Wie wird die Dehnungsrate bei Leiterplatten gemessen Wie wird die Dehnungsrate bei Leiterplatten gemessen | HBM

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 oder 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 ab Lager lieferbar
  • Widerstand 120 Ω mit drei gestapelten Messgittern
  • Messung eines zweiachsigen Spannungszustands, wenn die Hauptspannungsrichtung unbekannt ist
  • 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

Jetzt Neu: PCB Test Kit

Beginnen Sie sofort Ihre Messung mit dem PCB-Testkit. Von den passenden Dehnungsmessstreifen über den Mess­brücken­­verstärker bis hin zur Daten­erfassungs­software enthält das Kit alles, was Sie für Dehnungsmessungen an Leiterplatten gemäß IPC/JEDEC 9704 benötigen.

Vom Sensor zur Software: einfach "Plug and measure".

  • Dehnungsmessstreifen und ihre Installationshilfen
  • QuantumX-Brückenverstärkermodul MX1615B
  • Gebrauchsfertiges Messprojekt in der Software catman DAQ

PCB Test Kit

PCB Test Kit Key Facts:

  • Tragbarer und kompakter Koffer mit allen Materialien
  • Schnelle und einfache Einrichtung – auch an verschiedenen Standorten.
  • Optimaler Support für Ihre Messaufgaben
  • Vollständig kompatibel mit allen QuantumX-Modulen und catman-Softwarepaketen
  • Alle Produkte ab Lager erhältlich für Nachbestellungen

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 mechanische Statik 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. Installation einer Miniaturrosette des Typs RF91 auf Leiterplatten

1. Vorbereitung einer Leiterplatte für die DMS-Installation

 

Zunächst muss die Leiterplatte für die Installation des Dehnungsmessstreifens vorbereitet werden. Dieses Video zeigt die dafür wesentlichen Schritte.

2. Kleben einer RF91-Rosette auf eine Leiterplatte

 

Dieses Video veranschaulicht, wie eine Rosette mittels des kalthärtendem Z70 Schnellklebstoffs auf eine Leiterplatte geklebt wird.

3. Datenerfassung mittels Messdatenerfassungssystemen

 

Schließlich wird die Implementation anhand einer Leiterplatte mit dem Messdatenerfassungssystem QuantumX MX1615B und der Messtechnik Software catman dargestellt.

QuantumX MX1615B Messverstärker

QuantumX ist ein modulares, frei skalierbares und verteilbares Datenerfassungssystem von HBM für Mess- und Testzwecke, das eine schnellere Innovation ermöglicht. Alle Module verfügen über eine Ethernet-Schnittstelle und können beliebig miteinander kombiniert werden. Alle Kanäle arbeiten vollständig zeitsynchronisiert - Modul zu Modul mit <1 µs.

Jeder Kanal kann per Software individuell parametriert werden und unterstützt:

  • Dehnungsmessstreifen in Voll-, Halb- oder Viertelbrücke (120 oder 350 Ohm)
  • Standardspannung, PT100, Widerstand , Potentiometer
  • Individuelle Datenraten bis zu 20 kS / s pro Kanal, aktiver Tiefpassfilter

QuantumX MX1615B

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 und 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. 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:

1. 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.

catman channel settings

 

2. 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.

Assigning sensors to channels in catman

1. 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.

 

2. Stellen Sie die Messrate (klassisch oder dezimal) und die Filter korrekt ein, bevor Sie mit den Messungen beginnen. Klicken Sie auf „Create new sensor“, und aktivieren Sie die Option „Update in sensor data base“, um Ihre Parameter in der Datenbank zu speichern.

 

3. Wählen Sie alle Kanäle aus, und setzen Sie den Offset der Dehnungskanäle der Rosette auf null. Die nullgestellten Dehnungskanäle werden angezeigt.

1. 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.

 

2. 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).

 

3. Klicken Sie zum Schluss auf „Create calculation“. Die Berechnungskanäle werden nun in der Kanalliste angezeigt.

 

4. Legen Sie einen Namen fest, und klicken Sie auf „Apply changes“.

 

5. Die Dehnungsratenkanäle werden nun am Ende der Liste „computation channel“ angezeigt.

Gehen Sie zu „Visualization“ und konfigurieren Sie Ihre eigene graphische Benutzeroberfläche.

catman®AP Datenerfassungssoftware

catman®AP von HBM ist ein leistungsfähiges Softwarepaket für die PC-basierte Datenerfassung und Datenanalyse.  Dank einer intuitiven Benutzeroberfläche können Sie mit wenigen Mausklicks Ihre Messaufgabe starten. Konfigurieren Sie den Verstärker einfach über TEDS, das elektronische Datenblatt des Wandlers oder die erweiterbare Sensordatenbank - und der Test kann beginnen.

Viele Optionen für die graphische Datenanalyse und vielseitige Exportoptionen machen catman®AP zu einem zuverlässigen und unverzichtbaren Werkzeug für jeden Messtechniker.

catman AP

Zahlen und Fakten zu catman®AP:

  • Einfache und schnelle Messergebnisse
  • Automatisierte Prüfverfahren
  • Betriebsfestigkeitsprüfungen (Rainflow-Analyse)
  • Modular, Kanäle frei skalierbar
  • Echtzeitverarbeitung und Nachbereitung
  • Mathematische Funktionen für Rosettenberechnung
  • Berichterstellung und Export der Messdaten
  • Messung von Dehnung und Dehnungsrate

7. Datenanalyse in catman®

Das Ziel der Analyse ist es zu überprüfen, ob die gemessenen Daten die akzeptablen Kriterien für die Leiterplatten-Dehnung erfüllen. Das folgende Diagramm zeigt die Grenzlinien in Abhängigkeit von der Dehnungsrate und der Leiterplattendicke nach IPC / JEDEC-9704A (2012).

Es wird davon ausgegangen, dass die maximale Hauptdehnung (Y-Achse) einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Mit zunehmender Leiterplattendicke sind höhere Hauptspannungen akzeptabel. Jetzt wird zusätzlich ein weiteres Kriterium betrachtet - die Dehnungsrate. Dies bedeutet, dass nicht nur der reine Wert der maximalen Hauptdehnung, sondern auch die Geschwindigkeit der Änderung der Belastung (Impuls) die Lebensdauer einer Leiterplatte beeinflusst. Schnelle Materialänderungen führen in der Regel früher zu Mikrorissen und Materialschäden.

1. Um die Testdaten zu analysieren, öffnen Sie zunächst ein neues "Analyse" Projekt in catman®.

 

2. Suchen Sie nach den Testdaten und ziehen Sie es per Drag & Drop in die rechte Spalte.

1. Wechseln Sie nun in das Fenster "Visualisierung". Erstellen Sie ein Diagramm, indem Sie die Testdaten von Messgerät 1 per Drag & Drop auf die leere Oberfläche ziehen.

 

2. Wählen Sie dann die entsprechende Dehnungsrate 1 aus und ziehen Sie sie in den Diagrammerklärungen auf die Textlehre 1 [01]. Verwenden Sie die Dehnungsrate 1 als x-Achse.

 

3. Das folgende Diagramm wird erscheinen:

 

4. Da dies nicht die gewünschte Form des Diagramms ist, konfigurieren Sie das Diagramm wie folgt (gepunktet).

 

5. Passen Sie die x-Achse an, indem Sie eine manuelle logarithmische Skalierung auswählen.

1. Definieren Sie zur Darstellung der Grenzwertlinie die folgende Datenreihenfunktion (gemäß IPC / JEDEC-9704)

Max. zulässige Belastung = sqrt[2.35/(PWB Dicke)]*[1900-300*log(Dehnungsgeschwindigkeit)]

 

und x als Funktion

1. Zum Schluss visualisieren Sie die berechneten Funktionen. Dafür müssen Sie die Grenzwerte im Graph darstellen. Ziehen Sie dann die "x_channel" -Berechnung per Drag & Drop auf die Grenzwerte in den Diagrammerklärungen und verwenden Sie es als X-Achse.

 

2. Das resultierende Diagramm sieht wie folgt aus:

Gemäß der IPC / JEDEC-9704-Richtlinie für die Leiterplatten-DMS-Prüfung liegt die gemessene Dehnung innerhalb des akzeptablen Dehnungsbereichs. Die getestete Leiterplatte wurde während des Herstellungsprozesses nicht beschädigt.

8. 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)

 

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