Schwingungsmessung einer Leiterplatte (PCB)

Vollflächige Out-of-plane-Messung mit einem Scanning-Vibrometer

Aufgabenstellung

Ziel dieser Messung ist es, das vollflächige Out-of-plane-Schwingungsverhalten einer bestückten Automobil-Leiterplatte unter kontrollierter Anregung sichtbar zu machen. Statt eines einzelnen Messpunkts wird die gesamte Platinenoberfläche abgescannt – um zu erkennen, wo die Schwingungsamplituden senkrecht zur Oberfläche am größten sind: auf Platinenebene und auf Bauteilebene. Die resultierenden Betriebsschwingformen (ODS) zeigen, welche Bereiche und Bauteile den höchsten dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

1 Messaufbau

Die Leiterplatte wird auf einem elektrodynamischen Shaker befestigt. Das Scanning-Vibrometer ist auf einem portablen Aluminiumprofil-Rahmen über dem Prüfling montiert und blickt senkrecht auf die Platinenoberfläche. Diese Konfiguration ergibt den optimalen Messwinkel für Out-of-plane-Schwingungsmessungen.

Das Optomet Scanning-Vibrometer vereint Vibrometer, Datenerfassung, Signalgenerator und Kamera in einem Gerät. Für diese Messung ist keine zusätzliche externe Hardware erforderlich. Das Anregungssignal für den Shaker wird direkt vom integrierten Signalgenerator erzeugt.

2 Messpunkte in SMART Lab definieren

Die Software SMART Lab zeigt über die integrierte Kamera ein Live-Bild des Prüflings. Messfläche und Scan-Raster werden direkt auf diesem Kamerabild definiert. Flächenauswahl, Mesh-Generatoren und komponentenweise Zuordnung erlauben eine präzise Platzierung der Messpunkte – von einem groben Vollplatinen-Raster bis zu dichten Rastern auf einzelnen Bauteilen.

Beide Bilder zeigen die Bestückungsseite der Leiterplatte aus leicht unterschiedlichen Perspektiven. Im linken Bild werden die Messbereiche und Boundary-Tools definiert, im rechten Bild ist das fertige Messpunktraster sichtbar. SMART Lab unterstützt mehrere Layer, sodass sich verschiedene Messbereiche – etwa ein grobes Vollplatinen-Raster und dichte Raster auf einzelnen Bauteilen – in einem gemeinsamen Projekt verwalten lassen.

3 Messparameter konfigurieren

Im Acquisition-Modul werden die Vibrometereinstellungen festgelegt. Für diese PCB-Messung beträgt die obere Grenzfrequenz 100 kHz – ausreichend, um sowohl die Grundresonanzen der Platine (typischerweise unter 5 kHz) als auch höhere Bauteilmoden zu erfassen. Mit über 13 Millionen FFT-Linien und einer Frequenzauflösung von 6,4 mHz werden auch eng benachbarte Moden sauber getrennt.

4 Automatisch abscannen

Sobald Raster und Einstellungen definiert sind, scannt das Vibrometer alle vordefinierten Messpunkte automatisch ab. Der Laser bewegt sich von Punkt zu Punkt, stellt bei Bedarf den Fokus nach, zeichnet das Schwingungssignal auf und rückt zur nächsten Position vor. Ein manueller Eingriff während des Scans ist nicht nötig.

Die Messung erfolgt vollständig berührungslos. Keine Sensoren auf der Platine, keine Kabel, keine zusätzliche Masse auf der Struktur. Die Ergebnisse bilden das tatsächliche Schwingungsverhalten der Baugruppe ab.

5 Visualisierung und Analyse

Nach Abschluss des Scans bietet SMART Lab im Analysis-Tab verschiedene Darstellungsformen. Die Schwingungsdaten lassen sich als farbcodierte Punkte über dem Kamerabild, als interpolierte Farbfläche oder als Drahtgittermodell mit animierter Verformung anzeigen. Dämpfungsinformationen können in die Darstellung einbezogen werden.

Die Farbflächendarstellung macht die globalen Plattenmoden sofort sichtbar: In diesem Fall zeigt sich eine höhere Eigenform mit mehreren ausgeprägten Amplitudenmaxima über die Platine verteilt. Wo diese Maxima in Bezug auf die Bauteilpositionen liegen, ist direkt relevant für die Zuverlässigkeitsbewertung – Bauteile in der Nähe eines Schwingungsmaximums erfahren die höchsten dynamischen Lasten.

6 Bauteil-Detailanalyse und Videoexport

Neben der Gesamtansicht erlaubt SMART Lab das Hineinzoomen in einzelne Bauteile, um deren lokale Schwingformen darzustellen. Die integrierte Videoaufnahme-Funktion erzeugt 4K-Videos der animierten Schwingungsdaten – einschließlich Tracking-Shots, die die virtuelle Kamera über die Platinenoberfläche fahren lassen. Ideal für Präsentationen und Berichte.

Die Detailansicht zeigt, wie jedes einzelne Bauteil auf die Anregung reagiert. In dieser Nahaufnahme zeigen die Elektrolyt-Kondensatoren jeweils ein eigenes Schwingungsmuster – einige kippen lateral, andere zeigen vertikale Auslenkung. Diese Detailtiefe ist nur mit der räumlichen Auflösung eines Scanning-Vibrometers möglich und bleibt bei herkömmlichen Beschleunigungssensor-Messungen unsichtbar.

3D-Schwingungsanalyse (SMART 3D-Scan)

Echte Messdaten, keine Simulation – Die Darstellung zeigt eine reale 3D-Schwingungsmessung an der bestückten Leiterplatte, aufgenommen mit dem SMART 3D-Scan. Die Messdaten lassen sich direkt auf das 3D-Model der Platine projizieren – so wird sofort sichtbar, welche Bauteile und Bereiche betroffen sind.

Drei synchronisierte SMART Scan+ Vibrometer messen gleichzeitig aus unterschiedlichen Winkeln.

Aus den drei Geschwindigkeitskomponenten berechnet die Software die vollständige Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung an jedem Messpunkt. Der Messworkflow in SMART Lab ist dabei im Kern identisch zum 1D-Fall: Messpunkte auf dem 3D-Modell oder dem Kamerabild definieren, automatisch abscannen, Ergebnisse visualisieren. Der entscheidende Unterschied liegt nicht im Ablauf – sondern in dem, was die Ergebnisse zeigen.

Thermische Ausdehnung: Dasselbe System, andere Fragestellung

Neben der Schwingungsanalyse kann dasselbe SMART 3D-Scan Vibrometer auch die thermische Ausdehnung der Leiterplatte und ihrer Bauteile erfassen. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von FR4-Substrat, Kupfer-Leiterbahnen, Lötstellen und Gehäusematerialien erzeugen bei Temperaturänderungen lokale Verformungen, die zu Ermüdungsschäden führen können.

Für Temperaturwechseltests (TCT – Temperature Cycling Test) und die Bewertung der thermo-mechanischen Zuverlässigkeit liefert die 3D-Messung der thermischen Ausdehnung die räumliche Evidenz, die mit Dehnungsmessstreifen nur an wenigen Stellen verfügbar wäre – berührungslos und vollflächig.

3D-Einzelpunktmessung mit dem SMART 3D-Fiber

Nicht jede PCB-Analyse erfordert ein vollflächiges Scan-Raster. Bei Shaker-Tests an Steuergeräten (ECUs), der Qualifikation einzelner Baugruppen oder der Überwachung definierter Messpunkte in der Serienprüfung reicht ein einzelner Messpunkt – allerdings in allen drei Raumrichtungen.

Das SMART 3D-Fiber liefert genau das: drei Laserstrahlen treffen auf denselben Oberflächenpunkt und erfassen die vollständige 3D-Schwingungsbewegung. Der kompakte Fiber Head eignet sich besonders für beengte Einbausituationen – etwa zur Messung direkt auf einer Leiterplatte innerhalb eines Gehäuses.

Die X-, Y- und Z-Geschwindigkeitskomponenten stehen direkt am Digital- und Analogausgang zur Verfügung. Das SMART 3D-Fiber lässt sich sowohl über SMART Lab als auch direkt über ein externes DAQ-System betreiben – für die Integration in bestehende Prüfstände ist keine proprietäre Software erforderlich.

Welches System für welche Messaufgabe?

Alle drei in diesem Bericht gezeigten Messansätze verwenden Optomet Laser-Doppler-Vibrometrie und die SMART Lab Software. Die Wahl des Systems hängt davon ab, welche Information benötigt wird:

Der grundlegende Ablauf der Messung ist bei allen vier Systemen vergleichbar. Die Wahl hängt von der Messaufgabe ab: vollflächig oder punktuell, 1D oder 3D – oder beides, denn die SMART-Systeme lassen sich kombinieren und schrittweise erweitern.

Zusammenfassung

Dieser Anwenderbericht zeigt drei Messansätze für die Schwingungsanalyse bestückter Leiterplatten mit Optomet Laser-Doppler-Vibrometern.

Vollflächige Out-of-plane-Messung: Ein einzelnes Scanning-Vibrometer erfasst die Schwingungskomponente senkrecht zur Platinenoberfläche. Sechs Schritte vom Aufbau bis zur Bauteil-Detailanalyse zeigen den vollständigen Workflow. Die Ergebnisse identifizieren räumliche Schwingungshotspots, machen Eigenformen auf Platinenebene sichtbar und zeigen das individuelle Schwingungsverhalten einzelner Bauteile.

3D-Schwingungsanalyse: Drei synchronisierte SMART Scan+ Vibrometer erfassen die vollständige Bewegung in X, Y und Z. Damit werden Lateralbewegungen, Kippbewegungen und gekoppelte Moden sichtbar, die in der Out-of-plane-Messung verborgen bleiben. Dasselbe System erfasst auch die thermische Ausdehnung – relevant für die Bewertung der thermo-mechanischen Zuverlässigkeit.

3D-Einzelpunktmessung: Das SMART 3D-Fiber liefert die vollständige 3D-Schwingungsinformation an einem definierten Messpunkt. Der kompakte Fiber Head eignet sich für Shaker-Tests an Steuergeräten, Bauteilqualifikation und die Integration in bestehende Prüfstände.

Alle drei Ansätze liefern die räumliche Evidenz für gezielte Designentscheidungen: Bauteilumplatzierung, lokale Versteifung, Anpassung der Montagebedingungen oder FEM-Validierung anhand gemessener Realität.