NYOMTATOTT HUZALOZÁSÚ SZERELŐLEMEZEK MECHANIKAI VISELKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA

Átírás

1

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikai Technológia Tanszék Fehérvári Péter NYOMTATOTT HUZALOZÁSÚ SZERELŐLEMEZEK MECHANIKAI VISELKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA KONZULENS Hajdu István BUDAPEST, 2013

3 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék...3 Összefoglaló...6 Abstract...7 Bevezetés Mechanikai és szilárdságtani alapok Feszültség, relatív megnyúlás [3] A háromdimenziós alakváltozás, deformáció [5]: Mechanikai deformáció mérésének lehetőségei A mérési eljárások csoportosítása Optikai elvű mérések [1], [2] Röntgensugaras mérések [1] Elektromos tulajdonságok megváltozására épülő mérési módszerek Piezoelektromos és (piezo)rezisztív nyúlásmérés [3], [5] A megfelelő nyúlásmérő anyag kiválasztása Hőmérséklet-kompenzáció Nyúlásmérő érzékelők kiválasztásának szempontjai Nyúlásmérő érzékelők paraméterei Érzékelő hossza Nyúlásmérő érzékelők mintázata Az ellenállásértékek pontos mérése Hőmérséklet kompenzáció Wheatsone mérőhíddal Nyomtatott huzalozású szerelőlemezek deformációjának mérésére alkalmas együttlaminált nyúlásmérő ellenállás hálózat tervezése és modellezése A nyúlásmérő érzékelők elhelyezése Nyúlásmérő érzékelők és a hordozóréteg anyagának megválasztása A tervezett nyúlásmérő elrendezés Nyúlásmérő ellenállás modellezése FEM eszközökkel Termikus modellezés Mechanikai viselkedés modellezése Nyomtatott huzalozású szerelőlemezek mechanikai tulajdonságainak mérése...42

4 4.1 A mérőműszer ismertetése A mérés menete: A mérőpanel leírása Mérési eredmények...47 Összefoglalás...56 Irodalomjegyzék...57 Ábrajegyzék...59

5 HALLGATÓI NYILATKOZAT Alulírott Fehérvári Péter, szigorló hallgató kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, csak a megadott forrásokat (szakirodalom, eszközök stb.) használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Hozzájárulok, hogy a jelen munkám alapadatait (szerző(k), cím, angol és magyar nyelvű tartalmi kivonat, készítés éve, konzulens(ek) neve) a BME VIK nyilvánosan hozzáférhető elektronikus formában, a munka teljes szövegét pedig az egyetem belső hálózatán keresztül (vagy hitelesített felhasználók számára) közzétegye. Kijelentem, hogy a benyújtott munka és annak elektronikus verziója megegyezik. Dékáni engedéllyel titkosított diplomatervek esetén a dolgozat szövege csak 3 év eltelte után válik hozzáférhetővé. Kelt: Budapest, Fehérvári Péter

6 Összefoglaló A dolgozat célja a nyomtatott áramköri szerelőlemezek mechanikai, alakváltozási tulajdonságainak mérését lehetővé tevő vizsgálati eljárások bemutatása, illetve ezek alkalmazhatóságának figyelembevételével egy olyan mérési elrendezés eljárás kidolgozása, mely a szerelőlemezek teljes felszínére vonatkozó alakváltozások és mechanikai feszültségviszonyok mérésére alkalmas, SMT gyártósori körülmények között. Ennek jelentősége részint a mechanikai eredetű hiba gyökér okok feltérképezése szempontjából, részint a technológiai folyamatparaméterek optimalizálása szempontjából kiemelt. A mechanikai alakváltozások elméleti áttekintése után bemutatásra kerülnek a napjainkban rendelkezésre álló mérési technológiák, majd részletesebben a rezisztív nyúlásmérés kerül taglalásra, bemutatva annak alkalmazási lehetőségeit és korlátait illetve méréstechnikai hátterét. A fentiekben ismertetett gyakorlati problémák megoldására kidolgozott áramköri szerelőlemezbe integrálható, együttlaminált nyúlásmérő mátrix kerül bemutatásra, az alkalmazott technológia megválasztásának indoklásával, lehetőségeinek és korlátainak feltérképezésével. Az alkalmazhatóság előbb véges elemes modellalkotással és szimulációval, majd pedig saját megtervezett mérőpanelen végzett valós mérésekkel kerül alátámasztásra.

7 Abstract The aim of this diploma thesis is on one hand to describe the available measurement techniques and methods of electronic PCB s mechanical / thermomechanical properties, and on the other hand, according to their applicability, to design a working measurement method and layout, which is capable of providing full field strain measurement results even under SMT assembly line thermal / mechanical conditions. The importance of this method is very high as it might be able to reduce or eliminate production failure modes, and this way minimizes financial losses, in addition it would help optimizing technological process parameters. After the review of theoretical backgrounds of mechanical deformations, the current measurement methods and techniques will be introduced which are available nowadays, highlighting the resistive strain gauges, considering the possibilities and limitations of the technique. As a possible solution to the above detailed technical challenges, a strain gauge sensor matrix, which can be laminated in the PCB structure s internal layers will be introduced, including the reasons for the choice and the mapping of applicability and limitations. The justification of the applicability consists of making FEM models and simulations, and further verifications using a properly designed measurement PCB sensor layout which has undergone several measurements. 7

8 Bevezetés Az elektronikai termékek gyártása során a gyártástechnológiából adódóan számtalan külső hatás érvényesül, termikus, kémiai, radiológiai és leggyakrabban mechanikai behatások érik az áramköri hordozólemezeket és az elektronikus alkatrészeket. A mechanikai behatások alapvetően befolyásolhatják a termék működését, megbízhatóságát, várható élettartamát és döntő hányadában felelősek a gyártás során létrejövő hibás termékek keletkezéséért. Áramköri szerelőlemezek, komponensek, valamint mechanikai kötések szintjén mind keletkezhetnek aktív hibaképek, vagy későbbi terhelés/öregedési folyamatok hatására fellépő hibaforrások. Erre láthatunk példákat az alábbi ábrákon: 1. ábra Mechanikai terhelés következtékben fellépő hibaképek (B-J: repedt furatfémezés, SMD ellenállás forrasz meniszkuszának repedéses hibája, BGA forraszbump repedése) [10] valamint microvia fémezés repedése 8

9 2. ábra Felpúposodott (delaminálódott) BGA interposer felülnézeti és keresztmetszeti csiszolati felvételei [11] Az egyre fokozódó integráltság, méretcsökkentés és különösen a MEMS alkatrészek egyre szélesebb körű alkalmazása fokozott érzékenységet eredményez a mechanikai behatásokkal szemben, így a gyártás során a mechanikai viselkedés vizsgálatát kiemelten fontossá teszi. A mechanikai viselkedés vizsgálata megkerülhetetlen fontosságú az esetleges meghibásodások felelősségének tisztázása szempontjából is, különös tekintettel az esetlegesen a beszállítóval szembeni termékszavatosság érvényesítése érdekében. Hosszabb távon a technológiai fejlődés nyomán feltehetőleg elkerülhetetlen lesz az elektronikai gyártók számára a mechanikai viselkedés in situ mérési eljárásainak kidolgozása, megfelelő mérőszámok és szabványok bevezetése. Az elektronikai termékek rendkívüli összetettsége a mechanikai viselkedés megismerése szempontjából komoly nehézségeket támaszt, egy konkrét termék numerikus eszközökkel történő modellezése csak lényeges elhanyagolások, egyszerűsítések mellett lehetséges, amely a modell és így a kapott eredmények nagyfokú pontatlanságához vezet. Az ismert, alkalmazott fizikai mérési eljárások is csak lényeges korlátozásokkal szolgáltatnak információt egy-egy konkrét termék mechanikai tulajdonságaival kapcsolatban. Egy széles körben alkalmazható, robosztus és megfelelően pontos, a termék egészéről információt szolgáltató mérési megoldás feltétlen hiánypótló jellegű lenne az ipar számára. 9

10 1. Mechanikai és szilárdságtani alapok A nyomtatott huzalozású szerelőlemezek mechanikai leírásához ismernünk kell azokat a fizikai alap összefüggéseket, amelyek a termikus/mechanikai kölcsönhatások és az azok hatására létrejövő szerkezeti változások közt teremtenek összefüggést. 1.1 Feszültség, relatív megnyúlás [3] A 3. ábrán látható módon egy L hosszúságú rudat L hosszra megnyújtva az alakváltozást egy ε-al jelölt dimenzió nélküli mennyiséggel jellemezhetjük, melyet relatív megnyúlásnak nevezünk és az (1) számú képet által definiálunk. (1) 3. ábra Relatív megnyúlás 1D esetben [5] Amennyiben a rúd keresztmetszetét is figyelembe vesszük, a hosszirányú terhelés keresztmetszet változásra gyakorolt hatását is számításba kell vennünk. A felületre eső F terhelés esetén bevezethetjük a σ=f/a, Nm -2 dimenziójú mérőszámot, melyet feszültségnek nevezünk. Hossztengely irányú erővektort feltételezve normális feszültségről beszélünk, merőleges erővektor esetén nyírófeszültségről. 10

11 4. ábra A keresztmetszetű rúd tengelyirányú -normális terhelése [3] A feszültség nyilvánvalóan összefüggésben áll a relatív megnyúlással illetve a keresztmetszet megváltozásával; előbbit az ún. Young-modulussal, utóbbit pedig a Poisson tényezővel jellemezhetjük. A normális feszültség hatására fellépő relatív megnyúlás az anyagi jellemzők által befolyásolt, nemlineáris függvénye a feszültségnek, szerkezeti anyagok esetében az 5. ábrán látható jelleggörbe szerint alakul. Az arányossági tartomány ez egyes anyagok esetében igen eltérő feszültségtartományokon érvényesül, elasztomerek esetében széles feszültség tartományban míg rideg anyagoknál mint például a szilícium, jóval szűkebb intervallumon. 5. ábra Normális feszültség és relatív megnyúlás kapcsolata szerkezeti anyagok esetében [3] Az arányossági tartományon belül az alakváltozás reverzibilis, a terhelés megszűnése után az anyag visszaáll a nyugalmi állapotába, ezen tartományon belül rugalmas alakváltozásról beszélünk, ilyenkor alkalmazható a σ=ε*e linearizált közelítés, ahol E az ún. rugalmassági vagy Young-modulus. Nagyobb feszültségek esetén először a megfolyás jelensége következik be, ekkor relatíve kis feszültség 11

12 megváltozás nagy megnyúlást eredményez, majd a kikeményedés, ahol éppen ellentétes mechanizmus érvényesül. A feszültséget tovább növelve az anyag szakítószilárdságát túllépve bekövetkezik a szakadás. Néhány, az elektronikai technológiában is használt anyag jellemző rugalmassági modulusát az alábbi 1. táblázatban foglaltam össze. 1. Táblázat Néhány anyag rugalmassági modulusa Anyag megnevezése Young-modulus, Nm -2 ] FR4 Polyimide Réz Nikkel 1,8*10^10 2,5*10^10 1,3*10^11 2,1*10^11 Alumínium 7*10^10 Constantan 1.63*10^10 Három dimenziós esetben az anyag eltérő tulajdonságokat mutat a különböző térbeli irányokból fellépő feszültségek hatására, így nem jellemezhető egyetlen mérőszámmal (Young-modulus). Ebben az esetben az általános Hooke törvény írja le az anyag viselkedését, ahol az anyagra jellemző engedékenységi mátrix kerül bevezetésre. Ekkor σ=c*ε melynek teljes alakját a 6. ábrán láthatjuk. 6. ábra Feszültség és relatív megnyúlás kapcsolata 3D esetben 12

13 A feszültség keresztmetszetre gyakorolt hatását a 7. ábrán szemléltetett módon a Poisson tényezővel jellemezhetjük, ahol ε k =ν*ε=(d 0 -d)/d ábra Normális feszültség hatására bekövetkező keresztmetszet változás [3] A fentiekben ismertetett anyagokhoz tartozó Poisson tényezőket a 2. táblázatban látható táblázatban foglaltam össze. 2. Táblázat Néhány anyag Poisson tényezője Anyag megnevezése Poisson tényező FR4 0,13 Polyimide 0,34 Réz 0,34 Nikkel 0,31 Alumínium 0,33 Constantan 0,33 13

14 1.2 A háromdimenziós alakváltozás, deformáció [5]: Feltételezzük hogy P pont a deformáció következtében P pontba transzformálódik, ahogy az a 8. ábrán látható. 8. ábra Mechanikai alakváltozás 3D esetben [5] A relatív megnyúlás térbeli helyfüggvénye az alábbi alakban írható fel:, ahol u térvektor, x koordináta, i és j pedig a három térdimenzió valamelyike. A fenti egyenletből levezethető az alábbi hat térbeli relatív megnyúlást jellemző egyenlet: Ennek alapján a 3D megnyúlás mátrix: 14

15 2. Mechanikai deformáció mérésének lehetőségei A mechanikai alakváltozás mérésére számos mérési eljárás létezik, ezek alkalmazhatósága azonban nem általános érvényű, minden esetben az adott körülményeknek leginkább megfelelő mérési eljárás kiválasztása a cél, mely számos tényező figyelembevételét kívánja. A mérési eljárás megválasztása rendszerint kompromisszumot követel, a legnagyobb pontosságot garantáló optikai interferometriás eljárások laboratóriumi mérési környezetet kívánnak és bonyolult mérési összeállítást, mely a gyártás közeli alkalmazhatóságot akadályozza. A gyakorlatban jól alkalmazható, robosztus, kevéssé zavar érzékeny piezorezisztív mérési megoldások kisebb pontosságúak, emellett nem az egész vizsgált minta síkjáról, csupán a mérési pontokról szolgáltatnak információt, valamint a mérőpontok megválasztása is rutint igényel. Az alkalmazott szabványos mérési lejárások pontosan definiált próbatestekre vonatkoznak, esetünkben ezért nem alkalmazhatóak. 2.1 A mérési eljárások csoportosítása A mérési eljárásokat az alábbi szempontok szerint csoportosíthatjuk: Működési elv szerint: o Optikai (Interferometrián alapuló mérések, Digitális képi korreláción alapuló mérések, Száloptikás Bragg rácson alapuló reflektometria) o röntgen mérések (Röntgen diffrakciós és röntgen reflektometriai vizsgálatok), o tényleges térkoordináták mérésén alapuló mérések (koordinátamérők), o elektromos tulajdonságok megváltozására épülő mérési módszerek (piezoelektromos, piezorezisztív, kapacitív és induktív mérési módszerek). alkalmazhatóság szerint (In situ alkalmazható, csak laboratóriumi körülmények közt alkalmazható), mérés helye szerint, 15

16 o full-field mérési eljárások: A kapott eredmények a minta egész felületéről részletes információt hordoznak, tipikusan ilyenek az optikai elvű mérések, o adott mérési pontokban végzett mérések, tipikusan ilyen a nyúlásmérő bélyegek alkalmazása. A mérőpontok helyes megválasztásával a pontbeli mért értékeken túlmenően közelítő modell alkotható a minta teljes felületéről. 2.2 Optikai elvű mérések [1], [2] A fehér fényű interferometria egy speciális mikroszkópiai eljárás, mely a minta síkjára merőleges elmozdulások akár nanométeres pontosságú mérésére alkalmas, a minta egész felszínén. A pontos mérésnek azonban feltétele a termikusan stabil környezet, így az eljárás gyártás-közeli alkalmazhatósága erősen korlátozott. 9. ábra ESPI mérési elrendezés [1] Az ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometer) háromdimenziós deformációk mérésére alkalmas nanométeres pontossággal. A fényvisszaverő tulajdonságú vizsgált mintát monokromatikus IR lézerrel megvilágítva a reflektálódott szórt lézerfény vetületi képét egy CCD segítségével dolgozzák fel digitálisan, a mérési 16

17 elrendezést a 9. ábra szemlélteti. A képalkotás a különböző deformáltsági állapotú területekről készült képek fázis érzékeny szuperpozíciójával történik. A minta előkészítése jó optikai reflexiós tulajdonságú réteg felvitelével történik. A vizsgálat során a képfeldolgozás és így a deformáció mérése egy referencia visszaverődési kép és egy a deformált felületről rögzített visszaverődési kép szuperpozíciója alapján történik. A mérés lépéseit a 10. ábra szemlélteti. 10. ábra ESPI mérési eljárás képalkotási lépései [1] A digitális képi korreláció mutat néhány közös vonást az ESPI eljárással. Az elérhető megoldások néhány négyzetcentiméteres nagyságrendű felületek digitális kép alapú feldolgozására alkalmasak a pixelváltozások figyelembevételével. Léteznek eszköz független offline képfeldolgozó szoftverek, melyek akár mikroszkópos vagy SEM felvételek alapján is képesek mérésekre. Az eljárással sík irányú deformációkat és feszültségmezőket lehet mérni. A felbontóképesség függ a 17

18 digitális képanyag felbontásától, de általában az aktuális pixelméret*0.1 felbontás elérhető. A Moiré interferometria esetében egy optikai rács kerül felvitelre a minta felületére pl fotolitográfiai eszközökkel, majd egy ezzel megegyező referencia rácson keresztül megvilágítják a mintát. A mintára történő optikai rács felvitele sík felületet követel. A minta X-Y irányú deformációja következtében a mintára felvitt optikai rács elmozdul a referencia rácshoz képest és karakterisztikus interferenciakép keletkezik, melyet digitálisan feldolgozva a felületen feszültségmezők határozhatók meg. Ezen mérési eljárást sikeresen alkalmazzák felületszerelt alkatrészek és a NYÁK hordozó közt keletkezett feszültségek kimutatására. [6] 11. ábra Moiré interferométer elrendezés [9] 18

19 A Moiré interferencia jelenségére épül az ún. Árnyék Moiré Technika, ebben az esetben a minta sík felületére nem kerül elhelyezésre optikai rács, csupán egy a minta fölé pozícionált rácsot használunk, melyet ferde megvilágítással létrehozott interferenciakép alapján vizsgálunk. A interferencia jelensége a 12. ábrán látható elrendezés alapján megérthető. A reflektált kép intenzitás eloszlásából meghatározható a vizsgált minta Z irányú pozícióváltozása a referenciasíkhoz képest. 12. ábra Árnyék Moiré Technika működési elve [2] 19

20 2.3 Röntgensugaras mérések [1] A röntgen diffrakciós és röntgen reflektometriás eljárások kristályos anyagok kristályszerkezetének deformáció következtében fellépő megváltozásának kimutatására alkalmasak, így jól alkalmazhatóak pl. szilícium eszközök esetében. A röntgen reflektometria esetében a vizsgálati mintát a Bragg feltételt teljesítő szög közelében bombázzák röntgensugárzással, emiatt az X-Y síkkal párhuzamos deformációkra nem érzékeny a mérés, hiszen a detektor számára érzékelhető röntgen intenzitás a visszaverődési szöggel arányos. A röntgen diffraktometriás mérések a deformáció következtében fellépő rácsállandó változás kimutatására alkalmasak, ebből a feszültség nagy pontossággal számítható. A mérés fontos előnye hogy a többi méréssel ellentétben alkalmas az anyagon belüli, belső feszültségek kimutatására is. 2.4 Elektromos tulajdonságok megváltozására épülő mérési módszerek Kapacitív mérési módszerek [4] A kapacitív elvű mérések a dielektrikum által elválasztott kondenzátor fegyverzetek közti távolsággal arányos kapacitásváltozás mérésére épülnek. A kondenzátor kapacitását az ismert C=ε*(A/d) formula alapján határozzuk meg, tehát C 2 =ε*(a/d+ d). A kapacitás megváltozása a távolság függvényében: C=-ε(A/d 2 ) [4] 13. ábra Villamos kapacitás változása a fegyverzetek távolságának függvényében Felületi alkalmazások esetében értelemszerűen az egyik fegyverzet referencia koordinátákhoz történő rögzítése szükséges, a mérés csupán ehhez viszonyítva lehetséges, továbbá klasszikusan csak a felületre merőleges, Z irányú elmozdulás mérésére használják. Fésűs fegyverzet kialakítással lehetséges a síkkal párhuzamos 20

21 elmozdulás mérés is, ez esetben a fegyverzetek effektív felületének változása idéz elő kapacitásváltozást, egy ilyen elrendezés látható a 14. ábrán. 14. ábra Felület irányú megnyúlás érzékelésére alkalmas kapacitív szenzor 2.5 Piezoelektromos és (piezo)rezisztív nyúlásmérés [3], [5] A piezoelektromos nyúlásmérők a kristályok piezoelektromos effektusán alapulnak, a kristályra adott kristálytani irányból ható feszültség hatására töltésmegosztás alakul ki (lásd 15. ábra), ami feszültség formájában mérhető és arányos a mechanikai feszültséggel. Rendkívül nagy pontosságú mérést tesz lehetővé, emiatt elsősorban precíziós alkalmazási területeken használják, hátránya a megfelelő kristályok előállításának nehézsége. 15. ábra Piezoelektromos jelátalakító [5] 21

22 Az ellenállás változáson alapuló rezisztív nyúlásmérés a legszélesebb körben elterjedt módszer a deformáció mérésére. A mérőszenzor ellenállásának megváltozásáért elsősorban a geometriai méretek megváltozása felelős, az elektromos vezetési tulajdonságok változása elenyésző az előbbihez képest. Kivételt képeznek az utóbbi időben egyre szélesebb körben elterjedő szén mikroszál alapú piezorezisztív eszközök, ezeknél a rossz vezetési tulajdonságú mátrixanyagba ágyazott szén rostok biztosítják a fajlagos vezetési tulajdonság változását mechanikai deformáció hatására. [7] A hagyományos nyúlásmérő szenzorokat az érzékenységi faktorral jellemezhetjük, ez a mérőszám az eszköz ellenállás megváltozását fejezi ki egységnyi megnyúlás esetén. Az érzékenységi faktor (Gauge Factor) az alábbi alakban fejezhető ki: K=( R/R)/ε, ahol ε a relatív megnyúlás, R a megnyúlás hatására bekövetkezett ellenállás változás, R pedig a nyugalmi ellenállás érték. A geometriai méretek megváltozásából adódó ellenállás változás az alábbiak szerint levezethető: R=ρ*(l/A), ahol ρ a fajlagos vezetési tényező, l a vezető hossza A pedig a keresztmetszet. A geometria megváltozása esetén a hossz és a keresztmetszet is változik, ekkor az ellenállás megváltozása: A korábbiakban ismertetettek szerint a relatív megnyúlás ε l =dl/l. A keresztmetszet változás az alábbiak szerint a Poisson arány segítségével kifejezhető a relatív megnyúlással: Kis megnyúlás esetén kis keresztmetszet változás adódik, ekkor élhetünk az alábbi közelítéssel: 22

23 A fentiekből kifejezve az ellenállás megváltozását az alábbi alakban írhatjuk fel: Egy adott anyagra tehát meghatározhatjuk az érzékenységi faktort a mérési eredményeink alapján is ha ismert a megnyúlás és az ellenállás változás, de az anyagi jellemzőkből is számítható. Érdemes megfigyelni, hogy az érzékenység nem függ a szenzor méreteitől és geometriai kialakításától. A mérés szempontjából azonban célszerű a minél nagyobb relatív megnyúlás előidézése a szenzorban, amit meander struktúra kialakításával érnek el. Néhány jellemző nyúlásmérő anyag érzékenységét az alábbi 3. táblázatban foglaltam össze. 23

24 3. Táblázat Néhány jellemző nyúlásmérő anyag érzékenysége Nyúlásmérő anyag Érzékenységi faktor Platina (Pt 100%) 6.1 Platina-Iridium (Pt 95%, Ir 5%) 5.1 Platina-Wolfram (Pt 92%, W 8%) 4.0 Isoelastic (Fe 55.5%, Ni 36% Cr 8%, Mn 0.5%) 3.6 Constantan / Advance / Copel (Ni 45%, Cu 55%) 2.1 Nichrome V (Ni 80%, Cr 20%) 2.1 Karma (Ni 74%, Cr 20%, Al 3%, Fe 3%) 2.0 Armour D (Fe 70%, Cr 20%, Al 10%) 2.0 Monel (Ni 67%, Cu 33%) 1.9 Manganin (Cu 84%, Mn 12%, Ni 4%) 0.47 Nikkel (Ni 100%) *Megjegyzendő hogy a legtöbb anyag Poisson tényezője közötti, így az 1+2ν kifejezésből érzékenységi tényező adódna, a táblázat alapján tehát néhány anyag esetében igen erőteljes a fajlagos vezetőképesség megváltozása is. 24

25 2.5.1 A megfelelő nyúlásmérő anyag kiválasztása Bár az adott anyagra jellemző érzékenységi faktor ismert, az adott alkalmazáshoz megfelelő nyúlásmérő anyag kiválasztásánál egyéb szempontokat is figyelembe kell vennünk. Az alábbiakban néhány elterjedt anyag előnyeit és hátrányai taglaljuk Constantan (Advance, Copel elnevezéseken is ismert) a legrégebbi és legszélesebb körben elterjedt anyag nyúlásmérő érzékelőkben, az alábbi előnyös tulajdonságokkal rendelkezik: Megfelelően magas fajlagos ellenállással rendelkezik (ρ=0.49 µω*m) ahhoz hogy megfelelően nagy ellenállás értéket elérhessünk kellően rövid vezetékhossz mellett. -30 C és +193 C hőmérséklet tartományban kellően alacsony hőmérséklet okozta megnyúlása van, ennek következtében az ellenállás értéke termikusan stabilnak mondható. Széles tartományban lineáris karakterisztikájú, az érzékenységi faktor gyakorlatilag állandó a megnyúlástól függetlenül. Akár a műanyagokra jellemző 5% relatív megnyúlás esetén is alkalmazható. Hátrányos tulajdonságai: 65C feletti hőmérsékleten a fajlagos ellenállása folyamatosan emelkedik, ami hosszú idejű mérések esetében vagy magas hőmérsékleteken problémát okozhat. Az Isoelastic ötvözet dinamikus nyúlásmérésre alkalmas, vibráció, becsapódás és egyéb nagy időbeni változással járó esetekben. Alkalmazása akkor javasolt ha az alábbi előnyös tulajdonságokat kívánjuk kihasználni: Nagy az érzékenységi faktora (3.6 a Constantan 2.1 értékével szemben), ami jobb jel/zaj viszonyt eredményez Magasabb fajlagos ellenállás értékkel bír ami szintén fokozza az érzékenységet. Kedvezőbb kifáradási jellemzőkkel bír Használata a következő hátrányos következményekkel jár: 25

26 A constantannal szemben nem rendelkezik ön-hőmérséklet kompenzációval Emiatt rendkívül érzékeny a hőmérsékletváltozással szemben Az érzékenység 7500 µm/m relatív megnyúlás fölött 3.1-ről 2.5re csökken. A Karma ötvözet a Constantanhoz hasonló tulajdonságokat mutat, az alábbi pontokban azonban eltérnek: -73 és 260 C közötti hőmérséklet tartományban ön-hőmérséklet kompenzált Kedvezőbb ciklikus kifáradási tulajdonságokkal bír Hátrányai: Forraszthatósági jellemzői igen kedvezőtlenek A Nichrome V, Armour D és Platina alapú nyúlásmérők nagy hőmérsékletű környezetben történő alkalmazásra használhatóak elsősorban (> 230 C ), illetve egyéb speciális esetekben Hőmérséklet-kompenzáció A mérés közben a hőmérséklet megváltozása a legtöbb esetben elkerülhetetlen. A nyúlásmérő anyaga, a hordozó és a vizsgálati minta hőtágulási együttható különbsége okozta beépített feszültség mérési hibák forrása lehet. Bár ezen hiba kiküszöbölhető numerikus számításokkal, vagy Wheatstone-híd és kompenzáló dummy nyúlásmérő alkalmazásával, ennek ellenére célszerűbb eleve olyan szenzor alkalmazása, amely termikus szempontból önkompenzált, főleg olyan esetekben ahol nagy hőmérsékleti különbségek lehetnek, illetve ha nem áll rendelkezésre Wheatstone mérőhíd. A termikusan önkompenzált szenzorok gyártására alapvetően két mód ismert, az egyik a megfelelő összetételű ötvözetek alkalmazása melyek anyaguknál fogva egy adott hőmérséklet tartományon belül alacsony hőmérsékletfüggő megnyúlással rendelkeznek. A másik lehetséges megoldás a kettős anyagú szenzor alkalmazása, ahol a két különböző anyag ellentétes hőmérsékletfüggő karakterisztikája kioltja a nemkívánatos hőmérsékletfüggést. 26

27 2.5.3 Nyúlásmérő érzékelők kiválasztásának szempontjai Négy fő alapelv figyelembe vétele szükséges a mérési feladat specifikációjának ismeretében: A működési és környezeti körülményekhez illeszkedő érzékelő kiválasztása Pontos és megbízható mérés biztosítása Egyszerű telepíthetőség Költségek minimalizálása Nyúlásmérő érzékelők paraméterei Érzékelő hossza: A diszkrét nyúlásmérő bélyeg hossza, mely befolyással bír a következő tényezőkre: pontossági követelmények, maximális megnyúlás, hődisszipáció, megnyúlás gradiens meghatározási pontosság, telepítés helyigénye Érzékelő mintázat kialakítása (uniaxiális, biaxiális, multiaxiális (lásd 14. ábra)) A mintázat kialakítása befolyásolja a következőket: hődisszipáció, megnyúlás gradiens, telepítés helyigénye Érzékelő ellenállása befolyásolja a Jel/zaj viszonyt, hődisszipációt Érzékelő anyaga meghatározza az érzékenységi faktort, az alkalmazható ragasztót, hordozót, lényeges, kívánatos tulajdonsága a hőmérsékleti önkompenzáltság Érzékelő hossza Az érzékelő hossza alatt a nyúlásra érzékeny rész hosszát értjük, jellemző értéke 0.2mm -100mm tartományban mozog, általános esetben 3-6mm hosszú érzékelők az elterjedtek. [8] Rövid érzékelők (<3mm) alkalmazandók ha: o Kicsi a rendelkezésre álló telepítési felület o A megnyúlás gradiensének meghatározása a cél o A pontosság nem elsődleges szempont Hosszabb érzékelők (>6mm) amennyiben: o A gyors és könnyű telepíthetőség lényeges 27

28 o A hőmérséklet disszipáció problémát jelent (pl. nem fémes vizsgálati mintákon), például nagy hőmérsékletű alkalmazások esetében. A nagyobb méretű érzékelő kevésbé érzékeny a hőmérsékleti hatásokra. o A vizsgálati minta nem homogén tulajdonságú, ilyen esetben az inhomogén részek méretének kétszerese javasolt a szenzor méretezésére, így elkerülhetőek a lokális fluktuációk. o Fontos a költségek minimalizálása. Az 5-12mm méretű érzékelők rendszerint lényegesen olcsóbbak Nyúlásmérő érzékelők mintázata A mintázat az alkalmazott meander térbeli orientációjától, térbeli orientációjától, számától és elhelyezésétől függően széles határok között mozoghat. Az uniaxiális érzékelő egy meander struktúrát tartalmaz, a terhelési iránnyal párhuzamos elhelyezés esetén longitudinális, arra merőleges esetben transzverzális elhelyezésről beszélhetünk. Biaxiális kialakítás esetében rendszerint kettő meander struktúrát találunk egymáshoz képest 90 elfordulással, amennyiben közös síkon helyezkednek el, planáris struktúráról beszélünk, ha egymás alatt akkor réteges struktúráról. Kettőnél több meander alkalmazása esetén multiaxiális struktúráról beszélhetünk. A leggyakoribb elrendezések a 16. ábrán láthatóak. Uniaxiális érzékelő alkalmazandó ha: Egy kitüntetett irányú megnyúlást kívánunk mérni és ezen irány pontosan ismert A költség fontos szempont, az uniaxiális érzékelők értelemszerűen olcsóbbak Biaxiális (0-90 ) érzékelő alkalmazandó ha: A sík x-y irányú megnyúlás komponenseit kívánjuk mérni és ismertek a tengelyek. Uniaxiális érzékelők alkalmazandók ha: A sík tengelyirányú megnyúlás komponenseinek mérése a cél, azonban a tengelyek nem ismertek. Planáris struktúra alkalmazása célszerű amennyiben: A hődisszipáció gondot jelent A pontosság és a stabilitás elsődleges, ez esetben mindkét érzékelő egyforma távolságban közvetlenül a minta felületén helyezkedik el. 28

29 Réteges struktúra használata javasolt amennyiben: A megnyúlás gradiense bizonyos pontokban nagy, ilyenkor lényeges hogy a két különböző irány érzékenységű szenzor egy pontban mérjen. A telepítési felület korlátozott 16. ábra Nyúlásmérő elrendezések 29

30 2.5.7 Az ellenállásértékek pontos mérése A nyúlásmérő érzékelők érzékenységéből és a megnyúlás mértékéből következően az ellenállás megváltozása rendkívül kicsi is lehet, ezért nagyon fontos a pontos ellenállásmérés alkalmazása. Pontos ellenállásmérést a legegyszerűbben 4 vezetékes méréssel valósíthatunk meg, melyet a 17. ábrán láthatunk. Ebben az esetben a vizsgált ellenállás kivezetéseire 2-2 mérővezetéket kapcsolunk, melyek közül páronként 2 a feszültség és az áram mérésére szolgál. A két mért mennyiség hányadosa alapján az ellenállás számítható. A mérés lényege hogy a feszültségmérő vezetékeken a feszültségmérő nagy belső ellenállása miatt elhanyagolható áram folyik, így a vezetékeken eső feszültség nullának tekinthető. 17. ábra Négy vezetékes ellenállásmérés 30

31 2.5.8 Hőmérséklet kompenzáció Wheatsone mérőhíddal Abban az esetben, ha az érzékelők ellenállása nem tekinthető termikusan stabilnak, az ebből adódó ellenállás változást kompenzálni kell, elkerülendő a mérési hibát. Erre kínál megoldást a Wheatstone híd alkalmazása, ekkor a mérő ellenállás mellett egy kompenzáló ellenállást is alkalmazunk, amely mechanikailag nem, de termikusan csatolásban van a mérő ellenállással. A 18 ábrán látható elrendezésben hídba kötjük az ellenállásokat. 18. ábra Wheatstone mérőhíd [3] A híd A-B kapcsai közé kapcsolt feszültség hatására C-D kapcsok közt a galvanométeren áram fog folyni a híd kiegyenlítetlen állapotában. A kiegyenlítettség feltétele R 1 *R K =R M *R V, R V potenciométer változtatásával I g =0 egyensúlyi állapot előállítható. Amennyiben a nyúlásmérő ellenállás értéke terhelés hatására megváltozik, a híd kiegyenlítetlenné válik és Ig áram mérhető. A híd Rv potenciométerrel ismét egyensúlyba hozható, ekkor R v = R M =R M *K*ε. Ekkor tehát a potenciométer értékváltozásából visszaszámolható ε értéke. A hőmérsékleti kompenzáció azáltal valósul meg hogy RM= RV a termikus csatolás miatt, így a híd két szemben álló oldala egyensúlyban marad. 31

32 3. Nyomtatott huzalozású szerelőlemezek deformációjának mérésére alkalmas együttlaminált nyúlásmérő ellenállás hálózat tervezése és modellezése A korábbi fejezetekben ismertetett mérési módszerek mind alkalmasak a deformáció és/vagy megnyúlás mérésére, azonban önmagában egyik sem jelent megoldást amennyiben egy áramköri szerelőlemez egészéről kívánunk információkat nyerni adott esetben időbeli, hőmérsékleti és mechanikai változásokat is figyelembe véve. A piezorezisztív nyúlásmérő bélyegek kellően robosztus és pontos mérést tesznek lehetővé, diszkrét mérőbélyegeket alkalmazva azonban kizárólag lokális eredményeket nyerhetünk. A célom e hátrány kiküszöbölése, a fennálló előnyök megtartása, vagy legkisebb mértékű feláldozása mellett. A cél egy olyan mérési eljárás megtervezése, amely alkalmazható akár gyártósori körülmények közt is, a technológiai folyamatok során fellépő mechanikai deformációk mérésére. Ezen hatások létrejöhetnek szinte valamennyi technológiai folyamat során, ahol mechanikai vagy termikus kölcsönhatás éri a terméket. Fontos hogy ismerjük ezen kölcsönhatások termékre gyakorolt hatását, esetlegesen lokálisan, alkatrész szinten érvényesülő hatásukat. A tervezett megoldás egy olyan dummy panel mely fő tulajdonságaiban termikus, mechanikai szempontból megegyezik az eredeti termékkel, így a gyártósori körülmények azonos változásokat eredményeznek, így a mért eredmények alapján konzekvens megállapítások tehetők a termékre és a folyamatra vonatkozóan. 32

33 3.1 A nyúlásmérő érzékelők elhelyezése Az egyes elektronikai termékek rendkívüli különbözőséget mutathatnak kialakításukban, összetettségükben és felületi elrendezésükben. Általánosságban elmondható hogy a nyúlásmérő szenzorok lehetséges elhelyezése szempontjából a felszínt tekintve mindenképpen egyedi tervezés szükséges, általános megoldás nem alkalmazható. Lényegesen nagyobb az elhelyezés szabadsága, amennyiben a nyúlásmérő érzékelőket a szerelőlemez rétegei közt helyezzük el, külön rétegként laminálva. Lényeges hogy a mérőbélyegeket tartalmazó réteg minél távolabb kerüljön horizontálisan a semleges tengelytől (lásd 19. ábra) mivel a középen elhelyezkedő semleges tengely mentén a mechanikai feszültségek kioltják egymást és érzéketlenné válik a mérési elrendezés. Az ideális elhelyezés a felszínhez a lehető legközelebb esik. 19. ábra Semleges tengely mechanikai deformáció esetén A hordozólemezbe laminált érzékelők minél sűrűbb elhelyezése kívánatos a mérés felbontásának növelése szempontjából, azonban figyelembe kell venni az esetleges eltemetett alkatrészeket, és a furatszerelt alkatrészek kivezetéseit. A szerelőlemezbe laminált érzékelők megfelelő technológiát alkalmazva nem változtatják érdemben a szerelőlemez tulajdonságait, a technológiai feltételek adottak a megvalósításhoz. A kialakítandó réteggel szemben támasztott főbb követelmények: 33

34 Thermomechanikai kompatibilitás az FR4 kompozit lemezekkel a beépített feszültségek elkerülése érdekében Alacsony kúszási tulajdonság a mechanikai feszültségek veszteségmentes átvitele érdekében Megfelelően vékony kialakítás lehetősége, mely nem befolyásolja jelentősen a szerelőlemez vastagságát Megfelelő hővezetési tulajdonságok, a mérőellenállásokon disszipált teljesítmény termikus izolációjának elkerülése érdekében A hordozó és a nyúlásmérő ellenállás anyag a vizsgálati tartományban lineáris elasztikus viselkedéssel rendelkezzen 3.2 Nyúlásmérő érzékelők és a hordozóréteg anyagának megválasztása A diszkrét nyúlásmérő bélyegek hordozóanyagaként alkalmazott poliimid fólia az FR4 kompozitokhoz rendkívül hasonló thermomechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Mind a sík, mint az arra merőleges irányú hőtágulási együtthatójuk lényegében megegyezik, előbbi 15-19ppm/ C, utóbbi 55-60ppm/ C mindkét anyag esetében. Poliimid hordozón könnyedén kialakíthatóak a nyúlásmérő ellenállás meander struktúrák, például a hordozófóliára felvitt fém fóliaréteg lézeres ablációjával, vagy fotolitográfiai technológiával és maratással. A poliimid fóliák prepreg rendszerekben is forgalomban vannak, így könnyedén illeszthetők a NYÁK gyártási technológia folyamatlépései közé. Az ellenállásréteg anyagával szemben támasztott elvárásoknak a korábbi fejezetben bemutatott Constantan (Cu-Ni) ötvözet megfelel, lényeges tulajdonsága hogy termikusan önkompenzált széles hőmérsékleti tartományban és költségek tekintetében ideális kompromisszum. 34

35 3.3 A tervezett nyúlásmérő elrendezés A poliimid hordozón kialakítandó mérőellenállás hálózat egységeleme a 20. ábrán bemutatott uniaxiális meander struktúra, főbb jellemzői az alábbi 4. táblázatban találhatók. 20. ábra Constantan meander rétegellenállás szemléltető képe 4. Táblázat A tervezett mérőcella főbb jellemzői Cella hosszúsága 6000 µm Cella szélessége ~1100 µm Rétegvastagság 4µm Ellenállás 125 Ω Érzékenységi faktor ~2.1 Ellenállás vezetékezés hossza 50mm Ellenállás vezetékezés szélessége 50µm Poliimid hordozó rétegvastagsága 45µm 35

36 Az elemi mérőcellák mérete biztosítja a nagy felületi felbontóképesség lehetőségét, kellően nagy cellasűrűséget alkalmazva. A mérőcellák kivezetései oly módon lettek összehuzalozva (lásd 21. ábra), hogy a hozzávezetések ellenállása elhanyagolhatóan kicsi legyen a mérőellenállásokhoz képest (így a sínvezetékezés nyúlásából adódó mérési hiba minimalizálható) és egyenként minden cella megcímezhető legyen; ehhez a hordozó fólia mindkét oldalán szükséges vezetékezés kialakítása, valamit átmenő viák létrehozása. 21. ábra Uniaxiális nyúlásmérő ellenállások FR4 hordozó felületén 36

37 A cél olyan mérési elrendezés kialakítása volt, amely lehetőséget biztosít X-Y irányú megnyúlások mérésére, ezek ismeretében pedig meghatározható akár a megnyúlás gradiens mező is. Ennek biztosítása érdekében réteges struktúrát alkalmazva, ahogy az a 22. ábrán látható; egy második, 90 -al elforgatott ellenállás hálózatot is a szelelőlemez rétegei közé laminálunk, ügyelve arra hogy az egyes mérőcellák fedésben legyenek, így az egyes mérőpontokban meghatározható ε x és ε y értéke. 22. ábra Biaxiális mérési elrendezés rétegszerkezete 37

38 3.4 Nyúlásmérő ellenállás modellezése FEM eszközökkel A tervezett nyúlásmérő elrendezés mérési jellemzőinek közelítő megismerését teszi lehetővé a véges elemes modellezés, az elrendezés bonyolultsága okán azonban jelentős egyszerűsítéseket kell tennünk, hogy a modell számítási igényeit csökkenthessük Termikus modellezés Az eszköz működése szempontjából lényeges a mérőfeszültség és mérőáram meghatározása, túl alacsony mérőfeszültség növeli a zajérzékenységet, a túl magas mérőfeszültség pedig a disszipált hő miatti túlmelegedést eredményezhet, illetve a hőmérséklet befolyásolja a mérőellenállás karakterisztikáját is. Ezért egy mérőcella termikus modellezésével határozzuk meg a biztonsággal alkalmazható mérőfeszültséget. Mivel a mérés során az egyes mérőcellák időmultiplexelt módban kerülnek feszültség alá, nem állandó időben a disszipált teljesítmény, ezért a tranziens vizsgálat a célravezető. A 23. ábrán látható hőmérséklet eloszlás 5V kapocsfeszültség esetén állandósult esetben alakul ki, a gyakorlatban ekkora mértékű hőmérsékletváltozással sem kell számolnunk, tehát a megadott mérőfeszültség termikus szempontból kifogástalan. 23. ábra Uniaxiális mérőcella termikus viszonyai 5V kapocsfeszültség mellett (a színskála hőmérsékletet jelöl Kelvin fokban) 38

39 3.4.2 Mechanikai viselkedés modellezése Elsődlegesen a mérőcellák mechanikai deformációja által keltett ellenállás változást szeretnénk meghatározni, ennek közvetlen modellezése azonban rendkívül számításigényes, nehezen megvalósítható, ráadásul a fajlagos ellenállás mechanikai feszültség függőségét figyelembe sem veszi, ezért ettől eltekintünk. A megnyúlásból azonban a korábban ismertetett formula alapján meghatározható az ellenállás megváltozása, bár a fajlagos ellenállást ez esetben is állandónak tekintjük. Az alábbi két ábrán (24-25) longitudinális terhelés hatására kialakult feszültség és megnyúlás viszonyokat láthatunk, a 8mm hosszú hordozót egyik végén rögzítve, a túloldalon Z irányba a síkra merőlegesen, 1mm-el lehajlítva. 24. ábra Mérőcella feszültségviszonyai hosszirányú terhelésnél (A színskála von Mises feszültséget ábrázol) 39

40 Jól láthatóan a felület megnyúlásának irányával párhuzamos huzalpályák feszültsége, és ezáltal megnyúlása jelentős, míg az erre merőleges huzalpályákon több nagyságrenddel kisebb, még jobban szemlélteti ezt az X és Y irányú megnyúlást mutató két ábra, a hosszirányú megnyúlás értéke értelemszerűen pozitív, míg arra merőlegesen negatív előjelű. A hosszirányú abszolút megnyúlás integrálással szoftveresen számított értéke 0.128mm, ez 0.25% relatív megnyúlást jelent a teljes huzalozást tekintve. 25. ábra X (bal) és Y (jobb) irányú relatív megnyúlás longitudinális terhelés esetén Fontos vizsgálni hogy az érzékelő transzverzális terhelésre mennyire érzékeny, hiszen ez hibajelként jelentkezik a mérés során. Az alábbi ábrán transzverzális terhelés hatására kialakult feszültségviszonyok láthatók. 40