Teknik Bilgiler

Baskılı Devre Kartlarında Gerinim Oranı Ölçümleri

PCB

Baskılı Devre Kartlarında Gerinim Oranı Ölçümleri

Baskılı devre kartları ya da daha bilinen adıyla “PCB” kartlarının gerinim analizi, bu bileşenler görev açısından kritik uygulamalarda kullanıldığından, karmaşık ama çok önemli bir işi temsil eder. Sonlu Eleman Analizi’nin (SEA) yanı sıra test süreci, hangi mühendislerin karar verebileceğine ve sonraki adımları tanımlayabileceğine bağlı olarak gerinim ölçer kurulumu, ölçümler ve veri yorumlamayı içerir.

PCB

Zorlu ortamlar için enstrümantasyon tasarlamak, dayanıklılık ve termal veya mekanik etkiler için derinlemesine bilgi gerektirir. Bu yazıda tek taraflı, çift taraflı veya çok katmanlı Baskılı Devre Kartlarında gerinim oranı ölçümlerinin nasıl gerçekleştirileceği bahsedilecektir. Bu raporun okunmasıyla aşağıda listelenen PCB’ye dair terminolojik bilgiler anlaşılmış olacaktır;

  • PCB tasarımlarında neden gerinim ölçümlerinin yapıldığı.
  • PCB testinin gereklilikleri ve standardizasyonu.
  • PCB’lerdeki gerinim nasıl seçilir ve ölçülür.
  • Gerinim ölçerlerin PCB’ye nasıl takıldığı.
  • Veri toplama araçları ve DewesoftX yazılımının kurulumu.
  • DewesoftX’te veri analizi ve raporlama.

Baskılı Devre Kartı

Baskılı Devre Kartı, üzerine iletken yolların ve elektronik bileşenlerin monte edildiği, cam elyafı veya plastik gibi yalıtım malzemesinden yapılmış bir karttır. İletken olmayan alt katman üzerine lamine edilmiş bakır levhalardan kazınmış iletken yollar veya izler kullanarak, elektronik bileşenleri mekanik olarak desteklemek ve elektriksel olarak bağlamak için kullanılır.

PCB’ler, elektronik endüstrisinde dirençler, kapasitörler ve entegre devreler gibi elektronik bileşenleri bağlamak ve kontrol etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. PCB tasarımı, uygulamanın türüne ve gerekli devrenin karmaşıklığına bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir.

PCB tasarlama ve üretme süreci, bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımı, dağlama makineleri ve otomatik montaj ekipmanı dahil olmak üzere özel yazılım ve ekipmanı içerir. PCB’ler, güvenilirlikleri, düşük maliyetleri ve yüksek yoğunluklu devreleri destekleyebilmeleri nedeniyle elektronik endüstrisinde önemli bir bileşen haline geldi.

Baskılı Devre Kartı

Teknolojinin gelişmesi ve bunun insan hayatında doğurmuş olduğu kolaylıklar, günlük hayatımızdaki elektronik (tüketici ve profesyonel elektronik) miktarı önemli ölçüde artıyor. Otonom araçlar, akıllı telefonlar ve diğer akıllı cihazlar gibi yeni teknolojiler, güvenilir elektronik bileşenlere bağımlılığımızı artırmakta. Aynı zamanda elektronik gereksinimleri de değişmekte. Daha güçlü ve kompakt, daha hafif, dayanıklı ve tabii ki minimum fiyata sahip olmaları gerekmekte. Sağlam bir fiyatla uyumlu hale getirmek ve yine de yüksek performanslı ve güvenilir elektronik cihazlara sahip olmak için tüm enstrümanın ve her bileşenin kapsamlı bir şekilde test edilmesi gerekir. Buna bağlı olarak baskılı devre kartı kullanımı gerekecektir.

pcb

Peki, üretim sürecinin en yaygın arızaları ve stresleri nerede oluşmakta?

  1. SMD Dizgi makinesinde PCB üzerindeki bileşenlerin konumlandırılması sırasında.
  2. Konnektörlerin, soğutucuların veya diğer büyük bileşenlerin montajı sırasında PCB’nin bükülmesi ile
  3. Üretim sürecinin diğer adımlarında yüksek eğilme gerilimi nedeniyle kırılan SMD kapasitörleri.
  1. Vidaları sıkmak veya PCB’yi kasaya takılması ile.
  2. Taşıma sırasında mekanik veya titreşimli darbeler.
  3. Termal genleşmeler nedeniyle çatlaklara neden olan termal etki (üretim sürecinde, testlerde veya son kullanıcı kullanımında).

Süreçte başka birçok etki meydana gelebilir ve elektronik üreticileri tarafından ayrı ayrı karakterize edilmelidir. Yukarıdaki noktaların tümü, kısa ve uzun vadeli bileşen arızalarına yol açabilir. Potansiyel olarak, bu gibi durumların feci sonuçlara yol açabileceği göz önünde bulundurulmalıdır.

PCB Testinin Gereksinimleri ve Standardizasyonu

Görev açısından kritik uygulamalarda elektronik bileşenlerin önemi nasıl, ne ve nerede olduğuna dair kapsamlı bir kılavuz ve metodoloji oluşturmuştur. Bu tür rehberlik için en önemli belgeler IPC-JEDEC 9701-9706’dır. Neredeyse her alan uygulaması için gereklidir. Bu belgelere ek olarak, elektronik aksamın beklenen kullanımına dayalı olarak dahili belgeler/gereksinimler de oluşturulur. Bu belgeler sadece gerinim oranı ölçümlerini değil aynı zamanda PCB üzerinde gerçekleştirilen termal, titreşim ve şok ölçümlerini de kapsar.

Gerinim Ölçer

Ne yazık ki, SEA gibi sayısal ve simülasyon yöntemleri için, geleneksel olarak matematiksel modellemeye dayandığından sınırlamalar vardır. PCB yapıları genellikle granüler yönün modellenmesinin son derece zor olduğu lifli malzemeleri kullanır. Malzeme özelliklerinde heterojen olan PCB’ler söz konusu olduğunda, bunu çok yüksek bir doğrulukla yapmak kolay değildir. Tüm üretim döngüsünü kapsamak da neredeyse imkansızdır.

Bu nedenle, yalnızca yükleme modellerini, düzlükleri ve döngüleri doğrulamak için değil, aynı zamanda mevcut model yük durumlarının geçerliliğini doğrulamak için gerçek PCB’ler üzerinde fiziksel testler yapılmalıdır. Gerinim ölçerlerle yapılan gerçek bir ölçüm, tahtanın gerçek gerinim davranışını sağlayan tek güvenilir ve doğru ölçümdür. CT ve X-ray gibi diğer test yöntemleri yeterince iyi sonuçlar vermez ve de genellikle statiktir.

1. Gerinim Ölçerin Seçimi

Genel olarak, böyle bir PCB gerinim ölçümü için gerinim ölçerler, tek eksenli, doğrusal model veya rozet gerinim ölçerler olabilir. Rozetler farklı yönlerde üç bağımsız ölçüm yaparken, tek eksenli lineer model gerinim ölçerler tek bir yöndeki gerilimi ölçmek için kullanılır. Bu, büyük ölçüde PCB’nin deformasyonunun hangi yönde gerçekleşeceği beklentilere veya bilgilere bağlıdır. Çoğu durumda mühendisler, “Bilinmeyen” deformasyonları, yön bilgilerini ve ana gerilimleri ve gerinimleri ortaya çıkardıkları için rozetler takarlar.

Gerinim ölçerler 1-2  kadar küçük bir sensör boyutu kadar çok küçük olmalıdır. Standart olarak hem 120 hem de 350 Ω dirençler kullanılabilir. Bununla birlikte, daha küçük göstergede daha yüksek bir dirence sahip olan şebekenin kendi kendine ısınma sorunları nedeniyle, stabilite sorunları yaşamadan biraz daha yüksek uyarmaya izin verir. PCB’ler çok iyi ısı emiciler değildir.

Tipik olarak, bu kadar küçük bir sensörle uyarma voltajı 2 V veya daha az olacaktır, ancak yine de iyi bir sinyal-gürültü oranına sahip olacak kadar yüksek olacaktır. PCB’ye ve bileşenlerine enerji verildiğinde bir gürültü kaynağı olabileceğini unutmayın!

strain gage

Yukarıdaki şekilde PCB gerinim ölçümlerinde kullanılan tipik bir dairesel rozet gösterilmektedir. Bir gerinim ölçer seçerken göz önünde bulundurulması gereken önemli bir faktör, kullanılması planlanan ortam sıcaklığı ve de çevresel faktörlerdir. Fırında dolaşırken termal döngü veya PCB ölçümü yapılması durumunda, daha yüksek sıcaklık aralığına sahip gerinim ölçer kullanılmalıdır.

Nereden Ölçüm Alınmalı?

Test ölçümleri zamana ve de belirli bir sermayeye bağlı olduğu için, gerinim ölçerleri de ölçüm alınacak alanda rastgele bir alana uygulanması mantıklı olmayacaktır. Bu nedenle tedarikçiler ve kullanıcılar normalde, böyle bir gerinim ölçümünün hangi bileşenler üzerinde gerçekleştirilmesi gerektiği konusunda hemfikirdir. Ancak durum böyle değilse, aşağıda IPC-JEDEC-9704A’dan gelen birkaç öneri bulunmaktadır.

Alan Dizisi Bileşenleri

Alan dizisi cihazı değerlendirilmelidir. Birkaç hassas hatve bileşeni varsa, mühendislik kararına, hasar geçmişine veya Sonlu Elemanlar Analizine dayalı olarak en kötü durum konumları en az üç test gerçekleştirilmelidir.

Alan Dışı Dizi Bileşenleri

Daha küçük lehim bağlantılarına ve sert gövdelere sahip alan dışı dizi bileşenlerindeki ara bağlantılar, yani Çok Katmanlı Seramik Kapasitör (MLCC) ayriyeten gerilme kaynaklı lehim bağlantısı arızalarına karşı da duyarlıdır. Bu işlemler sırasında oluşan gerinim değerlendirilerek ve bunların kabul edilebilir sınırlar içinde kalması sağlanarak, arızalar önemli ölçüde en aza indirilebilir veya ortadan kaldırılabilir. Örneklendirmek gerekirse, lehim bağlantısı çatlaması, cihaz kırılması, pedin kalkması, pedin çatlaması ve baskılı devre kartı iletken hasarı gibi arızalar.

Gerinim Ölçerlerin PCB Üzerinde Kurulum Süreci

Ölçümlerin en önemli kısımlarından biri, gerinim ölçerin doğru montajı ve PCB’nin hazırlığıdır. Bu, kablo kartı ile gerinim ölçer arasında doğru bağlantıyı sağlayacak ve böylece doğru ve güvenilir sonuçlar alınmasını sağlayacaktır. Genel olarak üreticiler, gerinim ölçerin PCB’ye nasıl doğru şekilde kurulacağına ilişkin talimatlar sağlar ancak, aşağıda kurulum için birkaç öneri şu şekilde listenebilir;

  • Gerinim ölçerin yapıştırılacağı yüzeyin izopropil alkol gibi bir çözücü ile yağdan/kirden arındırılması, bazı kimyasalların yüzeyin kendisini etkileyebileceğinden dikkatli olunması gerektiği de vurgulanmalıdır.
  • Yapıştırıcının PCB’ye daha iyi yapışabilmesi ve gerinim ölçer ile düzgün bir şekilde bağlanmasını sağlayabilmesi için yüzeyin hafifçe aşındırılması. Bu adım için, yüzeyi hafifçe sıyırmak için Silisyum Karbür Kâğıt veya Zımpara kullanılmalıdır. PCB ile sensör arasındaki bağı etkileyebileceğinden gerinim ölçerler uygulanırken koruyucu kaplama çıkarılmalıdır. PCB yapısını veya diğer süreçleri etkilemesi halinde ölçüm sırasında yanlışlıklar üretebilir. Gage ızgara alanı korunduktan sonra gerinim ölçerin üzerine uygulanmalıdır.
  • İzopropil alkol gibi bir çözücü ile yüzeyi tekrar temizleyin.
  • Çoğu yapıştırıcı, tahta üzerinde düzgün bir şekilde işlev görmek ve yapıştırmak için yüzeyde belirli bir pH değeri gerektirir. Buna bağlı olarak yüzeye bir nötrleştirici uygulanmalıdır.
  • Gerinim ölçeri yapıştırmadan önce, tüm gerinim ölçerlerin yönüne karar vermek ve hizalamak önemlidir. Bu, ölçüm/analiz bölümünde kolaylık sağlayacaktır.
  • Gerinim ölçeri ve kabloları, verilmiş olan kılavuz, montaj bandı ve uygun yapıştırıcı ile üreticinin talimatlarına göre yüzeye yapıştırın. Ardından gerinim ölçeri ölçüm amplifikatörüne bağlantısı kurulabilir.
  • 3 veya 4 kablolu bir konfigürasyon kullanın. 2 kablolu gerinim ölçerlerde, kablo uzunluğu nedeniyle önemli bir termal hataya sebep olabilir.

Gerinim ölçerler ve ölçüm amplifikatörü arasındaki kablo uzunluğu, kurşun tel dengelemesi nedeniyle herhangi bir fiziksel sınırlamaya sahip değildir. Ancak, pratik bir kural olarak, kablonun direnci gerinim ölçerin direncinin %10’undan küçük olmalıdır. Elektriksel gürültü olması durumunda, blendajlı bir kablo kullanın

Veri Toplama Araçları

Gerinim amplifikatörünün özellikleri, PCB gerinim ölçümünde çok önemli faktörlerdir:

  • Çoklu veya sıralı örnekleme, kanallar arasındaki faz farklarından dolayı yanlış hesaplanan gerinim değerlerine neden olabileceğinden, DAQ’daki örnekleme eş zamanlı olmalıdır.
  • Devre İçi Testler (ICT) ve Kart İşlev Testleri (BFT) için 500 Hz ve üzeri örnekleme hızı önerilir ve normalde 1-2 kHz kullanılır. Test prosedürlerine bağlı olarak, örneğin şok/düşme testi içerdiğinde, örnekleme 50 kHz’in ötesine bile geçebilir.
  • Minimum örnekleme çözünürlüğü 16 bit olmalıdır.
  • Dahili 3 telli çeyrek köprü desteği bunu harici olarak sağlamayan ve köprü dengesizlik kompanzasyonu tavsiye edilir. Sonuçta bu, harcanan zamanı ve olası ek değişkenleri azaltır.
  • Gerinim ölçer toplama sırasında gürültüyü gidermek için yerleşik bir düşük geçiş filtresine “Low Pass Filter” sahip olmak iyidir.
  • Amplifikatör, en az 2 V’luk bir besleme sağlayabilmelidir, ısıtma nedeniyle, küçük sensörlü bu tür uygulamalarda en genel voltajdır. Isıtma durumunda daha da düşük besleme olasılığı sorun çıkarabilir.

Yukarıdaki maddelere ek olarak fayda sağlayabilecek özellikler şu şekilde belirtilebilir;

  • Ek termal testler veya fırın içindeki ölçümler için sıcaklık sensörlerinin senkronize ölçümü.
  • İvmeölçerler ve basınç sinyalleri gibi diğer sensör türlerini bağlayabilme. Bunlar, örneğin, gerinim hızının testin sadece bir yüzü olduğu durumlarda, yük bağlama verilerini veya diğer süreç olaylarını yakalayabilir.

Dewesoft’un SIRIUS veri toplama cihazı yukarıdaki maddelendirilen özellikleri barındırmaktadır. Termal ve yüksek hızlı ivme ölçümleri dahil olmak üzere yukarıdaki tüm gereksinimleri karşılar ve bu tür ölçümler için kompakt ve sağlam bir veri toplama cihazıdır. Aşağıdaki şekilde bahsedilen cihaz gösterilmiştir.

  • Cihazın özelliklerini genel bir biçimde maddelendirmek gerekirse;
    • Son derece yüksek hızlı düşme testleri için bile kanal başına 200 kHz‘e kadar eş zamanlı örnekleme hızı.
    • % 0,05’e kadar doğruluk.
    • Yarım ve 3 telli çeyrek 120/350Ω köprü ölçümleri için dahili köprü tamamlamalı 24 bit çözünürlük.
    • Kurşun tel telafisi “Lead Wire Compensation”
    • Bir ölçüm gerçekleştirmeden önce sensörün ve amplifikatörün kaymasını kontrol etmek için şönt ve kısa devre işlevi.
    • 0’dan 12V’a kadar programlanabilir besleme.
    • Gerinim ölçerlerdeki gürültüyü gidermek için dahili alçak geçiren filtreleme.

     

    Ölçümü gerçekleştirirken diğer önemli bilgiler;

    • PCB hareketsizken, gerinim değeri kaymamalıdır. Eğer kayma durumu varsa, bu etki kaybolana kadar besleme değerinin düşürülmesi gerekmektedir.
    • Gerinim ölçerlerin ölçümü genellikle yüksek doğruluk gerektirdiğinden, uygulan-mada kullanılan cihaz üreticinin tavsiyelerine göre kalibre edilmelidir.

Yazılım Konfigürasyonu Ve Ölçümleri

Her test mühendisinin ölçüm sonuçlarını olabildiğince hızlı ve sorunsuz bir şekilde alması gerekir. DewesoftX yazılımının kullanımı son derece kolay ve yapılandırması hızlıdır. Yazılım, SIRIUS cihazlarına dahildir ve ömür boyu ücretsiz güncellemelere sahiptir – gelecek için garantili bir çözümdür.

Beş Dairesel rozet üzerinde ölçüm, 15 giriş kanalının konfigürasyonunu içerir:

  • Çeyrek 3 Kablolu, 350 Ω köprü ölçüm tipi,
  • Gürültüyü gidermek için düşük frekans geçiren filtre,
  • Besleme 2V (Yüzeye Bağlı Olarak),
  • Otomatik kontrol ile kurşun teller için kompanzasyon

Düzgün yazılım/donanım işlevi şönt direncini etkinleştirir/devre dışı bırakır ve amplifikatörü kısa devreye sokar. Bu, daha uzun bir işlemi ölçmek için ve termal döngü sırasında daha da kullanışlı hale getirmek için kullanışlıdır. Ölçümün başında ve sonunda şönt/kısa devre yaparak, amplifikatörden veya sensörlerden herhangi bir sapma olup olmadığını bildirir.

Yandaki  şekilde önceden ölçülmüş olan veriler gözlemlenebilir.

DewesoftX Veri Analizi ve Raporlama

Veri kaydı alındıktan sonra, değerlendirme ve rapor oluşturulur. IPC/JEDEC-9704 standardına veya özel bir şirket eşik değerine göre PCB Gerinim Oranı hesaplamaları için Dewesoft Math Library içinde yerleşik bir matematik modülü oluşturmak mümkündür. Hesaplamaları gerçekleştirmek için modül etkinleştirilir ve sınırlamaların ve PCB’nin ayrıntıları girilir. Bu hesaplama çevrimiçi olarak, ölçüm sırasında ve ölçüm bittikten sonra çevrimdışı olarak yapılabilir.

Yukarıdaki şekilde görüldüğü üzere PCB’nin DewesoftX yazılımında gerinim oranı ayarları süreci şu şekilde gerçekleştirilebilir;

  • Sol tarafta, ölçülen gerinim ölçer kanallarını seçilmesi (Epsilon A, B, C)
  • Hesaplamaların yapıldığı Eşik Değeri tipinin seçilmesi.
  • PCB kalınlığından | IPC/JEDEC-9704 standardına göre eşik değerlerinin belirlenmesi.
  • Eşik değerinden | özel eşik değerleri için kullanılır (örneğin şirket içi standartlar)
  • PCB kalınlığı | mm cinsinden PCB kalınlığı.
  • Eşik değeri | Eşik değerinden Eşik türü ile özel hesaplamalar için kullanılır.
  • Referans eğrisi üzerindeki minimum gerinim oranı (yalnızca verilerin görselleştirilmesi için kullanılır)
  • Referans eğrisindeki maksimum gerinim oranı (yalnızca verilerin görselleştirilmesi için kullanılır)
  • Çıktı epsilon A, B, C, D kanalları | Epsilon 4 için ek hesaplama.

IPC/JEDEC-9704 Standardına Göre Hesaplamalar ve Eşik Tanımları

Verilerin doğru yorumlanması önem arz etmektedir ve ilgili değerlerin raporlanmasını sağlamak ölçümü gerçekleştiren mühendise kalmıştır. Genel minimum, maksimum, mutlak ve diyagonal gerilimin bir kombinasyonunu kullanmak, mühendisin doğru kararlar almasına olanak sağlayacaktır. Şunu da belirtmek gerekir ki Dewesoft tarafından sağlanan PCB gerinim oranı, yazılım içerisinde yer alan matematik aracı ile tanımlanan eşik değeri limitlerine göre BAŞARILI/BAŞARISIZ koşullarını otomatik olarak raporlayabilmektedir

Dewesoft PCB Strain Rate Math Extension aracılığıyla oluşturulmuş bir veri analizi incelenebilir