Simulação de fatores de flexão em placas de circuito impresso (PCBs) em testes In-Circuit Testing (ICT)

Abstract

Nos tempos atuais, muitos equipamentos eletrónicos, como os smartphones, discos SSD, entre outros, são projetados para serem mais leves, mais pequenos e com mais funcionalidades. Neste sentido, as placas de circuito impresso (PCBs) necessitam de acompanhar essa evolução, diminuindo também a sua dimensão, tornando-se mais complexas e mais compactas. Os In-Circuit Tests (ICT) são essenciais para avaliar os circuitos internos das placas e verificar a existência de defeitos após o processo de fabrico. Nestes testes, as PCBs são colocadas sobre uma cama de agulhas que tocam nos nós do circuito e, para garantir uma conexão precisa, calcadores exercem força sobre a placa. O posicionamento dos calcadores é muito importante pois uma deformação superior a 500 µm/m pode provocar danos nas PCBs. Nesta dissertação, pretendeu-se desenvolver um método, baseado na Análise de Elementos Finitos, que dê garantias de que o posicionamento dos calcadores é otimizado, permitindo replicar as condições de um teste ICT. Para isso desenvolveram-se modelos numéricos com recurso ao software ANSYS Mechanical, os quais foram validados através dos dados experimentais obtidos numa instalação que replica, de forma simplificada, as condições de um ICT. Durante os ensaios experimentais, utilizaram-se PCBs com e sem componentes. Os três componentes instalados foram um relé, um díodo e um buffer. Colocaram-se, também, dois extensómetros uniaxiais em localizações previamente definidas de modo a registar os valores de deformação específica. Os resultados obtidos permitiram concluir que o modelo homogéneo ortotrópico desenvolvido reproduz com precisão o comportamento das PCBs nos ensaios experimentais, tanto para as PCBs sem componentes como para as com componentes, obtendo-se um desvio resultante da comparação entre os valores numéricos e experimentais inferior a 10%, para todos os cenários considerados. Relativamente ao impacto dos componentes, verificou-se que os componentes de maior dimensão provocam uma diminuição significativa da deformação específica resultante e, deste modo, não devem ser ignorados nos modelos numéricos.

Nowadays, many electronic devices, such as smartphones, SSD drives, among others, are designed to be lighter, smaller, and more feature rich. In this regard, printed circuit boards (PCBs) need to keep up with this evolution by reducing their size, becoming more complex and compact. In-Circuit Tests (ICT) are essential to assess the internal circuits of the boards and check for defects after the manufacturing process. In these tests, PCBs are placed on a bed of pins that touch the circuit nodes, and to ensure a precise connection, pressers exert force on the board. The positioning of the pressers is crucial because deformation exceeding 500 µm/m can cause damage to the PCBs. In this dissertation, the goal was to develop a method, based on Finite Element Analysis, that ensures the optimization of the presser positioning, allowing for the replication of the conditions of an ICT. To achieve this, numerical models were developed using ANSYS Mechanical software, which were validated using experimental data obtained from a setup that simplifies the conditions of an ICT. During the experimental tests, PCBs with and without components were used. The three installed components were a relay, a diode, and a buffer. Additionally, two uniaxial strain gauges were placed at predefined locations to record specific deformation values. The results obtained led to the conclusion that the developed orthotropic homogeneous model accurately replicates the behavior of PCBs in experimental tests, both for PCBs without components and those with components, with a deviation of less than 10% when comparing numerical and experimental values for all considered scenarios. Regarding the impact of components, it was found that larger components cause a significant decrease in specific deformation and should not be ignored in numerical models.