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

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

  • 第一步,需要对 PCB 表面进行准备。PCB 表面需要平坦均匀,并去除电子元件。并且要去除 PCB 表面的油漆层。 (注意:部件的去除影响PCB的刚度)
  • 在下一步骤中,需要对 PCB 表面进行清洗!
  • 不要使用腐蚀性溶剂。这样的溶剂会导致 PCB 产生张力。
  • 在应变片安装位置使用 HBM Z70 冷固化胶
  • 黏贴 RF91 应变花到制定区域
  • 使用特氟龙纸确保仅有应变片和 PCB 粘合
  • 施加轻微压力一分钟,使 PCB 和应变片粘合
  • 如图所示,去掉特氟龙纸。

 

  • 安装应变消除装置,例如
    1. 在电缆上直接消除应变
    2. 采用焊盘消除应变
       
  • 最后检查应变的安装质量(电阻和隔离).

连接 RF91 微型应变花到 QuantumX MX1615B

  • QuantumX MX1615B 是 HBM 专门用于应变测量的数据采集系统
  • 采用推入式插头连接到测量模块上。
  • RF91 是一个三栅应变花,采用四分之一桥路连接。也就是说,连接 RF91 需要三个通道。

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

 

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
  • 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.
  • 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。

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。

  • 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。
  • Select all channels and zero the offset of the strain channels of the rosette.
  • Zeroed strain channels appear.

  • 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。
  • 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)。

  • 最后点击 ‘创建计算’ ,计算通道将显示在通道列表中。
  • 设置名字并点击 ‘Apply changes’
  • 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
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