Medição de deformação e taxa de deformação em placas de circuito impresso

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.

Conteúdo

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. A roseta miniatura RF91 com três grades, por 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 e 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

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

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PCB Test Kit Key Facts:

Portable and compact case includes all materials
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4. Onde medir a deformação 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 estática mecânica 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 em miniatura RF91 em PCBs

1. Preparação de uma PCB para a instalação

Primeiro, a placa de circuito impresso deve estar preparada para a instalação de um extensômetro. Este vídeo mostra as etapas necessárias.

2. Colagem de uma roseta RF91 a uma PCB

Este vídeo ilustra como uma roseta é colada a uma placa de circuito usando o adesivo de cura rápida Z70.

3. Aquisição de dados com uma PCB

Por fim, a implementação será ilustrada por meio de uma placa de circuito impresso usando o QuantumX MX1615B e o software de medição catman.

Amplificadores de medição QuantumX

O QuantumX é um sistema de aquisição de dados modular, escalável e livremente distribuível da HBM para fins de medição e teste, permitindo uma inovação mais rápida. Todos os módulos oferecem uma interface Ethernet e podem ser combinados livremente entre si. Todos os canais funcionam completamente sincronizados em tempo - módulo para módulo com <1 µs.

Cada canal pode ser parametrizado individualmente via software, suportando o seguinte:

Strain gauges em ponte completa, meia ou quarto de ponte (120 ou 350 Ω)
Tensão padrão, PT100, resistor, potenciômetro
Taxas de amostragem individuais de até 20kS/s por canal, filtro passa-baixo ativo

QuantumX MX1615B

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:

Vá para "Visualização" e configure sua própria GUI

1. 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.

2. 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).

3. Clique em "Criar cálculo". Os canais calculados aparecem na lista de canais agora.

4. Defina um nome e clique em "Aplicar alterações"

5. Os canais de taxa de deformação aparecerão na lista 'canal de computação' no final agora

1. 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.

2. 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.

3. Selecione todos os canais e zere o offset dos canais de deformação da roseta. Canais de deformação zerados aparecem.

1. 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.

catman channel settings

2. 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.

Assigning sensors to channels in catman

catman®AP Software

O catman®AP da HBM é um poderoso pacote de software para aquisição e análise de dados baseados em PC. Graças a uma interface de usuário intuitiva, você está a apenas alguns cliques de iniciar sua medição. Simplesmente configure o amplificador usando o TEDS, a folha de dados eletrônica do transdutor ou o banco de dados extensível do sensor - e o teste pode começar.

Muitas opções para análise gráfica de dados e opções versáteis de exportação tornam o catman®AP uma ferramenta confiável e indispensável para todos os técnicos de medição.

catman AP

Fatos importantes sobre o software DAQ catman®AP:

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 e exportação de dados
Medição de tensão e de taxa deformação

7. Análise de dados no catman®

O objetivo da análise é verificar se os dados medidos atendem aos critérios aceitáveis para a deformação de PCB. O diagrama a seguir ilustra as linhas de contorno em função da taxa de deformação e da espessura da placa de acordo com IPC / JEDEC-9704A (2012).

A ideia é que a tensão principal máxima (eixo Y) não exceda um determinado valor. Com o aumento da espessura do PCB, são aceitas tensões principais mais altas. Além disso, outro critério precisa ser considerado - a taxa de deformação. Isso significa que a vida útil de uma PCB é afetada não apenas pelo valor puro da tensão principal máxima, mas também pela velocidade de alteração da tensão (impulso). Mudanças rápidas no material geralmente resultam em microfissuras anteriores e danos ao material.

1. Finalmente visualize as funções computadas. Arraste e solte o cálculo de "Limites" no gráfico exibido. Em seguida, arraste e solte o cálculo do "x_channel" nos limites nas explicações do gráfico e use-o como eixo x

2. O gráfico resultante parece ser o seguinte:

De acordo com a IPC/JEDEC-9704 Printed Wiring Board Strain Gage Test Guideline, a tensão medida está dentro da gama de tensão aceitável. O PCB testado não é, portanto, danificado durante o processo de fabrico.

1. Para visualizar a linha limite, defina a seguinte função de série de dados (de acordo com IPC / JEDEC-9704).

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

e x como função.

1. Agora, mude para o painel 'Visualization'. Crie um gráfico arrastando e soltando os dados de teste do gauge 1 para a superfície vazia.

2. Em seguida, escolha a taxa de deformação correspondente 1 e arraste-a para o indicador de texto 1 [01] nas explicações do gráfico. Use a taxa de deformação 1 como eixo x.

3. O gráfico a seguir será exibido:

4. Como essa não é a forma desejada do gráfico, configure o gráfico da seguinte forma (estilo pontilhado).

5. Ajuste o eixo x escolhendo uma escala logarítmica manual.

1. Para analisar os dados de teste, abra um novo projeto "Analisar" no catman®.

2. Pesquise os dados do teste e arraste e solte-os na coluna do lado direito.

8. Glossário

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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