章和电气－解决方案－如何解决应力测试过程中的温度补偿问题


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2009年09月24日

应用领域：PCB应力测试，SMT制程，温度补偿，ICT、FT应力测试，实验室
背景
导体的电阻与温度有关。纯金属的电阻随温度的升高电阻增大，温度升高1℃电阻值要增大千分之几。碳和绝缘体的电阻随温度的升高阻值减小。半导体电阻值与温度的关系很大，温度稍有增加电阻值减小很大。电子厂在SMT制程中进行应力测试时会使用到应变片这种导体，它的构造很简单，是把一根很细的具有高电阻率的金属丝按一定的规则排列后，粘结在基底上，再加上覆盖层跟导线而成。若当应变片粘贴在被测构件的表面，当金属丝随构件一起变形时，其电阻值也随之变化。
为了防止测试时候环境温度的变化影响测量结果，现在以我司的PCB板为例，演示分析如何解决该板在环境温度影响下如何解决应力测试温度补偿的问题。

系统介绍
章和电气根据行业特点，设计了完全面向工业PCB板应力应变测试的产品-StrainMaster。StrainMaster是一套由章和电气开发，基于IPC-9704标准的应变测试软件。在PCB板组装的领域内，越来越多客户要求进行应变测试。而章和电气提供一整套应力测试系统，实现了应变的数据采集、分析、显示和报表生成功能。
StrainMaster的主要特点如下：

应变与应变率的自动检测

测量ICT测试中顶针对PCB板作用时的应变值

基于IPC/9704标准

支持高达160通道同时测试

兼容三轴、单轴应变测试

应变率，切应变，实时曲线，离线分析

强大的报表生成功能
系统主框架图如下图所示：

图1、系统主框架图

（一）、测试板应变片粘贴位置选择
我司Demo板应变片粘贴位置如图所示，图中红圈为应变片粘贴点：

图2、四个应变片粘贴位置分布图

为了做温度补偿，我们在同一块主板的剩余切片部分上也粘贴了一个同类型的应变片。如下图所示：

图3、温度补偿应变片粘贴

（二）、数据采集硬件
StrainMaster-1520是8通道通用应变片输入模块，具有进行简单或高级应变测量所需要的所有功能。用户可借助这一模块，从应变传感器（应变片）上读取信号。StrainMaster-1520具有在变化环境下用于自动校准的板载参考电压。每条通道上均有可编程的放大器和可编程的4极Butterworth滤波器。每条通道还具有一个独立0 V到10 V可编程激励源。配合使用StrainMaster-1600 USB数据采集模块，创建完全即插即用的USB数据采集系统。此外，StrainMaster-1520系统在模块内部提供了组成半桥或全桥电路的电阻桥网络，并在接线盒提供了一个350Ω的插座式电阻用以组成1/4桥。120Ω的1/4桥电阻均随附于接线盒，也就是该设备可以同时支持120Ω跟350Ω应变片的采集。
优点在于：
1、支持全桥、半桥、四分之一桥的应变桥路接法采集。
2、8路同步采样模拟输入通道，支持温度补偿。
3、每通道4极可编程Butterworth滤波器(10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz)。
4.、每通道可编程增益（1到1000）和偏移调零，满足1000S/s的采集要求。
5、采集稳定，配置简单。

（三）、分析软件
StrainMaster是一套用于应变测量与应力分析的专业软件，用户界面友好并且功能灵活强大。该软件支持所有类型的应变片,只需通过对各种应变片的参数进行简单配置，结合数据采集硬件，便可得到带工程单位的应力数据结果。软件还提供应变片位置归零与校正功能。
在使用三角、直角与T型的应变片得到的测量数后，软件可以进行功能强大的离线分析，包括按照IPC-9704定义的标准应力分析和数学运算。并且StrainMaster能够将测试数据，测试结果，分析图表自动生成Excel表格，免去繁琐的绘表时间。StrainMaster为采集、显示与分析你的测试数据提供了一整套灵活的软件平台。

图4、StrainMaster应用软件

（四）、实验测试过程
为了更清晰地展现温度补偿效果，我们主要采用以下采集方法进行测试：首先使用同一个应变片的其中两个通道作为采集通道，这样可以直观地进行采集数据对比，避免由于采集曲线多通道重叠而导致看不清。在通道配置时，第一个通道为四分之一桥Ⅰ型，为普通采集通道，第二个通道为四分之一桥Ⅱ型，为温度补偿采集通道。如下图所示，左图第一个通道aaa为普通采集通道，右图第二个通道bbb配置为温度补偿采集通道。

图5、左图为普通采集通道，右图为温度补偿采集通道

配置完成后连接上电脑及软件进行采集测试，由于我司的温控箱正好坏了，所以我这边连接个灯泡作为热源进行实验测试。测试过程如下图所示：

图6、实验测试过程图

首先让设备在常温下采集大概十多秒的时间，可以看到两条曲线（红与白）采集时是重叠于一起并且都是位于零的位置显示的。这是由于刚开始在常温下采集时，既没有受到压力影响也没有受到温度影响，两个通道的采集曲线都位于零的位置没变化。
然后在采集进行17秒的时候把开启状态的灯泡靠近采集应变片及温度补偿应变片，保持等间距并且没有碰触到两块板上的应变片。可见图7的采集结果曲线，可以明显看到有温度补偿跟没有温度补偿是有一定差别的，没有温度补偿的白线明显向上偏移量较大，而有温度补偿的红线则基本处于零的位置。

图7、受温度影响后的采集结果

图7中可以看到26秒后在灯泡固定好后可以看到两个通道的采集曲线逐渐分开，随着时间的延长，有温度补偿的红色采集曲线基本不变，但没有温度补偿的白色采集曲线呈上升趋势，与有温度补偿的红色采集曲线逐渐分开。
由此可见，在采用温度补偿桥路进行采集，相对于没有温度补偿的桥路采集来说可以达到补偿温度影响的效果的，获得更高的采集精度，反映出更真实的PCB板变化情况。

文档编号：SD.110.100.10
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