BGA錫裂,使用應變片(Strain Gauge)量測電路板到底那個環節產生較大變形量

【Strain Gauge】可以幫助工程師了解其產品在組裝過程中那個步驟承受了較大的應變,使用得當的話,還可以界之了解那個方向必須承受了較大的應力,又是那個方向產生了較大的應變,不論對研發或是製程都有很大的參考價值。

BGA錫裂,使用應變片(Strain Gauge)量測電路板到底那個環節產生較大變形量

近幾年來工作熊一直在公司內推廣並要求研發單位善用【Strain Gauge(應變計/應變片)】這個工具來量測電路板在整機組裝過程中與跌落或摔落測試時的【應力-應變】分佈狀況。

最近公司內新產品研發漸漸有人聽得進工作熊的建議也願意開始嘗試使用應變計【Strain Gauge】來模擬電路板上的BGA錫裂的問題,甚至還有工程師用之來分析LCM的應力與應變量。感覺是個好的開始!

這【Strain Gauge】基本上是一片非常薄的金屬銅箔線路,它必須平貼在待測物件上,原則上待測物必須是剛性材料,當待測物發生物理性的變形時就會帶動【Strain Gauge】的「金屬敏感柵」跟著變形,於是驅使「金屬敏感柵」的電阻值發生相應的變化,通過「惠斯登電橋(Wheatstone bridge)」就可以測量到這個微小的阻值變化量,然後經過計算就可以得出變形量。

一般我們使用【應變量測系統】所量測出來的數值為【Micro-Strain(微應變)】,沒有單位。假設原來一個長度為100mm的剛性物體,形變後長度變成了100.5mm,那麼其應變量就是(100.5-100)/100=0.005,因為小數點容易混淆,於是將0.005×106=500(Micro-Strain),這樣就比較不會出錯了。

請注意,Micro-Strain這個數值有正負之分,忘記是正值往上負值往下,或剛好顛倒了,自己查詢一下規格吧

本文的範例為使用【Strain Gauge】量側一片電路板上BGA元件的應變分析,因為當初做產品摔落測試時發現有BGA錫裂的問題,所以使用應變計來量測應變發生的時機與應變量。

留意一下文章最上面的圖片,會發現黑色的敏感柵應變計貼附在BGA的四個角落,因為【Strain Gauge】必須平貼於PCB上,所以其附近的零件都被事先去除了。

範例的應變的量測分成幾個階段,分別從組裝時可能發生應變的步驟與產品摔落測試時的各個面向與稜邊紀錄其應變量。

1. 將PCBA鎖附於塑膠機殼的應力分佈。
Fixture test result :(MIN:-140;MAX:198)

image

2. 將上下兩個塑膠殼鎖附在一起時的應力分佈。(共9顆螺絲)
Fixture test result :(MIN:-320;MAX:366)

image

3. 產品於各個面向跌落/摔落測試時的應力分佈。(跌落/摔落時的順序為Bottom, Top, Right, Front, Left, Rear, R-R Edge, R-F Edge, L-F Edge, L-R Edge)

3-1, Bottom
Fixture test result :(MIN:-445;MAX:538)
image

3-2, Top
Fixture test result :(MIN:-946;MAX:719)
image

3-3, Right
Fixture test result 🙁MIN:-688;MAX:595)
image

3-4, Front
Fixture test result :(MIN:-408;MAX:363)

image

3-5, Left
Fixture test result :(MIN:-279;MAX:842)

image

3-6, Rear
Fixture test result :(MIN:-383;MAX:286)

image

3-7, Right-Rear Edge
Fixture test result :(MIN:-324;MAX:307)
image

3-8, Right-Front Edge
Fixture test result :(MIN:-447;MAX:479)

image

3-9, Left-Front Edge
Fixture test result :(MIN:-436;MAX:396)

image 

3-10, Left-Rear Edge
Fixture test result :(MIN:-352;MAX:458)

image

以上數值沒有說超過多少數值就會發生BGA錫裂的問題,就是確實反映出實際的應變量測值,有些公司會定義微應變的規格微【-450~+450】或【-500~+500】,端看各家的經驗,總之先從應變量最大的地方查起總是沒錯。

另外,這裡有一篇豆丁網的文章【MLCC的Strain Gage Test的应用与案例分析】可以參考。


延伸閱讀:
[案例]BGA錫球裂開的機構設計改善對策
如何從設計端強化BGA以防止其焊點開裂?
陶瓷電容(MLCC)落下後破裂並掉落分析(應力)

訪客留言內容(Comments)

有興趣的朋友也可以購買或找一下IPC-9704了解詳細的測試要求

450 micro-strain是intel的規範. 所以一般都是follow大廠,出錯才能向他求償 XD

請教一下
如果是要生產FPCA的話,那做Strain Gauge是否可行 & 有意義的呢?
感謝

MK,
你在FPC上焊接BGA的位置應該有剛性的Stiffener,如果這塊Stiffener夠大可以黏貼Strain-Gage sensor那就可以測。

請教”工作熊”前輩, 測試數據中e1,e2,e3以及MAX這幾個數據代表的意義是什麼?

Calvin,
不清楚你所謂的e1,e2,e3,但MAX應該是最大值。建議你查看儀器的說明書,或是軟體的說明書。

Calvin,

e1, e2. e3是Strain gage的三個軸向的應變值, 一般以逆時針方向前進來看, 遇到的第一個軸向稱為e1其在gage的數據表達中是0度角, 第二個遇到的軸向稱為e2, 其在gage的數據表達中是45度角, e3則為90度角, 一般的三軸向strain gage有分0, 45, 90度角的跟0. 60, 120度角的, 因為PCBA上的應用是量測Chip的4個角, 所以使用0. 45. 90度的三軸向應變片.
以上提供給你參考, 若你還有其它疑問, 可以上memstec.com.tw詢問.

Cathy,
有沒有興趣寫一篇「如何選擇應變規」的介紹文章,文末會有作者介紹,可以超連結到貴司的網站。詳細可以參考「客座文章

MLCC的變形量SPEC會因電容SIZE(0402/0603/0805/1206)而有差異嗎?


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