Mesure des vibrations d’un circuit imprimé (PCB)

Mesure Out-of-plane sur toute la surface avec un vibromètre à balayage

Objectif de la mesure

Cette mesure vise à visualiser le comportement vibratoire hors plan sur toute la surface d’un circuit imprimé automobile assemblé sous excitation contrôlée. Au lieu de se limiter à un point de mesure unique, toute la surface du circuit imprimé est balayée afin d’identifier où les amplitudes vibratoires perpendiculaires à la surface sont les plus élevées, tant à l’échelle du circuit qu’à celle des composants. Les déformées opérationnelles (ODS) obtenues indiquent les zones et les composants soumis aux sollicitations dynamiques les plus importantes.

1 Configuration de mesure

Le circuit imprimé est fixé sur un excitateur électrodynamique. Le vibromètre à balayage est monté au-dessus de l’échantillon sur un châssis portable en profilés d’aluminium et orienté perpendiculairement à la surface du circuit imprimé. Cette configuration offre l’angle optimal pour mesurer les vibrations hors plan.

Le vibromètre à balayage Optomet réunit dans un seul appareil le vibromètre, l’acquisition de données, le générateur de signaux et la caméra. Cette mesure ne nécessite aucun matériel externe supplémentaire. Le signal d’excitation de l’excitateur est généré directement par le générateur de signaux intégré.

2 Définition des points de mesure dans SMART Lab

Le logiciel SMART Lab affiche une image en direct de l’échantillon grâce à la caméra intégrée. La zone de mesure et la grille de balayage sont définies directement sur cette image. Les outils de sélection de zones, les générateurs de maillage et l’affectation par composant permettent de positionner précisément les points de mesure, d’une grille peu dense couvrant l’ensemble du circuit imprimé jusqu’à des grilles denses sur certains composants.

Les deux images montrent la face composants du circuit imprimé sous des angles légèrement différents. L’image de gauche permet de définir les zones de mesure et les outils de délimitation, tandis que celle de droite présente la grille finale de points de mesure. SMART Lab prend en charge plusieurs calques, ce qui permet de gérer différentes zones de mesure dans un même projet, par exemple une grille peu dense couvrant l’ensemble du circuit imprimé et des grilles denses sur certains composants.

3 Configuration des paramètres de mesure

Les paramètres du vibromètre sont définis dans le module Acquisition. Pour cette mesure sur PCB, la fréquence limite supérieure est de 100 kHz, ce qui permet de mesurer aussi bien les résonances fondamentales du circuit imprimé (généralement inférieures à 5 kHz) que les modes de composants à plus haute fréquence. Avec plus de 13 millions de lignes FFT et une résolution fréquentielle de 6,4 mHz, même les modes très proches sont nettement séparés.

4 Balayage automatique

Une fois la grille et les paramètres définis, le vibromètre balaie automatiquement tous les points de mesure prédéfinis. Le laser se déplace d’un point à l’autre, réajuste la mise au point si nécessaire, enregistre le signal vibratoire, puis passe à la position suivante. Aucune intervention manuelle n’est nécessaire pendant le balayage.

La mesure s’effectue entièrement sans contact. Aucun capteur sur la carte, aucun câble, aucune masse supplémentaire sur la structure. Les résultats reflètent le comportement vibratoire réel de l’assemblage.

5 Visualisation et analyse

Une fois le balayage terminé, les possibilités offertes par SMART Lab dans l’onglet Analysis comprennent différents modes de visualisation. Les données vibratoires peuvent être affichées sous forme de points codés par couleur superposés à l’image de la caméra, de surface colorée interpolée ou de modèle filaire avec déformation animée. Les informations d’amortissement peuvent être intégrées à la visualisation.

La représentation sous forme de surface colorée fait immédiatement apparaître les modes globaux de la carte : dans ce cas, un mode propre d’ordre supérieur présente plusieurs maxima d’amplitude prononcés répartis sur la carte. La position de ces maxima par rapport aux composants est directement pertinente pour l’évaluation de la fiabilité : les composants situés à proximité d’un maximum vibratoire subissent les charges dynamiques les plus élevées.

6 Analyse détaillée des composants et export vidéo

Outre la vue d’ensemble, SMART Lab permet de zoomer sur des composants individuels afin de visualiser leurs déformées vibratoires locales. La fonction d’enregistrement vidéo intégrée génère des vidéos 4K des données vibratoires animées, y compris des travellings déplaçant la caméra virtuelle au-dessus de la surface de la carte. Une solution idéale pour les présentations et les rapports.

La vue détaillée montre comment chaque composant réagit à l’excitation. Sur ce gros plan, chaque condensateur électrolytique présente son propre comportement vibratoire : certains basculent latéralement, tandis que d’autres présentent un déplacement vertical. Ce niveau de détail n’est accessible que grâce à la résolution spatiale d’un vibromètre à balayage et reste invisible avec les mesures conventionnelles par accéléromètres.

Analyse vibratoire 3D (SMART 3D-Scan)

Des données de mesure réelles, pas une simulation – La représentation montre une mesure vibratoire 3D réelle effectuée sur le circuit imprimé assemblé avec le SMART 3D-Scan. Les données de mesure peuvent être projetées directement sur le modèle 3D du circuit imprimé, ce qui permet d’identifier immédiatement les composants et les zones concernés.

Trois vibromètres SMART Scan+ synchronisés effectuent des mesures simultanées sous différents angles.

À partir des trois composantes de vitesse, le logiciel calcule le mouvement complet selon les directions X, Y et Z en chaque point de mesure. Dans SMART Lab, le processus de mesure reste pour l’essentiel identique à celui d’une mesure 1D : définir les points de mesure sur le modèle 3D ou l’image de la caméra, effectuer un balayage automatique, puis visualiser les résultats. La différence décisive ne réside pas dans le processus, mais dans ce que révèlent les résultats.

Dilatation thermique : un même système pour une autre problématique

Outre l’analyse vibratoire, le même Vibromètre SMART 3D-Scan peut également mesurer la dilatation thermique du circuit imprimé et de ses composants. Lors des variations de température, les différents coefficients de dilatation thermique du substrat FR4, des pistes en cuivre, des joints de soudure et des matériaux des boîtiers génèrent des déformations locales susceptibles d’entraîner des dommages par fatigue.

Pour les essais de cyclage thermique (TCT – Temperature Cycling Test) et l’évaluation de la fiabilité thermomécanique, la mesure 3D de la dilatation thermique fournit des données spatiales que des jauges de déformation ne permettraient d’obtenir qu’en quelques points – sans contact et sur toute la surface.

Mesure 3D en un point avec le SMART 3D-Fiber

Toutes les analyses de PCB ne nécessitent pas un maillage de balayage couvrant toute la surface. Pour les essais sur pot vibrant d’unités de commande électronique (ECU), la qualification de sous-ensembles individuels ou la surveillance de points de mesure définis lors des contrôles en série, un seul point de mesure suffit – à condition toutefois de mesurer dans les trois directions de l’espace.

C’est précisément ce qu’offre le SMART 3D-Fiber : trois faisceaux laser convergent vers le même point de la surface et mesurent l’intégralité du mouvement vibratoire 3D. Le Fiber Head compact convient particulièrement aux espaces d’installation restreints – par exemple pour effectuer des mesures directement sur un circuit imprimé à l’intérieur d’un boîtier.

Les composantes de vitesse X, Y et Z sont directement disponibles sur les sorties numérique et analogique. Le SMART 3D-Fiber peut être piloté aussi bien via SMART Lab que directement par un système DAQ externe – son intégration dans des bancs d’essai existants ne nécessite aucun logiciel propriétaire.

Quel système pour quelle tâche de mesure ?

Les trois méthodes de mesure présentées dans ce rapport reposent sur la vibrométrie laser Doppler Optomet et le logiciel SMART Lab. Le choix du système dépend des informations recherchées :

Le déroulement général de la mesure est comparable pour les quatre systèmes. Le choix dépend de l’application de mesure : plein champ ou ponctuelle, 1D ou 3D – voire les deux, car les systèmes SMART peuvent être combinés et complétés progressivement.

Résumé

Ce rapport d’application présente trois approches de mesure pour l’analyse vibratoire de cartes électroniques assemblées à l’aide de vibromètres laser Doppler Optomet.

Mesure plein champ hors plan : Un seul vibromètre à balayage mesure la composante vibratoire perpendiculaire à la surface de la carte. Six étapes, de la configuration du montage à l’analyse détaillée des composants, illustrent l’intégralité du processus. Les résultats permettent d’identifier les zones spatiales de forte vibration, de visualiser les déformées modales à l’échelle de la carte et de mettre en évidence le comportement vibratoire propre à chaque composant.

Analyse vibratoire 3D : Trois vibromètres SMART Scan+ synchronisés mesurent l’intégralité du mouvement selon X, Y et Z. Ils permettent ainsi de visualiser les mouvements latéraux, les mouvements de basculement et les modes couplés qui restent indétectables lors d’une mesure hors plan. Le même système mesure également la dilatation thermique, un paramètre pertinent pour évaluer la fiabilité thermomécanique.

Mesure 3D monopoint : Le SMART 3D-Fiber fournit l’ensemble des données vibratoires 3D en un point de mesure défini. Le Fiber Head compact convient aux essais sur pot vibrant de calculateurs électroniques, à la qualification de composants et à l’intégration dans des bancs d’essai existants.

Ces trois approches fournissent des données spatiales objectives permettant de prendre des décisions de conception ciblées : repositionnement de composants, renforcement local, adaptation des conditions de montage ou validation de modèles par éléments finis à partir de mesures réelles.