Medición de vibraciones de una placa de circuito impreso (PCB)

Medición Out-of-plane de toda la superficie con un vibrómetro de escaneo

Objetivo

El objetivo de esta medición es visualizar el comportamiento vibratorio fuera del plano en toda la superficie de una placa de circuito impreso ensamblada para automoción bajo excitación controlada. En lugar de medir un único punto, se escanea toda la superficie de la placa para determinar dónde son mayores las amplitudes de vibración perpendiculares a la superficie, tanto a nivel de placa como de componente. Las formas de deflexión operativa (ODS) resultantes muestran qué zonas y componentes están sometidos a las cargas dinámicas más elevadas.

1 Configuración de medición

La placa de circuito impreso se fija a un excitador electrodinámico. El vibrómetro de escaneado está instalado sobre la muestra en un bastidor portátil de perfiles de aluminio y orientado perpendicularmente a la superficie de la placa. Esta configuración proporciona el ángulo óptimo para medir vibraciones fuera del plano.

El vibrómetro de escaneado Optomet integra en un único equipo el vibrómetro, la adquisición de datos, el generador de señales y la cámara. Esta medición no requiere ningún hardware externo adicional. La señal de excitación del excitador se genera directamente mediante el generador de señales integrado.

2 Definición de los puntos de medición en SMART Lab

El software SMART Lab muestra una imagen en directo de la muestra mediante la cámara integrada. La superficie de medición y la malla de escaneado se definen directamente sobre esta imagen. Las herramientas de selección de áreas, los generadores de mallas y la asignación por componentes permiten posicionar con precisión los puntos de medición, desde una malla poco densa para toda la placa hasta mallas de alta densidad en componentes individuales.

Ambas imágenes muestran la cara de componentes de la placa de circuito impreso desde perspectivas ligeramente diferentes. En la imagen de la izquierda se definen las áreas de medición y las herramientas de contorno; en la de la derecha se muestra la malla de puntos de medición terminada. SMART Lab admite varias capas, lo que permite gestionar en un mismo proyecto distintas áreas de medición, como una malla poco densa para toda la placa y mallas de alta densidad para componentes individuales.

3 Configuración de los parámetros de medición

Los ajustes del vibrómetro se establecen en el módulo Acquisition. Para esta medición de PCB, la frecuencia límite superior es de 100 kHz, suficiente para captar tanto las resonancias fundamentales de la placa (normalmente por debajo de 5 kHz) como los modos de orden superior de los componentes. Con más de 13 millones de líneas FFT y una resolución de frecuencia de 6,4 mHz, incluso los modos muy próximos entre sí se separan con claridad.

4 Escaneo automático

Una vez definidos la cuadrícula y los ajustes, el vibrómetro escanea automáticamente todos los puntos de medición predefinidos. El láser se desplaza de un punto a otro, reajusta el enfoque cuando es necesario, registra la señal de vibración y avanza hasta la siguiente posición. No se requiere ninguna intervención manual durante el escaneo.

La medición se realiza íntegramente sin contacto: sin sensores sobre la placa, sin cables y sin masa adicional en la estructura. Los resultados reflejan el comportamiento vibratorio real del conjunto.

5 Visualización y análisis

Una vez finalizado el escaneo, SMART Lab ofrece diferentes modos de visualización en la pestaña Analysis. Los datos de vibración pueden mostrarse como puntos codificados por colores superpuestos a la imagen de la cámara, como una superficie de color interpolada o como un modelo de malla de alambre con deformación animada. La información de amortiguamiento también puede incorporarse a la visualización.

La representación mediante una superficie de color permite identificar de inmediato los modos globales de la placa: en este caso se observa un modo propio de orden superior, con varios máximos de amplitud bien definidos distribuidos por la placa. La ubicación de estos máximos respecto a los componentes es directamente relevante para evaluar la fiabilidad, ya que los componentes próximos a un máximo de vibración están sometidos a las mayores cargas dinámicas.

6 Análisis detallado de componentes y exportación de vídeo

Además de la vista general, SMART Lab permite ampliar componentes individuales para visualizar sus modos de vibración locales. La función integrada de grabación genera vídeos 4K de los datos de vibración animados, incluidas tomas de seguimiento en las que la cámara virtual se desplaza sobre la superficie de la placa. Ideal para presentaciones e informes.

La vista detallada muestra cómo responde cada componente a la excitación. En este primer plano, cada condensador electrolítico presenta su propio patrón de vibración: algunos se inclinan lateralmente y otros muestran un desplazamiento vertical. Este nivel de detalle solo es posible gracias a la resolución espacial de un vibrómetro de escaneo y permanece oculto en las mediciones convencionales con acelerómetros.

Análisis de vibraciones 3D (SMART 3D-Scan)

Datos de medición reales, no una simulación – La representación muestra una medición real de vibraciones 3D en la placa de circuito impreso ensamblada, realizada con SMART 3D-Scan. Los datos de medición pueden proyectarse directamente sobre el modelo 3D de la placa, lo que permite identificar de inmediato los componentes y las zonas afectados.

Tres vibrómetros SMART Scan+ sincronizados miden simultáneamente desde distintos ángulos.

A partir de las tres componentes de velocidad, el software calcula el movimiento completo en las direcciones X, Y y Z en cada punto de medición. El flujo de trabajo de medición en SMART Lab es, en esencia, idéntico al del caso 1D: definir los puntos de medición sobre el modelo 3D o la imagen de la cámara, realizar el barrido automáticamente y visualizar los resultados. La diferencia decisiva no reside en el proceso, sino en lo que revelan los resultados.

Dilatación térmica: el mismo sistema, un objetivo diferente

Además del análisis de vibraciones, el mismo vibrómetro SMART 3D-Scan también puede medir la dilatación térmica de la placa de circuito impreso y de sus componentes. Los diferentes coeficientes de dilatación térmica del sustrato FR4, las pistas de cobre, las uniones soldadas y los materiales de las carcasas generan deformaciones locales ante los cambios de temperatura que pueden provocar daños por fatiga.

Para los ensayos de ciclos térmicos (TCT – Temperature Cycling Test) y la evaluación de la fiabilidad termomecánica, la medición 3D de la expansión térmica proporciona datos espaciales que, con galgas extensométricas, solo podrían obtenerse en unos pocos puntos, sin contacto y en toda la superficie.

Medición 3D en un único punto con SMART 3D-Fiber

No todos los análisis de PCB requieren una malla de escaneado de toda la superficie. En ensayos con excitador de unidades de control electrónico (ECU), en la cualificación de módulos individuales o en la supervisión de puntos de medición definidos durante los ensayos de producción en serie, basta con un único punto de medición, siempre que se mida en las tres direcciones espaciales.

Eso es precisamente lo que ofrece SMART 3D-Fiber: tres haces láser inciden en el mismo punto de la superficie y capturan el movimiento vibratorio 3D completo. El compacto Fiber Head resulta especialmente adecuado para espacios de montaje reducidos, por ejemplo, para medir directamente sobre una placa de circuito impreso dentro de una carcasa.

Las componentes de velocidad X, Y y Z están disponibles directamente en las salidas digital y analógica. SMART 3D-Fiber puede utilizarse tanto mediante SMART Lab como directamente con un sistema DAQ externo; no se requiere software propietario para integrarlo en bancos de ensayo existentes.

¿Qué sistema elegir para cada tarea de medición?

Los tres métodos de medición presentados en este informe utilizan la vibrometría láser Doppler de Optomet y el software SMART Lab. La elección del sistema depende de la información que se necesite:

El procedimiento básico de medición es similar en los cuatro sistemas. La elección depende de la tarea de medición: de campo completo o puntual, 1D o 3D, o ambas, ya que los sistemas SMART pueden combinarse y ampliarse gradualmente.

Resumen

Este caso práctico presenta tres métodos de medición para el análisis de vibraciones de placas de circuito impreso ensambladas mediante vibrómetros láser Doppler de Optomet.

Medición de campo completo fuera del plano: Un único vibrómetro de barrido registra la componente de vibración perpendicular a la superficie de la placa. Seis pasos, desde la configuración hasta el análisis detallado de los componentes, muestran el flujo de trabajo completo. Los resultados permiten identificar zonas críticas de vibración, visualizar los modos propios a escala de la placa y mostrar el comportamiento vibratorio individual de cada componente.

Análisis de vibraciones 3D: Tres vibrómetros SMART Scan+ sincronizados registran el movimiento completo en X, Y y Z. De este modo se visualizan los movimientos laterales, los movimientos de inclinación y los modos acoplados que permanecen ocultos en la medición fuera del plano. El mismo sistema también registra la expansión térmica, un aspecto relevante para evaluar la fiabilidad termomecánica.

Medición 3D de un solo punto: El SMART 3D-Fiber proporciona toda la información de vibración 3D en un punto de medición definido. El Fiber Head compacto es idóneo para ensayos con shaker en unidades de control, la cualificación de componentes y la integración en bancos de ensayo existentes.

Los tres métodos proporcionan evidencia espacial para tomar decisiones de diseño específicas: reubicación de componentes, refuerzo local, adaptación de las condiciones de montaje o validación FEM basada en mediciones reales.