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.
Mesure sur toute la surface, perpendiculairement à celle-ci (hors plan)
Un vibromètre à balayage couvre l'ensemble de la carte et met en évidence les points chauds de vibration au niveau des composants.
Mesure tridimensionnelle sur toute la surface (X/Y/Z, dans le plan + hors du plan)
Trois vibromètres synchronisés capturent les mouvements dans le plan, les mouvements d'inclinaison et la dilatation thermique.
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
L'objectif de cette mesure est de visualiser le comportement vibratoire hors plan sur l'ensemble de la surface d'un circuit imprimé automobile soumis à une excitation contrôlée. Au lieu de se limiter à un seul point de mesure, on balaye toute la surface de la carte afin d'identifier les zones où les amplitudes de vibration normales à la surface sont les plus élevées : tant au niveau de la carte qu'au niveau des composants. Les formes de déviation en service (ODS) qui en résultent révèlent quelles zones et quels composants sont exposés aux charges dynamiques les plus élevées.
Le circuit imprimé est monté sur un vibrateur électrodynamique. Le vibromètre à balayage est installé sur un châssis portable en profilés d'aluminium au-dessus de l'échantillon d'essai, de manière à être orienté directement vers la surface du circuit. Cette configuration offre l'angle de mesure optimal pour les mesures de vibrations hors plan.
Le vibromètre à balayage Optomet réunit en un seul appareil un vibromètre, un système d'acquisition de données, un générateur de signaux et une caméra. Aucun matériel externe supplémentaire n'est nécessaire pour effectuer cette mesure. Le signal d'excitation destiné au vibrateur est généré directement par le générateur de signaux intégré.
Le logiciel SMART Lab affiche une image en temps réel de l'échantillon testé grâce à la caméra intégrée. La zone de mesure et la grille de balayage sont définies directement sur cette image. La sélection de zone, les générateurs de maillage et l'affectation composant par composant permettent un placement précis des points de mesure, qu'il s'agisse d'une grille grossière couvrant l'ensemble de la carte ou de grilles denses sur des composants individuels.
Les deux images montrent la face des composants du circuit imprimé sous des angles légèrement différents. L'image de gauche montre la définition des zones de mesure et des outils de délimitation, tandis que celle de droite affiche la grille de points de mesure finale. SMART Lab prend en charge plusieurs couches, ce qui permet de gérer différentes zones de mesure – telles qu'une grille grossière couvrant l'ensemble de la carte et des grilles denses sur des composants individuels – au sein d'un même projet.
Les paramètres du vibromètre sont configurés dans le module d'acquisition. Pour cette mesure de circuit imprimé, la limite de fréquence supérieure est fixée à 100 kHz, ce qui est suffisant pour capturer à la fois les résonances fondamentales de la carte (généralement inférieures à 5 kHz) et les modes de composants d'ordre supérieur. Avec plus de 13 millions de lignes FFT et une résolution en fréquence de 6,4 mHz, même les modes très proches les uns des autres sont clairement séparés.
Une fois la grille et les paramètres définis, le vibromètre balaye automatiquement tous les points de mesure prédéfinis. Le laser se déplace d'un point à l'autre, ajuste la mise au point si nécessaire, enregistre le signal de vibration et passe à la position suivante. Aucune intervention manuelle n'est requise 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'ensemble.
Une fois le scan terminé, SMART Lab propose différents modes d'affichage dans l'onglet « Analyse ». Les données de vibration peuvent être représentées sous forme de points codés par couleur superposés à l'image de la caméra, sous forme de carte de couleurs interpolée ou sous forme de modèle filaire avec déformation animée. Les informations relatives à l'amortissement peuvent être intégrées à la visualisation.
La visualisation sous forme de carte de couleurs permet de mettre immédiatement en évidence les modes de vibration de l'ensemble du circuit imprimé : dans ce cas précis, on observe une forme d'onde de mode d'ordre supérieur présentant plusieurs pics d'amplitude marqués répartis sur l'ensemble du circuit. La localisation de ces pics par rapport à la position des composants est d'une importance capitale pour l'évaluation de la fiabilité : les composants situés à proximité d'un pic de vibration sont en effet exposés aux charges dynamiques les plus élevées.
Ce que révèle la mesure : la visualisation ODS interpolée montre que les coins de la carte et les zones situées à proximité des gros connecteurs présentent les amplitudes de vibration les plus élevées à certaines fréquences. Les condensateurs et les boîtiers de circuits intégrés situés dans ces zones sont exposés à des contraintes mécaniques accrues, ce qui en fait des éléments à repositionner ou à fixer de manière renforcée lors d'une révision de la conception.
Outre la vue d'ensemble de la carte, SMART Lab permet de zoomer sur des composants individuels afin d'afficher leurs profils de déformation locaux. La fonction d'enregistrement vidéo intégrée génère des vidéos 4K des données de vibration animées, y compris des travellings qui déplacent la caméra virtuelle à la surface de la carte. Idéal pour les présentations et les rapports.
La vue détaillée montre comment chaque composant réagit à l'excitation. Sur ce gros plan, les condensateurs électrolytiques présentent chacun un schéma de vibration distinct : certains s'inclinent latéralement, d'autres subissent un déplacement vertical. Un tel niveau de détail n'est possible que grâce à la résolution spatiale d'un vibromètre à balayage et reste invisible lors des mesures effectuées à l'aide d'accéléromètres classiques.
La mesure effectuée jusqu'à présent permet de déterminer la composante de vitesse perpendiculaire à la surface de la carte. Pour de nombreuses analyses de circuits imprimés, cela suffit : les modes de flexion prédominent et la plus grande déviation se produit hors plan. Cependant, la vue détaillée des condensateurs à l'étape 6 laisse déjà entrevoir ce qu'une mesure purement hors plan ne peut pas saisir entièrement : certains composants s'inclinent latéralement, et pas seulement verticalement.
Sur les cartes de circuits imprimés, il existe plusieurs situations où le mouvement dans le plan joue un rôle décisif :
Dans tous ces cas, une mesure pure hors plan ne donne qu’une image incomplète. Les sections suivantes montrent ce que la mesure 3D révèle en plus sur le même circuit imprimé.
Des données de mesure réelles, pas une simulation – La visualisation présente une mesure 3D réelle des vibrations du circuit imprimé, enregistrée à l'aide du SMART 3D-Scan. Les données de mesure peuvent être projetées directement sur le modèle 3D du circuit, ce qui permet de voir immédiatement quels composants et quelles zones sont concernés.
Trois vibromètres SMART Scan+ synchronisés effectuent simultanément des mesures sous différents angles.
À partir des trois composantes de vitesse, le logiciel calcule le mouvement complet en X, Y et Z à chaque point de mesure. Le déroulement de la mesure dans SMART Lab est pratiquement identique à celui du cas 1D : définir les points de mesure sur le modèle 3D ou l'image de la caméra, effectuer un balayage automatique, visualiser les résultats. La différence principale ne réside pas dans le déroulement, mais dans ce que révèlent les résultats.
Pourquoi la 3D plutôt qu'une analyse uniquement hors plan ?
La mesure 3D révèle des composantes de mouvement qui restent masquées dans une analyse purement hors plan. En particulier, le mouvement latéral des barrettes de connecteurs, le comportement d'inclinaison des condensateurs électrolytiques de grande taille et le mouvement de balancement des transistors ne sont pleinement capturés que dans l'ensemble de données 3D – et avec eux, la contrainte réelle exercée sur les joints de soudure correspondants.
Outre l'analyse des vibrations, le même vibromètre SMART 3D-Scan permet également de mesurer la dilatation thermique du circuit imprimé et de ses composants. Les différences de coefficients de dilatation thermique entre le substrat FR4, les pistes de cuivre, les joints de soudure et les matériaux d'encapsulation entraînent des déformations locales lors des variations de température, pouvant conduire à des dommages par fatigue.
Pour les essais de cycles thermiques (TCT) et l'évaluation de la fiabilité thermomécanique, la mesure 3D de la dilatation thermique fournit des données spatiales qui ne seraient disponibles qu'en quelques points discrets avec des jauges de contrainte – sans contact et sur toute la surface.
Toutes les analyses de circuits imprimés ne nécessitent pas une grille de balayage couvrant toute la surface. Pour les essais sur banc de vibration des unités de commande électroniques (ECU), la qualification d'assemblages individuels ou la surveillance de points de mesure définis lors d'essais en série, un seul point de mesure suffit – à condition qu'il couvre les trois axes spatiaux.
C'est exactement ce qu'offre le SMART 3D-Fiber : trois faisceaux laser convergent vers un même point de la surface et capturent l'ensemble du mouvement vibratoire en 3D. La tête de capteur à fibre optique compacte est particulièrement adaptée aux espaces 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 disponibles directement sur les sorties numériques et analogiques. Le SMART 3D-Fiber peut être commandé aussi bien via SMART Lab que directement par l'intermédiaire d'un système d'acquisition de données (DAQ) externe ; aucun logiciel propriétaire n'est nécessaire pour l'intégrer dans des bancs d'essai existants.
Exemple d'application – Essai sur banc de vibration pour calculateurs électroniques : dans le cadre de l'analyse des vibrations des calculateurs électroniques, la mesure 3D en un seul point permet de saisir l'ensemble des vibrations en un point de mesure défini, y compris les composantes dans le plan qui restent invisibles avec les accéléromètres 1D classiques. Pour les utilisateurs qui ont besoin de surveiller un point défini sur une longue période ou dans des conditions variables, le SMART 3D-Fiber est l'alternative compacte au balayage 3D sur toute la surface.
Les trois méthodes de mesure présentées dans ce rapport utilisent la vibrométrie laser Doppler Optomet et le logiciel SMART Lab. Le choix du système dépend des informations requises :
| 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.
Le processus de mesure de base est similaire sur les quatre systèmes. Le choix dépend de la tâche à accomplir : mesure sur toute la surface ou en un seul point, en 1D ou en 3D – ou les deux, car les systèmes SMART peuvent être combinés et étendus progressivement.
Ce rapport d'application présente trois méthodes de mesure pour l'analyse des vibrations des cartes de circuits imprimés à l'aide de vibromètres laser Doppler Optomet.
Mesure hors plan sur toute la surface : un seul vibromètre à balayage capture la composante de vibration normale à la surface de la carte. Six étapes, de la configuration à l'analyse détaillée des composants, illustrent le flux de travail complet. Les résultats identifient les points chauds de vibration dans l'espace, révèlent les modes de vibration au niveau de la carte et montrent le comportement vibratoire individuel de chaque composant.
Analyse vibratoire 3D : trois vibromètres SMART Scan+ synchronisés capturent le mouvement complet selon les axes X, Y et Z. Cela permet de révéler les mouvements latéraux, les mouvements d'inclinaison et les modes couplés qui restent masqués lors de la mesure hors plan. Le même système capture également la dilatation thermique, ce qui est pertinent pour évaluer la fiabilité thermomécanique.
Mesure 3D en un seul point : le SMART 3D-Fiber fournit des informations complètes sur les vibrations en 3D en un point de mesure défini. La tête de capteur à fibre optique compacte est adaptée aux essais sur vibrateur pour les unités de commande électroniques, à la qualification des composants et à l'intégration dans des bancs d'essai existants.
Ces trois approches fournissent les données spatiales nécessaires à des décisions de conception ciblées : repositionnement de composants, renforcement local, ajustement des conditions de montage ou validation par la méthode des éléments finis (FEM) par rapport aux mesures réelles.
Une analyse des vibrations sur toute la surface de vos circuits imprimés ? Optomet vous propose la solution de mesure adaptée.
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