Giải pháp đo lường chính xác ứng suất biến dạng trên bảng mạch in (PCB)
17.07.2019
Giới thiệu
Để đáp ứng nhu cầu đang gia tăng của thị trường đối với các sản phẩm gọn nhẹ, các nhà sản xuất mạch in PCB cũng đang làm nhỏ kích thước, độ dày và trọng lượng của các bảng mạch như một sự thay đổi tất yếu. Khi bảng mạch nhỏ và mỏng hơn, các mối hàn thiếc cũng cần như vậy và một vấn đề thực tế là chúng rất dễ bị nứt gãy. Ngoài ra, trong suốt quá trình sản xuất, các bảng mạch đi qua nhiều máy móc và quy trình kiểm tra khác nhau, với các mức độ ứng suất biến dạng không giống nhau. Trong khi lĩnh vực công nghiệp điện tử cũng đã bắt đầu thay thế vật liệu hàn hợp kim thiếc-chì truyền thống bằng các vật liệu hợp kim thiếc không chì khác tương đối yếu hơn. Kết quả là dưới cùng mức ứng suất biến dạng và lực căng như nhau, mối hàn bị hư hỏng trở thành một vấn đề nghiêm trọng. Do đó, các nhà sản xuất mạch in PCB đã giới thiệu những giải pháp khác nhau trong việc đo lường ứng suất để khắc phục vấn đề cũng như để tăng hiệu quả trong sản xuất.
Yêu cầu hệ thống
Để phát hiện các lỗi gây ra bởi ứng suất biến dạng, người thực hiện sẽ triển khai và tích hợp hệ thống đo lường vào quy trình sản xuất cụ thể để kiểm chứng mức độ ứng suất biến dạng lớn nhất có nằm trong giới hạn cho phép của bản mạch hay không. Phương pháp đo độ biến dạng thông thường là dùng một module thu thập để đo sự thay đổi trở kháng của điện trở biến dạng Gauge (là một lá điện trở, có điện trở thay đổi khi chiều dài thay đổi).
Muốn đo độ biến dạng trong quá trình kiểm tra, hệ thống phải xuất tín hiệu điện áp kích thích để đo được sự thay đổi giá trị trở kháng trong lá điện trở. Tuy nhiên, sự thay đổi này là cực kỳ nhỏ, nên để phát hiện và lấy dữ liệu chính xác sự thay đổi này, module thu thập cần phải tích hợp thêm mạch điện trở cầu Wheatstone (được Charles Wheatstone phát triển để đo giá trị - thường là rất nhỏ - của một điện trở chưa biết). Để đo được sự thay đổi các giá trị nhỏ như vậy yêu cầu cần phải có độ phân giải dữ liệu tối thiểu 24-bit. Ngoài ra, để tăng thêm độ chính xác của các kết quả phân tích, cần phải thực hiện việc đồng bộ mẫu đo của các kênh trong module thu thập để tránh sai lệch do độ trễ giữa các kênh với nhau khi lấy mẫu.
Mô tả hệ thống
Giải pháp đo lường ứng suất biến dạng của Advantech cung cấp bao gồm bộ máy tính công nghiệp MIC-7500 nhỏ gọn, kèm theo card đo lường độ biến dạng PCIE-1813 với bốn kênh đo đồng bộ có độ phân giải 26-bit và card xử lý tín hiệu cung cấp tính năng lọc tín hiệu cùng DI/DO độc lập.
Thông thường, từ bốn đến mười hai bộ điện trở Gauge sẽ được sử dụng khi thực hiện phép đo độ biến dạng bản mạch. Theo đó, điện trở Gauge được dán chặt vào bản mạch in và kết nối với card xử lý tín hiệu của máy tính để lọc nhiễu. Các tham số của card đo lường PCIE-1813 được thiết lập căn cứ vào thông số kỹ thuật của điện trở Gauge và tần suất lấy mẫu, tỷ lệ khuếch đại và điện áp kích thích được chỉ định cho phù hợp. Card đo lường sẽ thu thập tín hiệu từ điện trở Gauge dựa trên các tham số này. Card PCIE-1813 là thành phần quan trọng nhất của giải pháp nêu trên với khả năng đo lường cực kỳ chính xác.
Độ phân giải 26-bit của PCI-1813 khiến nó có thể đo lường ngay cả với những thay đổi giá trị nhỏ nhất của điện trở Gauge. Điện áp kích thích tích hợp sẵn cho phép nó có thể kết nối trực tiếp với điện trở mà không cần phải tốn công thiết kế thêm một thiết bị cấp điện áp kích thích bên ngoài. PCIE-1813 cũng tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu tối ưu cho phép dải điện áp đầu vào từ ±31.25 mV/V. Ngoài ra, với bốn bộ chuyển đổi giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự (ADC), người dùng có thể thu thập tín hiệu đồng bộ từ cả 4 kênh. PCIE-1813 còn tích hợp chức năng dùng trigger kích hoạt việc thu thập dữ liệu đa kênh đồng bộ hóa để đáp ứng yêu cầu lấy mẫu đồng bộ chính xác cao.
Thiết bị triển khai
Cấu trúc hệ thống
Kết luận
Các sản phẩm thu thập dữ liệu có khả năng đo đạc với độ chính xác cao là nhân tố rất quan trọng trong một hệ thống đo lường ứng suất biến dạng bản mạch in PCB. Trong đó, card máy tính PCIE-1813 của Advantech có một số ưu điểm như độ phân giải cao, hiệu quả tốt khi so với giá thành với nhiều tính năng xử lý tín hiệu đầu vào.
Ngoài việc đáp ứng yêu cầu của hệ thống đo lường, giải pháp của Advantech còn cho phép khách hàng lựa chọn tùy biến giữa các sản phẩm máy tính công nghiệp thuộc dòng MIC-7500, dựa trên nhu cầu về số lượng khe cắm mở rộng, yêu cầu kỹ thuật của hệ thống để có thể xây dựng nhiều hệ thống đo lường ứng suất biến dạng một cách nhanh chóng.
