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

1. ¿Por qué se mide la deformación en una PCB?

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 diseños 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 fallos:

  • Cargas mecánicas (estáticas)
  • Vibraciones y golpes (dinámicos)
  • 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 fallo sistemático que se detecta demasiado tarde, los costes asociados pueden ser enormes, y tanto mayores cuanto más se tarde en detectar el fallo. La “regla del 10” muestra cómo se van multiplicando por 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 han empezado a exigir a sus proveedores que verifiquen la calidad mecánica de sus placas de circuito impreso (PCB).

En los últimos años, se observan varias tendencias en el uso de placas de circuito impreso:

  • 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 verificar todos los pasos de manipulación manuales 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 las únicas medidas 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 eléctricas. 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
  • 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.
  • 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 mecánicamente complejo. 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 un gran número de 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 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 (guía rápida paso a paso)

  • El primer paso consiste en preparar la PCB para la instalación de una galga extensométrica de lámina. Para ello se requiere una superficie plana. Puede ser preciso desmontar la PCB, dependiendo del punto en el que se desee colocar la galga extensométrica de lámina. La superficie se puede preparar desoldando los elementos electrónicos que sea necesario e igualando después la superficie con una fresa. El tratamiento superficial debe eliminar la capa de pintura de la PCB  (atención: el hecho de retirar componentes afecta a la rigidez de la PCB).
  • El segundo paso consiste en limpiar la superficie de la PCB. Es indispensable limpiar la superficie antes de adherir galgas extensométricas.
  • No utilice disolventes agresivos, porque pueden originar tensiones en el material de la PCB.
  • Aplique una gota de adhesivo de curado en frío Z70 de HBM en el punto de instalación de la galga extensométrica.
  • Coloque la roseta RF91 en el punto designado.
  • Utilice una lámina de teflón para garantizar que solo se adhiera a la PCB la galga extensométrica.
  • Aplique una presión ligera y homogénea a la roseta durante aproximadamente 1 minuto, para pegarla a la PCB.
  • A continuación, elimine la lámina de teflón, tal y como se muestra en la imagen.
Limpieza de la PCB antes de aplicar el adhesivo
Aplicación del adhesivo a la superficie de la PCB
Retirada de la lámina de teflón después de pegar la galga extensométrica
  • Instale un sistema de descarga de tracción mecánica en el cable de medición. Es imprescindible garantizar que la galga extensométrica esté desacoplada de cualquier tensión del cable. Hay distintas opciones para colocar una descarga de tracción mecánica.
    1. Descarga de tracción mecánica directamente en el cable de medición
    2. Descarga de tracción mecánica mediante superficies para soldar.
       
  • Por último, compruebe la calidad de la instalación de la galga extensométrica (resistencia y aislamiento).
1. Descarga de tracción mecánica directamente en el cable de medición
2. Descarga de tracción mecánica en la PCB mediante soldadura

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Cómo conectar una roseta en miniatura RF91 a un sistema QuantumX MX1615B

  • En esta configuración se utiliza un sistema de adquisición de datos QuantumX MX1615B de serie, de HBM, específico para aplicaciones con galgas extensométricas.
  • Se puede utilizar un conector rápido para conectar fácilmente los cables al módulo.
Conector rápido
  • La RF91 es una roseta con tres rejillas superpuestas. Para cada rejilla se requiere un canal de cuarto de puente. En total, se necesitan tres canales para realizar mediciones con una roseta RF91.

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 la visualización rápida y sencilla de los datos. 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.
Tensión principal máxima
  • 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.

 

 

Medición de velocidad de deformación

Datos clave sobre el software de adquisición de datos catman AP

  • Software de adquisición de datos y análisis.
  • 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.
  • Exportación de datos.
  • Medición de deformación y de velocidad de deformación.
  • 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.
  • 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.

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.

  • Defina correctamente la frecuencia de muestreo (clásica o decimal) y los filtros antes de empezar a medir.
Extracto de una hoja de características de HBM
  • 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.
  • 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.

  • 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.
  • 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).

  • Por último, haga clic en “Crear cálculo”. Con ello, los canales de cálculo aparecerán en la lista de canales.
  • Asígneles un nombre y haga clic en "Aplicar cambios"
  • 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.

7. 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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