Optomet GmbH
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How does mechanical stress distribute across a printed circuit board – and which components are affected? Laser Doppler vibrometry provides the spatial answer. This report presents three measurement approaches for printed circuit boards (PCBs):
From full-area out-of-plane measurement to 3D vibration analysis and 3D single-point measurement.
Medición en toda la superficie, perpendicular a esta (fuera del plano)
Un vibrómetro de barrido cubre toda la placa y revela los puntos críticos de vibración a nivel de los componentes.
Medición tridimensional de toda la superficie (X/Y/Z, en el plano y fuera del plano)
Tres vibrómetros sincronizados registran el movimiento en el plano, el movimiento de inclinación y la expansión térmica.
Problem Statement
Printed circuit boards in automotive, aerospace and industrial applications are exposed to vibrations and shocks during operation. The resulting stress is not evenly distributed but concentrates in local hotspots – at points of maximum deflection, near heavy components, and at transitions between the board and connectors.
The key questions
El objetivo de esta medición es visualizar el comportamiento de las vibraciones fuera del plano en toda la superficie de una placa de circuito impreso para automoción sometida a una excitación controlada. En lugar de un único punto de medición, se escanea toda la superficie de la placa para identificar dónde son mayores las amplitudes de vibración normales a la superficie: tanto a nivel de la placa como a nivel de los componentes. Las formas de deflexión en funcionamiento (ODS) resultantes revelan qué áreas y componentes están expuestos a las cargas dinámicas más elevadas.
La placa de circuito impreso se monta sobre un agitador electrodinámico. El vibrómetro de barrido se instala sobre un bastidor portátil de perfiles de aluminio situado encima de la muestra de ensayo, de modo que queda orientado directamente hacia abajo, sobre la superficie de la placa. Esta configuración proporciona el ángulo de medición óptimo para las mediciones de vibraciones fuera del plano.
El vibrómetro de barrido Optomet combina un vibrómetro, un sistema de adquisición de datos, un generador de señales y una cámara en un solo dispositivo. Para realizar esta medición no se necesita ningún hardware externo adicional. La señal de excitación para el agitador la genera directamente el generador de señales integrado.
El software SMART Lab muestra una imagen en directo de la muestra de ensayo a través de la cámara integrada. El área de medición y la cuadrícula de escaneo se definen directamente sobre esta imagen de la cámara. La selección de áreas, los generadores de malla y la asignación componente por componente permiten colocar con precisión los puntos de medición, desde una cuadrícula gruesa que abarca toda la placa hasta cuadrículas densas en componentes individuales.
Ambas imágenes muestran la cara de los componentes de la placa de circuito impreso desde perspectivas ligeramente diferentes. La imagen de la izquierda muestra las áreas de medición y las herramientas de delimitación en proceso de definición, mientras que la imagen de la derecha muestra la cuadrícula de puntos de medición terminada. SMART Lab admite múltiples capas, lo que permite gestionar diferentes áreas de medición —como una cuadrícula gruesa de toda la placa y cuadrículas densas en componentes individuales— dentro de un mismo proyecto.
Los ajustes del vibrómetro se configuran en el módulo de adquisición. Para esta medición de la placa de circuito impreso, el límite superior de frecuencia se ha fijado en 100 kHz, lo cual es suficiente para capturar tanto las resonancias fundamentales de la placa (normalmente por debajo de 5 kHz) como los modos de componentes de orden superior. Con más de 13 millones de líneas FFT y una resolución de frecuencia de 6,4 mHz, incluso los modos muy próximos entre sí quedan claramente separados.
Una vez definidos la cuadrícula y los parámetros, el vibrómetro escanea automáticamente todos los puntos de medición predefinidos. El láser se desplaza de un punto a otro, ajusta el enfoque según sea necesario, registra la señal de vibración y avanza a la siguiente posición. No se requiere ninguna intervención manual durante el escaneo.
La medición se realiza totalmente sin contacto. No hay sensores en la placa, ni cables, ni masa adicional en la estructura. Los resultados reflejan el comportamiento real de la vibración del conjunto.
Una vez finalizado el escaneo, SMART Lab ofrece varios modos de visualización en la pestaña de análisis. Los datos de vibración pueden mostrarse como puntos codificados por colores superpuestos sobre la imagen de la cámara, como un mapa de colores interpolado o como un modelo de estructura alámbrica con deformación animada. La información sobre la amortiguación puede incluirse en la visualización.
La visualización mediante un mapa de colores permite apreciar de inmediato los modos de la placa en su conjunto: en este caso, se observa una forma de modo de orden superior con varios máximos de amplitud pronunciados distribuidos por toda la placa. La ubicación de estos máximos en relación con la posición de los componentes es de vital importancia para la evaluación de la fiabilidad, ya que los componentes situados cerca de un máximo de vibración están expuestos a las cargas dinámicas más elevadas.
Lo que revela la medición: La visualización ODS interpolada muestra que las esquinas de la placa y las zonas cercanas a los conectores de gran tamaño presentan las mayores amplitudes de vibración a determinadas frecuencias. Los condensadores y los paquetes de circuitos integrados situados en estas zonas están expuestos a un mayor estrés mecánico, lo que los convierte en candidatos a un cambio de ubicación o a una fijación reforzada en una revisión del diseño.
Además de la vista de la placa completa, SMART Lab permite ampliar componentes individuales para mostrar sus formas de deformación locales. La función integrada de grabación de vídeo genera vídeos en 4K de los datos de vibración animados, incluyendo tomas panorámicas en las que la cámara virtual se desplaza por la superficie de la placa. Ideal para presentaciones e informes.
La vista detallada muestra cómo responde cada componente individual a la excitación. En este primer plano, cada uno de los condensadores electrolíticos presenta un patrón de vibración distinto: algunos se inclinan lateralmente, mientras que otros muestran un desplazamiento vertical. Este nivel de detalle solo es posible gracias a la resolución espacial de un vibrómetro de barrido y permanece oculto en las mediciones realizadas con acelerómetros convencionales.
La medición realizada hasta ahora recoge la componente de velocidad perpendicular a la superficie de la placa. Para muchos análisis de PCB, esto es suficiente: predominan los modos de flexión y la mayor deflexión se produce fuera del plano. Sin embargo, la vista detallada de los condensadores del paso 6 ya da una pista de lo que una medición puramente fuera del plano no puede captar por completo: algunos componentes se inclinan lateralmente, no solo verticalmente.
En las placas de circuito impreso, hay varias situaciones en las que el movimiento en el plano desempeña un papel decisivo:
En todos estos casos, una medición puramente fuera del plano ofrece una imagen incompleta. Las siguientes secciones muestran lo que la medición 3D revela adicionalmente en la misma placa de circuito impreso.
Datos de medición reales, no simulados: la visualización muestra una medición real en 3D de las vibraciones de la placa de circuito impreso, capturada con el SMART 3D-Scan. Los datos de medición se pueden proyectar directamente sobre el modelo 3D de la placa, lo que permite ver de inmediato qué componentes y zonas se ven afectados.
Tres vibrómetros SMART Scan+ sincronizados realizan mediciones simultáneas desde diferentes ángulos.
A partir de las tres componentes de velocidad, el software calcula el movimiento completo en los ejes X, Y y Z en cada punto de medición. El flujo de trabajo de medición en SMART Lab es esencialmente idéntico al del caso 1D: definir puntos de medición en el modelo 3D o en la imagen de la cámara, escanear automáticamente y visualizar los resultados. La diferencia clave no radica en el flujo de trabajo, sino en lo que revelan los resultados.
¿Por qué en 3D en lugar de solo fuera del plano?
La medición en 3D revela componentes de movimiento que permanecen ocultos en un análisis puramente fuera del plano. En concreto, el movimiento lateral de los conectores, el comportamiento de inclinación de los condensadores electrolíticos altos y el movimiento oscilante de los transistores solo se captan por completo en el conjunto de datos 3D, y con ellos la tensión real en las uniones de soldadura correspondientes.
Además del análisis de vibraciones, el mismo vibrómetro SMART 3D-Scan también puede registrar la expansión térmica de la placa de circuito impreso y sus componentes. Los diferentes coeficientes de expansión térmica entre el sustrato FR4, las pistas de cobre, las uniones soldadas y los materiales de encapsulado producen deformaciones locales durante los cambios de temperatura que pueden provocar daños por fatiga.
Para los ensayos de ciclos térmicos (TCT) y la evaluación de la fiabilidad termomecánica, la medición 3D de la expansión térmica proporciona la evidencia espacial que solo estaría disponible en unos pocos puntos discretos con galgas extensométricas: sin contacto y en toda la superficie.
No todos los análisis de placas de circuito impreso (PCB) requieren una rejilla de escaneo de área completa. Para ensayos de vibración en unidades de control electrónico (ECU), la homologación de conjuntos individuales o la supervisión de puntos de medición definidos en ensayos en serie, basta con un único punto de medición, siempre que capte las tres direcciones espaciales.
El SMART 3D-Fiber ofrece precisamente eso: tres rayos láser convergen en el mismo punto de la superficie y captan el movimiento vibratorio completo en 3D. El cabezal de sensor de fibra óptica compacto es especialmente adecuado para situaciones de instalación con espacio reducido, como la medición directamente sobre una placa de circuito impreso dentro de una carcasa.
Las componentes de velocidad en los ejes X, Y y Z están disponibles directamente en las salidas digitales y analógicas. El SMART 3D-Fiber puede manejarse tanto a través de SMART Lab como directamente mediante un sistema externo de adquisición de datos (DAQ); no se requiere ningún software específico para su integración en bancos de pruebas ya existentes.
Ejemplo de aplicación: ensayo de vibración de la ECU: En el análisis de vibraciones de las unidades de control electrónico, la medición 3D de un solo punto capta la vibración completa en un punto de medición definido, incluyendo los componentes en el plano que permanecen invisibles con los acelerómetros 1D convencionales. Para los usuarios que necesitan monitorizar un punto definido durante un periodo prolongado o en condiciones variables, el SMART 3D-Fiber es la alternativa compacta al escaneo 3D de área completa.
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:
| Measurement Task | Scanning Vibrometer 1D, full-area | SMART 3D-Scan 3D, full-area | SMART 3D-Fiber 3D, single-point |
|---|---|---|---|
| Out-of-plane vibration | ✓ | ✓ | ✓ |
| In-plane vibration | – | ✓ | ✓ |
| Full-field ODS / mode shapes | ✓ | ✓ | – |
| Thermal expansion | – | ✓ | ✓ |
Scanning laser Doppler vibrometer with SWIR technology (1550 nm), eye-safe measurement laser (Class 1) and digital FPGA signal processing.
The current generation: fully integrated scanning vibrometer with extended bandwidth, 4K camera, integrated DAQ and up to 12 reference channels – no external hardware required.
Three synchronized SMART Scan+ for complete X/Y/Z measurement at every scan point. Modular upgrade path.
3D single-point vibrometer with compact fiber-optic sensor head. Direct X/Y/Z output at the analog and digital outputs.
El flujo de trabajo básico de medición es similar en los cuatro sistemas. La elección depende de la tarea de medición: área completa o punto único, 1D o 3D —o ambas cosas, ya que los sistemas SMART se pueden combinar y ampliar gradualmente—.
Este informe de aplicación presenta tres métodos de medición para el análisis de vibraciones en placas de circuito impreso mediante vibrómetros láser Doppler de Optomet.
Medición fuera del plano en toda la superficie: un único vibrómetro de barrido captura el componente de vibración normal a la superficie de la placa. Seis pasos, desde la configuración hasta el análisis detallado de los componentes, ilustran el flujo de trabajo completo. Los resultados identifican los puntos críticos de vibración espacial, revelan las formas modales a nivel de la placa y muestran el comportamiento vibratorio individual de cada componente.
Análisis de vibraciones en 3D: Tres vibrómetros SMART Scan+ sincronizados capturan el movimiento completo en los ejes X, Y y Z. Esto revela el movimiento lateral, el movimiento de inclinación y los modos acoplados que permanecen ocultos en la medición fuera del plano. El mismo sistema también captura la expansión térmica, lo cual es relevante para evaluar la fiabilidad termomecánica.
Medición 3D de un solo punto: El SMART 3D-Fiber proporciona información completa sobre la vibración en 3D en un punto de medición definido. El cabezal compacto del sensor de fibra óptica es adecuado para ensayos con vibrador en unidades de control electrónico, la cualificación de componentes y la integración en bancos de pruebas existentes.
Los tres enfoques proporcionan la evidencia espacial necesaria para tomar decisiones de diseño específicas: reposicionamiento de componentes, refuerzo local, ajuste de las condiciones de montaje o validación por MEF frente a la realidad medida.
¿Necesita un análisis de vibraciones en toda la superficie de sus placas de circuito impreso? Optomet le ofrece la solución de medición adecuada.
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