PCBA应变测试重要性及经典案例分享

 

  PCB和PCBA是什么？

  印制电路板(Printed circuit board，简称PCB)是组装电子零件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。PCB的主要功能是使各种电子器件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件。

印制电路板的制造品质，不但直接影响电子产品的可靠性，而且影响系统产品整体竞争力，因此PCB被誉为“电子产品之母”。

目前各式各样的电子产品如个人计算机、手机、数码相机、电子仪器、车辆卫星导航器、汽车驱动零件等电路，都使用着PCB产品，在我们日常生活中随处可见。

 

  随着电子产品功能多样化、体积小型化及质量轻量化的设计趋势要求，PCB上增加了更多的小型器件，使用了更多层板，器件的使用密度也随之增加，使得PCB的应用变得复杂。

  PCB空板经过SMT（表面贴装技术）上件，或经过DIP（双列直插封装）插件的整个制程，简称PCBA（Printed Circuit Board Assembly）。

 

  为什么要对PCBA进行应变测试？

  为适应国际对环保的日益重视，PCBA从有铅制程改为无铅制程，并应用了新的层压板材料，这些改变都会造成PCB电子产品焊点性能的改变。由于元器件焊点对应变失效非常敏感，因此通过应变测试了解PCB电子产品在最恶劣条件下的应变特性显得至关重要。

对于不同的焊料合金、封装类型、表面处理或层压板材料，过大的应变都会导致各种模式的失效。失效包括焊料球开裂、线路损伤、层压板相关的粘合失效（焊盘翘起）或内聚失效（承垫坑裂）和封装基板开裂（见图1-1）。经证实，运用应变测量来控制印制板翘曲对电子工业是有利的，而且其作为一种识别和改进生产操作的方法也被逐渐地认可。

图1：焊点损坏实例（顶部图：承垫坑裂，左下图：焊点本体失效，右下图：焊接界面断裂） 出处：IPC_JEDEC-9704A

  应变测试可以对SMT封装在PCBA组装、测试和操作中受到的应变和应变率水平进行客观分析，为印制板翘曲测量和风险等级评估提供了量化的方法。

应变测量的目标是描述所有涉及机械荷载的组装步骤的特性。

 

  测试原理

  利用金属导体的应变效应，通过贴附在PCBA上的strain gage（应变花）随着PCBA变形而机械变形时自身阻值的变化来量化PCBA的应变，从而通过这个量化的应变与极限应变比较来判断PCBA的变形对元器件或者元器件锡点破裂的风险，为PCBA制程的改善措施提供方向。

应变测试系统通过惠斯通电桥来检测出由于应变片阻值的变化而带来的电压的变化，然后通过应变测试软件中的程序，把电压的变化换算成应变。

应变花为含有3个独立敏感栅的应变片，它们相互堆叠于一个公共点，用来测量一个公共点处沿它们各自轴向的应变。

应变定义为（长度变化）/（原始长度），是一个无量纲的物理量，在PCBA应变测试中，由于应变数值极小，通常用微应变（με）描述，按照106*（长度变化）/（原始长度）来定义微应变。

  在PCBA应变测试中，PCBA所受的应变状态为平面应变状态，应变测试分析系统可通过测量应变花的三个方向的实时应变值计算出PCBA制程过程中的主应变及应变率，来判断制程的产品应变是否超标。

超出应变极限的步骤被视为应变过大，并进行确认以便采取纠正措施。应变极限可以来自客户、元器件供应商或者企业/行业内部众所周知的惯例（来源于IPC_JEDEC-9704A）。

  其中主应变为一个平面中最大和最小的正交应变，互相垂直且所在方向上的切应变为零。在PCBA应变测试中通常通过测量计算主应变作为临界度量判据；应变率则表示了单位时间内应变变化的快慢，用以衡量元器件的破坏风险。

图2 Strain gage应变花 出处：IPC_JEDEC-9704A图3 应变测试分析系统

  测试过程

PCBA应变测量包括把应变片贴在印制板上指定的元器件附近，随后使装有应变片的印制板经受不同的测试、组装以及人工操作。

根据行业标准IPC_JEDEC-9704A，需要进行应变测量的典型制造步骤如下：1）SMT组装制程、2）印制板测试过程、3）机械组装、4）运输及处理。

图4 印制板组装应变测量  出处：IPC_JEDEC-9704A图5 系统组装应变测量  出处：IPC_JEDEC-9704A

经典案例分享

广电计量在PCBA应变测试领域具有丰富的经验，配有根据行业标准IPC_JEDEC-9704A制作的应变测试分析系统，可进行典型制造步骤的应变测量，以下为经典案例分享。

1)    V-cut制程应变测试

在前期测试超标的情况下，与客户多次商讨以改善PCB拼板设计、V-cut设备改装及操作改善，最终测试合格。

改善前测试结果与改善后测试结果对比

 

 

2)    ICT制程应变测试

典型ICT制程的PCBA应变测试。

 

3)    组装制程应变测试