基于LabVIEW的應力檢測系統設計

霍淑珍

(天津市職業大學，天津 300402)

在現代電子產品的生產中，PCB的表面貼裝技術已經被廣泛采用，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力的存在，發生焊接部分開裂的現象，如圖1所示。

圖1 焊點受到應力后斷裂的圖像

產生的開裂對產品的質量產生了較大的影響，因為這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的缺陷，在使用過程中，產品會出現功能不正常的現象，隨著時間的推移，該部分會發生完全的開裂造成產品的損壞。所以在生產過程中要測量過程中每一生產制程對產品PCB產生的應力大小。采用LabVIEW開發了應力檢測系統，可以檢測各個制程對PCB產品的應力大小，從而使得PCB產品免于應力的破壞。

1 系統組成

該系統采用了NI公司的SCXI-1000型機箱，配合信號調理模塊SCXI-1520以及NI E系列采集卡6036E組成了系統的基本硬件框架，如圖2所示。

圖2 系統的硬件配置

SCXI-1520為NI公司生產的應力應變信號調理模塊，該模塊具有8路應力應變信號調理功能，結合E系列16位數據采集卡，系統可具有同時采集8路應力大小的能力。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，在該系統中，將系統配制成四分之一橋的形式。采用的電路框圖如圖3所示。還可對該信號調理模塊進行橋臂電阻、激勵電壓等方面的配置。另外，該調理模塊還具有硬件濾波、零點補償等功能，這使得系統應力測量更加準確。

圖3 系統的電橋配置

在測試PCB制程應力時，對于某一個需要考慮測量應力大小的元器件，通常需要測量3個方向上的應力大小，所以該系統能夠同時測量兩個點處的應力大小。應變片常用的一種安裝方式如圖4所示。

圖4 應變片的安裝

2 系統軟件

系統軟件采用LabVIEW軟件編寫。該軟件為NI公司推出的圖形化軟件，可以方便地進行系統集成。在安裝完系統的硬件、LabVIEW及DAQmx等軟件及驅動后，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的安裝狀態。

根據系統需要設計系統的圖形界面，該界面包含設置部分及顯示部分，設置部分用來設置系統所選擇的通道、激勵電壓、采樣周期、采樣時間、應變片參數等內容。顯示部分用來顯示經過采樣及計算之后的應力大小。點擊界面上的開始按鈕后，系統根據參數設置開始采樣顯示等工作。

在LabVIEW中，對于該應力采集卡的編程使用了DAQ中的VI控件，主要包括的內容如圖5所示，在該圖中省略了DAQ等對象的設定部分。首先，程序建立一個虛擬通道，設定該通道采集的物理通道，并且設定應力采集功能及其參數;然后設定系統的采樣周期及時長，通過判斷語句判斷是否使能低通濾波器、是否使能零點校準功能，通過順序程序框圖等待操作人員確認開始采集操作;當收到采集命令后開始采集任務，采集完成后讀取結果并顯示，如果出現錯誤，報告錯誤信息。

圖5 程序主要內容

3 算法組成

在該系統中采用了半橋的結構，應變片作為其中的一個橋臂。在該系統中選擇是阻值為120 Ω的應變片，該應變片的電阻值的變化與所產生形變的關系:

其中:ΔR為受到應力后電阻值的變化量;

R為應變片的電阻值;

G為應變因子，通常的應變片為2。

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

其中:Vr為電橋受到應力后的輸出與電橋輸入的比值。

通過應變的大小，在知道PCB彈性參數的情況下，根據胡克定律可以計算應變粘貼處所受到應力的大小。通常情況下不需要知道所受應力的大小，只需要應變在許可的范圍內即可。

4 實驗結果

系統開發完成后，將其用于產品生產線的應力測試。PCB板上某BGA元件部分的測試應力報告如圖6所示，圖中顯示了該PCB在3次被壓下后應變的波形，每次PCB被壓下后的波形是一致的，波形重復性好，說明系統采樣穩定。其中最大應變為80 με，該應變大小滿足IPC組織推薦的最大應變允許值。

5 結論

介紹了一種采用LabVIEW開發的生產線PCB應力測量系統，該系統能夠精確測量生產線上的制程中的應力大小，對于控制生產線上產品的質量起著至關重要的作用。

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