航空電子設(shè)備PCB組件的動態(tài)分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】航空電子設(shè)備PCB組件的動態(tài)分析引言

航空電子設(shè)備在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中不可防止地要受到振動和沖擊的作用。這些振動和沖擊的作用可能導(dǎo)致電子設(shè)備的多種形式的失效，甚至破壞。這些振動和沖擊引起的電子設(shè)備的破壞螺釘與螺母松脫、機(jī)箱的變形、PCB焊點斷裂剝離、器件引腳斷裂等。尤其是隨著PCB不斷向高精度、***度、小間距、多層化、高速傳輸方向發(fā)展和大規(guī)模集成電路（VLSI）的飛速發(fā)展，它的功能更全、體積更小，封裝引腳更多、更密的IC和SOIC不斷涌現(xiàn)，特別是表面貼裝技術(shù)（SMT）的廣泛應(yīng)用，都對PCB組件提出了更高的挑戰(zhàn)。

對航空電子設(shè)備而言，振動和沖擊引起的故障會大大降低其可靠性，產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果。有關(guān)文獻(xiàn)顯示，航空電子產(chǎn)品因振動、沖擊動力學(xué)環(huán)境所引起的失效率占總失效率的28.7%。在對航電設(shè)備開展的振動環(huán)境試驗中，PCB也時常有發(fā)生。通過對PCB組件開展動力學(xué)分析、設(shè)計可以有效地降低其在環(huán)境試驗中出現(xiàn)故障概率，提高航電產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。

動力學(xué)分析是以動態(tài)特性分析為根底的。通過對PCB組件開展動態(tài)特性分析可以建立其動力學(xué)模型。只有建立起準(zhǔn)確地動力學(xué)模型才可以對起開展有效地動力學(xué)分析。為此，本文試圖采用有限元分析（FEA）與實驗?zāi)B(tài)分析（EMA）相結(jié)合的預(yù)試驗分析技術(shù)來開展某航電設(shè)備PCB組件（圖1所示）的動態(tài)特性分析，并建立了該P(yáng)CB組件的有限元動力學(xué)分析模型。

1有限元模態(tài)分析

作為一種成熟的數(shù)值分析技術(shù)，有限元分析技術(shù)（FEA）被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備PCB組件的動態(tài)特性分析。并且，F(xiàn)EA可以幫助工程師設(shè)計更可靠的PCB組件，通過設(shè)計之初預(yù)測潛在的失效和疲勞。本文以某航空電子設(shè)備的PCB組件（圖1）為研究對象，其外形尺寸（長×寬×厚）為133.5mm×79mm×1.8mm，通過PCB四個角處螺釘固定在電子設(shè)備的機(jī)殼上。該P(yáng)CB組件的外形尺寸和固定方式均與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗PCB相似，只是厚度大了一些。元器件和接插件采用表面貼裝技術(shù)（SMT）與PCB組裝，其中元器件的封裝主要為BGA、QFP和SOP。

圖1對象PCB組件

1.1有限元分析模型

組成對象PCB組件的各個部分的材料物理性能參數(shù)如下表1所示。根據(jù)該P(yáng)CB組件幾何尺寸信息和相關(guān)材料信息，在ANSYS**立了有限元分析模型（圖2）。由于要得到的是PCB組件整體所表現(xiàn)出的動態(tài)性能數(shù)據(jù)，而不是元器件本身的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，因此建立模型時，對元器件和接插件開展了簡化。具體地，采用矩形和正方形塊來模擬元器件，接插件采用其大致外形來模擬。有限元分析模型中各部位均采用三維實體單元（SOLID187）來開展網(wǎng)格劃分（采用實體單元開展網(wǎng)格劃分，雖然一定程度上增大了計算量，但是從CAD到CAE的模型的工作量大大減少，有利于工程應(yīng)用推廣），并且元器件與PCB、接插件與PCB之間的連接均采用多點約束（MPC）來模擬。同時，由于電子機(jī)殼的剛度遠(yuǎn)大于PCB組件的剛度，在有限元模型中在四個角處的螺釘孔處施加固定支撐約束來模擬該P(yáng)CB組件與設(shè)備機(jī)殼的螺釘連接。

表1對象PCB各組成部分材料的物性參數(shù)

圖2對象PCB組件的有限元模型

1.2有限元模態(tài)分析結(jié)果

建立起對象PCB組件的有限元模型，并采用蘭索斯分塊法（BlockLanczosMethod）開展模態(tài)分析。模態(tài)分析就是通過求解系統(tǒng)的特征方程，一般多自由度系統(tǒng)的特征方程可以成式（1）所示的形式，來得到系統(tǒng)的特征值和特征向量，亦即振動系統(tǒng)固有頻率和振型。

式中，－系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，有限元模態(tài)分析中由單元質(zhì)量矩陣組裝而成；－系統(tǒng)的剛度矩陣，有限元模態(tài)分析中由單元剛度矩陣組裝而成；{X}—系統(tǒng)的位移向量；ω－系統(tǒng)的特征值。

通過模態(tài)分析，得到了采用四顆螺釘固定的對象PCB組件的前三階固有頻率和振型，具體見表2。該P(yáng)CB組件的第1階振型為一階彎曲，第2階振型為扭轉(zhuǎn)，第3階振型為正弦波狀彎曲。這些振型與得到的四顆螺釘固定下JEDEC標(biāo)準(zhǔn)板相似。

表2有限元模態(tài)分析結(jié)果

圖3PCB組件第1階振型（FEA）

圖4PCB組件第2階振型（FEA）

圖5PCB組件第3階振型（FEA）

2實驗?zāi)B(tài)分析

實驗?zāi)B(tài)分析是若干工程學(xué)科的綜合，它通過建立試驗“裝置”、估計頻響函數(shù)、系統(tǒng)識別、識別結(jié)果驗證4個步驟得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)：固有頻率、振型、模態(tài)阻尼等。實驗?zāi)B(tài)分析的結(jié)果經(jīng)常被用來檢驗有限元分析模型的有效性和正確性。為了檢驗本文所建立的對象PCB組件的有限元分析模型的有效性和模態(tài)分析結(jié)果的正確性，對該P(yáng)CB組件開展了實驗?zāi)B(tài)分析。

2.1實驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)

本文采用的模態(tài)試驗系統(tǒng)由激振器、力傳感器、夾具、試驗對象、激光測振儀（IVS200）、動態(tài)信號分析儀（DP730）、數(shù)據(jù)采集記錄軟件（SignalCalc730）/模態(tài)分析軟件（ME’ScopeV4）及PC構(gòu)成，如圖6所示。

圖6試驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的構(gòu)成

為了使得實驗?zāi)B(tài)分析中對象PCB組件的邊界條件與有限元模態(tài)分析中的邊界條件一致，將對象PCB組件通過4個15mm高的壓鉚螺母柱用螺釘固定在夾具板上。具體如圖7所示。實驗過程采用正弦掃頻激勵試驗對象，通過激光測振儀來采激PCB組件的響應(yīng)，有動態(tài)信號分析儀和數(shù)據(jù)處理軟件來計算PCB組件上各點的頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF），利用模態(tài)分析軟件從中辨識系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

圖7對象PCB組件在夾具上的安裝

2.2實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果

選取對象PCB組件上距離相等的若干個點，通過逐點掃描的方式獲得各點的頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF），進(jìn)而辨識出PCB組件的模態(tài)參數(shù)。具體辨識結(jié)果列在表3中。

表3實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果

圖8PCB組件第1階振型（EMA）

圖9PCB組件第2階振型（EMA）

圖10PCB組件第3階振型（EMA）

3結(jié)果比較及討論

為了檢驗有限元模態(tài)分析結(jié)果與實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果的一致性，進(jìn)而判斷所建立的對象PCB組件有限元模型的正確性和與實驗?zāi)Ｐ偷南嚓P(guān)程度，需要將有限元模態(tài)分析結(jié)果與實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果開展比較，具體見表4。有限元模態(tài)分析結(jié)果和實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果的比較過程需要經(jīng)歷兩個步驟：首先是比較二者的固有頻率值，然后再對二者的模態(tài)的相關(guān)程度（MAC）開展比較。對固有頻率的比較是常用的步驟，但是如果實驗?zāi)B(tài)分析的結(jié)果和有限元模態(tài)分析的結(jié)果不是按照嚴(yán)格按照階次對應(yīng)的話，僅對固有頻率開展比較就會存在出現(xiàn)錯誤的風(fēng)險。這是由于系統(tǒng)中的兩個相同的頻率值可能對應(yīng)兩個截然不同的振型。因此，只有同時開展以上兩個步驟才能準(zhǔn)確判斷有限元分析模型與實驗?zāi)Ｐ偷南嚓P(guān)程度。

表4模態(tài)分析結(jié)果比較

表4顯示有限元模態(tài)分析結(jié)果和實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果具有很好的一致性。有限元模態(tài)分析得到固有頻率與實驗結(jié)果相比誤差小于7%，二者的振型的相關(guān)程度大于0.75。并且，實驗得到振型恰好與模態(tài)分析得到的振型是按階次對應(yīng)的。

4總結(jié)

文中以航電的設(shè)備的PCB組件為研究對象，首先建立了有限元分析模型，并采用蘭索斯分塊法計算了其前3階固有頻率和振型