Identifique y caracterice los procesos de ensamblaje y prueba de PCB que dañan usando pruebas de deformación

Los ingenieros han estado utilizando PCB y productos basados en PCB durante décadas, así que ¿por qué el fallo inducido por estrés es un problema creciente hoy en día? En un intento de responder a esta pregunta, los expertos en este tema han examinado cómo las tendencias predominantes en la industria electrónica durante los últimos años afectan a los límites máximos de estrés permitidos en los PCB. Dos de las tendencias más relevantes son:

• Mayor uso de soldadura sin plomo en lugar de la soldadura tradicional de estaño-plomo
• Uso más frecuente de componentes compactos de rejilla de bolas (BGA)

Las razones de las tendencias anteriores y sus beneficios asociados son evidentes. La Directiva sobre restricciones de sustancias peligrosas entró en vigor en la Unión Europea en julio de 2006. Esta directiva restringe el uso de seis materiales peligrosos, incluido el plomo, en la fabricación de diversos tipos de equipos electrónicos y eléctricos. La desventaja de esto es que la mayoría de las alternativas de soldadura sin plomo tienen mayor fragilidad, y cuando se trata de procesos de ensamblaje y prueba durante la fabricación, la soldadura sin plomo es más propensa a grietas que la soldadura de estaño-plomo tradicional cuando se somete a tensión.

Los componentes BGA ofrecen muchas ventajas sobre los paquetes de montaje en superficie, incluida una mayor densidad de pasadores, una mejor conducción del calor y la prevención del sobrecalentamiento debido a su menor resistencia térmica, y un rendimiento eléctrico superior debido a la corta distancia – y, por lo tanto, una menor impedancia – entre el paquete y la PCB. Por otro lado, los componentes BGA presentan algunas desventajas, incluyendo una inspección costosa, una menor capacidad de respuesta a la expansión térmica y una mayor flexión y vibración en comparación con los componentes de montaje en superficie con cables más largos. Los componentes de BGA no son muy eficientes para distribuir uniformemente las tensiones y son más propensos al agrietamiento de las juntas de soldadura, específicamente en las filas internas.

Cada una de las dos tendencias anteriores reduce individualmente el límite de tensión mecánica máxima que se puede aplicar directamente a una PCB. Cuando se combinan, aumentan drásticamente las posibilidades de grietas en las juntas de soldadura si se supera la tensión máxima permitida y casi hacen obligatorio caracterizar las placas y los equipos circundantes para niveles de tensión máximos. Los procesos de ensamblaje y prueba como la prueba en circuito (ICT), despanelización o prueba de verificación final (FVT) implican sostener la placa en alguna forma de accesorio y luego realizar una tarea. Si estos accesorios no están diseñados correctamente, tienden a aplicar tensiones más altas que las permitidas de forma segura en los PCB. Incluso los accesorios bien diseñados tienden a aplicar tensiones más altas con el tiempo en la PCB interior.

Para evitar fallas de forma proactiva e identificar diseños o procesos problemáticos, puede implementar una prueba de deformación en la PCB para caracterizar estos procesos potenciales que inducen altas tensiones para obtener tensiones máximas y asegurarse de que estén dentro de los límites permitidos. Si los valores de tensión medidos exceden el nivel de tensión máximo permitido para la tabla, puede volver a trabajar o rediseñar el accesorio o cambiar el proceso según sea necesario para llevar estos valores dentro de los límites permitidos. La directriz IPC/JEDEC-9704 identifica los procesos problemáticos de ensamblaje y prueba y proporciona pasos sistemáticos para implementar una prueba de deformación de PCB.

IPC (fundado originalmente como Institute for Printed Circuits y ahora conocido como IPC: Association Connecting Electronics Industries) es una asociación comercial global dedicada a la excelencia competitiva y el éxito financiero de sus 2.600 empresas miembros que representan todas las facetas de la industria de la interconexión electrónica, incluyendo el diseño, la fabricación de PCB y el ensamblaje de productos electrónicos. En 2004/2005, el CIP y el Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos publicaron dos documentos de orientación relativos a las tensiones mecánicas de los PCB. IPC/JEDEC-9702 es una guía de caracterización de deformaciones e IPC/JEDEC-9704 se centra en pruebas de medidor de deformaciones de placas de circuito impreso.

Descargue una copia completa de la directriz IPC/JEDEC-9704 desde el sitio web del IPC.
Descargue una copia completa de la directriz IPC/JEDEC-9704 desde el sitio web de JEDEC.

En las siguientes secciones de este informe técnico, aprenda sobre los cuatro pasos de prueba de medidor de tensión de PCB según lo recomendado por la guía IPC-9704.

Con las pruebas de deformación de PCB, puede evaluar y caracterizar cuantitativamente los procesos potenciales que inducen y dañan altas tensiones, pero primero debe identificar estos procesos para implementar las pruebas. Según el documento de orientación IPC/JEDEC-9704, las etapas de fabricación típicamente caracterizadas son:

1. Proceso de montaje del SMT
   • Procesos de despanelización (encaminamiento) de placas
   • Todos los procesos de manipulación manual
   • Todos los procesos de retrabajo y retoque
   • Instalación del conector
   • Instalación de componentes
2. Procesos de ensayo
   • Prueba en circuito (TIC)
   • Ensayo funcional de tablero (BFT) o ensayo funcional equivalente
3. Montaje mecánico
   • Conjunto disipador de calor
   • Conjunto de refuerzo/soporte de tablero
   • Integración de la placa del sistema o montaje del sistema
   • Interconexión de componentes periféricos (PCI) o instalación de tarjeta hija
   • Instalación del módulo de memoria en línea dual (DIMM)
4. Entorno de envío

Aunque las TIC y las BFT son típicamente las operaciones con mayor deformación/tasa de deformación en la lista anterior, el daño es posible en cualquier otro proceso, y debe implementar pruebas de deformación en tantos procesos como sea posible.

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

1. Seleccionar un sensor extensométrico
2. Preparar la PCB para los medidores de tensión de prueba y montaje
3. Medir tensión
4. Analizar e informar datos

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

Un medidor de deformación en roseta (Figura 1) consiste en tres medidores de deformación independientes apilados uno encima del otro. A diferencia de un medidor de deformación de alambre, que puede medir la deformación en una sola dirección, un medidor de deformación en roseta mide el estado completo de deformación en la superficie de una pieza. En otras palabras, se pueden medir no solo las dos deformaciones extensionales, ex y ey, sino también la deformación por cizallamiento, gxy, con respecto a algún sistema de ejes x-y dado.

Figura 1. Medidor de tensión de roseta apilada de tres elementos

Suponiendo que se especifiquen los ejes x e y, se pueden montar dos galgas en las direcciones x e y para medir las deformaciones extensionales asociadas en estas direcciones. Sin embargo, no hay forma directa de medir la deformación por cizallamiento, gxy. Tampoco es posible medir directamente las cepas principales porque las direcciones principales no se conocen generalmente.

La solución a este problema radica en reconocer que el estado de deformación 2D en un punto (sobre una superficie) está definido por tres cantidades independientes que se pueden tomar como (a) ex, ey y gxy o (b) e1, e2 y q, donde el caso (a) se refiere a componentes de deformación con respecto a un sistema de ejes xy arbitrario y el caso (b) se refiere a las deformaciones principales y sus direcciones. Cualquiera de los dos casos define completamente el estado de la deformación 2D en la superficie y se puede utilizar para calcular las deformaciones con respecto a cualquier otro sistema de coordenadas. Esta situación implica que usted debe ser capaz de determinar estas tres cantidades independientes si usted puede hacer tres mediciones independientes de la tensión en un punto en la superficie. El enfoque más obvio es colocar tres medidores de deformación juntos en una "roseta" con cada medidor orientado en una dirección diferente y con todos ellos ubicados lo más cerca posible para aproximar una medición en un punto. Si conoces las tres deformaciones y las direcciones del calibre, puedes resolver las deformaciones principales y sus direcciones o, equivalentemente, el estado de deformación con respecto a un sistema de coordenadas xy arbitrario. Las relaciones necesarias son las ecuaciones de transformación de la deformación, y la construcción del círculo de Mohr proporciona una buena visualización de este proceso.

Según la directriz IPC/JEDEC-9704, los detalles del medidor de deformación recomendado son los siguientes:

• Medidor de tensión de roseta rectangular (0/45/90) apilado de tres elementos
• 1.0 a 2.0 mm, ² nominal, tamaño del sensor de calibre
• Calibres de deformación de 120 o 350 W
• Almohadillas de fijación de cable situadas en o cables de conexión fijados en un lado del extensímetro

Varias compañías proporcionan medidores de tensión de roseta apilados de tres elementos, por ejemplo Kyowa (KFW-D17, un medidor de tensión de lámina triaxial impermeable) y Vishay (C2A-06-062WW-350 o C2A-XX-062LR-350, un medidor de tensión de roseta rectangular de uso general).

Debido a que solo se aplica una tensión mecánica limitada antes del reflujo de la tecnología de montaje en superficie (SMT) y, lo que es más importante, debido a que las juntas de soldadura se forman solo después del reflujo, la caracterización de la tensión solo se requiere para las operaciones de ensamblaje y prueba después del reflujo de SMT. Por lo general, se instrumentan un mínimo de dos tableros de prueba. No se requiere que sean eléctricamente funcionales, pero deben representar mecánicamente el diseño más reciente.

Los datos sugieren que las fallas relacionadas con el estrés ocurren en los componentes CBGA. La directriz IPC/JEDEC-9704 recomienda que mida cualquier dispositivo BGA con un tamaño de cuerpo de paquete igual o superior a 27 por 27 mm. Por ejemplo, debe caracterizar los componentes BGA de cinta, BGA de chip invertido, BGA mejorado, BGA de cerámica y BGA de baja separación que cumplan con este requisito.

Esto incluye seleccionar la ubicación en la que va a montar los medidores de tensión. Si no hay espacio para montar un medidor de tensión en la placa, es posible que tenga que hacer espacio en la PCB eliminando los componentes ya montados en la placa de prueba.

La preparación de la Junta es una parte crítica del proceso de instrumentación. La preparación adecuada del tablero ayuda a asegurar la unión adecuada de los medidores de deformación; esto, a su vez, mejora la precisión de lectura. También debe realizar la fijación del medidor de tensión de acuerdo con las instrucciones que los proveedores de medidores de tensión y adhesivos proporcionan. Tenga en cuenta que los medidores de deformación requieren el uso de sistemas adhesivos especialmente formulados, y los proveedores de medidores de deformación generalmente proporcionan esta información. Puede encontrar detalles adicionales sobre la preparación de la placa, la fijación del medidor de deformación y el enrutamiento de cables en el documento de guía IPC/JEDEC-9704.

NI es un fabricante de equipos de hardware y software de prueba, medición y control, con la mayoría de los productos de hardware basados en PCB. NI implementa la prueba del medidor de deformación de PCB en los productos que produce de acuerdo con la directriz IPC / JEDC-9704, específicamente en los productos sin plomo con componentes BGA de tamaño 27 por 27 mm o más. La Figura 2 muestra un ejemplo de una placa de ensayo en NI con medidores de deformación montados y listos para someterse a TIC.

Figura 2. Tablero de prueba con medidores de deformación montados en un accesorio TIC

Después de preparar la placa y montar los medidores de deformación, el tercer paso en la prueba del medidor de deformación de PCB es conectar los sensores a la instrumentación de adquisición de datos y ejecutar la prueba real. La duración de la prueba puede variar: normalmente puede durar de 5 a 10 segundos mientras se registran los datos. IPC/JEDEC-9704 recomienda prestar atención a los siguientes parámetros durante la ejecución de la prueba:

• Frecuencia de exploración (frecuencia de muestreo)
• Resolución de muestreo y ajuste de ganancia
• Número de canales
• Muestreo simultáneo
• Voltaje de excitación

Frecuencia de exploración

Frecuencia de exploración, o frecuencia de muestreo, es la velocidad a la que se muestrean los datos en unidades de número de muestras por segundo (Hz). Para las pruebas del medidor de deformación de PCB, se recomienda una frecuencia de exploración mínima de 500 Hz, aunque las frecuencias de exploración típicas varían de 500 Hz a 2 kHz. Esta tasa de muestreo garantiza la captura de cualquier evento dinámico de alta frecuencia que pueda ocurrir. Por ejemplo, considere mediciones a dos frecuencias diferentes como se muestra en la Figura 3. Cuando se muestrea a 4 veces la frecuencia, la figura 3(b) muestra un pico de tensión que no se capturó con una frecuencia de muestreo más lenta en la figura 3(a).

Figura 3, letras a) y b): Ejemplo con dos velocidades de muestreo diferentes

Resolución de muestreo

La resolución de muestreo se refiere al número de bits del convertidor analógico-digital (ADC) en el hardware de adquisición de datos. Cuanto mayor es la resolución, menores son los cambios de señal de entrada que se pueden detectar y más precisa es la medición. Para las pruebas de deformación de PCB, se recomienda una resolución de muestreo mínima de 12 a 16 bits. Los ADC también tienen un ajuste de ganancia (el factor por el cual se amplifica la señal), y el ajuste del valor de ganancia apropiado asegura aprovechar al máximo los bits de resolución disponibles en el hardware de adquisición de datos.

Número de canales

El número de canales de monitorización disponibles limita el número de mediciones en una pasada. Se requieren al menos 12 canales de medición para monitorear cuatro rosetas apiladas montadas en todas las esquinas de un chip BGA, y se requieren al menos tres canales para medir una roseta apilada. Si bien puede realizar varias pasadas si no hay suficientes canales, debe monitorear los tres calibres en cualquier roseta apilada a la misma carga para evitar errores de cálculo de deformación durante el análisis.

Muestreo simultáneo

Debes monitorear los tres calibres en una roseta apilada con la misma carga y en la misma pasada. El dispositivo de adquisición de datos que utiliza dicta cómo toma estas mediciones. Dos de las técnicas comunes son la multiplexación y el muestreo simultáneo. Los dispositivos de adquisición de datos que ofrecen multiplexación cuentan con un ADC y canales de muestra secuencialmente. Para los ensayos de deformación de 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 individual por canal, lo que resulta en mediciones tomadas en todos los canales al mismo tiempo y elimina cualquier error en los cálculos de deformación.

Figura 4. Muestreo secuencial versus simultáneo

Tensión de terminación y excitación del puente

Cada uno de los tres medidores individuales en una roseta apilada es un medidor de un cuarto de puente que requiere completar el puente y voltaje de excitación, ambos proporcionados por la instrumentación de adquisición de datos, para funcionar.

La terminación del puente para un sensor de deformación de un 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, los medidores son más propensos a calentarse debido a la corriente eléctrica que pasa a través de ellos. Si bien el uso de una configuración de tres hilos conductores y un cuarto de puente reduce este efecto, debe equilibrar el voltaje de excitación con la relación señal-ruido (SNR). Si el valor de deformación se desvía significativamente mientras la placa está en reposo, reduzca la tensión hasta que este efecto desaparezca o la SNR se vuelva aceptable. En general, un nivel de excitación de 2 V debe proporcionar un rendimiento satisfactorio.

Una vez que haya adquirido los datos de deformación en bruto, puede comenzar el último paso de la prueba del medidor de deformación de PCB, analizando estos datos para calcular los esfuerzos resultantes (máximos y mínimos) inducidos en la placa durante la prueba. Puede completar este análisis en línea durante la prueba o fuera de línea después de que la prueba haya terminado y haya recopilado todos los datos.

Los detalles del análisis varían según los criterios de límite de deformación particulares que esté utilizando. Muchos criterios de límite de deformación pueden requerir la obtención de tasas de deformación o cálculos de deformación principales usando las ecuaciones de círculo de Mohr. De acuerdo con la directriz IPC-9704, como mínimo, debe proporcionar los valores máximos de la deformación principal o axial (máximo y mínimo) para cada paso monitoreado.

Una forma común de informar los datos es con un gráfico de deformación versus tasa de deformación, donde el eje y representa la deformación principal máxima permitida (ustrain) y el eje x representa la tasa de deformación (ustrain/segundo). La tasa de deformación es el cambio en el valor absoluto de la deformación entre lecturas consecutivas. En la Figura 6 se muestra un ejemplo de gráfico de deformación versus tasa de deformación (cortesía de la directriz IPC/JEDEC-9704).

Cuando no necesite analizar los datos en línea, puede exportarlos al disco y almacenarlos en un formato de archivo adecuado para su análisis sin conexión.

Figura 6. Ejemplo de gráfico de cepas versus tasa de cepas

NI es líder mundial en adquisición de datos basados en PC, con una familia completa de productos de adquisición de datos para aplicaciones de escritorio, portátiles, industriales e integradas. A medida que las tecnologías analógicas, digitales y de bus han evolucionado, NI las ha incorporado constantemente en sus productos. Hoy en día, NI ofrece una variedad de plataformas de adquisición de datos y medición de sensores para diferentes necesidades basadas en tipos de medición, recuentos de canales, resoluciones deseadas y otros requisitos clave.

Las plataformas de hardware NI C Series y PXI están diseñadas para mediciones de voltaje, corriente y sensores.  Cada una de estas plataformas incluye módulos de medición específicos de deformación ideales para medir medidores de deformación. Al combinar el hardware de NI con el software de NI LabVIEW, crea un sistema de prueba de tensión de PCB flexible y modular.

La serie C es una familia de 3.4 por 2.7 por 0.9 pulgadas. Módulos de E/S que son intercambiables dentro de nuestras plataformas de hardware CompactDAQ y CompactRIO. El módulo de medición de deformación/puente de cuatro canales NI 9237 se recomienda para pruebas de deformación de PCB. Ofrece una resolución de 24 bits y una frecuencia de muestreo por canal de 50 kS/s, ambas muy superiores a las especificaciones recomendadas.

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

La plataforma PXI incluye 6.3 x 3.9 x 1 en módulos que se alojan en un chasis robusto que puede variar de 4 a 18 ranuras.  El panel trasero del chasis incluye buses de sincronización y temporización integrados para temporización y disparo de precisión.  Hay más de 1500 tipos de módulos en la plataforma PXI, incluidos los módulos puente NI PXIe-4330 y NI PXIe-4331 de ocho canales con resolución de 24 bits.  Para la mayoría de las pruebas de medidor de tensión de PCB, el PXIe-4330 es suficiente con una frecuencia de muestreo de 25 kS/s/ch, pero el PXIe-4331 con 102,4 kS/s/ch está disponible cuando se requieren frecuencias de muestreo muy altas.  La plataforma PXI se recomienda para las mediciones de deformación de mayor rendimiento.

Figura 8. Chasis de 8 ranuras NI PXI Express

El programa gráfico LabVIEW está diseñado para el desarrollo de aplicaciones escalables de ensayo, medición y control. Ofrece una interfaz perfecta para el hardware de adquisición de datos a través del asistente de NI DAQ fácil de usar y el potente software controlador NI-DAQmx. Aparte de las más de 700 funciones de análisis integradas, LabVIEW incluye estructuras de datos centrales como matrices y clústeres y bloques de construcción de programación central como bucles, estructuras de casos y diagramas de estado, lo que amplía su capacidad para abordar prácticamente cualquier aplicación. Debido a su enfoque gráfico, las interfaces de usuario intuitivas para realizar cualquier tipo de controles e indicadores, por ejemplo, gráficos de tiras de tensión versus tasa de deformación, son inherentes a LabVIEW.

Figura 9. NI LabVIEW Programación gráfica

LabVIEW combina la adquisición de datos, el análisis y la presentación de informes en un único entorno de software, lo que la convierte en una herramienta extremadamente atractiva para las pruebas de medidores de deformación de PCB. 

NI ofrece varias opciones de hardware para mediciones de deformación, incluidas las series C y PXI.  Cada una de estas soluciones se basa en el software controlador NI-DAQmx y utilizan la misma API LabVIEW, por lo que puede moverse fácilmente de una plataforma a otra con cambios mínimos o nulos en el software existente a medida que crece su necesidad de recuento de canales.

El software NI DIAdem está diseñado para administrar, analizar y reportar datos recolectados durante la adquisición de datos y/o generados durante simulaciones. Las capacidades de análisis y presentación de informes fuera de línea de DIAdem la convierten en una herramienta perfecta para acceder rápidamente a los grandes volúmenes de datos recopilados durante las pruebas de medición de deformaciones de PCB, para la presentación de informes coherentes y para la visualización de datos.

Con el programa de verificación y monitoreo de deformaciones utilizando sistemas basados en la serie C y LabVIEW, NI ha tenido éxito en evitar fallas relacionadas con la deformación y retornos de campo. NI produce más de 500 productos de hardware únicos, la mayoría de los cuales están basados en PCB. Con la introducción de la directriz IPC/JEDEC-9704, NI ha utilizado pruebas internas de medidores de deformación de PCB, específicamente en productos sin plomo con componentes de BGA mayores de 27 por 27 mm.

Aunque las últimas tecnologías disponibles en la actualidad, como las matrices de rejillas de bolas y el material de soldadura sin plomo, están permitiendo a los ingenieros diseñar productos electrónicos pequeños y respetuosos con el medio ambiente, los ingenieros se enfrentan a nuevos desafíos en el diseño y fabricación de PCB y productos basados en PCB. Las pruebas de deformación del medidor de tensión de PCB abordan uno de estos desafíos identificando proactivamente procesos potencialmente perjudiciales e inductores de alto estrés en la fabricación de productos a base de PCB. Con software flexible y hardware modular, NI ofrece sistemas escalables que pueden satisfacer sus necesidades para pruebas de deformación de PCB.

Referencias

[1] Documento de Guía IPC-9704
        http://portal.ipc.org/Association/Index.htm
[2] Teoría de la Transformación de Deformación y Rosette Gage
        http://www.ae.gatech.edu/people/jcraig/classes/ae3145/Lab2/strain-gage-rosette-theory.pdf

Recursos relacionados

• Más información sobre las soluciones NI para ensayos estructurales