分析
  • ICT: 在线测试
  • JEDEC: 联合电子器件工程委员会
  • PCB: 印刷电路板
  • SMT: 表面贴装技术

 

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