基于模态分析的印制电路板抗振优化研究

刘洪生, 庄春跃, 刘宽耀, 丁 伟

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 前言

在电子设备工作和使用过程中总会遇到某些振动环境。据相关数据统计,在机械作用力、气候条件、电磁干扰等造成电子设备失效的案例中,振动占了27%[1]。印制电路板(以下简称印制板)是电子设备的核心部件,电子设备的故障往往都来自于印制板。因此在电子设备设计阶段,对印制板的抗振研究必不可少。

在印制板设计初期,通过模态分析能够快速发现其潜在薄弱部分,再进一步结合电子设备实际使用环境,对印制板进行有效抗振优化设计。近年来,国内外很多学者对印制板进行了抗振研究。Pitarresi和Primavera研究对比了印制板的五种不同振动模型建模方法,并对这五种不同建模方法进行仿真对比分析[2]。程诗叙对印制板进行了理论模态分析与试验模态分析,并研究分析了印制板和集成电路的抗振可靠性[3]。

本文以某印制板为研究对象,借助有限元分析软件ANSYS对印制板进行模态分析,获得该印制板固有振动频率和固有振型。此外,从抗振设计角度出发,研究分析提高印制板刚度和固有频率的方法。

1 模态分析

在工程振动领域中经常使用模态分析方法来分析结构的振动特性。通过模态分析可以获得结构的固有频率、振型等模态参数,从而预测结构振动过程中可能会出现的大应力、大变形、断裂等故障。另外,模态分析也是进行瞬态动力学、随机振动等动力学分析的基础。有限元法是一种较常用的模态分析方法。

1.1 模型建立

用有限元方法求解印制板模态问题,一般包括建模、网格划分、单元分析、边界条件设置、分析求解等几个步骤。

(1)有限元模型与网格划分

印制板主要由印制板基板和布置在其上的各种电子元器件组成,为了获得准确的模态分析结果,必须对印制板建立准确的有限元模型。考虑到印制板局部特征复杂,网格划分时会造成网格的畸形,因此有必要对印制板进行简化。另外,印制板上元器件的质量误差对分析结果产生的影响高于刚度误差,因此在印制板元器件建模时,准确输入元器件的质量信息比刚度信息更为重要[4]。本文对印制板进行有限元建模时作如下适当的简化处理:

a)忽略较小的孔洞和元器件管脚以及体积和质量都较小的元器件,如电阻、电容,保留印制板上的大质量元器件和电连接器;

b)把芯片和电连接器等元器件等效为长方体,建立芯片板卡的位移耦合关系;

c)印制板基板由介电层和导体层组成,属于多板结构,基板建模使用层合板理论,将层合板看作是具有特殊属性的单层板,将单层板看作理想均匀的薄板,材料表现为各向同性[5]。

根据上述简化原则,建立有限元模型。印制板尺寸为182 mm×159 mm×2 mm,包括印制板基板、芯片、电源模块、电感、电连接器等。印制板的边缘有7个通孔,用于印制板与结构件的固定。印制板有限元模型如图1所示。

图1 印制板有限元模型

对上述有限元模型进行网格划分,如图2所示。

图2 网格划分

进行模态分析求解需要准确设置材料弹性模量E、密度ρ和泊松比μ。元器件的质量和体积等于其实际参数。各类材料属性参数如表1所示。

表1 印制板及各器件材料属性参数

(2)网格无关性验证

网格无关性验证的目的是为了验证模态分析所得到的固有频率不受网格数目影响。选取4组不同网格数目进行分析计算,设置相同的边界条件;使用ANSYS软件,通过仿真计算得到1～4阶频率,如表2所示。

表2 不同网格数目固有频率计算结果

从表2可以看出,随着网格数目的增多,前4阶频率逐渐趋于稳定,变化范围很小,表明数值计算结果受网格数目影响较小。综合考虑计算精度与计算时间,本章选择55 701的网格数目进行数值计算,后续计算采用同样的网格划分方法。

三是确保前期工作质量。水规总院组成了5支专业齐全的综合审查队伍和3支专业审查队伍，同时开展审查工作；优化审查工作机制，在重点项目、重大水利规划中，注重提前介入，加强前期工作指导，促进勘测设计质量提高；进一步完善审查的技术保障体系，开展项目审查前期工作质量评价，坚持邀请院外知名专家参与大型项目审查的工作方式；强化项目与环境影响评价、水土保持方案、移民规划等专项的同步协调审查机制；坚持项目审查成果院长书记办公会议审议的集体技术决策制度。

1.2 模态分析

为了获得该印制板的固有频率和振型,对其进行有限元模态分析,得出1～6阶固有频率,如表3所示。

表3 印制板1～6阶固有频率

提取出印制板1～3阶振型进行分析,如图3所示。

图3 印制板振型图

从图3可以看出,印制板的第1阶振型为1阶弯曲,表明印制板在1阶固有频率下发生的是弯曲变形;第2阶振型为扭转,表明印制板在2阶频率下发生的变形为扭转变形;第3阶振型为2阶弯曲。从1阶振型图可以看出,印制板中间大质量元器件部位以及下边缘电连接器2附近变形较大,表明这些部位是薄弱部分。

2 抗振优化措施

在军用电子设备中,印制板的第1阶固有频率一般都在200 Hz～300 Hz之间[6-8]。针对上文研究所用印制板,进一步研究分析提高印制板抗振性的方法,对印制板进行优化设计,提高其抗振性能。拟从增加印制板基板厚度、安装加强筋、增加螺钉约束、预变形安装四个方面进行分析研究。

2.1 增加印制板基板厚度

假设印制板结构尺寸是定值,分析印制板基板厚度对其振动特性的影响。常见印制板厚度为0.8,1.0,1.2,1.5,1.6,2.0,2.4,3.2 mm,为了简化分析同时便于说明问题,选择1.5,2.0,2.4,3.2 mm等4种厚度的印制板进行有限元建模和模态分析。保持印制板上电子元器件分布不变,印制板1～6阶固有频率计算结果如表4所示。

表4 不同厚度印制板1～6阶固有频率

从表4可以看出,随着印制板厚度的增加,印制板的每一阶固有频率都会提高,说明印制板厚度对印制板刚度的影响比较明显。因此,增加印制板厚度是提高印制板抗振性能的一种比较有效的手段。需要指出的是,有些场合并不能为了提高印制板固有频率而一味增加印制板厚度。厚度增加一方面使得重量随之增加,另一方面也会占用更大的空间。所以印制板实际厚度应根据电路振动环境及元器件抗振性能确定。

2.2 安装加强筋

采用加强筋对印制板进行加固,是提高印制板抗振性的另一种常用手段。图4为四种不同结构形式的加强筋设计方案。假设印制板厚度为2 mm,加强筋材料为环氧玻璃板,厚度为2 mm,宽度为8 mm,通过螺钉安装在印制板背面。

分别计算采用上述4种不同加强筋方案的印制板固有频率,并与无加强筋状态进行对比。印制板上元器件分布保持不变,不同加强筋方案的1～6阶固有频率如表5所示。

图4 印制板不同加强筋方案

表5 不同加强筋方案1～6阶固有频率

图5 不同加强筋方案固有频率对比图

2.3 增加螺钉约束

从1.2节分析可知,印制板上大质量元器件和电连接器附近是薄弱部分,在振动环境下该处附近会产生较大的形变。本例中,电源模块与电连接器附近是薄弱部位,拟在电源模块和电连接器附近增添螺钉约束,螺钉添加位置如图6中点a、点b、点c所示。

图6 螺钉添加位置示意图

保持印制板元器件分布方式不变,采用与前文相同的网格划分方法与边界条件设置,计算得到增加螺钉约束后的印制板1～6阶固有频率,如表6所示。

分析发现,增加螺钉约束对印制板低阶固有频率提升明显,前3阶固有频率分别增加176%,60.7%和57%。在印制板设计初期,需要结构设计师和电路设计师共同分析,除满足印制板布局的一般原则外,应尽量在质量较大的元器件周围加固,以提高整个印制板的环境适应性和可靠性。

表6 增加螺钉后1～6阶固有频率对比

2.4 预变形安装

预变形安装是指安装印制板时,使印制板产生微小变形,从而在印制板内部产生预应力,这样可使印制板的振动特性得到改善。预变形安装较简单的实现方法是使结构件内的印制板安装固定点不共面,四周固定点高,中间固定点低,这样在安装印制板时中间螺钉给印制板施加向下的压力,使得印制板产生预变形量。如图7所示,图7(a)为印制板常规安装形式,图7(b)为印制板预变形安装形式。

图7 印制板安装示意图

为比较印制板预变形安装前后固有频率,在印制板中间部位施加位移载荷,位移量为0.5 mm。保持印制板元器件分布方式不变,采用与前文相同的网格划分方法与边界条件设置,计算得到预变形安装后印制板1～6阶固有频率,并与常规安装形式对比,如表7所示。

从表7可以看出,预变形安装后印制板1～3阶固有频率提升明显,4～6阶频率变化不大,说明预变形安装对印制板低阶频率提高作用明显。预变形安装本质上是在印制板内部产生预应力,由于预应力的存在,使得印制板刚度提高,印制板抗振能力变强。需要指出的是:工程应用中采用预变形安装方案时印制板变形量不能太大,以防对焊接在印制板上的元器件管脚产生不利影响;另外也要合理设置预变形安装点,并用弹簧垫圈保证安装点可靠,防止在使用过程中变形松弛,丧失抗振效果。

表7 预变形安装后1～6阶固有频率对比

2.5 不同优化方案对比

在1.2节中分析所用印制板尺寸为182 mm×159 mm×2mm。选择2.1节中的印制板厚度3.2 mm方案、2.2节中的安装加强筋方案4、2.3节的增加螺钉方案以及2.4节的预变形安装方案进行对比分析,1～6阶固有频率对比如表8所示。

表8 不同方案固有频率对比

从表8可以看出,在增加印制板厚度、安装加强筋、增加螺钉约束、预变形安装等四种改善印制板抗振能力的方案中,对印制板第1阶固有频率提高最明显的是增加螺钉约束。增加印制板厚度与预变形安装对印制板固有频率的提高也较明显。工程上较易实现的是增加螺钉约束与增加印制板厚度。工程应用中可同时采用某几种方法共同来提高印制板刚度。

3 结束语

本文借助ANSYS软件研究印制板的动态特性,通过模态分析得到印制板各阶固有频率和振型。模态分析结果表明,被分析印制板1阶固有频率偏低。为提高印制板刚度,采用了增加印制板厚度、安装加强筋、增加螺钉约束、预变形安装等措施,这些措施都能有效提高印制板固有频率,提高印制板抗振能力。定量分析这四种措施对印制板固有频率的影响可知,增加螺钉约束对印制板的低阶固有频率提高最明显。在进行印制板结构设计时,可以借鉴使用这些方法来提高印制板的刚度,以提高其抗振能力。