Cómo medir la velocidad de deformación en placas de circuito impreso (PCB)

Muy pronto: Kit para ensayos de PCB de HBM

En HBM nos hemos propuesto que la medida de deformaciones en placas de circuito impreso según IPC/JEDEC- 9704 resulte lo más sencilla y fiable posible. Por ello, próximamente lanzaremos un nuevo kit para ensayos de PCB. Este kit tendrá todos los materiales necesarios, desde la galga extensométrica al amplificador de medida y el proyecto de medición preconfigurado.

Necesitamos la ayuda de nuestros clientes para adaptar el kit a sus necesidades específicas. Cuéntenos cuáles son sus requisitos y qué materiales necesita. ¡Nos interesa mucho su opinión!

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1. ¿Por qué se mide la deformación en las placas de circuito impreso?

En nuestra vida diaria, confiamos en una gran variedad de componentes electrónicos integrados en coches, teléfonos móviles, aviones y multitud de otros aparatos. Y necesitamos que sean fiables. Muchos de estos productos llevan integradas placas de circuito impreso (PCB). La fiabilidad de los sistemas eléctricos y electrónicos complejos es el resultado de desarrollos bien contrastados y pruebas exhaustivas.

Las PCB se ven expuestas a impactos mecánicos y térmicos no solo durante su proceso de fabricación, sino también durante el transporte y el uso. Por ejemplo, deformaciones, uso incorrecto, vibraciones, golpes o exposición térmica.

 Durante la fabricación de una PCB se pueden producir los siguientes fallos y tensiones:

  • Deformación por flexión durante la instalación de conectores, carriles electrificados, placas de refrigeración, polos de contacto, terminaciones soldadas o soportes para baterías.
  • Rotura durante la instalación de dispositivos de montaje superficial (SMD), tecnologías de montaje superficial (SMT), componentes “a través del orificio” (THD), tecnología de orificios pasantes (THT) e inserción de pines en orificios (PIH).
  • Fisuras producidas por tensión o pérdida de puntos de soldadura en matrices de rejilla de bolas (BGA).
  • Picos de deformación transitorios durante la separación (determinación de deformaciones/deformaciones de cizallamiento críticas durante la separación).
  • Altas tensiones mecánicas (deformación) ocasionadas por ajuste a presión, apriete de tornillos o procesos de encapsulado en alojamientos.
  • Rotura de condensadores de montaje superficial (SMD) a causa de altas tensiones de flexión en otros pasos del proceso.
  • Sondas de prueba aplicadas con fuerza excesiva durante los ensayos ICT (in-circuit test).

Durante el transporte y el funcionamiento, los siguientes impactos pueden causar problemas de funcionamiento:

  • Cargas mecánicas (estáticas)
  • Vibraciones y uniones (dinámicas)
  • Efectos térmicos que ocasionen fisuras por diferencias de dilatación (distintos valores α de la carcasa, el disipador de calor, la placa de circuito impreso y los componentes electrónicos).

Cualquiera de estos efectos puede provocar el fallo total de un componente. Si una PCB presenta un problema de funcionamiento sistemático que se detecta demasiado tarde, los costes asociados pueden ser enormes, y tanto mayores cuanto más se tarde en detectar el problema. La “regla del 10” muestra cómo se van multiplicando por un factor de 10 los costes por unidad defectuosa cuanto más tarde se detecta un fallo sistemático en un nuevo producto.

2. Requisitos más exigentes y normas internacionales aplicables a las pruebas de PCB

Para los fabricantes de equipos originales, la detección de fallos sistemáticos en fases tempranas del desarrollo es absolutamente esencial. Por eso —y de manera creciente— exigen a sus proveedores que verifiquen la calidad mecánica de sus placas de circuito impreso (PCB).

En años recientes, se han producido varias tendencias que afectan al uso de PCB:

  • Uso de soldadura sin plomo (conformidad RoHS, directiva europea): este tipo de soldadura es más sensible a las cargas mecánicas y se agrieta antes (daños inducidos por la flexión).
  • Elementos de construcción más compactos, como las matrices de rejilla de bolas (BGA) en lugar de dispositivos de montaje superficial (SMD).
  • Contactos más rígidos, que generan mayores tensiones mecánicas.

Se han creado asociaciones internacionales, como IPC (Association Connecting Electronics Industries) y JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Estas organizaciones han publicado directivas, como la IPC/JEDEC-9704, que establece dónde y cómo se debe medir la deformación en las PCB.

Muchas empresas han creado sus propios procedimientos de pruebas para garantizar que todos los pasos de manipulación manuales se ejecutan de manera correcta durante el ensamblaje. Igualmente, han desarrollado escenarios de ensayo para PCB que cubren todas las situaciones de interés.

3. Cómo medir deformaciones en una PCB

Los métodos de simulación numéricos (como FEA) presentan limitaciones, ya que se basan en modelos matemáticos. Por tanto, sigue siendo necesario hacer ensayos físicos con PCB reales, al menos como medida adicional para verificar el comportamiento de deformación real de las placas. Otros métodos de ensayo, como la tomografía computerizada o los rayos X, no son los ideales para caracterizar la influencia de los impactos mecánicos, por no mencionar que son muy costosos. Los valores de deformación son los únicos cálculos fiables para medir la deformación mecánica de las placas de circuito impreso.

Por este motivo, para medir la deformación de una PCB con una exactitud extrema se utilizan galgas extensométricas. En general, las PCB son de pequeñas dimensiones, de modo que el principal desafío es instalar las galgas extensométricas en el espacio limitado disponible.

HBM ofrece más de 2000 galgas extensométricas distintas para aplicaciones especiales, entre ellas una serie específica para medir deformación en PCB. Por ejemplo, la roseta en miniatura de tres rejillas RF91 es un producto excelente para medir deformaciones en componentes miniaturizados. Se encuentra disponible en distintas variantes. En las aplicaciones de medida de deformación en placas de circuito impreso se utilizan rosetas con tres rejillas, porque no se conoce la dirección de deformación principal.

La RF91 se encuentra disponible en dos versiones: Precableada y con superficies para soldar integradas. Solo miden 5 mm de diámetro, por lo que pueden montarse fácilmente en una PCB. Otros modelos de galgas extensométricas, como la RY31-3/120 (de 6,9 mm de diámetro) también son aptas para hacer mediciones en PCB.

Datos clave acerca de la roseta en miniatura RF91 de HBM

  • Diámetro de tan solo 5mm, para aplicaciones miniaturizadas.
  • Resistencia de 120 Ω y permanentemente en stock.
  • Medición de estados de tensión en dos ejes, cuando se desconoce la dirección principal de la tensión.
  • 3 rejillas de medición superpuestas
  • Compensación de temperatura adaptada al acero austenítico, al acero ferrítico y al aluminio.
  • Precableada (0,5 m de cable) o con superficies para soldar.
  • No hay que hacer ninguna soldadura en la galga extensométrica.
  • Compatible con configuraciones de 2 y 3 hilos, y con la configuración de 4 hilos patentada de HBM.
  • Hilo de cobre con aislamiento en distintos colores.

4. Dónde se debe medir la deformación de una PCB

En general, el estado de tensión de una PCB es desconocido y bastante complejo desde el punto de vista mecánico. La tensión resulta en la deformación de la placa. Pero la deformación de la placa no sigue los modelos clásicos de deformación de una viga o de torsión de un eje, que se describen con bastante exactitud mediante la electrostática lineal. Por otro lado, hay que tener en cuenta que una PCB ya ensamblada contiene varios componentes individuales, soldados o conectados a la placa de distintas maneras. En otras palabras, las propiedades del material de una PCB son bastante heterogéneas.

No resulta práctico ni posible, por motivos de coste y tiempo, comprobar las propiedades y el comportamiento de deformación de cada sección individual de una PCB. Por este motivo, las mediciones en las PCB se llevan a cabo en aquellas zonas en la que se considera que el riesgo de rotura es particularmente alto como, por ejemplo:

  • Esquinas: Las esquinas, si están fijas, pueden ser puntos mecánicamente críticos.
  • Regiones rígidas de la placa (por ejemplo, las que están cerca de condensadores): Los elementos más grandes tienden a incrementar la rigidez de una PCB.
  • Regiones próximas a interconexiones(rotura de uniones soldadas): Los puntos de soldadura son puntos débiles en términos de resistencia a la cedencia.

5. Cómo instalar un roseta en miniatura RF91 en una PCB

1. Preparación de una PCB para instalar

 

El primer paso consiste en preparar la PCB para la instalación de la galga extensométrica. Este vídeo muestra los pasos necesarios.

2. Cómo adherir una roseta RF91 a una placa de circuito impreso

 

Este vídeo explica cómo pegar una roseta a una placa de circuito utilizando el adhesivo de polimerización rápida Z70.

3. Adquisición de datos de una placa de circuito

 

Este vídeo explica cómo medir en una placa de circuito impreso con ayuda de un módulo QuantumX MX1615B y del software catman.

Amplificadores de medida QuantumX

QuantumX es un sistema de adquisición de datos modular, libremente escalable y distribuible de HBM. Se utiliza con fines de ensayos y medición y ayuda a acelerar la innovación. Todos los módulos disponen de una interfaz Ethernet y pueden combinarse entre sí con entera libertad. Todos los canales trabajan de forma totalmente sincronizada, módulo a módulo, con un desfase inferior a 1 µs.

Todos los canales se pueden parametrizar individualmente a través de software, con soporte para:

  • Galgas extensométricas en configuración de puente completo, medio puente o cuarto de puente, (120 Ω o 350 Ω).
  • Voltaje estándar, PT100, resistencia, potenciómetro.
  • Velocidades de transmisión de datos individuales de hasta 20kS/s por canal, con filtro paso bajo activo.

QuantumX MX1615B

Datos clave sobre QuantumX MX1615B: 

  • Entrada de puente, PT100/RTD, tensión, seleccionable mediante potenciómetro, para cada uno de los 16 convertidores analógico/digital de 24 bits.
  • Corriente continua o frecuencia portadora para una supresión máxima del ruido.
  • Resistencia complementaria interna de cuarto de puente de 120 o 350 Ω.
  • Circuito de puente completo con tecnología de 6 hilos.
  • Circuito de medio puente con tecnología de 5 hilos.
  • Cuarto de puente de galgas extensométricas con tecnología de 3 y 4 hilos.
  • Velocidad de transmisión 20 kS/s; ancho de banda 3 kHz.
  • Eléctricamente aislado (entre canales individuales, a la fuente de alimentación y a la red).

6. Cómo configurar una medición de deformación (o de velocidad de deformación) en catman®AP

Con el software DAQ catman AP, de HBM, es sencillo configurar una medición de deformación en una placa de circuito impreso. Uno de los puntos fuertes de catman es que permite visualizar los datos de manera rápida y sencilla. El registro de datos puede iniciarse por disparo (trigger) o en puntos de tiempo especiales.

Las tres rejillas de medición de la roseta RF91 permiten calcular la deformación (o la velocidad de deformación) máxima y mínima, y los ángulos a los que se producen. Las versiones más avanzadas de catman también permiten realizar mediciones de velocidad de deformación (en donde la deformación es la derivada con respecto al tiempo).

En los siguientes pasos se muestra la manera de configurar una medición de velocidad de deformación en catman:

1. Abra el software catman y compruebe el canal de interés de la galga extensométrica. Los iconos verdes indican que se ha detectado el canal y que está listo para medir. En este ejemplo, las 3 rejillas de la roseta están conectadas a los canales 1, 2 y 3.

catman channel settings

 

2. Utilice la base de datos de sensores para asignar los canales a la aplicación de sensores. En este caso, arrastre la galga extensométrica de 3 hilos y 120 Ω hasta cada uno de los tres canales de deformación activos.

Assigning sensors to channels in catman

1. Ahora, es el momento de definir las especificaciones del sensor. Defina los parámetros correctos utilizando el factor k que figura en la hoja de características del envase de cada galga extensométrica de HBM. Introduzca la tensión de alimentación, el factor de puente y el rango de medida. Además, seleccione el polinomio de compensación de temperatura, para tener en cuenta correctamente la variación de las propiedades del material dependiente de las fluctuaciones de temperatura.

 

2. Defina correctamente la frecuencia de muestreo (clásica o decimal) y los filtros antes de empezar a medir. Haga clic en “Crear nuevo sensor” y marque la casilla “Actualizar en la base de datos de sensores” para guardar sus parámetros en la base de datos.

 

3. Seleccione todos los canales y ponga a cero la desviación del punto cero de los canales de deformación de la roseta. Aparecerán los canales de deformación puestos a cero.

1. A continuación, configure el canal de cálculo de la roseta. Es preciso crear un nuevo canal. Con catman, es sencillo para el usuario crear distintas configuraciones para cálculos de la roseta.

 

2. Añada los tres canales a, b y c. Después, defina las propiedades del material y la sensibilidad transversal de las galgas. Seleccione el tipo de roseta correcto (0/45 o 60/120 en el caso de rosetas de tres rejillas). Seleccione las deformaciones relevantes (deformación principal, deformación de cizallamiento).

 

3. Por último, haga clic en “Crear cálculo”. Con ello, los canales de cálculo aparecerán en la lista de canales.

 

4. Asígneles un nombre y haga clic en "Aplicar cambios"

 

5. Ahora, los canales de la velocidad de deformación aparecerán al final de la lista de “canales de cálculo”.

Vaya a “Visualización” y configure su interfaz de usuario.

Software catman®AP

catman®AP de HBM es un potente paquete de software para la adquisición y el análisis de datos para PC. La interfaz de usuario es intuitiva y solo hacen falta unos pocos clics de ratón para empezar a medir. Configure el amplificador con ayuda de TEDS —hojas de datos electrónicas de transductores— o con la base de datos de sensores ampliable... y comience el ensayo.

Sus numerosas opciones de análisis gráfico de datos y sus versátiles posibilidades de exportación hacen de catman®AP una herramienta indispensable y fiable para cualquier técnico de medición.

catman AP

Datos clave sobre el software catman®AP:

  • Resultados de medida rápidos y sencillos.
  • Procedimientos de ensayo automatizados.
  • Pruebas de durabilidad (análisis Rainflow).
  • Canales modulares, flexibles y escalables.
  • Cálculos en tiempo real y posprocesamiento.
  • Algoritmos matemáticos para cálculo de rosetas.
  • Generación de informes y exportación de datos.
  • Medición de deformación y de velocidad de deformación.

7. Análisis de datos en catman®

El objetivo del análisis consiste en verificar si los datos medidos cumplen los criterios aceptables para la deformación de la PCB. El diagrama siguiente muestra las líneas límite en función de la velocidad de deformación y del espesor de la placa, de conformidad con IPC / JEDEC-9704A (2012).

La idea es que la deformación principal máxima (eje Y) no debe sobrepasar un cierto valor. Cuanto mayor es el espesor de la PCB, más bajas son las deformaciones principales aceptables. Hay un segundo criterio que debe tenerse en cuenta: la velocidad de deformación. Eso significa que la vida útil de una PCB no solo se ve afectada por el valor de la deformación principal en sí, sino también por la velocidad a la que varía esa deformación (impulsos). Los cambios rápidos en el material suelen producir microfisuras y daños en el material de forma más temprana.

1. Para analizar los datos del ensayo, abra un nuevo proyecto de “Análisis” en catman.

 

2. Busque los datos del ensayo y arrástrelos hasta la columna de la derecha.

1. A continuación, cambie al panel de “Visualización”. Para crear un gráfico, arrastre los datos desde gage 1 y suéltelos en el campo vacío.

 

2. Ahora, seleccione la velocidad de deformación 1 (strain rate 1) correspondiente y arrástrela hasta el texto gage 1[01] en las explicaciones del gráfico. Utilice strain rate 1 como eje X.

 

3. Obtendrá el gráfico siguiente:

 

4. Como el gráfico no tiene la forma deseada, adapte la representación del modo siguiente (formato de puntos).

 

5. Para ajustar el eje X, seleccione una escala logarítmica manual.

1. Para representar la línea límite, defina la siguiente función data series (según IPC/JEDEC-9704):

Deformación máx. admisible = sqrt[2.35/(espesor PCB)]*[1900-300*log(velocidad de deformación)]

 

y x como función.

 

1. Finalmente, podrá visualizar las funciones calculadas. Arrastre el cálculo del Límite hasta el gráfico. A continuación, arrastre el cálculo ‘x_channel’ hasta los límites en las explicaciones del gráfico y seleccione usar como eje X.

 

2. El gráfico resultante tendrá el aspecto siguiente:

La velocidad de deformación medida se encuentra dentro del límite aceptable, de acuerdo con IPC/JEDEC-9704 Printed Wiring Board Strain Gage Test Guideline. Por tanto, se puede concluir que la PCB no se daña durante el proceso de fabricación.

8. Glosario

  • BGA: Matriz de rejilla de bolas (Ball Grid Array)
  • FEA: Análisis de elementos finitos (Finite Element Analysis)
  • ICT: In-Circuit Test
  • JEDEC: Joint Electron Device Engineering Council
  • PCB: Placa de circuito impreso
  • SMT: Tecnología de montaje superficial (Surface-Mounted Technology)

 Descargo de responsabilidad: Las notas técnicas están diseñadas para ofrecer un resumen rápido. Se actualizan continuamente y, por tanto, cambian con frecuencia. HBM no asume ninguna responsabilidad por la corrección y/o exhaustividad de las descripciones. Nos reservamos el derecho a introducir modificaciones en las características y/o en la descripción en cualquier momento sin previo aviso.

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