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如何測(cè)量印刷電路板應(yīng)變率
1. 為何要進(jìn)行PCB應(yīng)變測(cè)量
在現(xiàn)代社會(huì)中，電子設(shè)備充斥著我們的生活，包括汽車(chē)、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、飛機(jī)等。在這些產(chǎn)品中，都集成了印刷電路板(PCB)。可靠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)依賴于印刷電路板整體電氣系統(tǒng)的可靠性。
印刷電路板不僅在其制造過(guò)程中受到機(jī)械和熱沖擊，而且在運(yùn)輸和工作期間同樣如此(包括變形、誤用、振動(dòng)、沖擊、熱膨脹等)。
在 PCB 制造過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)下列故障和應(yīng)力：
安裝連接器、動(dòng)力導(dǎo)軌、冷卻板、接觸銷(xiāo)、焊料端子或電池夾導(dǎo)致的彎曲應(yīng)變
表面安裝裝置(SMD)、表面安裝技術(shù)(SMT)和鉆孔孔裝置(THD)和通孔(THT)和銷(xiāo)孔(PIH)裝配過(guò)程中導(dǎo)致的斷裂
球柵陣列(BGA)焊接點(diǎn)的應(yīng)力裂紋及脫落
分離過(guò)程中的瞬時(shí)應(yīng)變峰值(分離過(guò)程中臨界應(yīng)變/剪切應(yīng)變的測(cè)定)
殼體中由于壓裝、螺釘擰緊或封裝過(guò)程而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力(應(yīng)變)
SMD電容器由于高彎曲應(yīng)力導(dǎo)致在其他工序中斷裂
在ICT測(cè)試中施加太多力的測(cè)試探針
在運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，下列影響可能導(dǎo)致故障:
機(jī)械載荷(靜態(tài))
振動(dòng)與沖擊(動(dòng)態(tài))
熱膨脹引起的熱效應(yīng)(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(yīng)都會(huì)導(dǎo)致元件的完全失效。如果檢測(cè)到PCB的系統(tǒng)性故障太晚，所產(chǎn)生的成本將是巨大的，圖中顯示，每個(gè)缺陷單元的成本將會(huì)放大10倍。
2. PCB 測(cè)試的擴(kuò)展要求和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
在開(kāi)發(fā)的早期階段檢測(cè)系統(tǒng)故障是非常必要的，OEM 制造商已經(jīng)越來(lái)越多地開(kāi)始要求供應(yīng)商檢查 PCB 機(jī)械質(zhì)量。
由于以下原因，過(guò)去幾年 PCB 測(cè)試一直在增加:
使用無(wú)鉛焊料(RoHS，歐盟準(zhǔn)則)，其對(duì)機(jī)械載荷更敏感，且容易斷裂(撓曲引起的損傷)。
更緊湊的結(jié)構(gòu)元件，如球柵陣列(BGA)替代表面安裝器件(SMD)
較硬的接觸件導(dǎo)致較高的機(jī)械張力。
國(guó)際協(xié)會(huì)，如IPC(協(xié)會(huì)連接電子工業(yè))和JEDEC(聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì))- 已經(jīng)建立標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明在何處，如何以及如何在PCB上進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。
許多公司已經(jīng)建立了自己的測(cè)試程序，包括于 PCB 的測(cè)試場(chǎng)景，盡可能覆蓋所有可能出現(xiàn)的狀況。
3. 如何測(cè)量 PCB 上的應(yīng)變
有限元分析方法是基于數(shù)學(xué)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(cè)試來(lái)測(cè)試實(shí)際應(yīng)變行為。
其他測(cè)試方法，如CTS和X射線，不足以檢查機(jī)械沖擊的影響，并且，最重要的是，這類(lèi)方法極為昂貴。
因此，采用應(yīng)變片測(cè)試非常精確可靠，是目前最精準(zhǔn)的測(cè)試方法。但 PCB 尺寸通常很小，面臨的挑戰(zhàn)是在有限的空間內(nèi)安裝應(yīng)變片。
HBM 提供超過(guò)2000種不同應(yīng)變片，以及一些專(zhuān)門(mén)用于 PCB 測(cè)試的應(yīng)變片。
RF91 微型三柵應(yīng)變花 非常適合用于 PCB 測(cè)試，尤其適合未知應(yīng)變方向的測(cè)試。
RF91 有兩種不同的版本:
預(yù)制電纜
集成焊盤(pán)
它的直徑只有5mm，因此可以很容易地安裝在PCB上。其他應(yīng)變片，如RY31-3/120(直徑6.9mm)，也可用于PCB測(cè)試。
HBM RF91 微型應(yīng)變花關(guān)鍵特性
直徑僅 5mm
電阻 120 Ω
可立即交貨
未知應(yīng)力方向應(yīng)力測(cè)量
三層測(cè)量柵絲
奧氏體和鐵素體鋼及鋁的溫度補(bǔ)償
預(yù)制引線(0.5米)或帶焊盤(pán)兩種規(guī)格
可采用兩線，三線或 HBM 專(zhuān)有四線配置
4. 在什么位置測(cè)量 PCB 應(yīng)變
PCB 張力狀態(tài)大多是未知的和機(jī)械復(fù)雜的。應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致 PCB 板的變形，并且變形不遵循梁變形或扭轉(zhuǎn)的軸等經(jīng)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(yīng)力性能方面是非常不均勻的。
因此，檢查 PCB 的每個(gè)區(qū)段很多情況下是也不可能的。因此，PCB 的測(cè)試一般在故障風(fēng)險(xiǎn)特別高的區(qū)域，例如：
邊角
如果固定的話，邊角一般處于機(jī)械臨界狀態(tài)。
剛性區(qū)域(例如接近電容器的區(qū)域)
越大的部件會(huì)導(dǎo)致 PCB 剛度增加。
接近互連的區(qū)域(焊點(diǎn)失效)
焊點(diǎn)在屈服強(qiáng)度方面是非常薄弱的。
5. 如何安裝 RF91 應(yīng)變花
第一步，需要對(duì) PCB 表面進(jìn)行準(zhǔn)備。PCB 表面需要平坦均勻，并去除電子元件。并且要去除 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(duì) PCB 表面進(jìn)行清洗!
不要使用腐蝕性溶劑。這樣的溶劑會(huì)導(dǎo)致 PCB 產(chǎn)生張力。
在應(yīng)變片安裝位置使用 HBM Z70 冷固化膠
黏貼 RF91 應(yīng)變花到制定區(qū)域
使用特氟龍紙確保僅有應(yīng)變片和 PCB 粘合
施加輕微壓力一分鐘，使 PCB 和應(yīng)變片粘合
如圖所示，去掉特氟龍紙。
黏貼前 PCB 板清洗
安裝后特氟龍紙分離
安裝應(yīng)變消除裝置，例如
在電纜上直接消除應(yīng)變
采用焊盤(pán)消除應(yīng)變
最后檢查應(yīng)變的安裝質(zhì)量(電阻和隔離).
1. 測(cè)量電纜應(yīng)力消除
2. 通過(guò)焊盤(pán)進(jìn)行應(yīng)變消除
連接 RF91 微型應(yīng)變花到 QuantumX MX1615B
QuantumX MX1615B 是 HBM 專(zhuān)門(mén)用于應(yīng)變測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
采用推入式插頭連接到測(cè)量模塊上。
RF91 是一個(gè)三柵應(yīng)變花，采用四分之一橋路連接。也就是說(shuō)，連接 RF91 需要三個(gè)通道。
QuantumX MX1615B 關(guān)鍵特性
連接橋路輸入, PT100/RTD, 電壓, 電位計(jì)等，16個(gè)通道，24 bit A/D 轉(zhuǎn)化
直流或載頻技術(shù)，抗干擾
內(nèi)置 120 和 350 Ω 四分之一橋路補(bǔ)償電阻
應(yīng)變?nèi)珮?線技術(shù)
應(yīng)變半橋5線技術(shù)
四分之一橋 三線或四線技術(shù)
20kS/s 采樣率, 3kHz 帶寬
電隔離(通道到通道，供電，網(wǎng)絡(luò))
6. 如何使用 catman AP 進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試
采用 catman AP 進(jìn)行 PCB 板應(yīng)變測(cè)量非常方便。快速，數(shù)據(jù)可視化是其強(qiáng)項(xiàng)。并可采用觸發(fā)和特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。
連接 RF91 應(yīng)變花，通過(guò)軟件可計(jì)算出最大和最小主應(yīng)變和相應(yīng)的角
度。
應(yīng)力
catman 最新版本還支持應(yīng)變率測(cè)量 (應(yīng)變和時(shí)間關(guān)系).
以下為應(yīng)變測(cè)量的步驟
現(xiàn)在，需要設(shè)置應(yīng)變片特性。使用 HBM 應(yīng)變片包裝上的 K 系數(shù)來(lái)設(shè)置。輸入激勵(lì)電壓、橋式因數(shù)和測(cè)量范圍等。另外，如果你考慮材料溫度波動(dòng)特性，請(qǐng)使用溫度補(bǔ)償多項(xiàng)式。
設(shè)置名字并點(diǎn)擊 ‘Apply changes’
現(xiàn)在，我們必須設(shè)置應(yīng)變花計(jì)算通道。因此需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的通道并設(shè)置。
在A、B、C中添加所有三個(gè)通道，并定義材料特性和橫向靈敏度以及選擇合適的應(yīng)變花類(lèi)型(0/45或60/120)
選擇相關(guān)應(yīng)變(主應(yīng)變、剪應(yīng)變)。
最后點(diǎn)擊 ‘創(chuàng)建計(jì)算’ ，計(jì)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(diǎn)擊“創(chuàng)建新的傳感器”并激活“更新傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)”，保存參數(shù)。
設(shè)置采樣率，并在開(kāi)始測(cè)量之前正確設(shè)置過(guò)濾。
打開(kāi) catman 軟件檢查應(yīng)變通道，綠燈表示通道正?？蛇M(jìn)行測(cè)量。在案例中，三柵應(yīng)變花有三個(gè)通道 1, 2, 3.
使用傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)通道進(jìn)行設(shè)置。并將 3線 120 歐姆條目拖拽到所有三個(gè)通道上。
應(yīng)變率通道將顯示在 ‘計(jì)算通道’ 列表中。
到 ‘可視化’ 界面，配置您自己的 GUI
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