使用应变计测试识别损坏的PCB组装和测试流程并进行特性分析

数十年来，工程师一直在使用PCB和基于PCB的产品，那么为什么应力诱发的失效如今却日益严重？为了解答这个问题，相关领域的专家研究了近年来电子行业的主要趋势如何影响PCB的最大允许应力极限。最相关的两个趋势是：

• 更多地使用无铅焊料替代传统的锡铅焊料
• 更频繁地使用BGA组件

上述趋势及其相关好处的原因是显而易见的。有害物质限制使用(RoHS)指令于2006年7月在欧盟生效。该指令限制使用六种有害材料，包括制造各类电子电气设备中的铅。缺点是大多数无铅焊料具有更高的脆性，在制造过程中的组装和测试过程中，无铅焊料比传统的锡铅焊料在受压时更容易出现裂纹。

与表面贴装封装相比，BGA组件具有许多优点，包括引脚密度更高、导热性更好（因其热阻较低，可防止过热），以及电气性能更优（因封装与PCB之间的距离较短，从而阻抗较低）。另一方面，与引脚较长的表面贴装组件相比，BGA组件存在一些缺点，包括检测成本高、对热膨胀的响应能力较弱，以及受弯曲和振动影响更大。BGA组件在均匀分布应力方面效率不高，更容易发生焊球接头开裂，特别是内排。

上述两种趋势分别降低了可直接施加在PCB上的最大机械应力极限。如果这些因素叠加，一旦超过最大允许应力，将极大地增加焊点开裂的风险，因此几乎必须对电路板及周边设备进行特性分析，以确定其最大应力水平。组装和测试流程（如在线测试(ICT)、去面板化或最终验证测试(FVT)）涉及将板卡固定在某种形式的连接件中，然后执行任务。如果这些连接件设计不当，通常会对PCB施加高于安全允许的应力。即使设计良好的连接件也会在时间的推移下，导致PCB内部施加的应力增大。

为主动避免故障并识别存在问题的设计或工艺，可在PCB上实施应变计测试，以表征这些潜在高应力诱发工艺的最大应力，并确保其在允许范围内。如测得的应力值超过板卡允许的最大应力水平，可返工或重新设计夹具，或根据需要更改工艺，使其位于允许范围内。IPC/JEDEC-9704指南确定了存在问题的组装和测试流程，并提供了实施PCB应变计测试的系统步骤。

IPC（最初成立为印刷电路板协会，现称为IPC：电子行业连接协会）是一个全球性行业协会，致力于提升其2,600家会员企业的竞争优势和财务业绩。这些会员企业涵盖电子互连行业的各个领域，包括设计、PCB制造和电子组装。IPC和JEDEC于2004/2005年发布了两份关于PCB机械应力的指导文件。IPC/JEDEC-9702是应变特性指南，IPC/JEDEC-9704侧重于印刷电路板应变计测试。

从IPC网站下载IPC/JEDEC-9704指南的完整版本。
从JEDEC网站下载IPC/JEDEC-9704指南的完整版本。

在本白皮书的后续章节中，了解IPC-9704指南建议的4个PCB应变计测试步骤。

通过PCB应变计测试，可对潜在的高应力诱发和破坏过程进行定量评估和特征化，但首先需要识别这些过程才能进行测试。根据IPC/JEDEC-9704指导文件，制造步骤通常为：

1. SMT装配过程
   • 板卡拆除（布线）流程
   • 所有手动处理流程
   • 所有返工和修饰流程
   • 连接器安装
   • 组件安装
2. 板卡测试流程
   • 在线测试(ICT)
   • 板卡功能测试(BFT)或同等功能测试
3. 机械装配
   • 散热器组件
   • 板卡/加固组件
   • 系统板卡集成或系统组装
   • 外设组件互连(PCI)或子卡安装
   • 双列直插内存模块(DIMM)安装
4. 运输环境

尽管在上述列表中，ICT和BFT通常是应变/应变速率最高的工艺，但其他任何工艺都可能造成损伤，因此应尽可能对更多工艺进行应变测试。

确定流程后，可执行以下四个PCB应变计测试步骤：

1. 选择应变计传感器
2. 准备用于测试和安装应变计的PCB
3. 应变测量
4. 分析和报告数据

应变计的电阻与待测件的应变量成正比。IPC/JEDEC-9704指南文档中建议在PCB应变计测试中使用三元素层叠式花型应变计。

花型应变计（图1）由三个相互层叠的独立应变计组成。与只能测量一个方向应变的线型应变计不同，花型应变计可测量部件表面的全部应变状态。也就是说，不仅可以测量两个拉伸应变ex和ey，还可以测量给定x-y轴系的剪应变gxy。

图1.三元素层叠式花型应变计

假设指定了x轴和y轴，可在x和y方向上安装两个应变计，以测量这些方向上的相关拉伸应变。但是，没有直接测量剪应变gxy的方法。也不能直接测量主应变，因为通常主应变方向未知。

要解决该问题，需认识到点（表面上）的二维应变状态由三个独立量定义，可将其取为(a) ex、ey和gxy或(b) e1、e2和q，其中(a)指相对于任意xy轴系统的应变分量，(b)指主应变及其方向。这两种情况均可完全定义二维应变在表面的状态，并可用于计算相对于任何其他坐标系的应变。这种情况意味着，如能对表面上的一点进行三次独立的应变测量，就能确定这三个独立的量。最明显的方法是将三个应变计放在一个“花型”中，每个应变计的方向不同，所有应变计的位置尽可能接近，以逼近测量点。如已知三个应变和应变计方向，可求解主应变及其方向，或等效地求解任意xy坐标系的应变状态。所需的关系是应变变换方程，Mohr的圆结构很好地可视化了该过程。

根据IPC/JEDEC-9704规范，推荐应变计的详细信息如下：

• 三元素层叠式矩形(0/45/90)花型应变计
• 1.0至2.0 mm，²个额定应变计传感器尺寸
• 120或350 Ω应变计
• 导线连接焊盘位于应变计一侧或导线连接在应变计一侧

一些公司提供三元素层叠式花型应变计，例如Kyowa（KFW-D17，防水三轴箔式应变计）和Vishay（C2A-06-062WW-350或C2A-XX-062LR-350，通用矩形花型应变计）。

由于表面贴装技术(SMT)回流前仅施加有限的机械应变，更重要的是，焊点仅在回流后形成，因此仅在SMT回流后的组装和测试操作中需要应变特性分析。通常情况下，至少需要安装两个测试板卡。它们无需具有电气功能，但必须机械地表示最新的设计。

数据表明，CBGA组件会发生与应力相关的故障。IPC/JEDEC-9704规范建议测量任何封装尺寸大于等于27 × 27 mm的BGA设备。例如，应对满足该要求的磁带BGA、倒装芯片BGA、增强型BGA、陶瓷BGA和低阻带BGA组件进行特性分析。

这包括选择要安装应变计的位置。如果没有空间在板卡上安装应变计，则可能必须通过移除测试板上已安装的组件来为PCB留出空间。

板卡准备是仪器流程的关键部分。正确的板卡准备有助于确保应变计的正确结合，进而提高读数精度。您还应根据应变计和粘合剂供应商提供的说明进行应变计连接。请注意，应变计需要使用特殊配方的粘合剂系统，应变计供应商通常会提供此信息。关于板卡准备、应变计连接和连线的更多信息，见IPC/JEDEC-9704规范文档。

NI是测试、测量和控制硬件和软件设备的制造商，大部分硬件产品基于PCB。NI根据IPC/JEDC-9704规范对其生产的产品进行PCB应变计测试，尤其是尺寸为27 × 27 mm或更大的BGA组件的无铅产品。图2显示了NI测试板的一个范例，该测试板已安装应变计并准备接受ICT。

图2.安装在ICT夹具中的应变计测试板

准备板卡并安装应变计后，PCB应变计测试的第三个步骤是将传感器连接到数据采集仪器并运行实际测试。测试时间可能有所不同，通常在记录数据时运行5至10秒。IPC/JEDEC-9704建议在运行测试时注意下列参数：

• 扫描频率（采样率）
• 采样分辨率和增益设置
• 每个电源
• 同步采样
• 激励电压

扫描频率

扫描频率或采样率是数据的采样率，单位为每秒采样数(Hz)。对于PCB应变计测试，建议最低扫描频率为500 Hz，但常规扫描频率范围为500 Hz至2 kHz。该采样率可确保捕捉可能发生的高频动态事件。例如，考虑两个不同频率的测量，如图3所示。以4倍的频率进行采样时，图3(b)显示了图3(a)中较低采样频率采集到的电压峰值。

图3(a)和(b):两个不同采样率的范例

采样分辨率

采样分辨率是指数据采集硬件中模数转换器(ADC)的位数。分辨率越高，可检测到的输入信号变化越小，测量越精确。对于PCB应变计测试，建议最小采样分辨率为12至16位。ADC还具有增益设置（信号放大的因子），设置合适的增益值可确保充分利用数据采集硬件上可用的分辨率位。

通道数

可用监控通道的数量限制了单次测量的数量。至少需要12个测量通道来监控安装在BGA芯片各个角落的四个层叠式花型，至少需要3个通道来测量一个层叠式花型。通道不足时可多次通过，但必须在相同载荷下监控任意层叠式应变花中的所有三个应变计，以避免分析时出现应变计算错误。

同步采样

必须在相同负载和相同通道上监控层叠式应变花中的所有三个应变计。数据采集设备决定了如何进行这些测量。常见的两种技术是多路复用和同步采样。提供多路复用的数据采集设备按顺序使用一个ADC和采样通道。对于PCB应变计测试，顺序采样可能导致计算错误的应变值。同步采样的数据采集设备为每个通道提供一个单独的ADC，从而在所有通道上同时进行测量，并消除应变计算中的任何错误。

图4.顺序采样和同步采样

桥完成和激励电压

层叠式应变花中的三个应变计均为1/4桥应变计，需要电桥完成和激励电压（均由数据采集仪器提供）才能正常工作。

1/4桥应变计传感器的桥构成包括提供惠斯通电桥四个桥臂中的三个（图5），其中应变计作为第四个桥臂。

图5.惠斯通电桥

由于PCB材料的导热率较低，电流流过应变计时应变计更容易发热。虽然使用三导线设置和1/4桥可减少此影响，但应平衡激励电压和信噪比(SNR)。如板卡静止时应变值发生较大漂移，请降低电压直至该效应消失或SNR可接受。通常，2 V的激励电平应能提供令人满意的性能。

采集到原始应变数据后，即可开始PCB应变计测试的最后一步 – 分析该数据以计算测试过程中板卡上产生的应力（最大值和最小值）。可在测试期间在线完成分析，或在测试完成并收集所有数据后离线完成分析。

分析细节随使用的特定应变极限标准变化。许多应变极限标准可能需要使用摩尔圆方程获取应变速率或主应变计算。根据IPC-9704规范，至少应提供每个监测步骤的主应变或轴向应变的峰值（最大值和最小值）。

报告数据的常用方法是使用应变与应变率图表，其中y轴表示最大允许的主应变（微应变），x轴表示应变率（微应变/秒）。应变率是连续读数之间应变绝对值的变化。图6为应变与应变率图表的范例（参考IPC/JEDEC-9704规范）。

如无需在线分析数据，可将数据导出至磁盘，保存为离线分析所需的文件格式。

图6.应变与应变率图表范例

NI在测试测量领域拥有40多年的丰富经验,是PC数据采集领域的全球市场领导者,拥有涵盖桌面、便携式、工业和嵌入式应用的完整数据采集产品系列。随着模拟、数字和总线技术的发展，NI始终将这些技术纳入其产品中。目前，NI已根据测量类型、通道数、所需分辨率和其他关键要求提供多种数据采集和传感器测量平台以满足不同需求。

NI C系列和PXI硬件平台专为电压、电流和传感器测量而设计。  每个平台都包含特定的应变测量模块，是测量应变计的理想选择。结合NI硬件和NI LabVIEW软件，可创建灵活的模块化PCB应变计测试系统。

C系列是3.4 × 2.7 × 0.9 in的产品系列。可在CompactDAQ和CompactRIO硬件平台内互换的I/O模块。建议在PCB应变计测试中使用NI 9237 4通道应变/桥测量模块。它提供24位分辨率和每通道50 kS/s采样率，均远远超过推荐的产品规范。

图7.CompactDAQ机箱中的NI 9237 C系列模块

PXI平台包含6.3 x 3.9 x 1模块，模块位于4至18插槽的坚固机箱中。  机箱背板包含用于精确定时和触发的内置定时和同步总线。  PXI平台上有1500多种模块类型，包括8通道NI PXIe-4330和24位分辨率NI PXIe-4331桥模块。  对于大多数PCB应变计测试，PXIe-4330具有25 kS/s/ch的采样率即可，但具有102.4 kS/s/ch的PXIe-4331适用于需要非常高采样率的情况。  建议使用PXI平台进行最高性能的应变测量。

图8.NI PXI Express 8槽机箱

LabVIEW图形化编程软件用于开发可扩展的测试、测量和控制应用程序。通过易于使用的NI DAQ助手和强大的NI-DAQmx驱动程序软件，它提供了与数据采集硬件的无缝接口。除了700多个内置分析函数之外，LabVIEW还包含数组、簇等核心数据结构，以及循环、条件结构和状态图等核心编程构件，从而扩展了处理几乎任何应用程序的能力。由于其图形化方法,制作任何类型的输入控件和显示控件（例如，应变与应变率带状图）的直观用户界面是LabVIEW固有的。

图9.NI LabVIEW图形化编程

LabVIEW在单个软件环境中集成了数据采集、分析和报告功能，是PCB应变计测试的极具吸引力的工具。 

NI提供多种应变测量硬件选项，包括C系列和PXI。  每种解决方案均基于NI-DAQmx驱动程序软件，并使用相同的LabVIEW API，因此，随着通道数需求的增长，只需对现有软件进行最小改动或无需改动即可轻松从一个平台迁移到另一个平台。

NI DIAdem软件可帮助管理、分析和报告数据采集时获取的数据和/或仿真时生成的数据。DIAdem的离线分析和报告功能使其成为快速访问PCB应变计测试期间收集的大量数据、实现一致报告及数据可视化的理想工具。

通过基于C系列和LabVIEW系统的应变验证和监控程序，NI已成功避免了与应变相关的故障和现场返回。NI生产500多种独特的硬件产品，其中大多数基于PCB。引入IPC/JEDEC-9704规范后，NI已在内部使用PCB应变计测试，尤其是BGA组件大于27 × 27 mm的无铅产品。

尽管球栅阵列和无铅焊料等最新技术使工程师能够设计小型环保电子产品,但工程师在PCB和基于PCB的产品的设计和制造方面面临着新的挑战。PCB应变计测试通过在PCB产品制造过程中主动识别高应力诱发和潜在损坏的工艺，解决了这些挑战之一。通过灵活的软件和模块化硬件，NI提供了可扩展的系统，可满足PCB应变计测试的需求。

参考资料

[1] IPC-9704指南文档
        http://portal.ipc.org/ Association/Index.htm
[2] 应变变换和花型应变计理论
        http://www.ae.gatech.edu/people/jcraig/classes/ae3145/Lab2/strain-gage-rosette-theory.pdf

相关资源

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