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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(xiàn)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(chǎn)品中，都集成了印刷電路板(PCB)?？煽康漠a(chǎn)品設計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程中受到機械和熱沖擊，而且在運輸和工作期間同樣如此(包括變形、誤用、振動、沖擊、熱膨脹等)。
在 PCB 制造過程中，可能會出現(xiàn)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(shù)(SMT)和鉆孔孔裝置(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)
殼體中由于壓裝、螺釘擰緊或封裝過程而產(chǎn)生的機械應力(應變)
SMD電容器由于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(tài))
振動與沖擊(動態(tài))
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(tǒng)性故障太晚，所產(chǎn)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(fā)的早期階段檢測系統(tǒng)故障是非常必要的，OEM 制造商已經(jīng)越來越多地開始要求供應商檢查 PCB 機械質(zhì)量。
由于以下原因，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(jié)構(gòu)元件，如球柵陣列(BGA)替代表面安裝器件(SMD)
較硬的接觸件導致較高的機械張力。
國際協(xié)會，如IPC(協(xié)會連接電子工業(yè))和JEDEC(聯(lián)合電子設備工程委員會)- 已經(jīng)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(jīng)建立了自己的測試程序，包括于 PCB 的測試場景，盡可能覆蓋所有可能出現(xiàn)的狀況。
3. 如何測量 PCB 上的應變
有限元分析方法是基于數(shù)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，不足以檢查機械沖擊的影響，并且，最重要的是，這類方法極為昂貴。
因此，采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(zhàn)是在有限的空間內(nèi)安裝應變片。
HBM 提供超過2000種不同應變片，以及一些專門用于 PCB 測試的應變片。
RF91 微型三柵應變花 非常適合用于 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:
預制電纜
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)，也可用于PCB測試。
HBM RF91 微型應變花關(guān)鍵特性
直徑僅 5mm
電阻 120 Ω
可立即交貨
未知應力方向應力測量
三層測量柵絲
奧氏體和鐵素體鋼及鋁的溫度補償
預制引線(0.5米)或帶焊盤兩種規(guī)格
可采用兩線，三線或 HBM 專有四線配置
4. 在什么位置測量 PCB 應變
PCB 張力狀態(tài)大多是未知的和機械復雜的。應變會導致 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在材料應力性能方面是非常不均勻的。
因此，檢查 PCB 的每個區(qū)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(qū)域，例如：
邊角
如果固定的話，邊角一般處于機械臨界狀態(tài)。
剛性區(qū)域(例如接近電容器的區(qū)域)
越大的部件會導致 PCB 剛度增加。
接近互連的區(qū)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，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 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(chǎn)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(qū)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
安裝后特氟龍紙分離
安裝應變消除裝置，例如
在電纜上直接消除應變
采用焊盤消除應變
最后檢查應變的安裝質(zhì)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 專門用于應變測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
采用推入式插頭連接到測量模塊上。
RF91 是一個三柵應變花，采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(guān)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(zhuǎn)化
直流或載頻技術(shù)，抗干擾
內(nèi)置 120 和 350 Ω 四分之一橋路補償電阻
應變?nèi)珮?線技術(shù)
應變半橋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)
6. 如何使用 catman AP 進行應變測試
采用 catman AP 進行 PCB 板應變測量非常方便?？焖?，數(shù)據(jù)可視化是其強項。并可采用觸發(fā)和特殊時間節(jié)點進行數(shù)據(jù)記錄。
連接 RF91 應變花，通過軟件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(guān)系).
以下為應變測量的步驟
現(xiàn)在，需要設置應變片特性。使用 HBM 應變片包裝上的 K 系數(shù)來設置。輸入激勵電壓、橋式因數(shù)和測量范圍等。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。
設置名字并點擊 ‘Apply changes’
現(xiàn)在，我們必須設置應變花計算通道。因此需要創(chuàng)建一個新的通道并設置。
在A、B、C中添加所有三個通道，并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(guān)應變(主應變、剪應變)。
最后點擊 ‘創(chuàng)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(chuàng)建新的傳感器”并激活“更新傳感器數(shù)據(jù)庫”，保存參數(shù)。
設置采樣率，并在開始測量之前正確設置過濾。
打開 catman 軟件檢查應變通道，綠燈表示通道正?？蛇M行測量。在案例中，三柵應變花有三個通道 1, 2, 3.
使用傳感器數(shù)據(jù)庫對通道進行設置。并將 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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