Medições de taxa de deformação em placas de circuito impresso (PCBs)

Introdução

Projetar instrumentação para ambientes agressivos requer conhecimento e testes aprofundados para durabilidade e impactos térmicos ou mecânicos.

Neste artigo, discutirei como realizar medições de taxa de deformação em placas de circuito impresso (PCBs), sejam de um lado, de dois lados ou de várias camadas. Ao ler isso você vai:

• Entender por que as medições de deformação são realizadas em projetos de PCB,

• Requisitos e padronização de testes de PCB,

• Como selecionar e medir deformação em PCBs,

• Como instalar os medidores de deformação no PCB,

• Instrumentos de aquisição de dados e configuração do software DewesoftX,

• Análise de dados e relatórios em DewesoftX

O que são PCBs?

Uma PCB (Placa de Circuito Impresso) é uma placa feita de material isolante - como fibra de vidro ou plástico - na qual são montados caminhos condutores e componentes eletrônicos. É usado para suportar mecanicamente e conectar eletricamente componentes eletrônicos usando caminhos condutivos, ou traços, gravados em folhas de cobre laminadas no substrato não condutivo.

PCBs são amplamente utilizados na indústria eletrônica para conectar e controlar componentes eletrônicos, como resistores, capacitores e circuitos integrados. O design do PCB pode variar muito, dependendo do tipo de aplicação e da complexidade do circuito necessário. PCBs de camada única, camada dupla e multicamada são comuns, sendo que a última oferece maior complexidade e flexibilidade no projeto de circuitos.

O processo de projetar e fabricar PCBs envolve software e equipamentos especializados, incluindo software de design auxiliado por computador (CAD), máquinas de gravação e equipamentos de montagem automatizada. Os PCBs tornaram-se um componente essencial na indústria eletrônica devido à sua confiabilidade, baixo custo e capacidade de suportar circuitos de alta densidade.

Por que medir deformações em PCBs

À medida que evoluímos e a humanidade avança, a quantidade de eletrônicos (eletrônicos de consumo e profissionais) em nossas vidas diárias está aumentando dramaticamente. Novas tecnologias, como veículos autônomos, smartphones e outros dispositivos inteligentes, aumentam exponencialmente nossa dependência de componentes eletrônicos confiáveis. 

Ao mesmo tempo, os requisitos para eletrônicos estão mudando. Eles devem ser mais potentes e compactos, mais leves, duráveis e, claro, com um preço mínimo! Para harmonizar e ainda ter eletrônicos confiáveis e de alto desempenho com um preço sólido, são necessários testes extensivos do instrumento completo e de todos os componentes. E isso naturalmente incluirá os PCBs.

Então, onde no processo de fabricação ocorrem as falhas e deformações mais comuns?

• Durante o posicionamento dos componentes no PCB na máquina pick-and-place.

• Dobra do PCB durante a instalação de conectores, dissipadores de calor ou outros componentes maiores.

• Capacitores SMD quebrados devido a alta tensão de deformação em outras etapas do processo de produção.

• Apertar parafusos ou encaixar o PCB no chassi.

• Impactos mecânicos ou vibratórios durante o transporte.

• Efeito térmico (no processo de produção, teste ou uso do usuário final) resultando em rachaduras devido a expansões térmicas.

• E muitos outros impactos podem acontecer no processo e devem ser caracterizados individualmente pelos fabricantes de eletrônicos. 

Todos os pontos acima podem levar a falhas de componentes de curto e longo prazo. Potencialmente, isso pode levar a resultados catastróficos.

Requisitos e padronização de testes de PCB

A importância dos componentes eletrônicos em aplicativos de missão crítica estabeleceu um extenso guia e metodologia sobre como, o quê e onde. A documentação mais importante para tal orientação é IPC-JEDEC 9701-9706. É necessário para quase todas as aplicações espaciais.

Além desses documentos, também são feitos documentos/requisitos internos com base na expectativa de utilização do sistema eletrônico. Esses documentos abrangem não apenas medições de taxa de deformação, mas também medições térmicas, de vibração e de choque realizadas na placa de circuito impresso.

Como medir e onde montar o extensômetro

Infelizmente, para métodos numéricos e de simulação, como FEA, existem limitações, pois tradicionalmente é baseado em modelagem matemática perfeita. As estruturas de PCB geralmente utilizam materiais fibrosos onde a direção granular é extremamente difícil de modelar. No caso de PCBs, que são heterogêneos em suas propriedades materiais, isso não é simples de fazer com uma precisão muito alta. Também é quase impossível cobrir o ciclo de produção completo. 

Portanto, testes físicos em PCBs reais devem ser realizados, não apenas para confirmar os padrões de carregamento, planos e ciclos, mas também para confirmar a validade dos modelos em casos de carregamentos existentes. Uma medição real com medidores de deformação é a única medição confiável e é necessário que forneça o comportamento de tensão real da placa. Outros métodos de teste, como tomografia computadorizada e raio-X, não fornecem resultados bons o suficiente e geralmente são estáticos.

Seleção do medidor de deformação

Em geral, para uma medição de deformação PCB, os extensômetros podem ser uniaxiais - padrão linear - ou extensômetros de roseta. Medidores de tensão de padrão linear uniaxial são usados para medir a tensão em uma única direção, enquanto as rosetas fazem três medições independentes em direções diferentes. Isso depende muito das expectativas ou do conhecimento em que direção vai acontecer a deformação da placa de circuito impresso. Na maioria dos casos, os engenheiros montam rosetas , pois elas revelam as deformações “desconhecidas”, informações direcionais e principais tensões e deformações. 

O extensômetro em si deve ser muito pequeno, com um tamanho de sensor de 1 a 2 mm2 . Como padrão, resistores de 120 e 350 Ω podem ser usados. No entanto, devido a problemas de autoaquecimento da grade, ter uma resistência maior no medidor menor permite uma excitação um pouco maior sem ter problemas de estabilidade. PCBs não são dissipadores de calor muito bons.
Normalmente, com um sensor tão pequeno, a tensão de excitação será de 2 V ou menos, mas ainda alta o suficiente para ter uma boa relação sinal-ruído. Lembre-se de que, se energizado, o próprio PCB e seus componentes podem ser uma fonte de ruído!

Um fator importante a ser considerado ao escolher um extensômetro também é a temperatura ambiente - onde ele será usado. No caso de realização de ciclos térmicos ou medições do PCB durante o deslocamento pelo forno, um extensômetro de faixa de temperatura mais alta deve ser usado. 

Onde medir

Como todos esses testes consomem tempo e dinheiro, não é viável colocar extensômetros em todos os locais. Fornecedores e usuários, portanto, normalmente concordam sobre quais componentes tal medição de deformação deve ser realizada. Mas se este não for o caso, abaixo estão algumas recomendações vindas do IPC-JEDEC-9704A.

Componentes da Matriz de Área 

Qualquer dispositivo de matriz de área com um tamanho de corpo igual ou maior que 27 x 27 mm ou componentes de passo mais fino - passo de 0,8 mm e abaixo - com um tamanho de corpo > 10 mm deve ser avaliado. Se houver vários componentes de passo fino, os locais de pior caso - mínimo três - com base no julgamento de engenharia, histórico de danos ou análise de elementos finitos devem ser testados.

Componentes de matriz sem área 

As interconexões em componentes de matriz sem área com juntas de solda menores e corpos rígidos - ou seja, capacitor de cerâmica multicamadas (MLCC) - também são suscetíveis a falhas nas juntas de solda induzidas por tensão. Ao avaliar a tensão gerada durante esses processos e garantir que permaneçam dentro dos limites aceitáveis, as falhas podem ser significativamente minimizadas ou eliminadas. Falhas como rachaduras na junta de solda, fratura do dispositivo, elevação da almofada, craterização da almofada e danos ao condutor da placa de fiação impressa.

Como instalar um medidor de tensão no PCB

Uma das partes mais importantes das medições é a instalação adequada do extensômetro e a preparação do PCB. Isso garantirá a conexão adequada entre a placa de fiação e o extensômetro e, assim, fornecerá resultados precisos e confiáveis. Em geral, os fabricantes fornecem instruções sobre como instalar corretamente o extensômetro no PCB. No entanto, abaixo estão algumas recomendações para instalação:

• Desengordurar a superfície onde o extensômetro será fixado com um solvente como álcool isopropílico, com cuidado, pois alguns produtos químicos podem afetar a própria superfície!

• Ligeira abrasão da superfície para que o adesivo possa aderir melhor ao PCB e fornecer uma ligação adequada com o extensômetro. Para esta etapa, papel de carboneto de silício ou papel abrasivo (400+) deve ser usado para raspar levemente a superfície. O revestimento conformal deve ser removido ao aplicar extensômetros, pois pode influenciar a ligação entre o PCB e o sensor. Pode gerar imprecisões durante a medição se afetar a estrutura do PCB ou outros processos. Deve ser aplicado no topo do extensômetro após proteger a área da grade do medidor.

• Limpe a superfície novamente com um solvente como álcool isopropílico.

• A maioria dos adesivos requer um certo valor de pH na superfície para funcionar e colar adequadamente na placa. Um neutralizador deve ser aplicado na superfície.

• Antes de colar o extensômetro, é essencial decidir e alinhar a direção de todos os extensômetros - isso facilitará a vida na parte de medição/análise.

• Prenda o medidor de tensão e os fios na superfície de acordo com as instruções do fabricante com fita de instalação do medidor e adesivo adequado. Então, é hora de conectar o extensômetro ao amplificador de medição.

• Use uma configuração de 3 ou 4 fios . Um cabo de 2 fios pode introduzir um erro térmico significativo devido ao comprimento do cabo.

• O comprimento do cabo entre os medidores de tensão e o amplificador de medição não tem limitações físicas devido à compensação do fio condutor. No entanto, como regra geral, a resistência do cabo deve ser < 10% da resistência do extensômetro. Em caso de ruído elétrico, use um cabo blindado trançado.

Aquisição de dados e configuração de software

Instrumentos de aquisição de dados

As especificações da instrumentação/amplificador de deformação são fatores cruciais na medição de deformação de PCB:

• A amostragem no DAQ deve ser simultânea, pois a amostragem multiplexada ou sequencial pode resultar em valores de tensão calculados incorretamente devido a diferenças de fase entre os canais.

• Para testes no circuito (ICT) e testes funcionais de placa (BFT), uma taxa de amostragem de > 500 Hz é recomendada e 1-2 kHz é normalmente usado. Dependendo dos procedimentos de teste, a amostragem pode ir além de 50 kHz, por exemplo, quando inclui teste de choque/queda.

• A resolução mínima de amostragem deve ser de 16 bits.

• Recomenda-se ter suporte de um quarto de ponte de 3 fios embutido - não fornecendo isso externamente - e compensação de desequilíbrio de ponte. Em última análise, isso reduz o tempo gasto, bem como possíveis variáveis adicionais.

• É bom ter um filtro passa-baixo embutido para remover o ruído durante a coleta do strain gauge.

• O amplificador deve ser capaz de fornecer uma excitação de pelo menos 2V. Devido ao aquecimento essa é a tensão geral em tais aplicações com sensores pequenos. A possibilidade de excitações ainda mais baixas no caso de aquecimento pode ser problemática. 

O que é bom ter além disso:

• Medição sincronizada de sensores de temperatura para testes térmicos adicionais ou medições dentro do forno.

• Capacidade de conectar outros tipos de sensores, como acelerômetros e sinais de pressão. Estes podem, por exemplo, interceptar os dados de fixação de carga ou outros fenômenos de processos onde a taxa de deformação é apenas uma faceta do teste.

Tal dispositivo de medição universal é o instrumento de aquisição de dados SIRIUS da Dewesoft . Ele atende a todos os requisitos acima, incluindo medições de aceleração térmica e de alta velocidade. E ainda é uma ferramenta compacta e robusta para tais medições:

• Taxa de amostragem simultânea de até 200 kHz por canal , mesmo para os testes de queda de alta velocidade mais extremos,

• Precisão até 0,05%,

• Resolução de 24 bits com complemento de ponte integrada para medições de ponte de 120/350Ω de meio fio e 3 fios,

• Compensação de fio de chumbo,

• Shunt e funcionalidade curta para verificar o desvio do sensor e do amplificador antes de realizar uma medição,

• Excitação programável de 0 até 12V

• Filtragem de passagem baixa integrada, para remover o ruído nos extensômetros.

Outras informações importantes durante a realização da medição:

• Enquanto o PCB está em repouso, o valor da deformação não deve flutuar. Se isso acontecer, diminua o valor de excitação até que esse efeito desapareça.

• Como a medição de extensômetros geralmente requer alta precisão, a instrumentação aplicada deve ser calibrada de acordo com as recomendações do fabricante.

• Repita cada etapa pelo menos três vezes para capturar a variação natural da etapa de montagem em questão.

Configuração e medições de software

Todo engenheiro de teste precisa receber os resultados de medição da forma mais rápida e tranquila possível. O software DewesoftX é extraordinariamente fácil de usar e rápido de configurar. O software está incluído nos dispositivos SIRIUS e possui atualizações vitalícias gratuitas - é uma solução garantida para o futuro.

A medição em cinco rosetas circulares envolve a configuração de 15 canais de entrada:

• Tipo de medição de ponte de 3 fios e 350 Ω,

• Filtro passa-baixo para remover o ruído,

• Excitação 2V (dependendo da superfície),

• Compensação de condutores com verificação automática integrada.

A função pura de software/hardware habilita/desabilita o resistor Shunt e encurta o amplificador. Isso se torna ainda mais útil para medir um processo mais longo e durante o ciclo térmico. Simplesmente desviando/curto no início e no final da medição, ele dirá se ocorreu algum desvio do amplificador ou dos sensores.

Uma visão geral rápida dos dados medidos:

Análise de dados e relatórios no DewesoftX

Uma vez feito o registro dos dados, a avaliação e o relatório são gerados. Um módulo Math construído dentro da Dewesoft Math Library é feito para cálculos de taxa de deformação de PCB de acordo com o padrão IPC/JEDEC-9704 ou um limite personalizado da empresa. Para realizar os cálculos, o módulo é habilitado, e detalhes das limitações e PCB são inseridos. Este cálculo pode ser feito online - durante a medição - e offline após o término da medição.

• Selecione os canais de strain gauge medidos no lado esquerdo (Epsilon A, B, C),

• Escolha o tipo de limite, com base no qual os cálculos são feitos,

• Da espessura do PCB - valores limite de acordo com o padrão IPC/JEDEC-9704,

• Do valor limite - usado para valores de limite personalizados (por exemplo, padrões internos da empresa),

• Espessura do PCB - espessura do PCB em mm,

• Valor limite - usado para cálculos personalizados com o tipo Limite do valor Limite,

• Taxa de deformação mínima na curva de referência (usada apenas para visualização dos dados),

• Taxa de deformação máxima na curva de referência (usada apenas para visualização dos dados),

• Canais de saída epsilon A, B, C, D - cálculo adicional de Epsilon 4.

Cálculos e definições de limite pelo padrão IPC/JEDEC-9704

Os cálculos realizados são explicados a seguir:

• Tensão Principal Máxima \(e_{max}\):

• Deformação Principal Mínima \(e_{min}\):

• Tensão diagonal \(e_{d}\):

• Taxas de tensão:

\(e\): Variedade, \(t\): Tempo

Caso o limite do padrão IPC/JEDEC-9704 seja usado, ele é calculado como:

Tal gráfico, onde a taxa de deformação contra a deformação principal/máxima é mostrada na Figura 10, onde são mostradas as limitações da diretriz do IPC/JEDEC-9704A.

Relatório típico

A interpretação correta dos dados é essencial e cabe ao engenheiro de medição garantir que os valores relevantes sejam relatados. Usar uma combinação de deformação geral mínima, máxima, absoluta e diagonal é a chave para o engenheiro tomar as decisões corretas. A ferramenta matemática de taxa de deformação PCB fornecida pela Dewesoft pode relatar automaticamente as condições PASSA/FALHA, com base nos limites definidos.