Pomiar drgań płytki drukowanej (PCB)

Pomiar Out-of-plane na całej powierzchni za pomocą wibrometru skanującego

Cel pomiaru

Celem tego pomiaru jest zobrazowanie pełnopowierzchniowego zachowania drganiowego poza płaszczyzną obsadzonej samochodowej płytki drukowanej przy kontrolowanym wzbudzeniu. Zamiast pomiaru w pojedynczym punkcie skanowana jest cała powierzchnia płytki, aby określić, gdzie amplitudy drgań prostopadłych do powierzchni są największe: na poziomie płytki i poszczególnych komponentów. Uzyskane operacyjne postacie drgań (ODS) wskazują obszary i komponenty narażone na największe obciążenia dynamiczne.

1 Układ pomiarowy

Płytka drukowana jest mocowana na wzbudniku elektrodynamicznym. Wibrometr skanujący jest zamontowany nad badanym obiektem na przenośnej ramie z profili aluminiowych i skierowany prostopadle do powierzchni płytki. Taka konfiguracja zapewnia optymalny kąt pomiaru drgań poza płaszczyzną.

Wibrometr skanujący Optomet łączy w jednym urządzeniu wibrometr, system akwizycji danych, generator sygnałów oraz kamerę. Do wykonania tego pomiaru nie jest wymagany żaden dodatkowy sprzęt zewnętrzny. Sygnał wzbudzający dla wzbudnika jest generowany bezpośrednio przez zintegrowany generator sygnałów.

2 Definiowanie punktów pomiarowych w SMART Lab

Oprogramowanie SMART Lab wyświetla za pośrednictwem zintegrowanej kamery obraz badanego obiektu na żywo. Obszar pomiarowy i siatkę skanowania definiuje się bezpośrednio na obrazie z kamery. Funkcje wyboru obszaru, generatory siatek oraz przypisywanie według komponentów umożliwiają precyzyjne rozmieszczenie punktów pomiarowych – od zgrubnej siatki obejmującej całą płytkę po gęste siatki na poszczególnych komponentach.

Oba obrazy przedstawiają stronę montażową płytki drukowanej z nieco różnych perspektyw. Na obrazie po lewej stronie definiowane są obszary pomiarowe i narzędzia do wyznaczania granic, natomiast po prawej widoczna jest gotowa siatka punktów pomiarowych. SMART Lab obsługuje wiele warstw, dzięki czemu różnymi obszarami pomiarowymi – na przykład zgrubną siatką obejmującą całą płytkę oraz gęstymi siatkami na poszczególnych komponentach – można zarządzać w ramach jednego projektu.

3 Konfiguracja parametrów pomiaru

W module Acquisition konfiguruje się ustawienia wibrometru. W przypadku tego pomiaru PCB górna częstotliwość graniczna wynosi 100 kHz – wystarczająco dużo, aby zarejestrować zarówno podstawowe rezonanse płytki (zwykle poniżej 5 kHz), jak i wyższe mody komponentów. Ponad 13 milionów linii FFT oraz rozdzielczość częstotliwościowa 6,4 mHz pozwalają wyraźnie rozdzielić nawet blisko położone mody.

4 Automatyczne skanowanie

Po zdefiniowaniu siatki i ustawień wibrometr automatycznie skanuje wszystkie wcześniej określone punkty pomiarowe. Laser przemieszcza się od punktu do punktu, w razie potrzeby koryguje ostrość, rejestruje sygnał drgań i przechodzi do kolejnej pozycji. Podczas skanowania nie jest wymagana ręczna ingerencja.

Pomiar odbywa się całkowicie bezkontaktowo. Bez czujników na płytce, bez przewodów i bez dodatkowej masy obciążającej konstrukcję. Wyniki odzwierciedlają rzeczywiste zachowanie drganiowe zespołu.

5 Wizualizacja i analiza

Po zakończeniu skanowania SMART Lab oferuje w zakładce Analysis różne formy wizualizacji. Dane drganiowe można wyświetlać jako punkty oznaczone kolorami na obrazie z kamery, interpolowaną mapę kolorów lub model siatkowy z animowaną deformacją. Wizualizacja może również uwzględniać informacje o tłumieniu.

Mapa kolorów pozwala natychmiast zobaczyć globalne mody drgań płyty: w tym przypadku widoczna jest wyższa postać drgań własnych z kilkoma wyraźnymi maksimami amplitudy rozmieszczonymi na całej płytce. Położenie tych maksimów względem komponentów ma bezpośrednie znaczenie dla oceny niezawodności – komponenty znajdujące się w pobliżu maksimum drgań są poddawane największym obciążeniom dynamicznym.

6 Szczegółowa analiza komponentów i eksport wideo

Oprócz widoku ogólnego SMART Lab umożliwia przybliżanie poszczególnych komponentów w celu wizualizacji ich lokalnych postaci drgań. Zintegrowana funkcja nagrywania generuje filmy 4K z animowanymi danymi drganiowymi – w tym ujęcia śledzące, w których wirtualna kamera przemieszcza się nad powierzchnią płytki. Idealne rozwiązanie do prezentacji i raportów.

Widok szczegółowy pokazuje, jak każdy komponent reaguje na wymuszenie. Na tym zbliżeniu każdy z kondensatorów elektrolitycznych wykazuje własny wzorzec drgań – niektóre przechylają się na boki, a inne przemieszczają się w pionie. Taki poziom szczegółowości jest możliwy wyłącznie dzięki rozdzielczości przestrzennej wibrometru skanującego i pozostaje nieosiągalny w tradycyjnych pomiarach wykorzystujących czujniki przyspieszenia.

Analiza drgań 3D (SMART 3D-Scan)

Rzeczywiste dane pomiarowe, nie symulacja – wizualizacja przedstawia rzeczywisty pomiar drgań 3D obsadzonej płytki drukowanej, wykonany za pomocą SMART 3D-Scan. Dane pomiarowe można rzutować bezpośrednio na model 3D płytki, dzięki czemu od razu widać, których podzespołów i obszarów dotyczy problem.

Trzy zsynchronizowane wibrometry SMART Scan+ wykonują jednoczesne pomiary pod różnymi kątami.

Na podstawie trzech składowych prędkości oprogramowanie oblicza pełny ruch w kierunkach X, Y i Z w każdym punkcie pomiarowym. Przebieg pomiaru w SMART Lab jest zasadniczo taki sam jak w przypadku pomiaru 1D: zdefiniowanie punktów pomiarowych na modelu 3D lub obrazie z kamery, automatyczne skanowanie i wizualizacja wyników. Kluczowa różnica nie dotyczy przebiegu pomiaru, lecz informacji, które ujawniają wyniki.

Rozszerzalność cieplna: ten sam system, inne zagadnienie pomiarowe

Oprócz analizy drgań ten sam wibrometr SMART 3D-Scan może również mierzyć rozszerzalność cieplną płytki drukowanej i jej podzespołów. Różne współczynniki rozszerzalności cieplnej podłoża FR4, miedzianych ścieżek przewodzących, połączeń lutowanych i materiałów obudów powodują przy zmianach temperatury lokalne odkształcenia, które mogą prowadzić do uszkodzeń zmęczeniowych.

W przypadku testów cykli temperaturowych (TCT – Temperature Cycling Test) oraz oceny niezawodności termomechanicznej pomiar 3D rozszerzalności cieplnej dostarcza danych przestrzennych, które przy użyciu tensometrów byłyby dostępne jedynie w kilku punktach – bezkontaktowo i na całej powierzchni.

Jednopunktowy pomiar 3D za pomocą SMART 3D-Fiber

Nie każda analiza PCB wymaga siatki skanowania obejmującej całą powierzchnię. W testach sterowników (ECU) na wzbudniku, podczas kwalifikacji poszczególnych podzespołów lub monitorowania zdefiniowanych punktów pomiarowych w ramach kontroli seryjnej wystarczy jeden punkt pomiarowy – pod warunkiem pomiaru we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych.

SMART 3D-Fiber zapewnia właśnie taką funkcjonalność: trzy wiązki laserowe padają na ten sam punkt powierzchni i rejestrują pełny ruch drganiowy 3D. Kompaktowa głowica światłowodowa sprawdza się szczególnie dobrze w miejscach o ograniczonej przestrzeni montażowej – na przykład podczas pomiarów bezpośrednio na płytce drukowanej wewnątrz obudowy.

Składowe prędkości X, Y i Z są dostępne bezpośrednio na wyjściu cyfrowym i analogowym. SMART 3D-Fiber może być obsługiwany zarówno za pomocą SMART Lab, jak i bezpośrednio przez zewnętrzny system DAQ – integracja z istniejącymi stanowiskami badawczymi nie wymaga oprogramowania własnościowego.

Który system do jakiego zadania pomiarowego?

Wszystkie trzy metody pomiarowe przedstawione w tym opracowaniu wykorzystują laserową wibrometrię dopplerowską Optomet oraz oprogramowanie SMART Lab. Wybór systemu zależy od rodzaju potrzebnych informacji:

Podstawowy przebieg pomiaru jest podobny we wszystkich czterech systemach. Wybór zależy od zadania pomiarowego: pomiar pełnopolowy lub punktowy, 1D lub 3D – albo oba, ponieważ systemy SMART można łączyć i stopniowo rozbudowywać.

Podsumowanie

Niniejsze studium przypadku przedstawia trzy metody pomiarowe stosowane w analizie drgań zmontowanych płytek drukowanych za pomocą wibrometrów laserowych Dopplera Optomet.

Pełnopolowy pomiar drgań poza płaszczyzną (Out-of-plane): Pojedynczy wibrometr skanujący mierzy składową drgań prostopadłą do powierzchni płytki. Sześć etapów – od konfiguracji stanowiska po szczegółową analizę komponentów – przedstawia kompletny przebieg pracy. Wyniki pozwalają zidentyfikować obszary koncentracji drgań, uwidocznić postacie drgań własnych na poziomie płytki oraz zobrazować indywidualne zachowanie drganiowe poszczególnych komponentów.

Analiza drgań 3D: Trzy zsynchronizowane wibrometry SMART Scan+ rejestrują pełny ruch w osiach X, Y i Z. Pozwala to zobrazować ruchy poprzeczne, ruchy przechylne oraz sprzężone postacie drgań, które pozostają niewidoczne podczas pomiaru Out-of-plane. Ten sam system mierzy również rozszerzalność cieplną, co ma istotne znaczenie dla oceny niezawodności termomechanicznej.

Jednopunktowy pomiar 3D: SMART 3D-Fiber dostarcza pełnych informacji o drganiach 3D w określonym punkcie pomiarowym. Kompaktowa głowica Fiber Head nadaje się do testów wzbudnikowych sterowników, kwalifikacji komponentów oraz integracji z istniejącymi stanowiskami badawczymi.

Wszystkie trzy metody dostarczają przestrzennych danych pomiarowych, które umożliwiają podejmowanie ukierunkowanych decyzji projektowych: zmianę rozmieszczenia komponentów, miejscowe usztywnienie, dostosowanie warunków montażu lub walidację MES na podstawie rzeczywistych wyników pomiarów.