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挑戰(zhàn):
壓力引起的焊接失敗是其中一種常見的導(dǎo)致PCB裝配不通過的原因?，F(xiàn)在，因為無鉛焊接材料的引入，在相同的拉伸和壓力強度之下，相對于傳統(tǒng)錫鉛焊接來說，焊接節(jié)點加倍脆弱，以致壓力引起的焊接失敗問題被更深層次地激發(fā)了。多種裝配和測試流程也會因為形變過大導(dǎo)致PCBA的焊接失敗，這種情況甚至是在出貨之前也有可能發(fā)生。
解決方案:
根據(jù)IPC-9704 標(biāo)準(zhǔn)以及與全球大型代工廠的合作，開發(fā)了基于IPC-9704標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)變測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含三向應(yīng)變片，USB采集硬件和自動測試軟件StrainMaster。根據(jù)應(yīng)變片的測試，分析ICT設(shè)備以及PCB板的應(yīng)力值。采用完全符合IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)推薦的應(yīng)變片，粘結(jié)劑，能夠有效連接應(yīng)變片與電路板。
背景
PCB板在生產(chǎn)測試流程中，會受到不同程度的應(yīng)力影響。近年電子工業(yè)由于大量使用無鉛焊料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錫鉛焊料，以至于壓力引起的焊接問題被大大激發(fā)了。本方案詳細(xì)敘述了軟硬件方案，根據(jù)IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)測試流程進行完整的應(yīng)力分析。
回顧
壓力引起的焊接失敗是其中一種常見的導(dǎo)致PCB裝配不通過的原因?，F(xiàn)在，因為無鉛焊接材料的引入，在相同的拉伸和壓力強度之下，相對于傳統(tǒng)錫鉛焊接來說，焊接節(jié)點加倍脆弱，以致壓力引起的焊接失敗問題被更深層次地激發(fā)了。多種裝配和測試流程也會因為形變過大導(dǎo)致PCBA的焊接失敗，這種情況甚至是在出貨之前也有可能發(fā)生。這份文檔解釋了怎樣使用IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)和的軟硬件去測試應(yīng)變和識別有問題的設(shè)計和流程。
問題陳述
PCB板或者基于PCB板的產(chǎn)品已經(jīng)被工程師們用了數(shù)十年了，那是為什么壓力引起的焊接失敗成了日益重要的議題呢？為了回答這個問題，專家們已經(jīng)調(diào)查最近幾年間電子工業(yè)中最大地影響到PCB板安全應(yīng)力范圍主要的趨勢。兩種主要的趨勢是：
§ 無鉛焊料在更大范圍上取代了傳統(tǒng)的錫鉛焊料
§ 緊湊的BGA（球形矩陣排列）方式更多地被使用。
造成以上趨勢和這種趨勢的利益相關(guān)性是很明顯的。2006年7月，歐盟的有害物質(zhì)限制（RoHS）指引產(chǎn)生了很大的影響。這個指引限制了6種包括了制造業(yè)中多種類型電子電氣設(shè)備都會用到的鉛在內(nèi)的有害物質(zhì)。不利的是，絕大多數(shù)無鉛焊料更脆弱，在裝配或測試過程中受力的時候，無鉛焊料比起傳統(tǒng)錫鉛焊料會更容易引起開裂。
同時，BGA元件有很多優(yōu)勝于SMP（表面貼裝）封裝的優(yōu)勢，包括更高密度的引腳，更低熱阻所帶來的更好的導(dǎo)熱與防過熱性能，還有封裝與PCB板間的距離更短——所以阻抗更，更優(yōu)越的電氣特性。不過，BGA元件也有一些缺點，包括昂貴的檢查費用、對熱膨脹反應(yīng)的降低，還有，相對于使用更長導(dǎo)線的表面貼片元件，BGA元件會導(dǎo)致更大的彎曲與振動。BGA元件不能有效地分散壓力，而更容易使焊接節(jié)點開裂。
上述的兩種趨勢中無論哪一種都會降低直接作用于PCB板的最大機械應(yīng)力值的閾值。當(dāng)兩種趨勢一起起作用的時候，它們會在極大程度上增大焊接節(jié)點開裂的可能性，特別是當(dāng)超過了最大允許應(yīng)力值，同樣，也使得強制標(biāo)定板子和板子周圍的夾具的最大應(yīng)力水平成為需要。
裝配和測試流程，例如ICT（電路在線測試）、切板、關(guān)系到把板子固定在夾具的某個地方并進行某項任務(wù)的FVT（最終校核測試）。如果這些夾具沒有設(shè)計得很好，就很可能對PCB板產(chǎn)生過大的應(yīng)力。有時，甚至設(shè)計的很好的夾具也會因為時間過長在PCB板的內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力。
為了提前避免失誤和發(fā)現(xiàn)問題，你可以對PCB板做應(yīng)變測試，識別某些潛在的易于產(chǎn)生高壓力的流程的最大應(yīng)力，確定應(yīng)力處于允許范圍內(nèi)。如果測量得到的應(yīng)力值超過了板子的允許應(yīng)力水平的最大值，你可以重新制造或者設(shè)計夾具，或者按要求改變流程，使得應(yīng)力值回到允許范圍之內(nèi)。IPC/JEDEC-9704 指引標(biāo)準(zhǔn)識別有缺陷的裝配與測試流程，并且提供了系統(tǒng)的執(zhí)行PCB應(yīng)變測試的步驟。
IPC（最初是美國印刷電路學(xué)會Institute for Printed Circuits建立的，現(xiàn)在被稱作IPC：美國電子電路與電子互連行業(yè)協(xié)會Association Connecting Electronics Industries）是一個全球貿(mào)易協(xié)會，具有優(yōu)秀競爭力、成功的金融，擁有2,600個成員的公司，代表電子互相連接工業(yè)的各方面，包括設(shè)計、PCB板的制造和電子的裝配。IPC和電子工程設(shè)計發(fā)展聯(lián)合會議（Joint Electron Device Engineering Council）在2004與2005年發(fā)布了兩項指引文件，這些文件都是關(guān)于PCB板的機械應(yīng)力的。IPC/JEDEC-9702是一個應(yīng)變識別指引，而IPC/JEDEC-9704主要致力于印刷線路板的應(yīng)變測試。
聯(lián)合全球最大代工廠，根據(jù)幾年的現(xiàn)場測試經(jīng)驗，在軟件StrainMaster中加入了IPC-9704 模塊，可以直接根據(jù)9704標(biāo)準(zhǔn)生成應(yīng)力的測試結(jié)果。
PCB板應(yīng)變測試
典型制造的流程
使用應(yīng)變測試，你可以定量地評估和識別出潛在大應(yīng)力引起的、有害的流程，但是你需要在執(zhí)行這些流程前識別出它是否有害。
根據(jù)IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)文件，典型制造的流程被分為：
SMT（表面貼裝技術(shù)）裝配流程
§ 切板（直線切割和弧線切割）流程
§ 所有的人工操作流程
§ 所有重做與潤飾流程
§ 連線安裝
§ 部件安裝
板子測試流程
§ 電路板在線測試（ICT）
§ 電路板功能測試（BFT）或者其他類似的功能測試
機械安裝
§ 散熱片裝配
§ 板子支架裝配
§ 系統(tǒng)電路板組裝或系統(tǒng)裝配
§ 外圍部件互連（PCI）或子卡安裝
§ 雙列直插內(nèi)存模塊（DIMM）安裝
運輸環(huán)境
應(yīng)變測試步驟
在以上列表中，ICT和BFT都是典型的最大應(yīng)變/應(yīng)變率的操作，但是其他流程的應(yīng)力同樣會對PCB板有潛在的危害，所以你最好對盡量多的流程進行應(yīng)變測試。
只要你有需要進行應(yīng)力識別的流程，你可以按以下的四個步驟執(zhí)行PCB板的應(yīng)變測試。
1、選取應(yīng)變片
2、準(zhǔn)備要測試的PCB板和粘貼應(yīng)變片
3、測出應(yīng)變
4、分析記錄數(shù)據(jù)
步驟一：選取應(yīng)變片
應(yīng)變片是一種可以按應(yīng)變的大小線性變化電阻值的設(shè)備。IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)指引文件推薦為PCB板進行應(yīng)變測試時使用三向扇形擺放的應(yīng)變片。
一組扇形(rosette)的應(yīng)變片是由三片獨立的應(yīng)變片互相重疊擺放組成的。不像單向的應(yīng)變片只能測一個方向的應(yīng)變，一組扇形應(yīng)變片可以測量一個表面的所有狀態(tài)。換句話說，你不僅測量兩邊的應(yīng)變
和，也能在給定的-坐標(biāo)系中測量剪應(yīng)變（或稱切應(yīng)變）。
假設(shè)、軸是給定的，你可以分別把兩片應(yīng)變片固定在、方向，測量這兩個方向上的相關(guān)的伸縮應(yīng)變。但是，不能直接測到切應(yīng)變，也不可能直接測到主應(yīng)變（Principal strain），因為主要方向一般是不知道的。
解決這個問題的關(guān)鍵在于識別出某點的（在表面）應(yīng)變的二維狀態(tài)，這種狀態(tài)被定義為三個獨立的你可以得到的量（a）、與（b）、與，其中（a）指的是與xy軸有關(guān)的應(yīng)變部件，（b）指的是主應(yīng)變和它們的方向。這兩種情況都能完整地定義表面二維應(yīng)變的狀態(tài)，而且可以用于計算關(guān)于任何其他同等系統(tǒng)的應(yīng)變。這些條件都意味著如果你可以知道表面同一點三個獨立的應(yīng)變值，你應(yīng)該可以測定這三個獨立量。最顯然的方法就是扇形放置三片應(yīng)變片，每片應(yīng)變片都放在不同的方向，而且它們要盡量緊靠在一起來確定它們同時測量一點的值。如果你知道三個應(yīng)變值和應(yīng)變片的方向，你就可以得到住應(yīng)變和它們的方向，或者等價地描述，得到在指定xy坐標(biāo)系中應(yīng)變的狀態(tài)。要知道以上兩者的關(guān)系需要一個應(yīng)變計算方程，而且摩爾圓圖提供了一個很好的流程的可視方式。
根據(jù)IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)，推薦的應(yīng)變片的詳細(xì)說明如下：
§ 三向直角扇形排列應(yīng)變片
§ 1.0至2.0的應(yīng)變片傳感器大小
§ 120或350的應(yīng)變片
§ 應(yīng)變片連出來的導(dǎo)線在應(yīng)變片的一邊
提供三向的扇形應(yīng)變片，例如防水三軸箔型應(yīng)變片或者通用型直角扇形應(yīng)變片。
圖1、三向扇形應(yīng)變片
步驟二：準(zhǔn)備要測試的PCB板和粘貼應(yīng)變片
SMT的回流焊之前PCB板的機械應(yīng)變很有限，而且更重要的是，因為焊點是在回流焊加工后成形的，所以應(yīng)變特性在SMT回流焊后的裝配和測試操作中是很重要的。一般來說，至少兩塊被測板子要被安裝檢測。檢測的目的不是要知道它電氣性能，而是必須知道最新設(shè)計的機械性能上的表現(xiàn)。
數(shù)據(jù)可以表征到與應(yīng)力有關(guān)的、發(fā)上在BGA部件的失誤。IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)推薦你對任何大于等于27mmx27mm的封裝體進行測量。比如，你應(yīng)該區(qū)分帶狀BGA、倒裝晶片BGA、增強型BGA、陶制BGA與低絕緣BGA部件，并迎合標(biāo)準(zhǔn)的推薦。
PCB板的準(zhǔn)備包括選擇應(yīng)變片粘貼的位置。如果在板子上沒有足夠的空間粘貼應(yīng)變片，就不得不清除已經(jīng)在板子上固定好的部件以騰出空間。
準(zhǔn)備板子是測量流程中至關(guān)重要的一步。恰當(dāng)?shù)販?zhǔn)備好板子有助于恰當(dāng)?shù)卣迟N應(yīng)變片，改善讀數(shù)的精確性。也應(yīng)該按照應(yīng)變片說明書和粘合劑供應(yīng)商的指示配置應(yīng)變片的附件。注意應(yīng)變片所需的特定的粘合劑，應(yīng)變片供應(yīng)商一般會提供這些信息。你也能在IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)文件中找到更多的關(guān)于板子準(zhǔn)備、應(yīng)變附件、導(dǎo)線接法的詳細(xì)說明。
帶有應(yīng)變片的在ICT夾具中的待測板卡
步驟三：測量應(yīng)變
在準(zhǔn)備好板子和粘貼好應(yīng)變片后，PCB板應(yīng)變測試的第三步是把傳感器連接到數(shù)據(jù)采集儀器上，并且運行測試程序StrainMaster。測試時間的長短可變，一般可以運行5到10秒并記錄數(shù)據(jù)。
StrainMaster主界面
IPC/JEDEC-9704推薦測試在運行時關(guān)注以下幾個參數(shù)：
?掃描頻率（采樣率）
?采樣分辨率和增益設(shè)置
?通道數(shù)目
?激勵電壓
掃描頻率
掃描頻率，或稱采樣率，是每秒在樣品數(shù)目單位下采樣得到數(shù)據(jù)的頻率（Hz）。對于PCB板應(yīng)變測試，推薦最低掃描頻率為500Hz，而一般的掃描頻率的范圍是從500Hz到2kHz。這樣的采樣率保證能捕捉到任何高頻率的動態(tài)變化。例如，觀察圖3顯示的兩種不同頻率下的測量效果。當(dāng)采樣頻率是另一個的4倍的時候，圖3（b）顯示出了一個沒有被低采樣率捕捉到的電壓尖峰。
圖4（a）與（b）：兩種不同采樣率的例子
采樣分辨率
采樣分辨率指的是在數(shù)據(jù)采集硬件中模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換位數(shù)。分辨率越高，輸入信號改變得越小，它就能被檢測到，而且被更精確地測量。對于PCB板應(yīng)變測試，推薦最低的采樣分辨率為12到16位。ADC也有增益設(shè)置（信號被放大的因素），而且設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆嬷当ＷC最大限度地利用數(shù)據(jù)采集硬件中分辨率的位數(shù)。
通道數(shù)目
可用的監(jiān)控通道數(shù)目限制了一遍測量的數(shù)目。至少12個測量通道才可以滿足測量一個BGA芯片的四個角的扇形應(yīng)變片組的需要?；蛘咧辽偃齻€通道才能測量一塊扇形應(yīng)變片組。而當(dāng)沒有足夠的通道時，你可以測量多遍。但是你必須在相同的加載過程中監(jiān)控在任何扇形應(yīng)變片組中的三片應(yīng)變片，避免分析時的任何應(yīng)變計算有誤。
橋接完成與激勵電壓
在一塊扇形應(yīng)變片組中的每一片應(yīng)變片采用的是四分之一橋接法，需要橋路完成和激勵電壓——兩者都由數(shù)據(jù)采集儀器提供——功能。
對于四分之一橋接法應(yīng)變片傳感器，橋路完成包括提供惠斯通電橋四臂中的三臂，其中應(yīng)變片充當(dāng)?shù)谒谋邸?/span>
惠斯通電橋
因為PCB材料的導(dǎo)熱率低，應(yīng)變片會因為電流通過而很容易升溫。而使用三線的接法與四分之一電橋可以減少這種影響，你應(yīng)該考慮信噪比（SNR）來平衡激勵電壓。如果當(dāng)板子空閑時，應(yīng)變值也很明顯在漂，就要減低電壓，直到這種影響不明顯或者信噪比變得可接受為止。一般來說，2V的激勵水平應(yīng)該滿足要求了。
這一系列的參數(shù)設(shè)計，都可以在StrainMaster 軟件中進行設(shè)定
設(shè)定應(yīng)變片
步驟四：分析記錄數(shù)據(jù)
只要你采集了原始的應(yīng)變數(shù)據(jù)，你可以開始PCB板應(yīng)變測試的最后一步了——分析這些數(shù)據(jù)并計算在測試期間板子所受的有關(guān)應(yīng)力（最大應(yīng)力和最小應(yīng)力）。你可以在測試期間在線完成這些分析或者在測試完畢后離線分析，并且記錄全部數(shù)據(jù)。
分析的細(xì)節(jié)可以根據(jù)你所使用的特別的限制標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的改動。很多的限制標(biāo)準(zhǔn)會需要獲得通過摩爾圓公式計算的應(yīng)變率和主應(yīng)變。根據(jù)IPC-9704標(biāo)準(zhǔn)，對每一步的監(jiān)控，至少你應(yīng)該提供主應(yīng)變和軸向應(yīng)變的峰值（最大值和最小值）。
一種很普遍的記錄數(shù)據(jù)方法是通過應(yīng)變-應(yīng)變率圖，其中y軸代表最大允許主應(yīng)變（），x軸代表應(yīng)變率（/second），應(yīng)變率是前后兩次讀取的應(yīng)變值差值的絕對值改變量。圖6顯示應(yīng)變-應(yīng)變率圖的一個例子（由IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)提供）。
當(dāng)你不需要在線分析數(shù)據(jù)，你可以把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到硬盤，并且把它存為適當(dāng)?shù)母袷?，便于離線分析。
應(yīng)變-應(yīng)變率圖的例子
應(yīng)變測試的解決方案
根據(jù)IPC-9704 標(biāo)準(zhǔn)以及與全球大型代工廠的合作，開發(fā)了基于IPC-9704標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)變測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含三向應(yīng)變片，USB采集硬件和自動測試軟件StrainMaster。根據(jù)應(yīng)變片的測試，分析ICT設(shè)備以及PCB板的應(yīng)力值。
采用完全符合IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)推薦的應(yīng)變片，粘結(jié)劑，能夠有效連接應(yīng)變片與電路板。
采集硬件采用信號調(diào)理設(shè)備，你可以裝載4槽或者12槽的底盤。采集模塊具有四分之一橋，半橋，全橋的信號調(diào)理電路，提供16位，333kS/s采樣率的性能，每通道可編程激勵(0 V到10 V)，每條通道可編程增益 (1到1000)，每通道4極可編程Butterworth濾波器(10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz)；被推薦用于PCB板應(yīng)變測試系統(tǒng)。
4槽底盤的應(yīng)變測試系統(tǒng)
StrainMaster：
應(yīng)變測試軟件最基本的功能是讀取和記錄測試過程中得到的應(yīng)變。但是對用戶而言，僅僅記錄是不足夠的，應(yīng)該還包括硬件的配置、數(shù)據(jù)的分析、報表的生成和友好的人機界面。
StrainMaster的硬件配置能使用戶很方便地對修改軟件中的包括用戶板卡信息、應(yīng)變片接法、采集硬件系統(tǒng)在內(nèi)的硬件信息，配合用戶更換相應(yīng)的硬件設(shè)備，修改硬件信息。
StrainMaster中的數(shù)據(jù)分析，分為在線分析與離線分析。在線分析能在測試過程當(dāng)中以圖表和數(shù)字形式在線顯示應(yīng)變與應(yīng)變率的變化情況；離線分析能對測試數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入/出，構(gòu)建應(yīng)變-時間圖、應(yīng)變率-時間圖和應(yīng)變-應(yīng)變率圖；按照IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)，特別對BGA的ICT測試，有成熟的分析方法，因此StrainMaster把標(biāo)準(zhǔn)中的分析也一同涵蓋。
StrainMaster報表生成則把包括數(shù)據(jù)的記錄、分析的結(jié)果、測試的圖表在內(nèi)的測試數(shù)據(jù)完全記錄，并且能保存為最通用的Excel格式，便于用戶閱讀、打印等。目前，的Strain 報表已經(jīng)成為各大代工廠的標(biāo)準(zhǔn)樣本。
界面友好、方便使用、功能完整，都成為眾多世界級廠商選擇使用StrainMaster的理由。更關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)分析過程完全按照IPC/JEDEC-9704標(biāo)準(zhǔn)，確保應(yīng)變數(shù)據(jù)分析過程符合國際規(guī)范。多種配置選擇適應(yīng)客戶不同的需求。同時，強大的報表功能讓用戶方便地對精確數(shù)據(jù)、圖表等進行存檔，便于客戶進行系統(tǒng)應(yīng)變情況的歷史分析。
還可以提供應(yīng)變片粘貼，上門實際測試，儀器租賃等服務(wù)，方便用戶不同階段的需求。
歸納與對策
雖然現(xiàn)在有用的最新技術(shù)，比方說球形網(wǎng)格陣列（BGA）和無鉛焊料，可以允許工程師設(shè)計小型且環(huán)境友好的電子產(chǎn)品，但是工程師們在PCB板和基于PCB板產(chǎn)品設(shè)計和制造方面現(xiàn)在有了新的挑戰(zhàn)。PCB板應(yīng)變測試主要解決其中一種挑戰(zhàn)，它主要識別大應(yīng)力和潛在危險到基于PCB板的生產(chǎn)流程。為您提供一整套的解決方案。
關(guān)于
從事自主研發(fā)和自主創(chuàng)新，為工業(yè)控制，測試測量行業(yè)提供高品質(zhì)的產(chǎn)品和解決方案的高科技企業(yè)。擁有一流的軟硬件開發(fā)人員和完善的生產(chǎn)制造工廠，幫助測試和自動化領(lǐng)域的工程師解決各種難題。通過我們開放式的產(chǎn)品平臺，為客戶提高效率，降低成本。
廣泛的應(yīng)用
的核心業(yè)務(wù)包含:
? 數(shù)據(jù)采集和智能儀表系列產(chǎn)品
? 船舶電氣產(chǎn)品系列和大型成套系統(tǒng)
? 工廠應(yīng)變，音頻，異音測試系統(tǒng)
? 嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計ODM服務(wù)
? 系統(tǒng)集成和產(chǎn)品定制