인쇄회로기판(PCB)의 변형 및 변형률 측정

1. PCB 변형률을 측정하는 이유

일상생활에서 우리 각자는 자동차, 스마트폰, 비행기 및 수 많은 전자 부품을 사용합니다. 이러한 많은 제품에는 인쇄회로기판(PCB)이 필수적인 요소 입니다. 복합적 전자제품 및 전체 전기 시스템의 신뢰도는 경험 기반의 설계 및 집중적인 시험의 결과입니다.

PCB는 제조 과정뿐 아니라 운송 및 작동 과정의 기계 및 열 충격(예: 변형, 남용, 진동, 충격, 열 노출)에 노출됩니다

PCB의 제조 과정에서 다음 고장 및 응력이 발생할 수 있습니다.

  • 커넥터, 파워 레일, 냉각 플레이트, 접촉 핀, 납땜 터미네이션 또는 배터리 홀더 설치 중 휨 응력
  • 표면 실장 소자(SMD), 표면 실장 기술(SMT), 삽입 실장 소자(THD), 삽입 실장형(THT) 및 핀인홀(PIH) 피팅의 실장 중 파손
  • 볼 그리드 배열(BGA)이 있는 납땜 포인트의 제거 및 응력 균열
  • 분리 시 일시적인 응력 피크(분리 시 임계 변형/전단 변형의 결정)
  • 압입, 나사 조임 또는 하우징 내 캡슐화 처리로 인해 발생하는 기계적 응력(변형) 증가
  • 다른 처리 단계에서 높은 휨 응력으로 인한 SMD 커패시터 파손
  • ICT 시험 중 시험봉에 너무 많은 힘이 인가됨

운송 및 작동 과정에서 다음 충격으로 인해 고장이 발생할 수 있습니다.

 

  • 기계적 부하(정적)
  • 진동 및 충격(동적)
  • 열팽창으로 야기된 균열을 초래하는 열적 효과(하우징의 상이한 α 값, 히트 싱크, 인쇄회로기판, 전자적 구성요소)

이러한 모든 효과는 구성요소의 완전한 고장을 야기할 수 있습니다. PCB의 계통 고장이 너무 늦게 감지될 경우, 발생되는 비용이 막대하며 고장의 감지 지연에 따라 증가됩니다. 10의 규칙(rule of 10)은 새 제품의 계통 고장이 나중에 감지될 경우 결함 장치당 비용이 10의 팩터로 크게 증가하는 것을 보여줍니다.

 

2. PCB 시험의 확대 요건 및 국제적 기준

개발 초기 단계에서 계통 고장의 감지가 절대적으로 중요하다는 사실에 근거하여 PCB의 기계적 품질 점검을 공급업체에 요청하는 OEM 제조업체가 증가하기 시작했습니다.

다음과 같은 이유로 과거 수년간 PCB의 이용이 증가했습니다.

  • 기계적 부하와 관련하여 더 민감하고 더 빨리 균열(변형 유도 파손)이 발생하는 무연납(RoHS 준수, EU 지침)의 사용
  • 표면 실장 소자(SMD) 대신에 볼 그리드 배열(BGA)과 같은 소형 구성 요소
  • 더 높은 기계적 인장을 야기하는 접촉 강성화

IPC(국제전자산업표준협회)와 JEDEC(합동전자장치엔지니어링협회) – 9704와 같은 국제 협회가 설립되었으며, 이들 협회에서PCB 변형률 측정 수행의 위치, 방법 및 수단에 대한 지침을 제공합니다.

많은 기업들이 조립 시 모든 수동 처리 단계의 실시를 위한 자체 시험 절차를 만들고 관련된 모든 경우를 처리하기 위해 PCB 시험의 시험 계획을 수립했습니다.

 

3. PCB의 변형률 측정 방법

FEA와 같은 수치 시뮬레이션 방법은 수학적 모델 접근법에 기초하기 때문에 범위가 제한적입니다. 따라서, 보드의 실제 변형 거동을 시험하기 위해 적어도 실제 PCB의 물리적 시험이 추가적으로 필요합니다.

CT 및 X선과 같은 기타 시험 방법은 기계적 충격의 영향을 점검하는 데 충분히 적합하지 않을 뿐 아니라 이용 비용이 많이 듭니다. 변형률 값은 PCB의 기계적 변형을 측정하기 위한 유일한 신뢰 값입니다.

따라서, 전기 스트레인 게이지는 매우 정확하게 PCB의 변형을 측정하도록 지정됩니다. 일반적으로 PCB는 크기가 작기 때문에 스트레인 게이지를 이용 가능한 제한된 공간에 설치하는 것은 매우 힘듭니다.

HBM은, PCB 변형률 측정을 위한 특수 스트레인 게이지와 함께, 2000개가 넘는 특별한 용도의 다양한 스트레인 게이지를 제공합니다.

 

예를 들어 RF91 소형 로젯 게이지경우 소형 구성요소의 변형률을 측정하기 위한 우수한 제품입니다. 이 제품은 여러 버전으로 제공됩니다. 3중 그리드 로제트는 주된 응력의 방향이 알려지지 않았기 때문에 PCB 변형률 측정 응용에 사용됩니다.

RF91은 다음 두 가지 버전으로 제공됩니다.

 

  • Prewired
  • With integrated solder pads

직경이 5mm에 불과하여 PCB 실장이 용이합니다. RY31-3/120(직경 6.9mm)와 같은 다른 스트레인 게이지도 PCB 시험에 사용할 수 있습니다.

HBM RF91 로제트 게이지에 관한 중요 사항

  • 직경 5mm로 소형 어플리케이션에 적합
  • 저항 120Ω
  • 주된 응력의 방향이 알려지지 않았을 때 2축 인장 상태 측정
  • 3단 측정 그리드
  • 알루미늄뿐 아니라 오스테나이트 페라이트계 강의 온도 보상
  • 사전 배선(0.5m) 또는 납땜 패드형
  • 스트레인 게이지 납땜 없음
  • 2선, 3선 및 특허받은 HBM 4선 구성 사용 가능
     

4. PCB의 변형률 측정 위치

PCB의 인장 상태는 대체로 알려지지 않았으며 기계적으로 복잡합니다. 응력 상황으로 인해 레이트의 변형이 야기됩니다. 플레이트 변형은 선형 정전기학으로 상당히 정확히 설명되는 빔 변형이나 샤프트 비틀림의 전형적 모델을 따르지 않습니다.

게다가 조립된 PCB는 PCB에 다양한 방식으로 납땜처리되거나 연결되는 단일 구성요소를 많이 포함하고 있다는 점이 고려되어야 합니다. 즉, PCB는 소재 특성상 여러 다른 종류로 이루어집니다.

변형 특성 및 거동에 따라 PCB의 모든 단면을 점검하는 것은 시간과 비용 면에서 유용하지도 않고 가능하지도 않습니다.

따라서, PCB의 측정은 다음과 같이 고장 위험이 특히 높을 것으로 예상되는 곳에 설정됩니다.

 

  • 모서리(Corners)

고정된 경우 모서리는 기계적으로 매우 중요할 수 있습니다.

  • 보드의 강성 부위(Stiff regions of the board)

요소가 클 경우 PCB의 강성이 증가합니다.

  • 상호연결부에 가까운 부위(Regions close to interconnects)

납땜 지점은 수득 강도(Yield strength) 면에 취약합니다.

 

5. PCB의 RF91 소형 로제트 설치 방법(속성 안내)

  • 먼저, 포일 스트레인 게이지의 설치를 위해 PCB를 준비해야 합니다. 따라서, 평판 표면이 필요합니다. 포일 스트레인 게이지를 배치해야 하는 위치에 따라 PCB의 분해가 필요합니다. 전자 소자의 땜납을 제거하고 밀링 커터를 사용하여 표면을 준비할 수 있습니다. PCB의 페인트층을 제거하기 위해 표면을 밀링해야 합니다.  (주의: 구성요소의 제거는 PCB의 강성에 영향을 미칩니다.)
  • 다음으로, PCB 표면을 청소해야 합니다. 스트레인 게이지의 본딩 전에 반드시 청소해야 합니다.
  • 강력한 용제를 사용하지 마십시오. 그러한 용제는 PCB 소재에 인장을 야기할 수 있습니다.
  • HBM Z70 냉각 경화 본드 한 방울을 떨어뜨려 스트레인 게이지의 지정 부위에 도포합니다.
  • 지정된 부위에 RF91 로제트를 부착합니다.
  • 테플론 용지를 사용하여 스트레인 게이지와 PCB만이 본딩되도록 합니다.
  • PCB에 본딩되도록 약 1분 동안 로제트에 약간의 동일한 압력을 가합니다.
  • 표시된 바와 같이 나중에 테플론 용지를 제거합니다.

 

  • Install strain relief on the measurement wire. It is absolutely essential to ensure that the strain gauge is uncoupled from the cable itself. Different options can be used to set a strain relief.
    1. Strain relief directly on the measurement cable
    2. Strain relief through solder pads
       
  • Finally, check the quality of strain gauge installation (resistance and isolation).

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How to connect RF91 miniature rosette to QuantumX MX1615B

  • In this setup, a QuantumX MX1615B is an off-the shelf DAQ system of HBM, specialized for strain gauges applications
  • The push-in connector can be easily used to quickly connect wires to the module.
  • The RF91 is a three-stacked grid rosette. For each grid, one quarter bridge channel is required. In total, three channels are required to perform measurement with RF91 rosette.

Key facts about QuantumX MX1615B

  • Bridge input, PT100/RTD, voltage, potentiometer selectable for each of the 16 individual 24 bit ADCs
  • DC or carrier frequency (CF) for maximum noise suppression
  • Internal 120 and 350 Ω quarter bridge completion resistor
  • Six-wire technology for full bridge
  • Five- wire technology for half bridge
  • Three- and four-wire technology for strain gauge quarter bridges
  • 20kS/s datarate, 3kHz bandwidth
  • Galvanically isolated (channel to channel, to supply, to network)

6. How to set up a strain (rate) measurement in catman AP

  • With the HBM DAQ software catman AP, it is easy to set up a PCB board strain measurement. A quick and easy visualization of data is one of the strengths of catman. Data recording can be performed differently using trigger or special time points.
  • The three measurement grids of the RF91 rosette allow the calculation of maximum and minimum principal strain (rates) and the corresponding angles.
  • The latest versions of catman also support strain rate measurement (the strain is derived from the time).
  • In the next steps, the way to set up a strain rate measurement in catman is shown.

 

Key facts about catman AP DAQ Software

  • Data acquisition and analysis software
  • Easy and quick measurement results
  • Automated test procedures
  • Durability testing (rainflow analysis)
  • Modular, free, scalable regarding channels
  • Real-time and post-processing
  • Maths for rosettes calculation
  • Report generation
  • Export of data
  • Strain and strain rate measurement
  • Open the catman Software and check the relevant channel of the strain gauge. The green lights indicate that the channel is detected and is ready for measurement. In this example, the three grids of the rosette are connected with Channels 1, 2, 3.
  • Use the sensor database to assign the channels to the sensor application. In this case, drag and drop the 3 wire 120 Ω strain gauge to each of the three active strain channels.

Now, the sensor specifications need to be set. Set the correct parameters by using the k-factor displayed on the datasheet of each HBM strain gauge package. Enter the excitation voltage, the bridge factor, and the measurement range. Also, ensure that you look at the temperature compensation polynomial if you want to correctly consider the temperature fluctuation material properties correctly.

  • Set the sample rate (classic or decimal) and filters correctly before beginning measurements.
  • Click on ‘Create new sensor’ and activate ‘Update in sensor data base’ to save your parameters in the database.
  • Select all channels and zero the offset of the strain channels of the rosette.
  • Zeroed strain channels appear.

  • Now, we have to set up the rosette calculation channel. A new channel needs to be created, and catman makes it easy for the user to create different setups for rosette calculations.
  • Add all three channels in a, b, c and define the material properties and the transverse sensitivity of the gauges. Chose the right rosette type (0/45 or 60/120 for the three grid rosettes).

  • Select the relevant strains (principal strain, shear strain).

  • Click ‘Create calculation’ finally. The calculated channels appear in the channel list now.
  • Set a name and click ‘Apply changes’
  • The strain rate channels will appear in the ‘computation channel’ list at the end now
  • Go to ‘Visualization’ and configure your own GUI

7. Glossary

  • BGA: Ball Grid Array
  • FEA: Finite Element Analysis
  • ICT: In-Circuit Test
  • JEDEC: Joint Electron Device Engineering Council
  • PCB: Printed Circuit Board
  • SMT: Surface-Mounted Technology

 

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Printed circuit boards are often exposed to high mechanical and thermal loading. HBM provide PCB testing services to detect any failures.
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초소형 로제트 게이지 RF9는 전기 회로 기판 측정에 적합한 스트레인 게이지 입니다.
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