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
PCB 测试服务
HBM has been supporting PCB manufacturers for many years by performing mechanical tests on printed circuit board using strain gauges.
应变计和附件
HBM –领导应变片,应变计发展50年
RF9 微型应变花,用于印刷电路板机械性能测试
微型应变花 RF9 直径仅 5mm,非常适合用于印刷电路板和极小部件的机械性能测试。
采用应变片进行 PCB 测试
This 2-day seminar will teach you how to install strain gauges on printed circuit boards in compliance with the IPC/JEDEC-9704A standard.
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