电子设备PCB组件的动态特性研究.pdf

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1、厂研究与开电子设备PCB组件的动态特性研究任建峰(西南电子技术研究所工程设计中心，四川成都610036)的PCB组件为研究对象。综合运用有限元分析方法(FEA)和实验模态分析方法(EMA)对其动态特性进行一—●析的结果与有限元模态分析结果具有很好的一致性有限元模型得到了验证。在此基础上，分别对电连撩摄Ilia：z一一■■■■一●0I圆圈躅j动态特性的影响进行了研究。关键词：振动：PCB；模态分析；有限元；电子设备；ANSYS中图分类号：TN03文献标识码：A文章编号：1009—9492(2010)12-010

2、1—051引言对安装在PCB上的集成电路元器件和电连接器的影响进行随着电子信息技术的迅猛发展．电子设备已经遍布研究。本文正是以PCB组件为研究对象．综合运用有限元于交通、通信等人们生活的各个角落。这些电子设备可分析方法(FEM)和实验模态分析方法(EMA)对其动态特性进行了分析。实验模态分析的结果验证了有限元模型能会承受多种不同形式的宽频带、多加速度水平的振动的正确性。在此基础上．文中分别对电连接器和集成电路作用⋯。例如，手机、PDA等手持式电子设备面临从使元器件对PCB组件的动态特性的影响进行了研究，并得到

3、用者手中滑落的风险．这些电子设备的PCB组件就可能承了具有实际意义的结论。受由跌落冲击引起的振动作用。又如，航空、航天电子设备必定要经受来自发动机、外围空气等激励所导致的正弦2研究对象概述振动、随机振动和瞬态振动作用。在上述众多形式和加速电子设备中，PCB组件是实现其既定功能的关键部度水平的振动作用下，电子设备内部的PCB组件将产生柔件。在电子设备的使用过程中，PCB组件的破坏几率远大性变形．并可能导致电子设备多种形式的失效，甚至破于机箱。本文研究的PCB组件由PCB和19个集成电路元坏【3]。有关文献显示，

4、航空电子设备因振动、冲击动力学器件以及位于PCB短边处的电连接器构成．具体如图1所环境所引起的失效率占总失效率的28．7％H]；美国空军的示(隐藏了特征尺寸小于10mm的集成电路元器件)。PCB统计数据也表明军用电子设备的有20％以上的失效是由振的外形尺寸大致为：158mmx133mmx1．8ram．在产品中该PCB组件通过7颗螺钉安装在机箱框架上。电连接器的大动引起的f53：另外，对航天电子设备而言，NASA在19致外形尺寸为：l13mmx15mm~12mm．它的引线焊接在世纪70年代就发现45％的航天器首

5、日损坏是由发射振动引起的F6]。可见，振动是导致电子设备失效的一个重要因PCB上，并且在其两端通过两个螺钉与PCB牢固地固定在素。尤其是电子设备不断地向小型化和多样化发展c．振一起。PCB上各个器件详细几何尺寸列在表1中。动因素对它们的影响将变得更加突出。鉴于振动因素对电子设备具有如此突出的作用．需要对电子设备在振动作用下的行为进行研究。一般来说。电子设备机箱框架的重量、刚度远大于PCB组件的重量和刚度[5]．研究电子设备在振动作用下的行为主要是研究PCB组件在振动作用下的行为。而要对PCB组件的振动响应行为

6、进行研究，首先要对PCB组件固有的动态特性(固有频率、振型)进行研究。目前已经有研究人员对航空电子设备的PCB组件的动态特性进行了分析和研究E8-93，但没有图l对象PCB组件收稿日期：2010—06—21器的一边。从Z方向(PCB的法向)参与系数的计算结果表l器件的几何尺寸看。第二阶振型对PCB组件对Z方向响应的贡献最大．而第5阶振型贡献最小。表2有限元模态分析结果3动态特性有限元分析与实验系统的动态特性可以通过模态分析得到。有限元分析和试验是研究系统动态特性的两种常用方法。作为一种成熟的数值分析技术，有限

7、元分析技术(FEA)被广泛应用于电子设备PCB组件的动态特性分析。实验模态分析(EMA)是若干工程学科的综合，它的结果经常被用来检验有限元分析模型的有效性和正确性[13．-141。文中综合运用FEA和EMA两种方法对研究对象进行模态分析．并利用实验结果验证了所建立的有限元模型的正确性。3．1有限元模态分析本文在ANSYS中建立了上述研究对象的三维有限元分析模型(图2)，模型中各部分材料的物理性能参数采用文献[8]中的数据。根据经验，有限元模型中忽略了特征尺寸小于10mm的元器件。同时，由于文中仅研究PCB组件

8、的宏观行为．又元器件与PCB的连接刚度很大．其一图3前6阶振型(FEA)阶固有频率一般都在2000Hz以上，有限元模型中忽略了元器件的引脚，而采用软件提供的多点约束(MPC)来3．2试验模态分析模拟元器件与PCB的连接关系。为了检验上述建立的有限元模型及分析结果的合理性和正确性，利用文献[9]的实验模态分析系统，其具体构成如图4所示，来对PCB组件实物进行实验模态分析。ME’ScopeV4．0Sig