Come misurare la velocità di deformazione sulle schede a circuito stampato (PCB)

1. Perché misurare la deformazione sulle PCB

Nella vita di tutti i giorni, tutti noi dobbiamo affidarci ai componenti elettronici integrati nelle automobili, negli smartphone, negli aeroplani e in innumerevoli altri dispositivi, a seconda dell’affidabilità degli stessi. In molti di questi prodotti, sono integrate delle schede a circuito stampato (PCB). L’affidabilità di un’elettronica complessa e di sistemi elettrici completi è il risultato di una progettazione esperta e di test approfonditi.

Le schede a circuito stampato sono esposte a effetti meccanici e termici non soltanto durante la fase di produzione, ma anche in fase di trasporto ed esercizio (ad esempio, deformazione, uso scorretto, vibrazione, urto, esposizione termica).

In fase di produzione, le schede a circuito stampato possono essere interessate dai seguenti danni e sollecitazioni:

  • Deformazione dovuta a flessione in fase di installazione di connettori, binari elettrici, piastre di raffreddamento, pin di contatto, terminazioni di saldatura o alloggiamenti della batteria
  • Rottura durante il montaggio del dispositivo montato a superficie (SMD), della tecnologia di montaggio a superficie (SMT) e del dispositivo a foro passante (THD) e dell’installazione con tecnologia a foro passante (THT) e con pin inserito nel foro (PIH)
  • Fessurazioni da sollecitazione e staccamento dei punti di saldatura con sfere allineate in griglia (BGA)
  • Picchi di sollecitazione transitori durante la separazione (determinazione di sollecitazioni critiche / sforzi di taglio durante la separazione)
  • Sollecitazione meccanica elevata (deformazione) che si verifica con raccordi a pressare, serraggio con viti e processi di incapsulamento negli alloggiamenti
  • Capacitori SMD rotti a causa di sollecitazioni da flessione elevate in altre fasi del processo
  • Campioni per test applicati con troppa forza durante il test ICT

In fase di trasporto e di esercizio, possono verificarsi guasti dovuti alle seguenti cause:

  • Carico meccanico (causa statica)
  • Vibrazioni e urti (causa dinamica)
  • Effetti termici che provocano rotture dovute all’espansione termica (valori α diversi di alloggiamento, dissipatore di calore, scheda a circuito stampato e componenti elettronici)

Tutti questi effetti possono portare al non funzionamento completo dei componenti. Se un danno sistematico della scheda a circuito stampato viene rilevato troppo tardi, i costi da sostenere saranno molto elevati e direttamente proporzionali al ritardo di rilevamento del danno. La regola del 10 mostra che maggiore è il ritardo della rilevazione di un danno sistematico di un nuovo prodotto, i costi per unità danneggiata aumentano con un fattore 10.

 

2. Ulteriori requisiti e norme internazionali per i test su schede a circuito stampato

Consapevoli del fatto che la rilevazione di danni sistematici nelle fasi iniziali dello sviluppo è essenziale, i produttori OEM oggi chiedono sempre più spesso ai fornitori di verificare la qualità meccanica delle schede a circuito stampato (PCB).

Negli ultimi anni, l’uso delle schede a circuito stampato è aumentato per i seguenti motivi:

  • Uso di saldatura senza piombo (conformità RoHS, linee guida UE) che è più sensibile al carico meccanico e tende a rompersi prima (danno indotto dalla flessione)
  • Elementi di costruzione più compatti come reticoli con sfere allineate in griglia (BGA) invece di dispositivi montati a superficie (SMD)
  • Contatti più rigidi che provocano maggiore tensione meccanica

Sono state create associazioni internazionali come IPC (Association Connecting Electronics Industries) e JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) – 9704 che forniscono linee guida su come e dove eseguire le misurazioni delle deformazioni sulle schede a circuito stampato.

Molte aziende hanno creato delle procedure di test interne per assicurare che vengano eseguiti tutti i passaggi manuali necessari in fase di assemblaggio e hanno sviluppato degli scenari di test per i test di schede a circuito stampato che coprano tutti i casi principali.

 

3. Come misurare la forza sulle schede a circuito stampato

I metodi a simulazione numerica, come la FEA, hanno un’applicazione limitata in quanto sono basati su approcci con modello matematico. Per questo, per testare il comportamento effettivo della scheda in caso di deformazione, è necessario prevedere dei test fisici (anche solo in misura limitata) su schede reali.

Altri metodi di test come TC e raggi X non sono sufficienti per verificare l’influenza dell’impatto meccanico e, soprattutto, sono estremamente costosi. I valori delle deformazioni sono gli unici valori affidabili per la misurazione della deformazione meccanica delle schede a circuito stampato.

Per questo motivo, al fine di misurare la deformazione delle schede a circuito stampato in maniera estremamente accurata, vengono utilizzati gli estensimetri elettrici. Solitamente, le schede a circuito stampato sono di piccole dimensioni e la difficoltà principale è quella di installare gli estensimetri nel poco spazio disponibile.

HBM offre oltre 2000 estensimetri diversi per applicazioni speciali, oltre ad alcuni estensimetri speciali per la misurazione della deformazione delle schede a circuito stampato.

La rosetta in miniatura con tre griglie RF91, ad esempio, è un prodotto eccellente per misurare la deformazione su componenti estremamente piccoli. È disponibile in varianti diverse. Le rosette a tre griglie sono utilizzate per le applicazioni di misurazione della deformazione delle schede a circuito stampato perché la direzione della deformazione principale non è nota.

RF91 è disponibile in due versioni diverse:

  • Precablata
  • Con piazzole di saldatura integrate

Ha un diametro di soli 5mm e può, quindi, essere montata facilmente sulle schede a circuito stampato. Per i test su schede a circuito stampato è possibile utilizzare anche altri estensimetri, come RY31-3/120 (diametro di 6,9mm).

Maggiori informazioni su questo prodotto sono disponibili sul sito web.

Può essere ordinata anche tramite HBM web shop.

 

Caratteristiche principali della rosetta in miniatura RF91 di HBM

  • Diametro di soli 5mm per applicazioni in miniatura
  • Resistenza di 120 Ω
  • Disponibile a magazzino
  • Misurazione dello stato di tensione a due assi con direzione della sollecitazione principale non nota
  • Tre griglie di misura impilate
  • Compensazione della temperatura di acciaio austenitico e alluminio per acciaio ferritico
  • Precablata (0,5m) o con piazzole di saldatura
  • Nessuna saldatura sull’estensimetro
  • Utilizzabile con configurazioni a due e tre fili e configurazione a quattro fili brevettata da HBM
  • Cavo in rame isolato con vernice in diversi colori

4. Dove misurare la deformazione sulle schede a circuito stampato

Lo stato di tensione sulle schede a circuito stampato è per lo più sconosciuto e complesso dal punto di vista meccanico. Le sollecitazioni hanno come risultato la deformazione di una piastra che non segue i classici modelli di deformazione del raggio o torsione di un albero descritti in modo preciso dall’elettrostatica lineare.

Inoltre, bisogna considerare che una scheda a circuito stampato assemblata contiene molti componenti singoli saldati o collegati in modo diverso alla scheda. Ciò significa che una scheda a circuito stampato è piuttosto eterogenea in termini di proprietà dei materiali.

In termini di costi e tempo, non è né utile né possibile controllare ogni singola sezione di una scheda a circuito stampato in base alle sue proprietà e al suo comportamento relativi alla deformazione.

Per questo, le misurazioni sulle schede a circuito stampato vengono impostate in aree delle stesse dove il rischio di danneggiamento è tendenzialmente maggiore, quali:

  • Angoli

Gli angoli, se fissati, possono essere critici dal punto di vista meccanico.

  • Zone rigide della scheda (ad esempio quelle vicino ai condensatori)

Gli elementi di grandi dimensioni portano a una maggiore rigidità della scheda a circuito stampato.

  • Zone vicine alle interconnessioni (danni dei giunti saldati)

I punti di saldatura sono punti deboli in termini di sforzo di snervamento.

 

5. Come installare la rosetta in miniatura RF91 sulle schede a circuito stampato (guida di installazione rapida)

  • Per prima cosa, la scheda a circuito stampato deve essere preparata per l’installazione di un estensimetro a lamina. È quindi necessario disporre di una superficie uniforme. A seconda della posizione in cui deve essere installato l’estensimetro, può essere necessario disassemblare la scheda a circuito stampato. La superficie può essere preparata eliminando le saldature degli elementi elettronici e utilizzando una fresa. La fresatura della superficie è necessaria per rimuovere lo strato di vernice sulla scheda a circuito stampato (Attenzione: la rimozione dei componenti influisce sulla rigidità della scheda a circuito stampato).
  • Successivamente, è necessario pulire la superficie della scheda a circuito stampato. La superficie deve essere obbligatoriamente pulita prima del collegamento degli estensimetri!
  • Non utilizzare solventi aggressivi che potrebbero provocare tensione nel materiale della scheda a circuito stampato.
  • Utilizzare una goccia di supercolla a solidificazione a freddo Z70 di HBM per inumidire l’area destinata all’estensimetro.
  • Attaccare la rosetta RF91 sull’area prevista.
  • Utilizzare un foglio di Teflon per assicurarsi che solo l’estensimetro e la scheda a circuito stampato siano incollati fra loro.
  • Applicare una pressione leggera e omogenea sulla rosetta per un minuto circa per incollarla alla scheda a circuito stampato.
  • Al termine, rimuovere il foglio di Teflon come illustrato in figura.

 

  • Installare un passacavo sul cavo di misurazione. Questa attività è essenziale per assicurare che l’estensimetro non sia accoppiato al cavo. Per installare il passacavo, è possibile usare diverse opzioni.
     
    1. Passacavo direttamente sul cavo di misurazione

    2. Passacavo attraverso le piazzole di saldatura
       

  • Infine, verificare la qualità dell’installazione dell’estensimetro (resistenza e isolamento).

Impara come collegare gli estensimetri alle schede a circuito stampato nella HBM Academy

  • Formazione specializzata
  • Seminari su misura per il cliente

Diventa un professionista dei test sulle schede a circuito stampato (certificazione DIN)

 

Come collegare la rosetta in miniatura RF91 a QuantumX MX1615B

  • In questa impostazione, un QuantumX MX1615B è un sistema DAQ in pronta consegna, specifico per le applicazioni con estensimetri
  • Il connettore push-in può essere utilizzato senza difficoltà per collegare rapidamente i fili al modulo.
  • RF91 è una rosetta a tre griglie impilate. Per ogni griglia è necessario un canale quarter-bridge. Per eseguire una misurazione con la rosetta RF91 sono necessari tre canali.

Caratteristiche principali di QuantumX MX1615B

  • Ingresso ponte, PT100/RTD, tensione, potenziometro selezionabile per ognuno dei 16 convertitori ADC a 24 bit
  • CC o frequenza portante (CF) per la massima riduzione del rumore
  • Resistore di completamento quarter-bridge interno da 120 e 350 Ω
  • Tecnologia a sei fili per la configurazione full-bridge
  • Tecnologia a cinque fili per la configurazione half-bridge
  • Tecnologia a tre e quattro fili per gli estensimetri quarter-bridge
  • Velocità di trasferimento dati di 20kS/s, ampiezza di banda di 3kHz
  • Isolamento galvanico (da canale a canale, a alimentatore, a rete)

6. Come impostare la misurazione della deformazione in catman AP

  • Con il software DAQ catman AP di HBM, impostare la misurazione della deformazione di una scheda a circuito stampato è molto semplice. Uno dei punti di forza di catman è infatti la visualizzazione facile e rapida dei dati. La registrazione dei dati può essere effettuata in modi diversi usando il trigger o punti temporali speciali.
  • Le tre griglie di misura della rosetta RF91 consentono di calcolare il valore minimo e massimo della deformazione principale e gli angoli corrispondenti.
  • Le ultime versioni di catman supportano anche la misurazione della velocità di deformazione (la deformazione viene derivata dal tempo).
  • Di seguito viene illustrato come impostare la misurazione della velocità di deformazione in catman.

 

Caratteristiche principali del software DAQ catman AP

  • Software di acquisizione e analisi dati
  • Risultati di misura facili e rapidi
  • Procedure di test automatizzate
  • Test di durabilità (analisi rainflow)
  • Modulare, libero, scalabile in base ai canali
  • Elaborazione in tempo reale e differita
  • Uso di formule matematiche per il calcolo delle rosette
  • Generazione di report
  • Esportazione di dati
  • Misurazione della deformazione e della velocità di deformazione
  • Aprire il software catman e controllare il canale dell’estensimetro interessato. La luce verde indica che il canale è stato rilevato ed è pronto per la misurazione. In questo esempio, le tre griglie della rosetta sono collegate con i Canali 1, 2, 3.
  • Utilizzare il database dei sensori per assegnare i canali all’applicazione del sensore. In questo caso, selezionare e trascinare l’estensimetro a 3 fili e 120 Ω su ognuno dei tre canali di deformazione attivi.

È ora necessario impostare le specifiche del sensore. Impostare i parametri corretti utilizzando il fattore k visualizzato sulla specifica di ciascuna confezione di estensimetri HBM. Inserire la tensione di eccitazione, il fattore bridge e l’intervallo di misura. Assicuratevi anche di tenere conto del polinomiale di compensazione della temperatura se volete considerare in modo corretto le proprietà del materiale al fluttuare della temperatura.

  • Impostare la frequenza di campionamento (classica o decimale) e i filtri correttamente prima di avviare la misurazione.
  • Fare clic su ‘Create new sensor’ (Crea nuovo sensore) e attivare ‘Update in sensor data base’ (Aggiorna in database sensori) per salvare i parametri nel database.

     

  • Selezionare tutti i canali e azzerare i canali della rosetta relativi alla deformazione.
  • Vengono visualizzati i canali relativi alla deformazione.

  • È ora necessario impostare il canale del calcolo della rosetta. Bisogna creare un nuovo canale e con catman l’utente può facilmente creare impostazioni diverse per i calcoli della rosetta.
  • Aggiungere tutti e tre i canali in a, b, c e definire le proprietà del materiale e la sensibilità trasversale degli estensimetri. Scegliere il tipo di rosetta giusto (0/45 o 60/120 per le rosette a tre griglie).

  • Selezionare le deformazioni rilevanti (deformazione principale, sforzo di taglio).

  • Infine, fare clic su ‘Create calculation’ (Crea calcolo). I canali calcolati vengono ora visualizzati nell’elenco dei canali.
  • Impostare un nome e fare clic su ‘Apply changes’ (Applica modifiche)

     

  • I canali calcolati vengono ora visualizzati nell’elenco dei canali.
  • Passare a ‘Visualization’ (Visualizzazione) e configurare la propria GUI

     

7. Glossario

  • BGA: Ball Grid Array (sfere allineate in griglia)
  • FEA: Finite Element Analysis (analisi a elementi finiti)
  • ICT: In-Circuit Test (test in circuito)
  • JEDEC: Joint Electron Device Engineering Council (organism di standardizzazione dei semiconduttori)
  • PCB: Printed Circuit Board (scheda a circuito stampato)
  • SMT: Surface-Mounted Technology (tecnologia di montaggio a superficie)

 

Esclusione di responsabilità: Le nostre Note Tecniche hanno il solo scopo di fornire una panoramica generale. Sono oggetto di miglioramento costante e per questo vengono modificate spesso. HBM declina ogni responsabilità per quanto riguarda la correttezza e/o la completezza delle descrizioni. Ci riserviamo il diritto di effettuare modifiche alle caratteristiche e/o alle descrizioni in qualsiasi momento e senza preavviso.

 

Servizi per Prove su PCB
La HBM supporta da molti anni i produttori di PCB eseguendo prove meccaniche sulle schede per circuiti stampati utilizzando gli estensimetri.
Estensimetri
Estensimetri (ER) HBM per tutti i generi di applicazione: analisi sperimentale delle sollecitazioni, prove di durevolezza, costruzione di trasduttori
RF9 – Rosetta in miniatura
Grazie alle sue dimensioni ridotte, la rosetta di estensimetri RF9 è particolarmente adatta alle misurazioni su schede a circuito stampato.
Test PCB con estensimetri
Questo seminario di 2 giorni vi insegnerà come installare gli estensimetri sui circuiti stampati in conformità con la norma JPC/JEDEC-9704A.
Contatti Prego, contattateci se desiderate conoscere cosa può offrirvi la HBM.