案例分享--热负荷下的印刷电路板（PCB）测量--研索仪器VIC-3D非接触全场测量系统应用于电子消费领域

印刷电路板作为电子设备的核心载体，承担着板上各端子间电气连接以及电阻器、电容器、微芯片等电子元件固定的双重功能。它广泛应用于全球各类日常设备，其轻量化、小型化的特性更是使其存在于几乎所有电子设备中，如智能手表、手机、电脑乃至数码相机。

然而，在高温工况下，PCB及其焊接元件易因热膨胀系数不匹配引发变形，进而造成焊点疲劳、连接失效等问题。因此，热载荷测试成为评估PCB可靠性的关键环节。本应用案例测量并分析了热载荷对PCB及其所载元件的影响。

关键词：PCB热载荷、数字图像相关、焊点疲劳、CTE失配、翘曲测量

图1：试验设置

测量系统：采用VIC-3D数字图像相关系统，配备500万像素相机与35mm镜头来观察PCB及其附着元件，覆盖观测区域约58 mm × 39 mm × 6 mm（见图1所示）。

热载荷施加：使用热风枪对电路板背面施加热载荷，最高温度超过350℉（177℃），持续时长近1小时。

全场彩色等高线图以极高精度呈现了PCB表面及各元件的细节特征。 

图2：全场等高线图

图3：全局坐标系-试件X向位置

图4：全局坐标系-试件Y向位置

图5：全局坐标系-试件Z向位置

观察变形情况时，明显可见PCB右上角出现热翘曲现象。面外位移(W)与Y向位移(V)均显示电路板向上偏离原始位置。

图6：试件离面位移W

图7：试件垂直方向位移V

平均主拉格朗日应变值介于700微应变至4000微应变之间。若对各元件分别进行提取分析，即可清晰展现PCB热载荷对基板及焊接元件的双重影响。

图8：试件主应变e1（um/m）

图9：试件主应变e1（％）

DIC数字图像相关技术可用于表征材料特性，如杨氏模量、泊松比、玻璃化转变温度（Tg）及热膨胀系数（CTE）。该技术在评估候选材料（如PCB层压板）时具有重要价值。焊点疲劳通常由芯片封装与PCB间热膨胀系数不匹配导致界面交界处的热-机械损伤引发。通过测量PCB或电子元件的热膨胀系数，有助于识别因热循环导致的焊点疲劳风险。

在回流焊接工艺过程中，PCB与元器件的翘曲变形是需要重点关注的问题，过度翘曲可能导致连接不良、焊点桥接或元器件开裂等问题。基于DIC数字图像相关技术的翘曲测量解决方案，既能识别回流焊接过程中的翘曲问题，也可用于对比评估候选元器件与板级层压材料的性能。

DIC技术既可用于表征有限元分析所需的材料属性参数，又能验证仿真结果的有效性。传统应变片测量仅能提供局部区域的应变数据，在复杂装配体或载荷条件下可能遗漏关键应变问题区域。而DIC技术作为非接触全场测量技术，能提供全场位移与应变分布图，可与有限元分析结果进行更全面、更深入的对比验证，显著提升仿真置信度。