使用應變規測試,辨別並特性化損壞的 PCB 組裝與測試流程

過去數十年來,工程師不斷使用 PCB 和 PCB 架構產品,為什麼壓力導致的故障在當今的問題越來越大?為了嘗試回答這個問題,本文的主題專家已檢視近幾年電子產業的主要趨勢如何影響 PCB 的最大可允許應力限制。最相關的兩個趨勢是:

• 大幅使用無鉛焊接,而非傳統的晶圓焊接
• 更常使用精巧的球網陣列 (BGA) 元件

以上趨勢的原因及其相關優勢相當明顯。危險物質限制 (RoHS) 指令於 2006 年 7 月進入歐盟。該指令限制使用 6 種危險物料,包括製造多種電子電機設備的鉛。其中缺點是,大多數的無鉛焊接替代品都具有較高的脆弱性,而在製造階段的組裝與測試流程中,無鉛焊接在承受壓力時,比傳統晶圓焊接更容易發生裂痕。

BGA 元件比表面固定式封裝具有許多優勢,包括針腳密度更高、熱能傳導效能更優異,且由於電阻較低,因此可避免過熱,同時由於封裝與 PCB 之間的距離較短,因此阻抗較低,因此能發揮優異的電力效能。反面而言,BGA 元件有一些缺點,包括檢驗成本較高、對熱擴充的反應較低,以及與導線較長的表面固定元件相比,彈性與振動較高。BGA 元件在均勻分配應力方面效率不高,且更容易發生焊球接頭裂裂變,尤其是內部列。

上述兩種趨勢各自降低可直接應用於 PCB 的最大機械應力限制。只要相結合,只要超出允許的最大應力,就能大幅提高焊接點裂變的可能性,幾乎是必須對機板和周圍設備進行特性分析,以達到最高應力準位。如電路測試 (ICT)、特雷雷雷化或最終驗證測試 (FVT) 等組裝與測試流程,會以固定裝置形式將機板固定,接著執行任務。如果這類設備設計不當,通常會對 PCB 施加高於安全允許的應力。即便是精心設計的設備,也會隨著時間的推移對 PCB 內部施加更高的壓力。

為了主動避免故障並找出有問題的設計或流程,您可以在 PCB 上執行應變規測試,以對這些潛在高應力感應流程進行特性分析,以達到最大應力,並確保其在可允許的限制內。若測得的應力值超出機板可允許的最大應力準位,則可重新作業或重新設計設備,或根據必要變更流程,將這些值降至可允許範圍內。IPC/JEDEC-9704 指南會找出問題的組裝與測試流程,並提供執行 PCB 應變規測試的系統步驟。

IPC (原為印刷電路研究所 (Institute for Printed Circuits),現在稱為 IPC):Association Connecting Electronics Industries (Connecting Electronics Industries Association,連結電子產業協會) 是一個全球性貿易協會,致力於提升其 2,600 家成員公司的競爭優勢與財務成功,該協會代表電子互連產業的所有層面,包括設計、PCB 製造與電子組裝。IPC 與聯合電子裝置工程委員會 (JEDEC) 在 2004/2005 年發表了兩份關於 PCB 機械應力的指引文件。IPC/JEDEC-9702 為應變特性分析指南,而 IPC/JEDEC-9704 則著重於印刷接線板應變規測試。

請自 IPC 網站下載 IPC/JEDEC-9704 準則的完整複本。
請自 JEDEC 網站下載 IPC/JEDEC-9704 準則完整版。

在本技術文章的下列章節中,請參閱 IPC-9704 指南建議的 4 個 PCB 應變規測試步驟。

透過 PCB 應變規測試,即可針對潛在的高應力產生與損壞的流程進行量化評估與特性分析,但您必須先找出這些流程才能實作測試。根據 IPC/JEDEC-9704 準則文件,製造流程的特性通常是:

1. SMT 組裝流程
   • 機板 depanelization (路由) 流程
   • 所有手動處理流程
   • 所有重複作業與修正流程
   • 安裝連接器
   • 元件安裝
2. 機板測試流程
   • 電路靜態測試 (ICT)
   • 機板功能測試 (BFT) 或同等的功能測試
3. 機械組裝
   • 散熱器組件
   • 機板支援/固化器組件
   • 系統機板整合或系統組件
   • 安裝週邊元件互連 (PCI) 或子卡
   • 安裝雙行內記憶體模組 (DIMM)
4. 運送環境

雖然上述 ICT 與 BFT 通常是最高應變/應變速率的作業,但在任何其他程序中都有可能造成損壞,因此您應在盡可能多的程序上進行應變測試。

確認過相關流程後,即可執行下列 4 個步驟的 PCB 應變規測試:

1. 選擇應變規感測器
2. 準備用於測試與安裝應變規的 PCB
3. 量測應變
4. 分析資料與製作報告

應變規的電子電阻,會視裝置中的應變數量比例而異。IPC/JEDEC-9704 準則文件建議使用三項元件堆疊式玫瑰式應變規進行 PCB 應變規測試。

玫瑰線應變規 (圖 1) 包含 3 個相互堆疊的獨立應變規。接線應變規只能透過單向量測應變,而玫瑰式應變規則可量測零件表面上的完整應變狀態。換句話說,您不僅可量測 2 個延伸應變 ex 與 ey,也可量測剪力應變 gxy (相對於特定 x-y 軸線系統)。

圖 1.三項要素堆疊式 Rosette 應變規

假設指定了 x 與 y 軸,您可以將兩個應變規固定在 x 與 y 方向,以量測這些方向的相關延伸應變。然而,要量測剪力應變 (gxy) 並沒有直接方式。由於一般不清楚主要應變方向,因此無法直接量測主要應變。

解決此問題的解決之道,在於了解某個點 (表面上) 的 2D 應變狀態是由 3 個獨立數值所定義,可將其視為 (a) ex、ey 與 gxy,或 (b) e1、e2 與 q,此處 (a) 代表應變元件與任意 xy 軸線系統,而 (b) 則代表主要應變及其方向。無論是哪一種條件,都能完整定義表面上的 2D 應變狀態,也可用來計算任何其他座標系統的應變。此情況表示,若能在一個表面點進行三次獨立量測應變,就應該能夠判斷這三個獨立數值。最明顯的方法是將 3 組應變規組合在一個「玫瑰圈」中，每個應變規各向不同方向，且所有應變規皆盡可能靠近彼此，以便在同一個點接近量測值。如果您知道這三種應變與應變規方向,即可找出主要應變及其方向,或等同於任何 xy 座標系統的應變狀態。所需的關係即為應變轉換方程式,而莫赫 (Mohr) 的圓形結構則能充分呈現此過程。

根據 IPC/JEDEC-9704 準則,建議使用的應變規詳情如下:

• 三項要素堆疊式矩形 (0/45/90) 玫瑰式應變規
• 1.0 至 2.0 公釐、² 個額定、應變規感測器大小
• 120 或 350 W 應變規
• 導線固定墊位於應變規的一側,或導線固定在應變規的一側

有數家公司提供三要素堆疊式玫瑰式應變規,例如 Kyowa (KFW-D17,一種防水三軸薄片應變規) 與 Vishay (C2A-06-062WW-350 或 C2A-XX-062LR-350,一種通用矩形玫瑰式應變規)。

由於表面固定式技術 (SMT) 回流之前只會施加有限的機械應變,更重要的是,由於焊接接接頭只會在回流後形成,因此僅在 SMT 回流後的組裝與測試作業時,才需要進行應變特性分析。通常會配備至少 2 組測試機板。這些裝置不需具備電子功能,但必須以機械方式呈現最新設計。

資料顯示 CBGA 元件會因為壓力造成故障。IPC/JEDEC-9704 指南建議您量測包裝本體尺寸等於或大於 27 x 27 公釐的任何 BGA 裝置。舉例來說,您應該針對符合這項需求的磁帶 BGA、正反晶片 BGA、強化版 BGA、陶瓷 BGA 與低靜止 BGA 元件進行特性分析。

包括選擇要安裝應變規的位置。如果機板上沒有安裝應變規的空間,您可能必須移除測試機板上已安裝的元件,藉此為 PCB 提供空間。

機板準備是儀器流程中相當重要的一環。適當的機板準備有助於確保應變規能妥善彙整,進而提升讀取準確度。您也應根據應變規與黏式劑供應商提供的指示,執行應變規固定作業。請注意,應變規需要使用特製化的黏式系統,而應變規供應商通常會提供這項資訊。如需進一步了解機板準備、應變規固定方式與接線路由,請參閱 IPC/JEDEC-9704 準則文件。

NI 是測試、量測與控制軟硬體設備的製造商,其中大多數硬體產品都是以 PCB 為基礎。NI 會根據 IPC/JEDC-9704 準則,針對其生產的產品進行 PCB 應變規測試,尤其是無鉛產品,其 BGA 元件尺寸為 27 x 27 mm 或更大。圖 2 所示為 NI 測試機板的範例,其中已安裝應變規,且準備接受 ICT。

圖 2.安裝在 ICT 設備中的應變規測試機板

準備機板並安裝應變規之後,在進行 PCB 應變規測試的第三個步驟,就是將感測器連接至資料採集儀器,並執行實際測試。測試時間可能會有所不同,通常可以在記錄資料的同時執行 5 到 10 秒。IPC/JEDEC-9704 建議在執行測試時注意下列參數:

• 掃描頻率 (取樣率)
• 取樣解析度與增益設定
• 通道數量
• 同步取樣
• 激發電壓

掃描頻率

掃描頻率 (或稱取樣率) 是以每秒取樣數單位 (Hz) 的取樣率取樣資料。針對 PCB 應變規測試,建議最小掃描頻率為 500 Hz,但一般掃描頻率介於 500 Hz 到 2 kHz 之間。這樣的取樣率有助於確認可能發生的任何高頻動態活動。舉例來說,以 2 種不同頻率的量測為例,如圖 3 所示。以 4 倍的頻率取樣時,圖 3(b) 顯示了在圖 3(a) 中較慢的取樣頻率下並未獲取的電壓峰值。

圖 3(a) 與 (b):具有 2 種不同取樣率的範例

取樣解析度

取樣解析度 (Test Drawing Resolution) 是指資料採集硬體中類比至數位轉換器 (ADC) 的位元數。解析度越高,可偵測到的輸入訊號變化就越小,量測結果也越準確。針對 PCB 應變規測試,建議最小取樣解析度為 12 到 16 位元。ADC 也具備增益設定 (訊號放大係數),並且設定適當的增益值,可確保能充分運用可用的解析度位元,並運用資料採集硬體。

通道數量

可用的監控通道數會限制單一通道的量測次數。至少需要 12 個量測通道,以監控安裝在 BGA 晶片各角的 4 個堆疊式玫瑰,並且至少需要 3 個通道才能量測 1 個堆疊式玫瑰。雖然如果通道不足,您可以執行多個通過,但您必須在任何堆疊式散光片中的所有 3 個應變規負載相同的情況下監控,以避免在分析期間發生應變計算錯誤。

同步取樣

您必須以相同負載與相同的通行流程,監控堆疊式玫瑰圈中的所有 3 個應變規。您所使用的資料收集裝置決定了量測方式。常見的 2 種技術是多工與同步取樣。提供多工功能的資料收集裝置,會依序使用一個 ADC 與取樣通道。針對 PCB 應變規測試,序列取樣可能會導致應變值計算錯誤。具備同步取樣功能的 Data Acquisition 裝置,可為每個通道提供獨立的 ADC,讓所有通道的量測作業確實在相同時間進行,並排除應變計算中的任何錯誤。

圖 4.序列取樣與同步取樣

橋接補償與激發電壓

堆疊式玫瑰圈中的 3 個獨立應變規分別是 1/4 橋接應變規,其運作需要橋接補償與激發電壓 (兩者皆由資料取得儀器提供)。

1/4 橋接應變規感測器的橋接補償包含在 Wheatstone 橋接的 4 個臂中提供 3 個臂 (圖 5),其中應變規是第四個臂。

圖 5.Wheatstone 橋

由於 PCB 材料的導熱性低,因此,由於電流通過這些應變規,應變規會更容易發熱。使用三線式導線配置與 1/4 橋接可降低此效應,但您應在激發電壓與訊噪比 (SNR) 之間取得平衡。若在機板處於休眠狀態的同時,應變值漂移大幅,請降低電壓,直到此效應消失或 SNR 可接受為止。一般而言, 2 V 的激發準位應提供令人滿意的效能。

取得原始應變資料後,即可開始進行 PCB 應變規測試的最後步驟:分析這些資料,以計算測試期間對機板造成的最大與最小應力。您可以在測試期間在線上完成這項分析,也可以在測試完成且已收集所有資料之後離線完成這項分析。

分析細節會根據所使用的特定應變限制條件而有所不同。許多應變限制準則可能需要使用莫爾 (Mohr) 的循環方程式取得應變速率或主要應變計算。根據 IPC-9704 準則,您至少應為所監控的每個步進提供主要或軸向應變 (最大與最小) 峰值。

常見的資料報告方式是使用應變對應變速率圖,當中的 y 軸代表允許的最大主應變 (偏壓) 與 x 軸代表應變速率 (偏壓/秒)。應變率是指連續讀數之間的應變絕對值變化。圖 6 顯示應變對應變速率圖的範例 (簡稱 IPC/JEDEC-9704 準則)。

當您不需要在線上分析資料時,可以將資料匯出至磁碟,並以合適的檔案格式儲存,以利離線分析。

圖 6.應變與應變速率圖範例

NI 在測試與量測領域擁有超過 40 年的豐富經驗,是電腦架構 (PC-Based) 的全球市場領導廠商,提供適用於桌上型、攜帶式、工業級、可攜式、工業級與嵌入式用途的完整產品系列。隨著類比、數位與匯流排技術的發展,NI 也持續將這些技術納入其產品中。時至今日,NI 提供多款適用於不同類型量測、通道數、所需解析度與其他關鍵需求的資料採集與感測器量測平台。

NI C 系列與 PXI 硬體平台是專為電壓、電流與感測器量測所設計。  每個平台均包含應變專屬的量測模組,非常適合用來量測應變規。結合 NI 硬體與 NI LabVIEW 軟體後,即可建立靈活的模組化 PCB 應變規測試系統。

C 系列是 3.4 x 2.7 x 0.9 吋的系列。可在我們的 CompactDAQ 與 CompactRIO 硬體平台中互換的 I/O 模組。建議使用 NI 9237 四通道應變/橋接量測模組進行 PCB 應變規測試。它提供 24 位元解析度與每通道 50 kS/s 的取樣率,兩者均高於建議的規格。

圖 7.NI 9237 C 系列模組與 CompactDAQ 機箱

PXI 平台包含 6.3 x 3.9 x 1 吋模組，可安裝在堅固耐用的 4 至 18 個插槽機箱中。  機箱背板內建的時序與同步化匯流排,可提供精確的時序與觸發功能。  PXI 平台提供超過 1500 種模組類型,包括 8 通道 NI PXIe-4330 與 24 位元解析度的 NI PXIe-4331 橋接模組。  針對大多數 PCB 應變規測試,每秒每通道 25 kS 取樣率的 PXIe-4330 已足夠,但在需要極高取樣率時,可以使用 102.4 kS/s/ch 的 PXIe-4331。  建議使用 PXI 平台進行最高效能的應變量測作業。

圖 8.NI PXI Express 8 插槽機箱

LabVIEW 圖形化程式設計軟體是專為開發可擴充的測試、量測與控制應用所設計。此系統透過簡單易用的 NI DAQ Assistant 與強大的 NI-DAQmx 驅動程式軟體,能順暢介接資料採集硬體。除了超過 700 種內建分析函式之外,LabVIEW 還包含陣列與叢集等核心資料結構,以及迴圈、條件結構與狀態圖等核心程式設計建置區塊,可擴充其功能,以因應幾乎任何應用。LabVIEW 採用圖形化方式,可透過直覺式使用者介面製作任何類型的控制與指示元件,例如應變對應變速率條片圖。

圖 9.NI LabVIEW 圖形化程式設計

LabVIEW 在單一軟體環境中結合了資料採集、分析與報告功能,是 PCB 應變規測試的絕佳工具。 

NI 提供數種用於應變量測的硬體選項,包括 C 系列與 PXI。  這些解決方案均以 NI-DAQmx 驅動程式軟體為基礎,並使用相同的 LabVIEW API,因此您可以隨著通道數需求增加,輕鬆地從平台轉移到不同的平台,幾乎不需變更現有軟體。

NI DIAdem 軟體可針對資料獲取或模擬期間所產生的資料,進行管理、分析、與報表製作。DIAdem 的離線分析與報表製作功能可讓您快速存取 PCB 應變規測試期間收集的大量資料、製作一致的報告,以及呈現資料。

透過使用 C 系列與 LabVIEW 架構系統的應變驗證與監控方案,NI 已成功避免應變相關故障與現場退貨。NI 生產超過 500 款獨特的硬體產品,其中大多是以 PCB 為基礎。隨著 IPC/JEDEC-9704 準則的推出,NI 將內部使用 PCB 應變規測試,特別是使用大於 27 x 27 公釐的 BGA 元件的無鉛產品。

雖然目前最新的技術 (例如球網陣列與無鉛焊材質) 可協助工程師設計小型與環保電子產品,但在設計與製造 PCB 與 PCB 產品時,工程師也面臨了更新的挑戰。在製造 PCB 架構產品時,PCB 應變規測試可主動找出高應力產生與潛在破壞的流程,以因應上述挑戰。NI 提供靈活的軟體與模組化硬體,提供可擴充的系統,可滿足您在 PCB 應變規測試方面的需求。

參考資料

[1] IPC-9704 準則文件
        http://portal.ipc.org/Association/Index.htm
[2] 應變轉換與 Rosette 應變規理論
        http://www.ae.gatech.edu/people/jcraig/classes/ae3145/Lab2/strain-gage-rosette-theory.pdf

相關資源

• 深入了解 NI 結構測試解決方案