애플리케이션 리포트
인쇄 회로 기판(PCB) 진동 측정
인쇄 회로 기판에서 기계적 하중은 어떻게 분포하며, 어떤 부품이 영향을 받을까요? 레이저 도플러 진동 측정법은 이에 대한 공간적 해답을 제공합니다. 이 보고서에서는 인쇄 회로 기판(PCB Boards)을 위한 세 가지 측정 방식을 소개합니다:
전체 표면 Out-of-plane 측정부터 3D 진동 분석, 3D 단일 지점 측정까지 다룹니다.
표면에 수직인 전체 영역 측정(전체 표면, Out-of-plane)
진동계 한 대가 기판 전체를 스캔하여 부품 단위의 진동 핫스폿을 보여줍니다.
전체 영역 3차원 측정(X/Y/Z, In-Plane + Out-Of-Plane)
동기화된 진동계 세 대가 In-plane 운동, 기울기 운동 및 열팽창을 측정합니다.
고정 측정 지점에서의 3차원 측정(Single-Point, X/Y/Z, In-Plane + Out-Of-Plane)
지정된 지점에서 3D 측정을 수행하는 컴팩트 Fiber Head – Shaker 테스트에 이상적입니다.
스캐닝 진동계를 이용한 전체 표면 Out-of-plane 측정
- 시험 대상
- 부품 실장 인쇄 회로 기판(PCB / Printed Circuit Board)
- 측정 시스템
- Optomet 레이저 스캐닝 진동계
- 소프트웨어
- SMART Lab
- 분석
- Fullfield ODS, 부품 레벨 진동 모드
측정 목적
이 측정의 목적은 부품이 실장된 자동차용 인쇄 회로 기판 전 영역의 면외 진동 거동을 제어된 가진 조건에서 시각화하는 것입니다. 단일 측정점만 측정하는 대신 기판 표면 전체를 스캔하여 기판 레벨과 부품 레벨에서 표면에 수직인 진동 진폭이 가장 큰 위치를 파악합니다. 이를 통해 얻은 작동 중 변형 형상(ODS)은 가장 높은 동적 하중을 받는 영역과 부품을 보여줍니다.
1 측정 구성
인쇄 회로 기판을 전기역학식 가진기에 고정합니다. 스캐닝 진동계는 시험체 위의 이동식 알루미늄 프로파일 프레임에 장착되어 기판 표면을 수직으로 향합니다. 이 구성은 면외 진동 측정에 최적의 측정 각도를 제공합니다.
측정 구성: 휴대용 갠트리 프레임에 장착된 Optomet 스캐닝 진동계가 전기역학 셰이커 위에 설치된 부품 실장 PCB의 수직 상단에 위치합니다. 컴팩트한 올인원 설계로 외부 DAQ 하드웨어가 필요하지 않습니다.
Optomet 스캐닝 진동계는 진동계, 데이터 수집 장치, 신호 발생기 및 카메라를 하나의 장비에 통합했습니다. 이 측정에는 별도의 외부 하드웨어가 필요하지 않습니다. 가진기용 가진 신호는 내장된 신호 발생기에서 직접 생성됩니다.
2 SMART Lab에서 측정점 정의
소프트웨어 SMART Lab은 내장 카메라를 통해 시험체의 실시간 영상을 표시합니다. 측정 영역과 스캔 그리드는 이 카메라 영상에서 직접 정의합니다. 영역 선택, 메시 생성기 및 부품별 할당 기능을 통해 기판 전체의 성긴 그리드부터 개별 부품의 조밀한 그리드까지 측정점을 정밀하게 배치할 수 있습니다.
두 이미지에는 약간 다른 시점에서 본 인쇄 회로 기판의 부품 실장면이 표시됩니다. 왼쪽 이미지에서는 측정 영역과 Boundary 도구를 정의하며, 오른쪽 이미지에서는 완성된 측정점 그리드를 확인할 수 있습니다. SMART Lab은 여러 Layer를 지원하므로 기판 전체의 성긴 그리드와 개별 부품의 조밀한 그리드 등 다양한 측정 영역을 하나의 프로젝트에서 관리할 수 있습니다.
3 측정 파라미터 구성
Acquisition 모듈에서 진동계 설정을 지정합니다. 이 PCB 측정의 상한 주파수는 100 kHz로, 기판의 기본 공진(일반적으로 5 kHz 미만)과 더 높은 주파수의 부품 모드를 모두 측정하기에 충분합니다. 1,300만 개 이상의 FFT 라인과 6,4 mHz의 주파수 분해능을 통해 서로 근접한 모드도 명확하게 분리할 수 있습니다.
SMART Lab의 측정 설정: 최대 주파수 100 kHz, 샘플링 속도 216 kS/s, 지점당 10회 평균화. 스캔 시 자동 초점 및 진동 측정 기능이 활성화되어 있습니다.
4 자동 스캔
스캔 그리드와 설정이 정의되면 바이브로미터가 사전에 지정된 모든 측정 지점을 자동으로 스캔합니다. 레이저는 지점 간을 이동하며 필요에 따라 초점을 조정하고, 진동 신호를 기록한 후 다음 위치로 이동합니다. 스캔 중에는 수동으로 개입할 필요가 없습니다.
자동 스캔 실행 모습: 레이저가 사전 정의된 측정 지점 그리드를 자동으로 순차 스캔합니다. 기판 표면에서 녹색 레이저 스폿을 확인할 수 있습니다.
측정은 완전 비접촉 방식으로 이루어집니다. 기판 위 센서도, 케이블도, 구조물에 추가되는 질량도 없습니다. 따라서 결과는 어셈블리의 실제 진동 거동을 정확히 보여줍니다.
5 시각화 및 분석
스캔이 완료되면 SMART Lab은 Analysis 탭에서 다양한 시각화 방식을 제공합니다. 진동 데이터는 카메라 이미지 위에 중첩된 색상 코드 포인트, 보간된 컬러 맵 또는 변형이 애니메이션으로 표현되는 와이어프레임 모델로 표시할 수 있습니다. 감쇠 정보도 시각화에 포함할 수 있습니다.
컬러 맵 시각화를 통해 기판 전체의 진동 모드를 즉시 확인할 수 있습니다. 이 사례에서는 기판 전반에 걸쳐 여러 개의 뚜렷한 진폭 최댓값이 분포하는 고차 고유진동형이 나타납니다. 이러한 최댓값이 부품 위치와 어떤 관계에 있는지는 신뢰성 평가와 직결됩니다. 진동 최댓값 부근의 부품에는 가장 큰 동적 하중이 가해지기 때문입니다.
6 부품 상세 분석 및 비디오 내보내기
SMART Lab에서는 전체 보기뿐 아니라 개별 부품을 확대하여 각 부품의 국부 진동형을 시각화할 수 있습니다. 통합 비디오 녹화 기능은 애니메이션으로 표현된 진동 데이터를 4K 비디오로 제작하며, 가상 카메라가 기판 표면을 따라 이동하는 트래킹 숏도 지원합니다. 프레젠테이션과 보고서에 이상적입니다.
비디오 내보내기를 지원하는 부품 상세 보기: 각 커패시터의 고유한 진동 패턴을 확인할 수 있습니다. Tracking-Shot 기능은 4K 비디오 촬영을 위해 기판 위를 부드럽게 이동하는 카메라 워크를 구현합니다.
상세 보기에서는 각 부품이 가진에 어떻게 반응하는지 확인할 수 있습니다. 이 확대 화면에서 전해 커패시터는 각각 고유한 진동 패턴을 보입니다. 일부는 측면으로 기울고, 다른 일부는 수직 변위를 나타냅니다. 이처럼 세밀한 분석은 스캐닝 바이브로미터의 공간 분해능을 통해서만 가능하며, 기존 가속도 센서 측정으로는 확인할 수 없습니다.
3D 진동 분석(SMART 3D-Scan)
시뮬레이션이 아닌 실제 측정 데이터 – 이 이미지는 SMART 3D-Scan으로 측정한 부품 실장 회로 기판의 실제 3D 진동 데이터를 보여줍니다. 측정 데이터를 기판의 3D 모델에 직접 투영할 수 있어 영향을 받는 부품과 영역을 즉시 확인할 수 있습니다.
- 시험 대상
- 부품이 실장된 자동차용 회로 기판
- 측정 시스템
- SMART 3D-Scan (3 × SMART Scan+)
- 측정량
- 각 측정점의 X, Y, Z 방향 속도
- 시각화
- 3D 모델 매핑, 카메라 오버레이, 진동 모드 애니메이션
동기화된 3대의 SMART Scan+ 진동계가 서로 다른 각도에서 동시에 측정합니다.
소프트웨어는 세 가지 속도 성분을 기반으로 각 측정점의 X, Y, Z 방향 전체 운동을 계산합니다. SMART Lab의 측정 워크플로는 기본적으로 1D 측정과 동일합니다. 3D 모델 또는 카메라 이미지에서 측정점을 정의하고, 자동으로 스캔한 후 결과를 시각화합니다. 결정적인 차이는 측정 절차가 아니라 결과를 통해 확인할 수 있는 정보에 있습니다.
열팽창: 동일한 시스템으로 해결하는 또 다른 측정 과제
진동 분석뿐만 아니라 동일한 SMART 3D-Scan 진동계로 아울러 회로 기판 및 부품의 열팽창도 측정할 수 있습니다. FR4 기판, 구리 배선, 납땜 접합부 및 하우징 소재의 서로 다른 열팽창계수는 온도 변화 시 국부적인 변형을 일으키며, 이는 피로 손상으로 이어질 수 있습니다.
온도 사이클 시험(TCT – Temperature Cycling Test) 및 열기계적 신뢰성 평가에서 열팽창 3D 측정은 변형률 게이지로는 일부 지점에서만 얻을 수 있는 공간적 데이터를 비접촉·전 영역 방식으로 제공합니다.
SMART 3D-Fiber를 이용한 3D 단일 지점 측정
- 시험 대상물
- 전기역학식 셰이커에 장착된 ECU(전자 제어 장치)
- 측정 시스템
- SMART 3D-Fiber(3D 단일 지점 진동계)
모든 PCB 분석에 전 영역 스캔 그리드가 필요한 것은 아닙니다. 전자 제어 장치(ECU)의 셰이커 시험, 개별 어셈블리의 적격성 평가 또는 양산 시험에서 지정된 측정 지점을 모니터링할 때는 단일 측정 지점이면 충분합니다. 단, 세 공간 방향 모두를 측정해야 합니다.
SMART 3D-Fiber는 바로 이러한 측정을 구현합니다. 세 개의 레이저 빔이 동일한 표면 지점에 조사되어 완전한 3D 진동 운동을 측정합니다. 컴팩트한 파이버 헤드는 설치 공간이 협소한 환경, 예를 들어 하우징 내부의 PCB에서 직접 측정해야 하는 경우에 특히 적합합니다.
X, Y, Z 속도 성분은 디지털 및 아날로그 출력에서 직접 사용할 수 있습니다. SMART 3D-Fiber는 SMART Lab뿐 아니라 외부 DAQ 시스템을 통해서도 직접 운용할 수 있으므로, 기존 시험 설비에 통합할 때 전용 소프트웨어가 필요하지 않습니다.
측정 과제별로 어떤 시스템이 적합할까요?
이 보고서에 소개된 세 가지 측정 방식은 모두 Optomet 레이저 도플러 진동 측정 기술과 SMART Lab 소프트웨어를 사용합니다. 필요한 정보에 따라 적합한 시스템이 달라집니다:
| 스캐닝 진동계1D, 전 영역 | SMART 3D-Scan3D, 전 영역 | SMART 3D-Fiber3D, 단일 지점 | |
|---|---|---|---|
| 면외 진동 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 면내 진동 | – | ✓ | ✓ |
| 전 영역 ODS / 모드 형상 | ✓ | ✓ | – |
| 열팽창 | – | ✓ | ✓ |
PCB 진동 분석용 스캐닝 진동계
CLASSIC Scan
SWIR 기술(1550 nm), 눈에 안전한 측정 레이저(클래스 1), 디지털 FPGA 신호 처리를 지원하는 스캐닝 레이저 도플러 진동계.
- 주파수 대역폭: DC~10 MHz(24 MHz)
- 최대 속도: 25 m/s
- 스캔 그리드 밀도: 최대 512 × 512포인트
- 무게: 12 kg
- Full HD 카메라, 30× 광학 줌
SMART Scan+
현세대 모델: 확장된 대역폭, 4K 카메라, 통합 DAQ 및 최대 12개의 레퍼런스 채널을 갖춘 완전 통합형 스캐닝 진동계로, 외부 하드웨어가 필요하지 않습니다.
- 주파수 대역폭: DC~50 MHz
- 최대 속도: 50 m/s
- 스캔 그리드 밀도: 최대 512 × 512포인트
- 무게: 8.2 kg
- 4K 카메라, 20× 광학 줌 / 40× 하이브리드 줌
- 통합 DAQ 및 신호 발생기
- 최대 12개 레퍼런스 채널(IEPE/TEDS)
- Wi-Fi 7, Bluetooth 5.2, GNSS
- 7" Touchscreen, SMART Lab Software
SMART 3D-Scan
동기화된 3대의 SMART Scan+로 모든 스캔 포인트에서 완전한 X/Y/Z 측정을 수행합니다. 모듈식 업그레이드를 지원합니다.
- 3 × SMART Scan+
- 동기화된 3D 측정
- 각 장치를 개별적으로도 사용 가능
- 최대 36개 레퍼런스 채널
SMART 3D-Fiber
컴팩트한 Fiber Head를 갖춘 3D 단일 지점 진동계. 아날로그 및 디지털 출력에서 X/Y/Z 신호 직접 출력.
- 컴팩트한 3D-Fiber Head (107 × 100 × 102 mm)
- 작동 거리 83 mm
- 정렬을 위한 웹캠 내장
- SMART Lab 또는 외부 DAQ를 통한 운용
네 가지 시스템의 기본적인 측정 절차는 유사합니다. 선택은 측정 과제에 따라 달라집니다. 전면 측정 또는 지점 측정, 1D 또는 3D, 혹은 이 둘의 조합도 가능합니다. SMART 시스템은 서로 조합할 수 있으며 단계적으로 확장할 수 있기 때문입니다.
요약
이 사용자 사례 보고서에서는 부품이 실장된 PCB의 진동 분석을 위한 세 가지 측정 방식에 Optomet 레이저 도플러 진동계를 사용합니다..
전면 Out-of-plane 측정: 단일 스캐닝 진동계가 PCB 표면에 수직인 진동 성분을 측정합니다. 시스템 구성부터 부품 상세 분석까지 여섯 단계에 걸쳐 전체 워크플로를 보여줍니다. 측정 결과를 통해 공간적 진동 핫스폿을 식별하고 PCB 레벨의 고유 모드 형상을 시각화하며 개별 부품의 고유한 진동 거동을 확인할 수 있습니다.
3D 진동 분석: 동기화된 SMART Scan+ 진동계 3대가 X, Y, Z 방향의 전체 움직임을 측정합니다. 이를 통해 Out-of-plane 측정에서는 드러나지 않는 횡방향 움직임, 기울어짐 운동 및 결합 모드를 확인할 수 있습니다. 동일한 시스템으로 열팽창도 측정할 수 있어 열기계적 신뢰성 평가에 활용할 수 있습니다.
3D 단일 지점 측정: SMART 3D-Fiber는 지정된 측정 지점에서 완전한 3D 진동 정보를 제공합니다. 컴팩트한 Fiber Head는 제어 장치의 셰이커 테스트, 부품 적격성 평가 및 기존 테스트 벤치와의 통합에 적합합니다.
세 가지 방식 모두 부품 재배치, 국부 보강, 장착 조건 조정 또는 실제 측정값을 기반으로 한 FEM 검증 등 구체적인 설계 결정을 뒷받침하는 공간적 데이터를 제공합니다.