基于LabVIEW的應(yīng)力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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球狀的管腳。這些管腳在焊接完成后，可能會由于制程中應(yīng)力的存在，發(fā)生焊接部分開裂的現(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)生的開裂對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響，因?yàn)檫@些開裂并沒有完全破壞該部分的電氣連接，通過一般的檢測不能夠檢查出這種虛連性質(zhì)的缺陷，在使用過程中，產(chǎn)品會出現(xiàn)功能不正常的現(xiàn)象，隨著時間的推移，該部分會發(fā)生完全的開裂造成產(chǎn)品的損壞。所以在生產(chǎn)過程中要測量過程中每一生產(chǎn)制程對產(chǎn)品PCB產(chǎn)生的應(yīng)力大小。采用LabVIEW開發(fā)了應(yīng)力檢測系統(tǒng)，可以檢測各個制程對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)變信號調(diào)理模塊，該模塊具有8路應(yīng)力應(yīng)變信號調(diào)理功能，結(jié)合E系列16位數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)可具有同時采集8路應(yīng)力大小的能力。通過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。還可對該信號調(diào)理模塊進(jìn)行橋臂電阻、激勵電壓等方面的配置。另外，該調(diào)理模塊還具有硬件濾波、零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)裙δ埽@使得系統(tǒng)應(yīng)力測量更加準(zhǔn)確。

圖3 系統(tǒng)的電橋配置

在測試PCB制程應(yīng)力時，對于某一個需要考慮測量應(yīng)力大小的元器件，通常需要測量3個方向上的應(yīng)力大小，所以該系統(tǒng)能夠同時測量兩個點(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。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)置部分用來設(shè)置系統(tǒng)所選擇的通道、激勵電壓、采樣周期、采樣時間、應(yīng)變片參數(shù)等內(nèi)容。顯示部分用來顯示經(jīng)過采樣及計(jì)算之后的應(yīng)力大小。點(diǎn)擊界面上的開始按鈕后，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置開始采樣顯示等工作。

在LabVIEW中，對于該應(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等對象的設(shè)定部分。首先，程序建立一個虛擬通道，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)的采樣周期及時長，通過判斷語句判斷是否使能低通濾波器、是否使能零點(diǎn)校準(zhǔn)功能，通過順序程序框圖等待操作人員確認(rèn)開始采集操作;當(dāng)收到采集命令后開始采集任務(wù)，采集完成后讀取結(jié)果并顯示，如果出現(xiàn)錯誤，報告錯誤信息。

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)變在許可的范圍內(nèi)即可。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)開發(fā)完成后，將其用于產(chǎn)品生產(chǎn)線的應(yīng)力測試。PCB板上某BGA元件部分的測試應(yīng)力報告如圖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)變允許值。

5 結(jié)論

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

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