如何測量印刷電路板應變率

1. 為何要進行PCB應變測量

在現代社會中，電子設備充斥著我們的生活，包括汽車、計算機、智能手機、飛機等。在這些產品中，都集成了印刷電路板（PCB）。可靠的產品設計依賴於印刷電路板整體電氣系統的可靠性。

印刷電路板不僅在其製造過程中受到機械和熱衝擊，而且在運輸和工作期間同樣如此(包括變形、誤用、振動、衝擊、熱膨脹等)。

在 PCB 製造過程中，可能會出現下列故障和應力：

安裝連接器、動力導軌、冷卻板、接觸銷、焊料端子或電池夾導致的彎曲應變

表面安裝裝置（SMD）、表面安裝技術（SMT）和鑽孔孔裝置（THD）和通孔（THT）和銷孔（PIH）裝配過程中導致的斷裂

球柵陣列（BGA）焊接點的應力裂紋及脫落

分離過程中的瞬時應變峰值（分離過程中臨界應變/剪切應變的測定）

殼體中由於壓裝、螺釘擰緊或封裝過程而產生的機械應力（應變）

SMD電容器由於高彎曲應力導致在其他工序中斷裂

在ICT測試中施加太多力的測試探針

在運輸和運營過程中，下列影響可能導致故障:

機械載荷（靜態）

振動與衝擊（動態）

熱膨脹引起的熱效應（外殼、散熱器、印刷電路板和電子元件的α值不同）

所有這些效應都會導致元件的完全失效。如果檢測到PCB的系統性故障太晚，所產生的成本將是巨大的，圖中顯示，每個缺陷單元的成本將會放大10倍。

2. PCB 測試的擴展要求和國際標準

在開發的早期階段檢測系統故障是非常必要的，OEM 製造商已經越來越多地開始要求供應商檢查 PCB 機械質量。

由於以下原因，過去幾年 PCB 測試一直在增加:

使用無鉛焊料（RoHS，歐盟準則），其對機械載荷更敏感，且容易斷裂（撓曲引起的損傷）。

更緊湊的結構元件，如球柵陣列（BGA）替代表面安裝器件（SMD）

較硬的接觸件導致較高的機械張力。

國際協會，如IPC（協會連接電子工業）和JEDEC（聯合電子設備工程委員會）- 已經建立標準，說明在何處，如何以及如何在PCB上進行應變測量。

許多公司已經建立了自己的測試程序，包括於 PCB 的測試場景，儘可能覆蓋所有可能出現的狀況。

3. 如何測量 PCB 上的應變

有限元分析方法是基於數學模型的方法，因此這種模擬方法在很多方面受到限制。因此，至少需要額外 PCB 的物理測試來測試實際應變行為。

其他測試方法，如CTS和X射線，不足以檢查機械衝擊的影響，並且，最重要的是，這類方法極為昂貴。

因此，採用應變片測試非常精確可靠，是目前最精準的測試方法。但 PCB 尺寸通常很小，面臨的挑戰是在有限的空間內安裝應變片。

HBM 提供超過2000種不同應變片，以及一些專門用於 PCB 測試的應變片。

RF91 微型三柵應變花非常適合用於 PCB 測試，尤其適合未知應變方向的測試。

RF91 有兩種不同的版本:

預製電纜

集成焊盤

它的直徑只有5mm，因此可以很容易地安裝在PCB上。其他應變片，如RY31-3／120（直徑6.9mm），也可用於PCB測試。

HBM RF91 微型應變花關鍵特性

直徑僅 5mm

電阻 120 ?

可立即交貨

未知應力方嚮應力測量

三層測量柵絲

奧氏體和鐵素體鋼及鋁的溫度補償

預製引線（0.5米）或帶焊盤兩種規格

可採用兩線，三線或 HBM 專有四線配置

4. 在什麼位置測量 PCB 應變

PCB 張力狀態大多是未知的和機械複雜的。應變會導致 PCB 板的變形，並且變形不遵循梁變形或扭轉的軸等經典模型。

此外，PCB 一般包含許多單一部件，以不同的方式焊接或連接到PCB上。這意味著PCB在材料應力性能方面是非常不均勻的。

因此，檢查 PCB 的每個區段很多情況下是也不可能的。因此，PCB 的測試一般在故障風險特別高的區域，例如：

邊角

如果固定的話，邊角一般處於機械臨界狀態。

剛性區域（例如接近電容器的區域）

越大的部件會導致 PCB 剛度增加。

接近互連的區域（焊點失效）

焊點在屈服強度方面是非常薄弱的。

5. 如何安裝 RF91 應變花

第一步，需要對 PCB 表面進行準備。PCB 表面需要平坦均勻，並去除電子元件。並且要去除 PCB 表面的油漆層。 （注意：部件的去除影響PCB的剛度）

在下一步驟中，需要對 PCB 表面進行清洗！

不要使用腐蝕性溶劑。這樣的溶劑會導致 PCB 產生張力。

在應變片安裝位置使用 HBM Z70 冷固化膠

黏貼 RF91 應變花到制定區域

使用特氟龍紙確保僅有應變片和 PCB 粘合

施加輕微壓力一分鐘，使 PCB 和應變片粘合

如圖所示，去掉特氟龍紙。

黏貼前 PCB 板清洗

安裝後特氟龍紙分離

安裝應變消除裝置，例如

在電纜上直接消除應變

採用焊盤消除應變

最後檢查應變的安裝質量(電阻和隔離).

1. 測量電纜應力消除

2. 通過焊盤進行應變消除

連接 RF91 微型應變花到 QuantumX MX1615B

QuantumX MX1615B 是 HBM 專門用於應變測量的數據採集系統

採用推入式插頭連接到測量模塊上。

RF91 是一個三柵應變花，採用四分之一橋路連接。也就是說，連接 RF91 需要三個通道。

QuantumX MX1615B 關鍵特性

連接橋路輸入, PT100/RTD, 電壓, 電位計等，16個通道，24 bit A/D 轉化

直流或載頻技術，抗干擾

內置 120 和 350 ? 四分之一橋路補償電阻

應變全橋6線技術

應變半橋5線技術

四分之一橋 三線或四線技術

20kS/s 採樣率, 3kHz 帶寬

電隔離（通道到通道，供電，網路）

6. 如何使用 catman AP 進行應變測試

採用 catman AP 進行 PCB 板應變測量非常方便。快速，數據可視化是其強項。並可採用觸發和特殊時間節點進行數據記錄。

連接 RF91 應變花，通過軟體可計算出最大和最小主應變和相應的角

度。

應力

catman 最新版本還支持應變率測量 (應變和時間關係).

以下為應變測量的步驟

現在，需要設置應變片特性。使用 HBM 應變片包裝上的 K 係數來設置。輸入激勵電壓、橋式因數和測量範圍等。另外，如果你考慮材料溫度波動特性，請使用溫度補償多項式。

設置名字並點擊 『Apply changes』

現在，我們必須設置應變花計算通道。因此需要創建一個新的通道並設置。

在A、B、C中添加所有三個通道，並定義材料特性和橫向靈敏度以及選擇合適的應變花類型（0/45或60/120）

選擇相關應變（主應變、剪應變）。

最後點擊 『創建計算』 ，計算通道將顯示在通道列表中。

Zeroed strain channels appear.

Select all channels and zero the offset of the strain channels of the rosette.

點擊「創建新的感測器」並激活「更新感測器資料庫」，保存參數。

設置採樣率，並在開始測量之前正確設置過濾。

打開 catman 軟體檢查應變通道，綠燈表示通道正常可進行測量。在案例中，三柵應變花有三個通道 1, 2, 3.

使用感測器資料庫對通道進行設置。並將 3線 120 歐姆條目拖拽到所有三個通道上。

應變率通道將顯示在 『計算通道』 列表中。

到 『可視化』 界面，配置您自己的 GUI

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