Wie wird die Dehnungsrate bei Leiterplatten gemessen

1. Warum werden Dehnungsmessungen bei Leiterplatten durchgeführt

Im Alltag müssen wir alle darauf vertrauen, dass Elektronikkomponenten in Autos, Smartphones, Flugzeugen und unzähligen weiteren Geräten mit der jeweils zugesicherten Zuverlässigkeit funktionieren. In viele dieser Produkte sind Leiterplatten (abgekürzt auch „PCB“ für „Printed Circuit Board“) eingebaut. Die Zuverlässigkeit von komplexer Elektronik und elektrischen Systemen in ihrer Gesamtheit ergibt sich aus der Erfahrung in der Entwicklung und intensiven Tests.

Leiterplatten sind schockartigen mechanischen und thermischen Belastungen nicht nur während des Herstellungsprozesses ausgesetzt, sondern auch noch beim Transport und im Betrieb (beispielsweise durch Verformung, unsachgemäße Verwendung, Vibrationen, Stöße, Wärmeeinwirkung).

Bei der Herstellung von Leiterplatten können folgende Ausfälle und Beanspruchungen auftreten:

  • Biegedehnung bei der Installation von Steckverbindern, Stromschienen, Kühlblechen, Kontaktstiften, Lötklemmen oder Batteriehalterungen
  • Brüche bei der Montage mit SMD (surface-mounted device)-, SMT (surface-mounted technology)- sowie THD (through-hole device)-, THT (through the hole)- und PIH (pin in hole)-Bestückung
  • Spannungsrisse und Abrisse von Lötpunkten unter BGA (ball grid arrays)
  • Kurzzeitige Dehnungsspitzen bei der Lostrennung (Ermittlung kritischer Dehnungen/Scherdehnungen bei der Lostrennung)
  • Überhöhte mechanische Spannungen (Dehnungen) beim Einpressen, Verschrauben oder Vergießen in Gehäusen
  • Gebrochene SMD-Kondensatoren durch zu hohe Biegebeanspruchung in anderen Prozessschritten
  • Zu hartes Aufsetzen der Prüfspitzen beim ICT-Test

Beim Transport und im Betrieb könnten folgende schockartige Belastungen zu einem Ausfall führen:

  • Mechanische Belastung (statisch)
  • Vibrationen und Stöße (dynamisch)
  • Thermische Effekte infolge von Rissen durch Wärmeausdehnung (unterschiedliche
    α-Werte von Gehäuse, Kühlkörper, Leiterplatte und elektronischen Bauteilen)

Alle diese Effekte können zu einem vollständigen Ausfall der Bauteile führen. Wenn systematische Ausfälle einer Leiterplatte zu spät erkannt werden, würde dies erhebliche Kosten verursachen, die umso mehr ansteigen, je länger sich die Erkennung des Ausfalls verzögert. Die 10er-Regel zeigt: Je später ein systematischer Ausfall eines neuen Produkts erkannt wird, umso stärker vervielfachen sich die Kosten pro defekter Einheit um den Faktor 10.

2. Erweiterte Anforderungen und internationale Normen für Leiterplattentests

Da systematische Ausfälle unbedingt bereits in einem frühen Entwicklungsstadium erkannt werden sollten, verlangen immer mehr OEM-Hersteller von ihren Lieferanten, die mechanische Qualität der Leiterplatten zu prüfen.

Der Einsatz von Leiterplatten verzeichnet in den letzten Jahren einen deutlichen Anstieg, und zwar aus folgenden Gründen:

  • Verwendung von bleifreiem Lot (RoHS-Konformität, EU-Richtlinie), das empfindlicher auf mechanische Beanspruchung reagiert und früher bricht (durch Biegen verursachte Schädigung)
  • Kompaktere Bauelemente wie BGA (ball brid arrays) statt SMD (surface-mounted device)
  • Steifere Kontakte, die zu höheren mechanischen Spannungen führen

Internationale Verbände wie IPC (Association Connecting Electronics Industries) und JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) – 9704 wurden unter anderem mit dem Ziel gegründet, Leitlinien zu erarbeiten, die beschreiben, wo, wie und womit Dehnungsmessungen an Leiterplatten durchzuführen sind.

Viele Unternehmen haben eigene Prüfverfahren erstellt, die dafür sorgen, dass alle manuellen Arbeitsschritte während der Montage korrekt ausgeführt werden, und dazu Szenarios für Leiterplattentests entwickelt, die alle relevanten Fälle abdecken.

3. Wie wird die Dehnung bei Leiterplatten gemessen

Numerische Simulationsmethoden wie FEA haben nur einen begrenzten Anwendungsbereich, da sie lediglich auf mathematischen Modellen beruhen. Physische Tests an echten Leiterplatten werden daher zumindest als Ergänzung benötigt, um das tatsächliche Dehnungsverhalten der Platte zu prüfen.

Andere Prüfmethoden wie CT- oder Röntgenuntersuchungen sind nicht wirklich geeignet, um den Einfluss schockartiger mechanischer Belastungen zu untersuchen, und zudem sind sie teuer in der Anwendung. Die Dehnung liefert die einzigen zuverlässigen Werte für die Messung der mechanischen Verformung von Leiterplatten.

Deshalb sind elektrische Dehnungsmessstreifen das Mittel der Wahl, um die Verformung von Leiterplatten mit sehr hoher Genauigkeit zu messen. Leiterplatten haben normalerweise kleine Abmessungen, und die Herausforderung besteht bei ihnen darin, Dehnungsmessstreifen (DMS) auf dem verfügbaren knappen Platz zu installieren.

HBM bietet über 2000 verschiedene DMS für besondere Anwendungen an, außerdem einige Spezial-DMS für die Dehnungsmessung bei Leiterplatten.

Die Miniaturrosette RF91 mit drei Messgittern ist zum Beispiel ein hervorragendes Produkt für die Messung von Dehnungen bei sehr kleinen Bauteilen. Sie ist in verschiedenen Varianten erhältlich. Für Dehnungsmessanwendungen bei Leiterplatten werden Rosetten mit drei Messgittern verwendet, da die Richtung der Hauptdehnung nicht bekannt ist.

Die RF91 ist in zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich:

  • Vorverkabelt
  • Mit integrierten Lötstützpunkten

Mit ihrem Durchmesser von nur 5 mm kann sie ohne weiteres auf Leiterplatten angebracht werden. Auch andere DMS wie RY31-3/120 (Durchmesser 6,9 mm) sind für Leiterplattentests geeignet.

Zahlen und Fakten zur Miniaturrosette RF91 von HBM

  • Durchmesser nur 5 mm für Anwendungen im Miniaturformat
  • Widerstand 120 Ω
  • Ab Lager lieferbar
  • Messung eines zweiachsigen Spannungszustands, wenn die Hauptspannungsrichtung unbekannt ist
  • Drei gestapelte Messgitter
  • Temperaturanpassung für austenitische und ferritische Stähle und Aluminium
  • Vorverkabelt (0,5 m) oder mit Lötstützpunkten
  • Kein Löten auf dem Dehnungsmessstreifen
  • Verwendbar für Zwei-, Drei- und die patentierte Vier-Leiter-Schaltung von HBM
  • Verschiedenfarbiger Kupferlackdraht

4. Wo wird die Dehnung bei Leiterplatten gemessen

Die Spannungszustände sind bei Leiterplatten meistens nicht bekannt und mechanisch komplex. Dehnungsbelastungen führen zur Verformung einer Platte. Die Verformung der Platte folgt nicht den klassischen Modellen der Verformung von Balken oder der Torsion einer Welle, die durch die lineare Elektrostatik recht genau beschrieben werden.

Außerdem gilt es zu bedenken, dass eine montierte Leiterplatte eine Vielzahl einzelner Bauteile enthält, die auf unterschiedliche Weise auf die Leiterplatte gelötet oder mit ihr verbunden sind. Das bedeutet, dass eine Leiterplatte recht heterogene Materialeigenschaften aufweist.

Im Hinblick auf Kosten und Zeit ist es weder sinnvoll noch möglich, jeden einzelnen Abschnitt einer Leiterplatte auf seine Dehnungseigenschaften und sein Dehnungsverhalten zu überprüfen.

Deshalb werden Messungen an Leiterplatten in den Bereichen durchgeführt, für die ein besonders hohes Ausfallrisiko angenommen wird, beispielsweise:

  • Ecken

Wenn Ecken befestigt sind, können sie in mechanischer Hinsicht kritisch sein.

  • Steife Bereiche der Platte (z. B. in der Nähe der Kondensatoren)

Große Bauteile erhöhen die Steifigkeit der Leiterplatte.

  • Bereiche nahe an Zwischenverbindungen (Ausfälle von Lötstellen)

Lötstellen sind die Schwachstellen für die Streckgrenze.

5. Installieren einer Miniaturrosette des Typs RF91 auf Leiterplatten (Kurzanleitung)

  • Im ersten Schritt muss die Leiterplatte auf die Installation des Folien-DMS vorbereitet werden. Dafür wird eine glatte, ebene Fläche benötigt. Je nachdem, an welcher Position der Folien-DMS installiert werden soll, kann auch eine Demontage der Leiterplatte notwendig sein. Zum Vorbereiten der Fläche können ggf. Lötverbindungen elektronischer Bauteile gelöst und es kann mit einem Fräser gearbeitet werden. Das Fräsen der Oberfläche dient dazu, die Lackschicht auf der Leiterplatte zu entfernen.  (Achtung: Das Entfernen von Bauteilen beeinflusst die Steifigkeit der Leiterplatte.)
  • Im nächsten Schritt muss die Oberfläche der Leiterplatte gereinigt werden. Die Reinigung vor dem Aufkleben der Dehnungsmessstreifen ist eine unverzichtbare Voraussetzung!
  • Verwenden Sie keine aggressiven Lösungsmittel. Diese Lösungsmittel können eine Spannung im Werkstoff der Leiterplatte verursachen.
  • Benetzen Sie die für den DMS vorgesehene Stelle mit einem Tropfen des kalt härtenden Klebstoffs Z70 von HBM.
  • Bringen Sie die Rosette RF91 an der vorgesehenen Stelle an.
  • Decken Sie Bereiche, auf die kein Klebstoff gelangen soll, mit einem Fluorpolymer-Papier ab, damit tatsächlich nur der DMS und die Leiterplatte miteinander verklebt werden.
  • Pressen Sie die Rosette mit leichtem und gleichmäßigem Druck etwa eine Minute an, bis sie auf der Leiterplatte klebt.
  • Entfernen Sie danach das Fluorpolymer-Papier wie gezeigt.
Reinigen der Leiterplatte vor dem Aufkleben
Auftragen des Klebstoffs auf die Oberfläche der Leiterplatte
Abziehen der Fluorpolymer-Trennfolie nach dem Kleben
  • Installieren Sie die Zugentlastung am Messdraht. Dies ist sehr wichtig, damit der Dehnungsmessstreifen vom Kabel selbst entkoppelt ist. Eine Zugentlastung kann auf verschiedene Weise realisiert werden.
    1. Zugentlastung direkt am Messkabel
    2. Zugentlastung durch Lötstützpunkte
  • Prüfen Sie zum Schluss die Qualität der DMS-Installation (Widerstand und Isolation).
1. Zugentlastung direkt am Messkabel
2. Zugentlastung an der Leiterplatte durch Lötstützpunkt

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Anschließen einer Miniaturrosette RF91 an QuantumX MX1615B

  • In dieser Konfiguration dient ein QuantumX MX1615B als sofort einsatzbereites, auf DMS-Anwendungen spezialisiertes Datenerfassungssystem von HBM.
  • Mit dem Push-In-Stecker können die Drähte schnell und einfach an das Modul angeschlossen werden.
Push-In-Stecker
  • Die RF91 ist eine Rosette mit drei gestapelten Messgittern. Für jedes Gitter wird ein Kanal in Viertelbrücken-Konfiguration benötigt. Zur Durchführung der Messung mit der Rosette RF91 werden insgesamt drei Kanäle benötigt.

Zahlen und Fakten zu QuantumX MX1615B

  • Brückeneingang, PT100/RTD, Spannung, Potenziometer für jeden der 16 einzelnen 24-Bit-AD-Wandler wählbar
  • DC oder Trägerfrequenz (CF) für maximale Rauschunterdrückung
  • Interner Viertelbrücken-Ergänzungswiderstand, 120 und 350 Ω
  • 6-Leiter-Technik für Vollbrücke
  • 5-Leiter-Technik für Halbbrücke
  • 3- oder 4-Leiter-Technik für DMS-Viertelbrücken
  • Datenrate 20 kS/s, Signalbandbreite 3 kHz
  • Galvanisch getrennt (Kanal zu Kanal, zur Versorgung, zum Netzwerk)

6. Einrichten einer Dehnungs(raten)messung in catman AP

  • Mit der Messtechnik-Software catman AP von HBM lässt sich eine Dehnungsmessung an einer Leiterplatte einfach und unkompliziert einrichten. Eine der Stärken von catman ist die schnelle und einfache Visualisierung der Daten. Die Aufzeichnung kann auf unterschiedliche Weise entweder mit einem Trigger oder zu bestimmten Zeitpunkten durchgeführt werden.
  • Die drei Messgitter der Rosette RF91 ermöglichen die Berechnung der maximalen und minimalen Hauptdehnungs(raten) und der zugehörigen Winkel.
Maximale Hauptspannung
  • Die neuesten Versionen von catman unterstützen auch die Messung der Dehnungsrate (die Dehnung wird von der Zeit abgeleitet).
  • In den nächsten Schritten wird gezeigt, wie die Messung der Dehnungsrate in catman eingerichtet wird.
Messung der Dehnungsrate

Zahlen und Fakten zur DAQ-Software catman AP

  • Software für Datenerfassung und -auswertung
  • Einfache und schnelle Messergebnisse
  • Automatisierte Prüfverfahren
  • Betriebsfestigkeitsprüfungen (Rainflow-Analyse)
  • Modular, Kanäle frei skalierbar
  • Echtzeitverarbeitung und Nachbereitung
  • Mathematische Funktionen für Rosettenberechnung
  • Berichterstellung
  • Export der Messdaten
  • Messung von Dehnung und Dehnungsrate
  • Öffnen Sie die catman Software, und prüfen Sie den relevanten Kanal des DMS. Die grünen Leuchten zeigen an, dass der Kanal erkannt wird und für die Messung bereit ist. In diesem Beispiel sind die drei Gitter der Rosette mit den Kanälen 1, 2, 3 verbunden.
  • Weisen Sie mithilfe der Sensordatenbank die Kanäle der Sensoranwendung zu. Weisen Sie in diesem Fall das 3-Leiter-DMS mit 120 Ω per „Drag & Drop“ jedem der drei aktiven Dehnungskanäle zu.

Nun müssen die technischen Daten des Sensors festgelegt werden. Stellen Sie die korrekten Parameter ein. Verwenden Sie dazu den k-Faktor, der auf dem Datenblatt jedes DMS-Pakets angegeben ist. Geben Sie die Speisespannung, den Brückenfaktor und den Messbereich ein. Achten Sie auch darauf, dass Sie sich das Polynom des Temperaturausgleichs ansehen, wenn die temperaturabhängigen Materialeigenschaften korrekt berücksichtigt werden sollen.

  • Stellen Sie die Messrate (klassisch oder dezimal) und die Filter korrekt ein, bevor Sie mit den Messungen beginnen.
Auszug aus dem Datenblatt von HBM
  • Klicken Sie auf „Create new sensor“, und aktivieren Sie die Option „Update in sensor data base“, um Ihre Parameter in der Datenbank zu speichern.
  • Wählen Sie alle Kanäle aus, und setzen Sie den Offset der Dehnungskanäle der Rosette auf null.
  • Die nullgestellten Dehnungskanäle werden angezeigt.

  • Nun muss der Kanal für die Rosettenberechnung eingerichtet werden. Dazu muss ein neuer Kanal erstellt werden, und catman bietet dem Benutzer hier sehr komfortable Funktionen zum Erstellen verschiedener Konfigurationen für Rosettenberechnungen.
  • Fügen Sie alle drei Kanäle in den Feldern a, b, c hinzu, und definieren Sie die Materialeigenschaften und die Querempfindlichkeit der Messstreifen. Wählen Sie den richtigen Rosettentyp (0/45 oder 60/120 für Rosetten mit drei Messgittern).
  • Wählen Sie die jeweils relevante Dehnung aus (Hauptdehnung, Scherdehnung).
  • Klicken Sie zum Schluss auf „Create calculation“. Die Berechnungskanäle werden nun in der Kanalliste angezeigt.
  • Legen Sie einen Namen fest, und klicken Sie auf „Apply changes“.
  • Die Dehnungsratenkanäle werden nun am Ende der Liste „computation channel“ angezeigt.
  • Gehen Sie zu „Visualization“, und konfigurieren Sie Ihre eigene grafische Benutzeroberfläche.

7. Glossar

  • BGA: Ball Grid Array (Kugelgitteranordnung - eine Gehäuseform)
  • FEA: Finite Element Analysis (Analyse nach der Finite-Elemente-Methode)
  • ICT: In-Circuit Test (Prüfung der Bauelementparameter einer bestückten Baugruppe)
  • JEDEC: Joint Electron Device Engineering Council ( US-amerikanische Organisation zur Standardisierung von Halbleitern)
  • PCB: Printed Circuit Board (Leiterplatte)
  • SMT: Surface-Mounted Technology (Oberflächenmontage zur Bestückung von Leiterplatten)

Haftungsausschluss: TECH NOTES sollen einen schnellen Überblick bieten. TECH NOTES werden fortlaufend verbessert und daher häufig geändert. HBM übernimmt keine Haftung für die Richtigkeit und/oder Vollständigkeit der Beschreibungen. Wir behalten uns das Recht vor, jederzeit und ohne vorherige Ankündigung Merkmale und/oder die Beschreibung zu ändern.

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