劉洪生, 莊春躍, 劉寬耀, 丁 偉

(上海無線電設備研究所,上海201109)

0 前言

在電子設備工作和使用過程中總會遇到某些振動環(huán)境。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計,在機械作用力、氣候條件、電磁干擾等造成電子設備失效的案例中,振動占了27%[1]。印制電路板(以下簡稱印制板)是電子設備的核心部件,電子設備的故障往往都來自于印制板。因此在電子設備設計階段,對印制板的抗振研究必不可少。

在印制板設計初期,通過模態(tài)分析能夠快速發(fā)現(xiàn)其潛在薄弱部分,再進一步結合電子設備實際使用環(huán)境,對印制板進行有效抗振優(yōu)化設計。近年來,國內(nèi)外很多學者對印制板進行了抗振研究。Pitarresi和Primavera研究對比了印制板的五種不同振動模型建模方法,并對這五種不同建模方法進行仿真對比分析[2]。程詩敘對印制板進行了理論模態(tài)分析與試驗模態(tài)分析,并研究分析了印制板和集成電路的抗振可靠性[3]。

本文以某印制板為研究對象,借助有限元分析軟件ANSYS對印制板進行模態(tài)分析,獲得該印制板固有振動頻率和固有振型。此外,從抗振設計角度出發(fā),研究分析提高印制板剛度和固有頻率的方法。

1 模態(tài)分析

在工程振動領域中經(jīng)常使用模態(tài)分析方法來分析結構的振動特性。通過模態(tài)分析可以獲得結構的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù),從而預測結構振動過程中可能會出現(xiàn)的大應力、大變形、斷裂等故障。另外,模態(tài)分析也是進行瞬態(tài)動力學、隨機振動等動力學分析的基礎。有限元法是一種較常用的模態(tài)分析方法。

1.1 模型建立

用有限元方法求解印制板模態(tài)問題,一般包括建模、網(wǎng)格劃分、單元分析、邊界條件設置、分析求解等幾個步驟。

(1)有限元模型與網(wǎng)格劃分

印制板主要由印制板基板和布置在其上的各種電子元器件組成,為了獲得準確的模態(tài)分析結果,必須對印制板建立準確的有限元模型。考慮到印制板局部特征復雜,網(wǎng)格劃分時會造成網(wǎng)格的畸形,因此有必要對印制板進行簡化。另外,印制板上元器件的質(zhì)量誤差對分析結果產(chǎn)生的影響高于剛度誤差,因此在印制板元器件建模時,準確輸入元器件的質(zhì)量信息比剛度信息更為重要[4]。本文對印制板進行有限元建模時作如下適當?shù)暮喕幚?

a)忽略較小的孔洞和元器件管腳以及體積和質(zhì)量都較小的元器件,如電阻、電容,保留印制板上的大質(zhì)量元器件和電連接器;

b)把芯片和電連接器等元器件等效為長方體,建立芯片板卡的位移耦合關系;

c)印制板基板由介電層和導體層組成,屬于多板結構,基板建模使用層合板理論,將層合板看作是具有特殊屬性的單層板,將單層板看作理想均勻的薄板,材料表現(xiàn)為各向同性[5]。

根據(jù)上述簡化原則,建立有限元模型。印制板尺寸為182 mm×159 mm×2 mm,包括印制板基板、芯片、電源模塊、電感、電連接器等。印制板的邊緣有7個通孔,用于印制板與結構件的固定。印制板有限元模型如圖1所示。

圖1 印制板有限元模型

對上述有限元模型進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

進行模態(tài)分析求解需要準確設置材料彈性模量E、密度ρ和泊松比μ。元器件的質(zhì)量和體積等于其實際參數(shù)。各類材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 印制板及各器件材料屬性參數(shù)

(2)網(wǎng)格無關性驗證

網(wǎng)格無關性驗證的目的是為了驗證模態(tài)分析所得到的固有頻率不受網(wǎng)格數(shù)目影響。選取4組不同網(wǎng)格數(shù)目進行分析計算,設置相同的邊界條件;使用ANSYS軟件,通過仿真計算得到1～4階頻率,如表2所示。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)目固有頻率計算結果

從表2可以看出,隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多,前4階頻率逐漸趨于穩(wěn)定,變化范圍很小,表明數(shù)值計算結果受網(wǎng)格數(shù)目影響較小。綜合考慮計算精度與計算時間,本章選擇55 701的網(wǎng)格數(shù)目進行數(shù)值計算,后續(xù)計算采用同樣的網(wǎng)格劃分方法。

三是確保前期工作質(zhì)量。水規(guī)總院組成了5支專業(yè)齊全的綜合審查隊伍和3支專業(yè)審查隊伍，同時開展審查工作；優(yōu)化審查工作機制，在重點項目、重大水利規(guī)劃中，注重提前介入，加強前期工作指導，促進勘測設計質(zhì)量提高；進一步完善審查的技術保障體系，開展項目審查前期工作質(zhì)量評價，堅持邀請院外知名專家參與大型項目審查的工作方式；強化項目與環(huán)境影響評價、水土保持方案、移民規(guī)劃等專項的同步協(xié)調(diào)審查機制；堅持項目審查成果院長書記辦公會議審議的集體技術決策制度。

1.2 模態(tài)分析

為了獲得該印制板的固有頻率和振型,對其進行有限元模態(tài)分析,得出1～6階固有頻率,如表3所示。

表3 印制板1～6階固有頻率

提取出印制板1～3階振型進行分析,如圖3所示。

圖3 印制板振型圖

從圖3可以看出,印制板的第1階振型為1階彎曲,表明印制板在1階固有頻率下發(fā)生的是彎曲變形;第2階振型為扭轉,表明印制板在2階頻率下發(fā)生的變形為扭轉變形;第3階振型為2階彎曲。從1階振型圖可以看出,印制板中間大質(zhì)量元器件部位以及下邊緣電連接器2附近變形較大,表明這些部位是薄弱部分。

2 抗振優(yōu)化措施

在軍用電子設備中,印制板的第1階固有頻率一般都在200 Hz～300 Hz之間[6-8]。針對上文研究所用印制板,進一步研究分析提高印制板抗振性的方法,對印制板進行優(yōu)化設計,提高其抗振性能。擬從增加印制板基板厚度、安裝加強筋、增加螺釘約束、預變形安裝四個方面進行分析研究。

2.1 增加印制板基板厚度

假設印制板結構尺寸是定值,分析印制板基板厚度對其振動特性的影響。常見印制板厚度為0.8,1.0,1.2,1.5,1.6,2.0,2.4,3.2 mm,為了簡化分析同時便于說明問題,選擇1.5,2.0,2.4,3.2 mm等4種厚度的印制板進行有限元建模和模態(tài)分析。保持印制板上電子元器件分布不變,印制板1～6階固有頻率計算結果如表4所示。

表4 不同厚度印制板1～6階固有頻率

從表4可以看出,隨著印制板厚度的增加,印制板的每一階固有頻率都會提高,說明印制板厚度對印制板剛度的影響比較明顯。因此,增加印制板厚度是提高印制板抗振性能的一種比較有效的手段。需要指出的是,有些場合并不能為了提高印制板固有頻率而一味增加印制板厚度。厚度增加一方面使得重量隨之增加,另一方面也會占用更大的空間。所以印制板實際厚度應根據(jù)電路振動環(huán)境及元器件抗振性能確定。

2.2 安裝加強筋

采用加強筋對印制板進行加固,是提高印制板抗振性的另一種常用手段。圖4為四種不同結構形式的加強筋設計方案。假設印制板厚度為2 mm,加強筋材料為環(huán)氧玻璃板,厚度為2 mm,寬度為8 mm,通過螺釘安裝在印制板背面。

分別計算采用上述4種不同加強筋方案的印制板固有頻率,并與無加強筋狀態(tài)進行對比。印制板上元器件分布保持不變,不同加強筋方案的1～6階固有頻率如表5所示。

圖4 印制板不同加強筋方案

表5 不同加強筋方案1～6階固有頻率

圖5 不同加強筋方案固有頻率對比圖

2.3 增加螺釘約束

從1.2節(jié)分析可知,印制板上大質(zhì)量元器件和電連接器附近是薄弱部分,在振動環(huán)境下該處附近會產(chǎn)生較大的形變。本例中,電源模塊與電連接器附近是薄弱部位,擬在電源模塊和電連接器附近增添螺釘約束,螺釘添加位置如圖6中點a、點b、點c所示。

圖6 螺釘添加位置示意圖

保持印制板元器件分布方式不變,采用與前文相同的網(wǎng)格劃分方法與邊界條件設置,計算得到增加螺釘約束后的印制板1～6階固有頻率,如表6所示。

分析發(fā)現(xiàn),增加螺釘約束對印制板低階固有頻率提升明顯,前3階固有頻率分別增加176%,60.7%和57%。在印制板設計初期,需要結構設計師和電路設計師共同分析,除滿足印制板布局的一般原則外,應盡量在質(zhì)量較大的元器件周圍加固,以提高整個印制板的環(huán)境適應性和可靠性。

表6 增加螺釘后1～6階固有頻率對比

2.4 預變形安裝

預變形安裝是指安裝印制板時,使印制板產(chǎn)生微小變形,從而在印制板內(nèi)部產(chǎn)生預應力,這樣可使印制板的振動特性得到改善。預變形安裝較簡單的實現(xiàn)方法是使結構件內(nèi)的印制板安裝固定點不共面,四周固定點高,中間固定點低,這樣在安裝印制板時中間螺釘給印制板施加向下的壓力,使得印制板產(chǎn)生預變形量。如圖7所示,圖7(a)為印制板常規(guī)安裝形式,圖7(b)為印制板預變形安裝形式。

圖7 印制板安裝示意圖

為比較印制板預變形安裝前后固有頻率,在印制板中間部位施加位移載荷,位移量為0.5 mm。保持印制板元器件分布方式不變,采用與前文相同的網(wǎng)格劃分方法與邊界條件設置,計算得到預變形安裝后印制板1～6階固有頻率,并與常規(guī)安裝形式對比,如表7所示。

從表7可以看出,預變形安裝后印制板1～3階固有頻率提升明顯,4～6階頻率變化不大,說明預變形安裝對印制板低階頻率提高作用明顯。預變形安裝本質(zhì)上是在印制板內(nèi)部產(chǎn)生預應力,由于預應力的存在,使得印制板剛度提高,印制板抗振能力變強。需要指出的是:工程應用中采用預變形安裝方案時印制板變形量不能太大,以防對焊接在印制板上的元器件管腳產(chǎn)生不利影響;另外也要合理設置預變形安裝點,并用彈簧墊圈保證安裝點可靠,防止在使用過程中變形松弛,喪失抗振效果。

表7 預變形安裝后1～6階固有頻率對比

2.5 不同優(yōu)化方案對比

在1.2節(jié)中分析所用印制板尺寸為182 mm×159 mm×2mm。選擇2.1節(jié)中的印制板厚度3.2 mm方案、2.2節(jié)中的安裝加強筋方案4、2.3節(jié)的增加螺釘方案以及2.4節(jié)的預變形安裝方案進行對比分析,1～6階固有頻率對比如表8所示。

表8 不同方案固有頻率對比

從表8可以看出,在增加印制板厚度、安裝加強筋、增加螺釘約束、預變形安裝等四種改善印制板抗振能力的方案中,對印制板第1階固有頻率提高最明顯的是增加螺釘約束。增加印制板厚度與預變形安裝對印制板固有頻率的提高也較明顯。工程上較易實現(xiàn)的是增加螺釘約束與增加印制板厚度。工程應用中可同時采用某幾種方法共同來提高印制板剛度。

3 結束語

本文借助ANSYS軟件研究印制板的動態(tài)特性,通過模態(tài)分析得到印制板各階固有頻率和振型。模態(tài)分析結果表明,被分析印制板1階固有頻率偏低。為提高印制板剛度,采用了增加印制板厚度、安裝加強筋、增加螺釘約束、預變形安裝等措施,這些措施都能有效提高印制板固有頻率,提高印制板抗振能力。定量分析這四種措施對印制板固有頻率的影響可知,增加螺釘約束對印制板的低階固有頻率提高最明顯。在進行印制板結構設計時,可以借鑒使用這些方法來提高印制板的剛度,以提高其抗振能力。