霍淑珍

(天津市職業(yè)大學(xué)，天津 300402)

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，PCB的表面貼裝技術(shù)已經(jīng)被廣泛采用，一些更小封裝、管腳密度更高的元器件被越來(lái)越多地采用，如BGA形式的封裝。在不到1 cm2的面積上排列了幾十個(gè)球狀的管腳。這些管腳在焊接完成后，可能會(huì)由于制程中應(yīng)力的存在，發(fā)生焊接部分開(kāi)裂的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 焊點(diǎn)受到應(yīng)力后斷裂的圖像

產(chǎn)生的開(kāi)裂對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響，因?yàn)檫@些開(kāi)裂并沒(méi)有完全破壞該部分的電氣連接，通過(guò)一般的檢測(cè)不能夠檢查出這種虛連性質(zhì)的缺陷，在使用過(guò)程中，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)功能不正常的現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，該部分會(huì)發(fā)生完全的開(kāi)裂造成產(chǎn)品的損壞。所以在生產(chǎn)過(guò)程中要測(cè)量過(guò)程中每一生產(chǎn)制程對(duì)產(chǎn)品PCB產(chǎn)生的應(yīng)力大小。采用LabVIEW開(kāi)發(fā)了應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)各個(gè)制程對(duì)PCB產(chǎn)品的應(yīng)力大小，從而使得PCB產(chǎn)品免于應(yīng)力的破壞。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)采用了NI公司的SCXI-1000型機(jī)箱，配合信號(hào)調(diào)理模塊SCXI-1520以及NI E系列采集卡6036E組成了系統(tǒng)的基本硬件框架，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件配置

SCXI-1520為NI公司生產(chǎn)的應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)調(diào)理模塊，該模塊具有8路應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)調(diào)理功能，結(jié)合E系列16位數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)可具有同時(shí)采集8路應(yīng)力大小的能力。通過(guò)軟件編程可以方便地配置采集卡所采用的電橋形式，電橋可以選擇四分之一橋、半橋和全橋等，在該系統(tǒng)中，將系統(tǒng)配制成四分之一橋的形式。采用的電路框圖如圖3所示。還可對(duì)該信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行橋臂電阻、激勵(lì)電壓等方面的配置。另外，該調(diào)理模塊還具有硬件濾波、零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)裙δ?，這使得系統(tǒng)應(yīng)力測(cè)量更加準(zhǔn)確。

圖3 系統(tǒng)的電橋配置

在測(cè)試PCB制程應(yīng)力時(shí)，對(duì)于某一個(gè)需要考慮測(cè)量應(yīng)力大小的元器件，通常需要測(cè)量3個(gè)方向上的應(yīng)力大小，所以該系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)處的應(yīng)力大小。應(yīng)變片常用的一種安裝方式如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片的安裝

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW軟件編寫(xiě)。該軟件為NI公司推出的圖形化軟件，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)集成。在安裝完系統(tǒng)的硬件、LabVIEW及DAQmx等軟件及驅(qū)動(dòng)后，可以在NI的Measurement＆Automation Explorer中看到所安裝的板卡，可以利用該軟件測(cè)試系統(tǒng)的安裝狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的圖形界面，該界面包含設(shè)置部分及顯示部分，設(shè)置部分用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)所選擇的通道、激勵(lì)電壓、采樣周期、采樣時(shí)間、應(yīng)變片參數(shù)等內(nèi)容。顯示部分用來(lái)顯示經(jīng)過(guò)采樣及計(jì)算之后的應(yīng)力大小。點(diǎn)擊界面上的開(kāi)始按鈕后，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置開(kāi)始采樣顯示等工作。

在LabVIEW中，對(duì)于該應(yīng)力采集卡的編程使用了DAQ中的VI控件，主要包括的內(nèi)容如圖5所示，在該圖中省略了DAQ等對(duì)象的設(shè)定部分。首先，程序建立一個(gè)虛擬通道，設(shè)定該通道采集的物理通道，并且設(shè)定應(yīng)力采集功能及其參數(shù);然后設(shè)定系統(tǒng)的采樣周期及時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)判斷語(yǔ)句判斷是否使能低通濾波器、是否使能零點(diǎn)校準(zhǔn)功能，通過(guò)順序程序框圖等待操作人員確認(rèn)開(kāi)始采集操作;當(dāng)收到采集命令后開(kāi)始采集任務(wù)，采集完成后讀取結(jié)果并顯示，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，報(bào)告錯(cuò)誤信息。

圖5 程序主要內(nèi)容

3 算法組成

在該系統(tǒng)中采用了半橋的結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片作為其中的一個(gè)橋臂。在該系統(tǒng)中選擇是阻值為120 Ω的應(yīng)變片，該應(yīng)變片的電阻值的變化與所產(chǎn)生形變的關(guān)系:

其中:ΔR為受到應(yīng)力后電阻值的變化量;

R為應(yīng)變片的電阻值;

G為應(yīng)變因子，通常的應(yīng)變片為2。

將應(yīng)變片接入電橋，當(dāng)應(yīng)變片受到壓力后，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，從而應(yīng)變片兩端的電壓發(fā)生變化，該電壓的變化反映出應(yīng)變片部位形變的大小，在忽略導(dǎo)線電阻的情況下，該形變與電橋輸出電壓之間的關(guān)系為:

其中:Vr為電橋受到應(yīng)力后的輸出與電橋輸入的比值。

通過(guò)應(yīng)變的大小，在知道PCB彈性參數(shù)的情況下，根據(jù)胡克定律可以計(jì)算應(yīng)變粘貼處所受到應(yīng)力的大小。通常情況下不需要知道所受應(yīng)力的大小，只需要應(yīng)變?cè)谠S可的范圍內(nèi)即可。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，將其用于產(chǎn)品生產(chǎn)線的應(yīng)力測(cè)試。PCB板上某BGA元件部分的測(cè)試應(yīng)力報(bào)告如圖6所示，圖中顯示了該P(yáng)CB在3次被壓下后應(yīng)變的波形，每次PCB被壓下后的波形是一致的，波形重復(fù)性好，說(shuō)明系統(tǒng)采樣穩(wěn)定。其中最大應(yīng)變?yōu)?0 με，該應(yīng)變大小滿足IPC組織推薦的最大應(yīng)變?cè)试S值。

5 結(jié)論

介紹了一種采用LabVIEW開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)線PCB應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量生產(chǎn)線上的制程中的應(yīng)力大小，對(duì)于控制生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

【1】王天利，孫曉幫，王永順，等.基于虛擬儀器的氣彈簧測(cè)控系統(tǒng)［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(7):170 －172，179.

【2】孫曉幫，王天利，李瑩，等.基于虛擬儀器的減振器生產(chǎn)線檢測(cè)系統(tǒng)［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(5):84－87.

【3】胡博，吳超海.基于虛擬儀器的離合器助力器檢測(cè)系統(tǒng)軟件編程［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011(8):74－77.

【4】王愛(ài)兵，王豐元，劉華莉，等.基于LabVIEW的制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009(2):97－99.

【5】林穎，常永貴，李文舉，等.基于虛擬儀器的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(3):131 －134.

【6】王淑芳，杜飛明.基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(8):306 －308.