StrainMaster应变测试系统在PCB板的生产测试流程中的应用

2、问题陈述
        PCB板或者基于PCB板的产品已经被工程师们用了数十年了，那是为什么压力引起的焊接失败成了日益重要的议题呢？为了回答这个问题，专家们已经调查最近几年间电子工业中最大地影响到PCB板安全应力范围主要的趋势。
 两种主要的趋势是：
  无铅焊料在更大范围上取代了传统的锡铅焊料
  紧凑的BGA（球形矩阵排列）方式更多地被使用
      造成以上趋势和这种趋势的利益相关性是很明显的。2006年7月，欧盟的有害物质限制（RoHS）指引产生了很大的影响。这个指引限制了6种包括了制造业中多种类型电子电气设备都会用到的铅在内的有害物质。不利的是，绝大多数无铅焊料更脆弱，在装配或测试过程中受力的时候，无铅焊料比起传统锡铅焊料会更容易引起开裂。
　　同时，BGA元件有很多优胜于SMP（表面贴装）封装的优势，包括更高密度的引脚，更低热阻所带来的更好的导热与防过热性能，还有封装与PCB板间的距离更短——所以阻抗更，更优越的电气特性。不过，BGA元件也有一些缺点，包括昂贵的检查费用、对热膨胀反应的降低，还有，相对于使用更长导线的表面贴片元件，BGA元件会导致更大的弯曲与振动。BGA元件不能有效地分散压力，而更容易使焊接节点开裂。
　　上述的两种趋势中无论哪一种都会降低直接作用于PCB板的最大机械应力值的阈值。当两种趋势一起起作用的时候，它们会在极大程度上增大焊接节点开裂的可能性，特别是当超过了最大允许应力值，同样，也使得强制标定板子和板子周围的夹具的最大应力水平成为需要。
　　装配和测试流程，例如ICT（电路在线测试）、切板、关系到把板子固定在夹具的某个地方并进行某项任务的FVT（最终校核测试）。如果这些夹具没有设计得很好，就很可能对PCB板产生过大的应力。有时，甚至设计的很好的夹具也会因为时间过长在PCB板的内部产生很大的应力。
　　为了提前避免失误和发现问题，你可以对PCB板做应变测试，识别某些潜在的易于产生高压力的流程的最大应力，确定应力处于允许范围内。如果测量得到的应力值超过了板子的允许应力水平的最大值，你可以重新制造或者设计夹具，或者按要求改变流程，使得应力值回到允许范围之内。IPC/JEDEC-9704 指引标准识别有缺陷的装配与测试流程，并且提供了系统的执行PCB应变测试的步骤。
　　IPC（最初是美国印刷电路学会Institute for Printed Circuits建立的，现在被称作IPC：美国电子电路与电子互连行业协会Association Connecting Electronics Industries）是一个全球贸易协会，具有优秀竞争力、成功的金融，拥有2,600个成员的公司，代表电子互相连接工业的各方面，包括设计、PCB板的制造和电子的装配。IPC和电子工程设计发展联合会议（Joint Electron Device Engineering Council）在2004与2005年发布了两项指引文件，这些文件都是关于PCB板的机械应力的。IPC/JEDEC-9702是一个应变识别指引，而IPC/JEDEC-9704主要致力于印刷线路板的应变测试。
　　
       章和电气联合全球最大代工厂，根据几年的现场测试经验，在软件StrainMaster中加入了IPC-9704 模块，可以直接根据9704标准生成应力的测试结果。
 

StrainMaster
3、PCB板应变测试
　　
3.1、典型制造的流程
　　使用应变测试，你可以定量地评估和识别出潜在大应力引起的、有害的流程，但是你需要在执行这些流程前识别出它是否有害。
　　根据IPC/JEDEC-9704标准文件，典型制造的流程被分为：

3.1.1、SMT（表面贴装技术）装配流程
  切板（直线切割和弧线切割）流程
  所有的人工操作流程
  所有重做与润饰流程
  连线安装
  部件安装
  
3.1.2、板子测试流程
  电路板在线测试（ICT）
  电路板功能测试（BFT）或者其他类似的功能测试
  
3.1.3、机械安装
  散热片装配板子支架装配
  系统电路板组装或系统装配
  外围部件互连（PCI）或子卡安装
  连双列直插内存模块（DIMM）安装
  
3.1.4、运输环境

3.2、应变测试步骤
    在以上列表中，ICT和BFT都是典型的最大应变/应变率的操作，但是其他流程的应力同样会对PCB板有潜在的危害，所以你最好对尽量多的流程进行应变测试。
　　只要你有需要进行应力识别的流程，你可以按以下的四个步骤执行PCB板的应变测试。
   选取应变片
   准备要测试的PCB板和粘贴应变片
   测出应变
   分析记录数据
 
3.2.1.步骤一：选取应变片
    应变片是一种可以按应变的大小线性变化电阻值的设备。IPC/JEDEC-9704标准指引文件推荐为PCB板进行应变测试时使用三向扇形摆放的应变片。
　　一组扇形(rosette)的应变片是由三片独立的应变片互相重叠摆放组成的。不像单向的应变片只能测一个方向的应变，一组扇形应变片可以测量一个表面的所有状态。换句话说，你不仅测量两边的应变ex和ey，也能在给定的x-y坐标系中测量剪应变（或称切应变）gxy。
　　假设x、y轴是给定的，你可以分别把两片应变片固定在x、y方向，测量这两个方向上的相关的伸缩应变。但是，不能直接测到切应变gxy，也不可能直接测到主应变（Principal strain），因为主要方向一般是不知道的。
　　解决这个问题的关键在于识别出某点的（在表面）应变的二维状态，这种状态被定义为三个独立的你可以得到的量（a）ex、ey与gxy（b）e1、e2与q，其中（a）指的是与xy轴有关的应变部件，（b）指的是主应变和它们的方向。这两种情况都能完整地定义表面二维应变的状态，而且可以用于计算关于任何其他同等系统的应变。这些条件都意味着如果你可以知道表面同一点三个独立的应变值，你应该可以测定这三个独立量。最显然的方法就是扇形放置三片应变片，每片应变片都放在不同的方向，而且它们要尽量紧靠在一起来确定它们同时测量一点的值。如果你知道三个应变值和应变片的方向，你就可以得到住应变和它们的方向，或者等价地描述，得到在指定xy坐标系中应变的状态。要知道以上两者的关系需要一个应变计算方程，而且摩尔圆图提供了一个很好的流程的可视方式。

根据IPC/JEDEC-9704标准，推荐的应变片的详细说明如下：
   三向直角扇形排列应变片
   1.0至2.0mm2的应变片传感器大小
   120或350Ω的应变片
   应变片连出来的导线在应变片的一边
  
章和电气提供三向的扇形应变片，例如防水三轴箔型应变片或者通用型直角扇形应变片。
 

图1、三向扇形应变片
3.2.2、步骤二：准备要测试的PCB板和粘贴应变片
　　SMT的回流焊之前PCB板的机械应变很有限，而且更重要的是，因为焊点是在回流焊加工后成形的，所以应变特性在SMT回流焊后的装配和测试操作中是很重要的。一般来说，至少两块被测板子要被安装检测。检测的目的不是要知道它电气性能，而是必须知道最新设计的机械性能上的表现。
　　数据可以表征到与应力有关的、发上在BGA部件的失误。IPC/JEDEC-9704标准推荐你对任何大于等于27mmx27mm的封装体进行测量。比如，你应该区分带状BGA、倒装晶片BGA、增强型BGA、陶制BGA与低绝缘BGA部件，并迎合标准的推荐。
　　PCB板的准备包括选择应变片粘贴的位置。如果在板子上没有足够的空间粘贴应变片，就不得不清除已经在板子上固定好的部件以腾出空间。 准备板子是测量流程中至关重要的一步。恰当地准备好板子有助<