Comment mesurer la déformation sur des circuits imprimés (PCB)?

1. Pourquoi réaliser une mesure de la déformation sur PCB ?

Au quotidien, chacun de nous doit se fier aux composants électroniques intégrés dans les voitures, les smartphones, les avions et d'innombrables autres appareils, selon leur fiabilité. Bon nombre de ces produits intègrent des circuits imprimés (PCB). La fiabilité du matériel électronique complexe et des systèmes électriques généraux est le résultat d'une conception basée sur une solide expérience et d'essais intensifs.

Les circuits imprimés sont exposés à des impacts mécaniques et thermiques, non seulement durant leur processus de fabrication mais aussi pendant le transport et le fonctionnement (par exemple, déformation, utilisation incorrecte, vibrations, chocs, exposition thermique).

Durant la fabrication des PCB, les facteurs de troubles suivants peuvent se produire :

  • Contrainte lors de l'installation des connecteurs, rails de puissance, plats de refroidissement, pattes de contact, cosses de sortie à souder ou supports de batteries
  • Rupture pendant le montage de composants montés en surface (SMD), de la technologie de montage de surface (SMT) et de composants traversant (THD) de même que durant l'insertion THT et PIH.
  • Fissures et délogement des points de soudure avec des boîtiers matriciels à billes (BGA)
  • Piques de contrainte transitoire pendant la séparation (détermination des contraintes critiques/contraintes de cisaillement pendant la séparation)
  • Effort mécanique élevé (contrainte) qui se produit en raison de l'insertion, du serrage des vis ou des processus d'encapsulation dans les logements
  • Cassure des condensateurs SMD due à la contrainte de flexion élevée dans les autres étapes du processus
  • Sondes d'essai appliquées avec trop de force pendant l'essai ICT

Durant le transport et le fonctionnement, les impacts suivants peuvent causer une défaillance :

  • Charge mécanique (statique)
  • Vibrations et chocs (dynamique)
  • Effets thermiques résultant en des fissures provoquées par la dilatation thermique (valeurs différentes de α du logement, radiateur, circuit imprimé et composants électroniques)

Tous ces effets peuvent entraîner la défaillance complète des composants. Si une défaillance systématique d'un PCB est détectée trop tard, le coût engagé sera énorme et augmentera en fonction du délai de détection de la défaillance. La règle des 10 montre que si une défaillance systématique d'un nouveau produit est détectée tardivement, les coûts par unité défectueuse doivent être multipliés par le facteur 10.

2. Nouvelles exigences et normes internationales pour les essais sur PCB

Étant donné qu'il est absolument essentiel de détecter les défaillances systématiques à un stade précoce, les fabricants d'équipement d'origine ont demandé de manière croissante à leurs fournisseurs de vérifier la qualité mécanique des PCB.

L'utilisation de PCB a augmenté ces dernières années pour les raisons suivantes :

  • L'utilisation de soudures sans plomb (conformité RoHS, directive UE) qui sont plus sensibles à l'effort mécanique et ont tendance à se fissurer plus rapidement (dommages induits par la flexion)
  • Des éléments de construction plus compacts, comme les boîtiers matriciels à billes (BGA) au lieu de composants montés en surface (SMD)
  • Des contacts plus rigides qui entraînent une tension mécanique supérieure

Des associations internationales, comme IPC (Association Connecting Electronics Industries) et JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) – 9704 ont été constituées et fournissent des directives décrivant où, comment et par quels moyens il faut effectuer des mesures de contrainte sur les PCB.

De nombreuses sociétés ont créé leurs propres procédures d'essai afin de garantir le bon déroulement de toutes les phases de traitement manuel durant l'assemblage et ont développé des scénarios d'essai pour les essais PCB afin de prendre en compte tous les cas pertinents.

3. Comment mesurer la déformation sur les PCB ?

Les méthodes de simulation numériques, telles que FEA, ont un champ d'application limité vu qu'elles sont basées sur des modèles mathématiques. Par conséquent, des essais physiques supplémentaires sur des PCB réels sont au moins nécessaires pour tester le véritable comportement en matière de contrainte du circuit. D'autres méthodes d'essai, comme les CT et rayons X ne sont pas suffisamment adaptées au contrôle de l'impact mécanique et constituent en outre des méthodes coûteuses. Les valeurs de contrainte sont les seules valeurs fiables pour mesurer la déformation mécanique des PCB.

Par conséquent, les jauges de d’extensometrie électriques sont conçues pour mesurer la déformation des PCB à un niveau de précision extrême. Les circuits imprimés sont généralement d'une dimension très réduite et le défi consiste à installer les jauges de contrainte dans l'espace limité disponible.

HBM propose plus de 2 000 jauges de deformation différentes pour des applications spéciales, ainsi que certaines jauges de contrainte spécialisées pour la mesure de contrainte sur PCB. La rosette miniature à trois grilles RF91, par exemple, est un excellent produit pour mesurer la contrainte sur les composants miniatures. Elle est disponible dans différentes variantes. Les rosettes à trois grilles sont utilisées pour les applications de mesure de contrainte sur les PCB étant donné que la direction de la contrainte principale est inconnue.

La rosette RF91 est disponible dans deux versions différentes: Pré-câblée et avec cosses de soudure intégrées. Elle n'a que 5 mm de diamètre et peut, par conséquent, être montée facilement sur les PCB. D'autres jauges de deformation, telles que RY31-3/120 (6,9 mm de diamètre), peuvent également être utilisées pour les essais de PCB.

L’essentiel sur la rosette miniature RF91 de HBM

  • Seulement 5 mm de diamètre pour les applications miniatures
  • Résistance 120 Ω et livrable de stock
  • Mesure de l'état de tension sur deux axes quand la direction de contrainte principale est inconnue
  • Trois grilles de mesure superposées
  • Compensation de température pour l'acier austénitique et ferritique ainsi que l'aluminium
  • Rosette pré-câblée (0,5 m) ou avec cosses de soudure
  • Aucune soudure sur la jauge de contrainte
  • Peut être utilisée dans une configuration à deux et trois fils, ainsi que quatre fils brevetée HBM
  • Différentes couleurs de fil de cuivre isolé à la peinture

New: PCB Test Kit

Start your measurement right away with the PCB Test Kit. From the matching strain gauges to the measuring bridge amplifier and the data acquisition software, the kit includes everything you need for strain measurements on PCBs in compliance with IPC/JEDEC 9704.

From the sensor to the result, simply “plug and measure”:

  • Strain Gauges in compliance with IPC/JEDEC 9704 and their installation aids
  • QuantumX bridge amplifier module MX1615B
  • Ready-to-use measurement project in catman DAQ Software

To PCB Test Kit

PCB Test Kit Key Facts:

  • Portable and compact case includes all materials
  • Fast, easy and flexible setup – also in different locations
  • Optimal support for every measurement task
  • Fully compatible with all QuantumX modules and catman software packages
  • All products available off-the-shelf for reordering

 

4. Où mesurer la déformation sur les PCB ?

L'état de tension sur les PCB est généralement inconnu et complexe sur le plan mécanique. Les situations de contrainte provoquent la déformation d'une plaque. La déformation de la plaque ne suit pas les modèles classiques de déformation ou de torsion d'un arbre, qui sont décrits de manière assez précise par la statique mécanique linéaires. De plus, il faut garder à l'esprit qu'un PCB assemblé contient de nombreux composants individuels qui sont soudés ou connectés de différentes manières au PCB. Cela signifie qu'un PCB est relativement hétérogène du point de vue de ses propriétés matérielles.

Il n'est ni utile, ni possible en termes de coût et de temps, de contrôler chaque section d'un PCB en fonction du comportement et des propriétés de contrainte. Les mesures sur les PCB sont donc réalisées dans les zones où le risque de défaillance est considéré comme particulièrement élevé, comme :

  • Les coins: Les coins peuvent se révéler critiques d'un point de vue mécanique s'ils sont fixés.
  • Les zones rigides du circuit (p. ex. celles proches des condensateurs): Big elements lead to increased stiffness of PCB.
  • Les régions proches des interconnexions (défauts au niveau des brasures): Les points de soudure sont des points faibles en termes de limite d'élasticité.

5. Comment installer la rosette miniature RF91 sur les PCB

1. Préparation du PCB pour l'installation

 

Dans la première étape, le PCB doit être préparé pour l'installation d'une jauge de contrainte à trame pelliculaire. Cette vidéo montre les étapes nécessaires.

2. Collage d'une rosette RF91 sur un PCB

 

Cette vidéo illustre comment une rosette est collée sur un circuit imprimé à l'aide de l'adhésif à prise rapide Z70.

3. Acquisition de données avec un PCB

 

Enfin, la mise en œuvre sera illustrée au moyen d'un circuit imprimé utilisant un QuantumX MX1615B et le logiciel catman.

QuantumX Measurement Amplifiers

QuantumX is a modular, freely scalable and distributable data acquisition system from HBM for measurement and testing purposes allowing quicker innovation. All modules offer an Ethernet interface and can be freely combined with each other. All channels work completely time synchronized - module to module with < 1 µs. 

Every channel can be individually parameterized via software, supporting the following:

  • Strain gauges in full-, half- or quarter-bridge (120 or 350 Ω)
  • Standard voltage, PT100, resistor, potentiometer
  • Individual data rates up to 20kS/s per channel, active low pass filter

QuantumX MX1615B

L'essentiel sur le QuantumX MX1615B: 

  • Entrée de pont, PT100/RTD, tension, potentiomètre à sélectionner pour chacun des 16 ADC 24 bits individuels
  • CC ou fréquence porteuse (FP) pour une suppression maximale du bruit
  • Résistance de complément quart de pont interne 120 et 350 Ω
  • Technologie six fils pour pont complet
  • Technologie cinq fils pour demi-pont
  • Technologie trois et quatre fils pour jauges de contrainte en quart de pont
  • Débit de données 20kS/s, largeur de bande 3kHz
  • Isolé galvaniquement (voie à voie, vers alimentation, vers réseau)

6. Comment mettre en place une mesure de contrainte (taux) dans catman®AP

Avec le logiciel catman AP DAQ de HBM, il est facile de configurer une mesure de contrainte sur un PCB. Une visualisation rapide et aisée des données est l'une des forces de catman. L'enregistrement des données peut être effectué différemment en utilisant un déclencheur ou des points temporels spéciaux.

Les trois grilles de mesure sur la rosette RF91 permettent le calcul de la contrainte principale (taux de contrainte) maximum et minimum ainsi que des angles correspondants. Les dernières versions de catman supportent également la mesure du taux de contrainte (la contrainte est dérivée de temps en temps).

Dans les étapes suivantes, la manière de mettre en place une mesure de la vitesse de déformation dans catman est montrée :

1. Lancez le logiciel catman et vérifiez la voie pertinente sur la jauge de contrainte Les lumières vertes indiquent que la voie est détectée et est prête pour la mesure. Dans cet exemple, les trois grilles de la rosette sont raccordées aux voies 1, 2, 3.

catman channel settings

 

2. Utilisez la base de données de capteurs pour assigner les voies à l'application de capteur. Dans ce cas, glissez et déposez la jauge de contrainte 3 fils 120 Ω pour chacune des trois voies de contrainte actives.

Assigning sensors to channels in catman

1. À présent, les spécifications du capteur doivent être réglées. Réglez les paramètres corrects en utilisant le facteur k affiché sur la fiche technique de chaque package de jauge de contrainte HBM. Saisissez la tension d'excitation, le facteur de pont et la plage de mesure. Examinez également la compensation de température polynomiale si vous voulez envisager correctement les propriétés matérielles de fluctuation de température.

 

2. Réglez le taux d'échantillonnage (classique ou décimal) et filtrez correctement avant de débuter les mesures. Ø  Cliquez sur « Créer nouveau capteur » et activez « Mettre à jour dans la base de données de capteurs » pour sauvegarder vos paramètres dans la base de données.

 

3. Sélectionnez toutes les voies et réglez le zéro de la compensation des voies de contrainte de la rosette. Les voies mises à zéro s'affichent.

1. Nous devons maintenant régler la voie de calcul de la rosette. Une nouvelle voie doit être créée et catman permet à l'utilisateur de créer facilement différentes configurations pour les calculs de la rosette.

 

2. Ajoutez les trois voies dans a, b, c et définissez les propriétés matérielles et la sensibilité transversale des jauges. Choisissez le type de rosette adéquat (0/45 ou 60/120 pour les rosettes à trois grilles). Sélectionnez les contraintes pertinentes (contrainte principale, contrainte de cisaillement).

 

3. Pour finir, cliquez sur « Créer calcul ». Les voies calculées s'affichent à présent dans la liste de voies.

 

4. Choisissez un nom et cliquez sur « Appliquer modifications ».

 

5. Les voies du taux de contrainte s'afficheront dans la liste « voie de calcul » à la fin.

Allez à « Visualisation » et configurez votre GUI


Logiciel d'acquisition et d'analyse de données catman®AP

catman®AP from HBM is a powerful software package for PC based data acquisition and data analysis. Thanks to an intuitive user interface, you are only a few clicks away from starting your measurement. Simply configure the amplifier using TEDS, the transducer electronic data sheet, or the extendible sensor database – and the test can start.

Many options for graphical data analysis and versatile export options make catman®AP a reliable and indispensable tool for every measurement technician.

To catman AP

L'essentiel sur le logiciel catman AP DAQ:

  • Résultats de mesure faciles et rapides
  • Procédures d'essai automatisées
  • Essais de durabilité (analyse Rainflow)
  • Modulaire, gratuit, évolutif en ce qui concerne les voies
  • Traitement en temps réel et post-traitement
  • Fonctions mathématiques pour le calcul des rosettes
  • Génération de rapports et exportation de données
  • Mesure de la contrainte et du taux de contrainte

7. Data Analysis in catman®

The aim of the analysis is to check if the measured data meets the acceptable criteria for the PCB strain. The following diagram shows the boundary lines as a function of the strain rate and the board thickness according to IPC / JEDEC-9704A (2012).

The idea is that the maximum principal strain (Y-axis) does not exceed a certain value. With increased PCB thickness higher principal strains are acceptable. Additionally, another criterion needs to be considered – the strain rate. This means that the lifespan of a PCB is not only impacted by the pure value of maximum principal strain but also by the speed of changing the strain (impulse). Fast changes in material usually result in earlier micro cracks and material damage.

1. To analyze the test data, open a new ‘Analyze’ project in catman.

 

2. Search for the test data and drag & drop it to the column on the right hand side.

1. Change to the ‘Visualization’ panel. Create a graph by dragging & dropping the test data of gage 1 to the empty surface.

 

2. Then choose the corresponding strain rate 1 and drag it onto the text gage 1[01] in the graph explanations. Use strain rate 1 as x-axis.

 

3. The following graph will appear:

 

4. As this is not the desired shape of the graph, configure the plot as follows (dotted-style).

 

5. Adjust the x-axis by choosing a manual logarithmic scaling.

1. To picture the limit line, define the following data series function (according to IPC/JEDEC-9704):

Max. allowable strain = sqrt[2.35/(PWB thickness)]*[1900-300*log(strain rate)]

 

and x as function

 

1. Finally visualize the computed functions. Drag & drop the ‘Limits’ computation to the displayed graph. Then drag & drop the ‘x_channel’ computation onto the Limits in the graph explanations and use as x-axis.

 

 

2. The resulting graph looks as follows:

According to IPC/JEDEC-9704 Printed Wiring Board Strain Gage Test Guideline, the measured strain is within the acceptable strain range. The tested PCB is, then, not damaged during the manufacturing process.

8. Glossaire

  • BGA : Ball Grid Array (matrice de bille)
  • FEA : Finite Element Analysis (méthode des éléments finis)
  • ICT : In-Circuit Test (test en circuit)
  • JEDEC : Joint Electron Device Engineering Council
  • PCB : Printed Circuit Board (circuit imprimé)
  • SMT : Surface-Mounted Technology (technologie de montage de surface)

 

Clause de non-responsabilité : Les TECH Notes sont conçues pour fournir un bref aperçu. Les TECH Notes sont améliorées en permanence et changent donc fréquemment. HBM n'assume aucune responsabilité concernant l'exactitude et/ou l'exhaustivité des descriptions. Nous nous réservons le droit de modifier les caractéristiques et/ou la description à tout moment sans préavis.

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