Como medir a taxa de deformação em placas de circuito impresso (PCB's)

1. Por que executar a medição de deformação de PCB?

No decorrer de nosso dia a dia, cada um de nós tem que depositar confiança em componentes eletrônicos integrados em carros, smartphones, aviões e inúmeros outros dispositivos, de acordo com sua confiabilidade. Em muitos destes produtos, placas de circuito impresso (PCBs) são integradas. A confiabilidade da eletrônica complexa e dos sistemas elétricos em geral é resultado de projetos experientes e testes intensivos.

As PCBs são expostas a impactos mecânicos e térmicos não apenas durante o processo de fabricação, mas também durante seu transporte e operação (por exemplo, deformação, uso indevido, vibração, choque, exposição térmica).

  Durante a fabricação de PCBs, as seguintes falhas e tensões podem ocorrer:

  • Flexão de tensão durante instalação de conectores, trilhos de alimentação, placas de resfriamento, pinos de contato, terminações de solda ou suportes de bateria
  • Quebra durante a montagem de componentes SMD (surface-mounted device), SMT (surface-mounted technology), through-hole device (THD), through the hole (THT) e pin in hole (PIH)
  • Trincas por deformação e desalojamento de pontos de solda em (BGA)
  • Picos de tensão transitórios durante a separação (determinação de deformações críticas / deformações de cisalhamento durante a separação)
  • Tensão mecânica elevada (deformação) que ocorre devido a encaixe por pressão, aperto de parafuso ou processos de encapsulação em caixas
  • Capacitores SMD quebrados devido ao alto estresse de flexão em outras etapas do processo
  • Pontas de teste aplicadas com muita força durante o teste ICT

Durante o transporte e operação, os seguintes impactos podem levar a falhas:

  • Carga mecânica (estática)
  • Vibração e choque (dinâmico)

Efeitos térmicos que resultam em rachaduras causadas pela expansão térmica (diferentes valores α da caixa, dissipador de calor, placa de circuito impresso e componentes eletrônicos)

Todos estes efeitos podem levar à falha completa dos componentes. Se uma falha sistemática de um PCB for detectada tarde demais, o custo incorrido seria enorme, aumentando de acordo com o atraso na detecção da falha. A regra de 10 mostra que quanto mais tarde uma falha sistemática de um novo produto é detectada, os custos por unidade de defeito multiplicam-se pelo fator de 10.

2. Requisitos estendidos e padrões internacionais para testes de PCB

Baseado no fato de que a detecção de falhas sistemáticas em um estágio inicial de desenvolvimento é absolutamente essencial, os fabricantes OEM começaram a pedir cada vez mais aos seus fornecedores para verificar a qualidade mecânica dos PCBs.

A utilização de PCB aumentou nos últimos anos devido às seguintes razões:

  • Uso de solda sem chumbo (conformidade com RoHS, diretriz da UE) que é mais sensível em relação à carga mecânica e tende a rachar mais cedo (dano induzido por flexão)
  • Elementos de construção mais compactos, como Ball Grid Arrays (BGA) em vez de dispositivos montados em superfície (SMD)
  • Contatos mais rígidos que levam a maior tensão mecânica

Associações internacionais como a IPC (Association Connecting Electronics Industries) e a JEDEC (Conselho Conjunto de Engenharia de Dispositivos Elétricos) - 9704 foram estabelecidas, e estas fornecem diretrizes descrevendo onde, como e com que critérios as medidas de deformação em PCBs devem ser realizadas.

Muitas empresas criaram seus próprios procedimentos de teste para garantir a condução de todas as etapas de manuseio durante a montagem e desenvolveram cenários de teste para testes de PCBs para cobrir todos os casos relevantes.

3. Como medir a deformação em PCBs

Os métodos de simulação numérica, como o FEA, são limitados em seu escopo, pois são baseados em abordagens de modelos matemáticos. Portanto, testes físicos em PCBs reais são, pelo menos, adicionalmente necessários para testar o comportamento real de deformação da placa.

Outros métodos de teste, como CTs e raios-X, não são suficientemente adequados para verificar a influência do impacto mecânico e, além disso, são métodos caros de empregar. Valores de tensão são os únicos valores confiáveis para medir a deformação mecânica de PCBs.

Portanto, os strain gauges elétricos são designados para medir a deformação das PCBs em um grau extremamente preciso. As PCBs são geralmente pequenas em tamanho, e o desafio é instalar strain gauges no espaço limitado disponível.

A HBM oferece mais de 2.000 strain gauges diferentes para aplicações especiais, juntamente com alguns strain gauges especializados para medição de deformação em PCB.

roseta miniatura RF91 com três gradespor exemplo, é um excelente produto para medir a tensão em componentes em miniatura. Está disponível em diferentes variantes. Rosetas de três grades são usadas para aplicações de medição de deformação de PCB, já que a direção da deformação principal é desconhecida.

O RF91 está disponível em duas versões diferentes:

  • Pré-cabeado
  • Com terminais de solda integrados

Tem apenas 5 mm de diâmetro e pode, portanto, ser facilmente montado em PCBs. Outros strain gauges, como RY31-3/120 (diâmetro de 6,9 mm ), também podem ser usados para testes de PCB.

Fatos importantes sobre a roseta miniatura HBM RF91

  • Apenas 5 mm de diâmetro para aplicações em miniatura
  • Resistência de 120 Ω
  • Entregue ex estoque
  • Medição do estado de tensão de dois eixos quando a direção da tensão principal é desconhecida
  • 3 Grades de medição sobrepostas
  • Compensação de temperatura de aço e alumínio austeníticos para ferríticos
  • Prewired (0.5m) ou com terminais de solda
  • Não há solda no strain gauge
  • Para dois, três e até configuração patenteada a quatro fios da HBM, utilizáveis
  • Cores diferentes de fio de cobre com isolamento de tinta

4. Onde medir a tensão nas PCBs

O status de tensão nas PCBs é praticamente desconhecido e mecanicamente complexo. Situações de tensão resultam na deformação de uma placa. A deformação da placa não segue os modelos clássicos de deformação de uma viga ou torção de um eixo, que são descritos com bastante precisão por eletrostática linear.

Além disso, é necessário considerar que uma PCB montada contém muitos componentes individuais que são soldados ou conectados de diferentes maneiras à PCB. Isso significa que uma PCB é bastante heterogênea em suas propriedades materiais.

Não é útil nem possível com relação a custo e tempo para verificar cada seção de uma PCB de acordo com as propriedades de tensão e comportamento.

Portanto, as medições em PCBs são definidas em áreas onde o risco de falha é estimado como sendo especialmente alto, como:

  • Cantos

Os cantos podem ser mecanicamente críticos se forem fixados.

  • Regiões rígidas da placa (por exemplo, aquelas próximas a capacitores)

Grandes elementos levam ao aumento da rigidez da PCB.

  • Regiões próximas a interconexões (falhas de juntas de solda)

Pontos de solda são pontos fracos em termos de força de rendimento.

5. Como instalar a roseta miniatura RF91 em PCBs (guia rápido)

  • Na primeira etapa, a PCB precisa estar preparada para a instalação de um strain gauge. Portanto, uma superfície uniforme é necessária. Dependendo do local em que o strain gauge precisa ser posicionado, é necessária uma desmontagem da PCB. Por remoção de elementos eletrônicos e usando uma fresa, a superfície pode ser preparada.A fresagem da superfície é necessária para remover a camada de tinta na PCB. (Atenção: A remoção de componentes influencia a rigidez da PCB.)
  • Na próxima etapa, a superfície da PCB precisa ser limpa. Limpar antes de ligar os strain gauges é uma necessidade inevitável!
  • Não use solventes agressivos.Tais solventes podem causar tensão no material da PCB.
  • Use uma gota de cola de cura a frio HBMs Z70 para molhar a área designada para o strain gauge.
  • Fixe a roseta RF91 na área designada.
  • Use um papel Teflon para garantir que apenas o strain gauge e a PCB estejam ligados.
  • Aplique uma leve e homogênea pressão na roseta para uni-la ao PCB por cerca de um minuto.
  • Retire o papel de Teflon depois como mostrado.

 

  • Instale o aliviador de tensão no fio de medição. É absolutamente essencial garantir que o strain gage seja desacoplado do próprio cabo. Diferentes opções podem ser usadas para definir um aliviador de tensão.
    1. Alívio de tensão diretamente no cabo de medição
    2. Alívio de tensão através de terminais de solda
       
  • Finalmente, verifique a qualidade da instalação do strain gauge (resistência e isolamento).

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  • Seminários específicos do cliente

    Torne-se um profissional em testes de PCB (certificação DIN)

Como conectar a roseta miniatura RF91 ao QuantumX MX1615B

  • Nesta configuração, um QuantumX MX1615B é um sistema DAQ pronto para uso da HBM, especializado em aplicações de strain gauges
  • O conector push-in pode ser facilmente usado para conectar rapidamente os fios ao módulo.
  • A RF91 é uma roseta de três grades sobrepostas. Para cada grade, um canal de um quarto de ponte é necessário. No total, são necessários três canais para realizar a medição com a roseta RF91.

Principais fatos sobre o QuantumX MX1615B

  • Entrada de ponte, PT100 / RTD, tensão, potenciômetro selecionável para cada um dos 16 ADCs individuais de 24 bits
  • Excitação DC ou por frequência portadora (CF) para máxima supressão de ruído
  • Resistência interna da ponte de 120 e 350 Ω
  • Tecnologia de seis fios para ponte completa
  • Tecnologia de cinco fios para meia ponte
  • Tecnologia de três e quatro fios para strain gauges em quarto de ponte
  • Datarate de 20kS/s, largura de banda de 3kHz
  • Galvanicamente isolado (canal para canal, para fonte, para rede)

6. Como configurar uma medida de deformação (taxa) no catman AP

  • Com o software DAQ catman AP da HBM, é fácil configurar uma medida de deformação da PCB. Uma visualização rápida e fácil dos dados é uma das forças do A gravação de dados pode ser realizada de forma diferente usando trigger ou pontos de tempo especiais.
  • As três grades de medição da roseta RF91 permitem o cálculo da deformação principal máxima e mínima (taxas) e os ângulos correspondentes.
  • As versões mais recentes do catman também suportam a medição da taxa de deformação (a deformação é derivada do tempo).
  • Nas próximas etapas, a maneira de configurar uma medida de taxa de deformação no catman é mostrada.

Fatos importantes sobre o software DAQ catman AP

  • Software de aquisição e análise de dados
  • Resultados de medição fáceis e rápidos
  • Procedimentos de teste automatizados
  • Teste de durabilidade (análise rainflow)
  • Modular, gratuito, escalável em relação aos canais
  • Em tempo real e pós-processamento
  • Matemática para cálculo de rosetas
  • Geração de relatório
  • Exportação de dados
  • Medição de tensão e de taxa deformação
  • Abra o software catman e verifique o canal relevante do strain gauge. As luzes verdes indicam que o canal foi detectado e está pronto para medição. Neste exemplo, as três grades da roseta estão conectadas aos canais 1, 2, 3.
  • Use o banco de dados de sensores para atribuir os canais ao aplicativo do sensor. Neste caso, arraste e solte o strain gauge de 3 fios de 120 Ω em para cada um dos três canais de deformação ativos.

Agora, as especificações do sensor precisam ser definidas. Defina os parâmetros corretos usando o fator-k exibido na folha de dados de cada pacote de strain gage da HBM. Digite a tensão de excitação, o fator de ponte e a faixa de medição. Além disso, certifique-se de observar o polinômio de compensação de temperatura, se desejar considerar corretamente as propriedades de flutuação de temperatura do material corretamente.

  • Defina a taxa de amostragem (clássica ou decimal) e os filtros corretamente antes de iniciar as medições.
  • Clique em ‘Create new sensor’ e ative a opção ‘Update in sensor data base’ para gravar seus parâmetros no banco de dados.
  • Selecione todos os canais e zere o offset dos canais de deformação da roseta.
  • Canais de deformação zerados aparecem.

  • Agora, temos que configurar o canal de cálculo da roseta. Um novo canal precisa ser criado, e o catman torna fácil para o usuário criar diferentes configurações para cálculos de roseta.
  • Adicione todos os três canais em a, b, c e defina as propriedades do material e a sensibilidade transversal dos sensores. Escolha o tipo de roseta correta (0/45 ou 60/120 para as três grades da roseta).

  • Selecione as tensões relevantes (tensão principal, tensão de cisalhamento).

  • Clique em "Criar cálculo". Os canais calculados aparecem na lista de canais agora.
  • Defina um nome e clique em "Aplicar alterações"
  • Os canais de taxa de deformação aparecerão na lista 'canal de computação' no final agora
  • Vá para "Visualização" e configure sua própria GUI

7. Glossário

  • BGA : Ball Grid Array
  • FEA : análise de elementos finitos
  • ICT : Teste In-Circuit
  • JEDEC : Conselho Conjunto de Engenharia de Dispositivos Elétricos
  • PCB : placa de circuito impresso
  • SMT : tecnologia de montagem em superfície

 

Aviso Legal : Os artigos técnicos são projetados para fornecer uma visão geral rápida. Eles são continuamente aprimorados e, portanto, mudam frequentemente. A HBM não assume nenhuma responsabilidade pela exatidão e/ou integralidade das descrições. Reservamo-nos o direito de fazer alterações nos recursos e/ou na descrição a qualquer momento, sem aviso prévio.

Roseta Miniatura RF9
Devido a seu tamanho reduzido, a roseta RF9 é especialmente indicada para medições de deformações em PCB’s (placas de circuito impresso).
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