Determinación y caracterización perjudicial …

Determinación y caracterización perjudicial ...

Visión de conjunto

Tabla de contenido

Declaración 1. Problema

Los ingenieros han estado utilizando los PCB y los productos a base de PCB durante décadas, ¿por qué es el fracaso inducida por el estrés un problema creciente hoy en día? En un intento de responder a esta pregunta, los expertos en este tema han examinado las tendencias predominantes en la forma en la industria electrónica durante los últimos años el impacto límites máximos de tensión admisible para los PCB. Dos de las tendencias más relevantes son:

  • El mayor uso de soldadura libre de plomo en lugar de la tradicional soldadura de estaño y plomo
  • El uso más frecuente de los componentes compactos ball grid array (BGA)

componentes BGA ofrecen muchas ventajas sobre los paquetes de montaje en superficie, incluyendo una mayor densidad de pines, una mejor conducción del calor y la prevención de sobrecalentamiento debido a su resistencia térmica más baja, y el rendimiento eléctrico superior debido a la corta distancia – y por lo tanto baja impedancia – entre el paquete y el TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO. Por otro lado, los componentes BGA presentan algunas desventajas, incluyendo la inspección caro, la reducción de la capacidad de respuesta a la expansión térmica, y una mayor flexión y las vibraciones en comparación con los componentes de montaje superficial con cables más largos. BGA componentes no son muy eficientes en la distribución de las fuerzas equitativamente, y son más propensos a la bola de la soldadura conjunta agrietamiento, específicamente en las filas interiores.

Para evitar fallos de forma proactiva e identificar diseños o procesos problemáticos, se puede implementar una prueba de medidor de deformación en el PCB para caracterizar estas posibles procesos de alto estrés que inducen para tensiones máximas y asegurarse de que están dentro de los límites permitidos. Si los valores de tensión medidos superan el nivel máximo esfuerzo admisible para la placa, se puede volver a trabajar o rediseñar el aparato o cambiar el proceso según sea necesario para llevar estos valores dentro de los límites permitidos. La pauta IPC / JEDEC-9704 identifica los procesos de montaje y prueba problemáticas y proporciona pasos sistemáticos para la aplicación de una prueba de PCB medidor de deformación.

IPC (originalmente fundada como el Instituto de Circuitos Impresos y ahora conocido como IPC: Asociación Conexión de Industrias Electrónicas) es una asociación comercial global dedicada a la excelencia competitiva y el éxito financiero de sus 2.600 empresas miembros que representan a todas las facetas de la industria de la electrónica de interconexión, incluyendo el diseño, la fabricación de PCB, y la electrónica de montaje. IPC y el J oint mi Lectron re evice mi ngineering do onsejo (JEDEC) publicó dos documentos de referencia en 2004/2005 con respecto a los esfuerzos mecánicos sobre PCB. IPC / JEDEC-9702 es una guía de caracterización de cepas e IPC / JEDEC-9704 se centra en las pruebas de medida de deformación de placas de circuitos impresos.

Descargar una copia completa de la guía / JEDEC-9704 IPC desde el sitio web del IPC.
Descargar una copia completa de los protocolos IPC / JEDEC-9704 desde el sitio Web de JEDEC.

Las pruebas de tensión Gage 2. PCB

Con las pruebas de medidor de deformación PCB, se puede evaluar cuantitativamente y caracterizar los posibles procesos de alto estrés que inducen y perjudiciales, pero hay que identificar estos procesos primeros en implementar las pruebas. De acuerdo con el documento de la guía / JEDEC-9704 IPC, los pasos de fabricación típicamente caracterizados son:

  1. proceso de ensamblaje SMT
    • depanelization Junta (enrutamiento) procesos
    • Todos los procesos de manipulación manual
    • Todos los procesos de retrabajo y retoque
    • instalación del conector
    • instalación de los componentes
    • procesos de prueba de la placa
      • En un circuito de prueba (TIC)
      • prueba funcional bordo (BFT) o prueba de funcionamiento equivalente
      • Ensamble mecanico
        • disipador de calor
        • soporte de la placa de montaje / rigidizador
        • la integración de la placa base o el montaje del sistema
        • interconexión de componentes periféricos (PCI) o la instalación de la tarjeta secundaria
        • Módulo de memoria dual en línea de instalación (DIMM)
        • entorno de envío

        A pesar de las TIC y BFT son típicamente las operaciones más altas / velocidad de deformación cepa en la lista anterior, el daño es posible en cualquier otro proceso, y se debe aplicar pruebas de tensión en tantos procesos como sea posible.

        Una vez que haya identificado los procesos, puede implementar los siguientes cuatro pasos de una prueba de PCB medidor de deformación:

        1. Seleccione un sensor medidor de deformación
        2. Preparar el PCB para la prueba y montaje bandas extensométricas
        3. la tensión medida
        4. Analizar y reportar datos

        3. Paso 1: Seleccionar un medidor de deformación

        Un medidor de deformación es un dispositivo cuya resistencia eléctrica varía en proporción a la cantidad de tensión en el dispositivo. El documento de la guía / JEDEC-9704 IPC recomienda el uso de tres elementos apilados calibradores de tensión roseta para las pruebas de medidor de deformación PCB.

        Un medidor de deformación roseta (Figura 1) se compone de tres medidores de tensión independientes apiladas una encima de la otra. A diferencia de un medidor de deformación de alambre, que se puede medir la deformación en una sola dirección, un medidor de deformación roseta mide el estado completo de la tensión en la superficie de una parte. En otras palabras, se puede medir no sólo el dos cepas extensionales, ex y ey. sino también la deformación de corte, gxy. con respecto a algún sistema de eje-x y determinado.

        Figura 1. Tres-Elemento apilada Rosette Strain Gage

        Suponiendo que los ejes X e Y están especificados, se puede montar dos galgas en las direcciones x e y para medir las cepas extensionales asociadas en estas direcciones. Sin embargo, no hay manera directa para medir la deformación por esfuerzo cortante, GXY. Tampoco es posible medir directamente las principales cepas debido a las direcciones principales no son generalmente conocidos.

        Según la norma IPC / JEDEC-9704, los detalles de la banda extensométrica recomendadas son las siguientes:

        • Tres elementos rectangulares apilados (0/45/90) roseta extensométrica
        • 1,0 a 2,0 mm, 2 nominal, tamaño del sensor Gage
        • 120 o 350 medidores de tensión W
        • El alambre de plomo adjuntar almohadillas situadas en, hilos conductores conectados en un lado del medidor de deformación

        Varias compañías ofrecen de tres elementos medidores de tensión roseta apilados, por ejemplo Kyowa (KFW-D17, una lámina impermeable medidor de deformación triaxial) y Vishay (C2A-06-062WW-350 o C2A-XX-062LR-350, una forma rectangular de propósito general roseta extensométrica).

        4. Paso 2: Preparación para la prueba de PCB y montaje de Gage Strain

        Debido a que sólo una tensión mecánica limitada se aplica antes de salir a la superficie de montaje en la tecnología de reflujo (SMT) y, más importante, porque se forman uniones de soldadura sólo después de que se requiere la caracterización de reflujo, la tensión sólo para operaciones de montaje y las pruebas siguientes reflujo SMT. Normalmente, un mínimo de dos placas de prueba se instrumentó. Ellos no tienen que ser eléctricamente funcional, sino que deben representar mecánicamente el último diseño.

        Junta preparación es una parte crítica del proceso de instrumentación. La preparación adecuada junta ayuda a garantizar la correcta adherencia de medidores de tensión; esto, a su vez, mejora la precisión de lectura. Además, deberá realizar adjunto sensor de deformación de acuerdo con las instrucciones del medidor de deformación y proveedores adhesivas proporcionar. Tenga en cuenta que las bandas extensométricas requieren el uso de sistemas adhesivos especialmente formulados y proveedores de bandas extensométricas suelen proporcionar esta información. Puede encontrar detalles adicionales acerca de la preparación de planchar, apego medidor de deformación, y el enrutamiento de cables en el documento de la guía IPC / JEDEC-9704.

        Figura 2. Junta de prueba con Medidores de deformación montado en un accesorio de TIC

        5. Paso 3: Medir Strain

        Después de preparar la placa de montaje y los calibradores de tensión, el tercer paso en la prueba de PCB medidor de deformación es conectar los sensores para la instrumentación de adquisición de datos y ejecutar la prueba real. La duración de la prueba puede variar – por lo general puede funcionar durante 5 a 10 segundos, mientras que se registran los datos. IPC / JEDEC-9704 recomienda prestar atención a los siguientes parámetros durante la ejecución de la prueba:

        • frecuencia de barrido (frecuencia de muestreo)
        • Resolución de muestreo y ajuste de ganancia
        • Número de canales
        • muestreo simultáneo
        • El voltaje de excitación

        frecuencia de exploración, o la tasa de muestreo, es la velocidad a la que se realiza un muestreo de datos en las unidades del número de muestras por segundo (Hz). Para las pruebas de medidor de deformación PCB, se recomienda una frecuencia de exploración mínimo de 500 Hz, aunque las frecuencias típicas de escaneo varían desde 500 Hz a 2 kHz. Esta tasa de muestreo asegura la captura de eventos dinámicos de alta frecuencia que pueden ocurrir. Por ejemplo, considere mediciones en dos frecuencias diferentes, como se muestra en la Figura 3. Cuando muestrea a 4X la frecuencia, la Figura 3 (b) muestra un pico de tensión que no fue capturada con una frecuencia de muestreo más lento en la Figura 3 (a).

        La figura 3 (a) y (b): Ejemplo con dos diversas Frecuencia de Muestreo

        número de canales

        El número de canales de monitoreo disponibles limita el número de mediciones en una sola pasada. Se requieren al menos 12 canales de medición para controlar cuatro rosetones superpuestos montados en todas las esquinas de un chip BGA, y se requieren al menos tres canales para medir una roseta apilados. Mientras que usted puede hacer varias pasadas si hay suficientes canales, debe supervisar los tres medidores en cualquier roseta apiladas con la misma carga para evitar cualquier error de cálculo de la tensión durante el análisis.

        Debe supervisar los tres medidores en una roseta apilados en la misma carga y en la misma pasada. El dispositivo de adquisición de datos que utiliza dicta cómo se toman estas medidas. Dos de las técnicas comunes son el muestreo de multiplexación y simultánea. Los dispositivos de adquisición de datos que ofrecen multiplexación función de un ADC y canales de muestra secuencialmente. Para las pruebas de medidor de deformación PCB, el muestreo secuencial puede dar lugar a valores de deformación mal calculados. Los dispositivos de adquisición de datos con muestreo simultáneo ofrecen un ADC individuales por canal, lo que resulta en mediciones realizadas en todos los canales al mismo tiempo exacto y la eliminación de cualquier error en los cálculos de tensión.

        Figura 4. secuencial frente muestreo simultáneo

        Puente Terminación y Voltaje de excitación

        finalización del puente por un sensor medidor de deformación de cuarto de puente incluye proporcionar tres de los cuatro brazos de un puente de Wheatstone (Figura 5), ​​donde el medidor actúa como el cuarto brazo.

        Figura 5. Puente de Wheatstone

        Debido a que el material de PCB tiene baja conductividad térmica, galgas son más propensos a calentarse debido a la corriente eléctrica que pasa a través de ellos. Durante el uso de una configuración de tres hilos de plomo y cuarto de puente reduce este efecto, debe equilibrar la tensión de excitación con la relación señal-ruido (SNR). Si el valor de la deformación se desplaza de manera significativa, mientras que la junta está en reposo, reducir el voltaje hasta que este efecto sea desaparece o se convierte en la SNR aceptable. En general, un nivel de excitación de 2 V debe proporcionar un rendimiento satisfactorio.

        6. Paso 4: Analizar y datos de informe

        Una vez que haya adquirido los datos de deformación primas, puede comenzar la última etapa de la prueba de medidor de deformación PCB – analizar estos datos para calcular las tensiones resultantes (máximos y mínimos) inducidas en el tablero durante la prueba. Puede completar este análisis en línea durante la prueba o fuera de línea después de la prueba ha terminado y que han recogido todos los datos.

        Detalles del análisis varían de acuerdo con los criterios de límite cepa particular que está utilizando. Muchos criterios límite de tensión pueden requerir la obtención de velocidades de deformación o deformación principales cálculos utilizando ecuaciones círculo de Mohr. Según la norma IPC-9704, como mínimo, debe proporcionar los valores de pico del director o deformación axial (máximo y mínimo) para cada paso supervisado.

        Una forma común de reportar datos es con una cepa frente gráfico-velocidad de deformación, en el que el eje y representa la deformación máxima permisible principal (ustrain) y el eje x representa la velocidad de deformación (ustrain / segundo). Velocidad de deformación es el cambio en el valor absoluto de la tensión entre lecturas consecutivas. Un ejemplo de una cepa frente gráfico de velocidad de deformación se muestra en la Figura 6 (cortesía de la directriz IPC / JEDEC-9704).

        Cuando no es necesario para analizar los datos en línea, puede exportar los datos en el disco y lo almacenan en un formato de archivo adecuado para el análisis fuera de línea.

        Figura 6. Ejemplo de tensión frente a deformación Gráfico-Rate

        7. Solución de NI para pruebas de medidor de deformación PCB

        Con más de 50 millones de canales de E / S desplegados en los últimos 10 años y más de 30 años de experiencia en pruebas y mediciones, National Instruments es un líder mundial en la adquisición de datos basado en PC con una familia completa de productos de adquisición de datos para el escritorio transportables, industriales y embebidas. Como analógicos, digitales y tecnologías de bus han evolucionado, NI los ha incorporado constantemente en sus productos. Hoy en día, NI ofrece una variedad de plataformas de adquisición de datos y medición del sensor para diferentes necesidades basadas en los tipos de medición, número de canales, resoluciones deseadas, y otros requisitos claves.

        Serie C, PXI y SCXI son plataformas de hardware diseñados para mediciones de voltaje, corriente y sensores. Cada una de estas plataformas incluye cepa específica módulos de medición ideal para la medición de las bandas extensométricas. Cuando se combinan hardware de NI con el software NI LabVIEW, se crea un sistema de prueba de medidor de tensión flexible y modular PCB.

        Figura 7. NI 9237 C Módulo serie dentro de un chasis CompactDAQ

        La plataforma PXI incluye 6,3 x 3,9 x 1 en módulos que están alojados en un chasis robusto que puede variar de 4 a 18 ranuras. El plano posterior del chasis incluye una función de buses de temporización y sincronización de tiempo de precisión y de disparo. Hay más de 1500 tipos de módulos en la plataforma PXI, incluyendo la de ocho canales NI PXI-4330 y los módulos de puente NI PXIe-4331 con una resolución de 24 bits. Para la mayoría de las pruebas de medida de deformación de PCB, la PXIe-4330 es suficiente con una frecuencia de muestreo de 25 kS / s / canal, pero el PXIe-4331 con 102,4 kS / s / canal está disponible cuando se requieren muy altas frecuencias de muestreo. Se recomienda la plataforma PXI para las mediciones de tensión más altos de rendimiento.

        Figura 8. NI PXI Express Chasis 8-Slot

        Figura 9. NI SCXI chasis de 4 ranuras

        Figura 10. NI LabVIEW Programación Gráfica

        LabVIEW combina la adquisición de datos, análisis y generación de informes en un solo entorno de software, por lo que es una herramienta muy atractiva para las pruebas de tensión PCB Gage.

        NI ofrece varias opciones de hardware para medidas de deformación, incluyendo la Serie C, PXI y SCXI. Cada una de estas soluciones se basa en el software controlador NI-DAQmx y utilizan la misma API de LabVIEW, por lo que puede pasar fácilmente de una plataforma a otra con un mínimo o ningún cambio en el software existente como su necesidad crece número de canales.

        El software NI DIAdem está diseñado para gestionar, analizar y reportar los datos recogidos durante la adquisición de datos y / o generados durante las simulaciones. El análisis fuera de línea y generación de informes de DIAdem lo convierten en una herramienta perfecta para un acceso rápido a los grandes volúmenes de datos recogidos durante las pruebas de medidor de deformación PCB, para la presentación de informes coherente, y para la visualización de datos.

        8. Resultados de National Instruments

        9. Conclusión y próximos pasos

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