Измерение вибраций печатной платы (PCB)

Полноформатное измерение Out-of-plane с помощью сканирующего виброметра

Задача

Цель данного измерения — визуализировать поле внеплоскостных колебаний автомобильной печатной платы с установленными компонентами по всей её поверхности при контролируемом возбуждении. Вместо измерения в одной точке сканируется вся поверхность платы, что позволяет определить, где амплитуды колебаний перпендикулярно поверхности максимальны: на уровне платы и на уровне отдельных компонентов. Полученные эксплуатационные формы колебаний (ODS) показывают, какие участки и компоненты подвергаются наибольшим динамическим нагрузкам.

1 Измерительная установка

Печатная плата закрепляется на электродинамическом вибростенде. Сканирующий виброметр устанавливается над исследуемым образцом на переносной раме из алюминиевого профиля и направляется перпендикулярно поверхности платы. Такая конфигурация обеспечивает оптимальный угол для измерения внеплоскостных колебаний.

Сканирующий виброметр Optomet объединяет в одном устройстве виброметр, систему сбора данных, генератор сигналов и камеру. Для проведения этого измерения дополнительное внешнее оборудование не требуется. Сигнал возбуждения для вибростенда формируется непосредственно встроенным генератором сигналов.

2 Задание точек измерения в SMART Lab

Программное обеспечение SMART Lab выводит изображение исследуемого образца в реальном времени с помощью встроенной камеры. Область измерения и сетка сканирования задаются непосредственно на этом изображении. Инструменты выбора областей, генераторы сеток и привязка к отдельным компонентам позволяют точно размещать точки измерения — от разреженной сетки по всей плате до плотных сеток на отдельных компонентах.

На обоих изображениях показана сторона печатной платы с установленными компонентами с немного различающихся ракурсов. На левом изображении задаются области измерения и граничные инструменты, а на правом показана готовая сетка точек измерения. SMART Lab поддерживает несколько слоёв, благодаря чему различными областями измерения — например, разреженной сеткой по всей плате и плотными сетками на отдельных компонентах — можно управлять в рамках одного проекта.

3 Настройка параметров измерения

Настройки виброметра задаются в модуле Acquisition. Для этого измерения PCB верхняя предельная частота составляет 100 kHz — этого достаточно для регистрации как основных резонансов платы (обычно ниже 5 kHz), так и более высоких мод компонентов. Более 13 миллионов линий FFT и частотное разрешение 6,4 mHz позволяют чётко разделять даже близко расположенные моды.

4 Автоматическое сканирование

После задания сетки и параметров виброметр автоматически сканирует все предварительно определенные точки измерения. Лазер перемещается от точки к точке, при необходимости корректирует фокусировку, регистрирует вибрационный сигнал и переходит к следующей позиции. Ручное вмешательство во время сканирования не требуется.

Измерение выполняется полностью бесконтактно. Никаких датчиков на плате, кабелей и дополнительной массы на исследуемой конструкции. Результаты отражают реальное вибрационное поведение узла.

5 Визуализация и анализ

После завершения сканирования SMART Lab предлагает на вкладке Analysis различные варианты визуализации. Вибрационные данные можно отображать в виде точек с цветовой кодировкой, наложенных на изображение с камеры, интерполированной цветовой карты или каркасной модели с анимированной деформацией. В визуализацию также можно включить данные о демпфировании.

Представление в виде цветовой карты сразу выявляет глобальные формы колебаний платы: в данном случае видна собственная форма более высокого порядка с несколькими выраженными максимумами амплитуды, распределенными по плате. Расположение этих максимумов относительно компонентов напрямую влияет на оценку надежности: компоненты вблизи максимума колебаний подвергаются наиболее высоким динамическим нагрузкам.

6 Детальный анализ компонентов и экспорт видео

Помимо общего вида, SMART Lab позволяет увеличивать отдельные компоненты для визуализации их локальных форм колебаний. Встроенная функция видеозаписи создает 4K-видео с анимацией вибрационных данных, включая кадры с перемещением виртуальной камеры над поверхностью платы. Идеально для презентаций и отчетов.

Детальное представление показывает реакцию каждого отдельного компонента на возбуждение. На этом крупном плане у каждого электролитического конденсатора наблюдается собственная форма колебаний: одни отклоняются вбок, другие совершают вертикальные перемещения. Такой уровень детализации возможен только благодаря пространственному разрешению сканирующего виброметра и недоступен при традиционных измерениях с помощью акселерометров.

3D-анализ вибраций (SMART 3D-Scan)

Реальные данные измерений, а не моделирование – Здесь представлены результаты реального 3D-измерения вибраций печатной платы с установленными компонентами, выполненного с помощью SMART 3D-Scan. Данные измерений можно проецировать непосредственно на 3D-модель платы, что позволяет сразу увидеть, какие компоненты и участки подвержены воздействию.

Три синхронизированных виброметра SMART Scan+ одновременно выполняют измерения под разными углами.

На основе трёх компонентов скорости программное обеспечение рассчитывает полный вектор движения по осям X, Y и Z в каждой точке измерения. При этом рабочий процесс измерений в SMART Lab практически не отличается от 1D-измерений: пользователь задаёт точки измерения на 3D-модели или изображении с камеры, запускает автоматическое сканирование и визуализирует результаты. Главное отличие заключается не в самом процессе, а в том, что показывают полученные результаты.

Тепловое расширение: та же система, другая задача

Помимо анализа вибраций, этот же виброметр SMART 3D-Scan также позволяет измерять тепловое расширение печатной платы и её компонентов. Различия в коэффициентах теплового расширения подложки FR4, медных проводников, паяных соединений и материалов корпусов при изменении температуры вызывают локальные деформации, которые могут привести к усталостным повреждениям.

Для испытаний на термоциклирование (TCT – Temperature Cycling Test) и оценки термомеханической надежности 3D-измерение теплового расширения позволяет получить пространственные данные, которые при использовании тензодатчиков были бы доступны лишь в нескольких точках, — бесконтактно и по всей поверхности.

Одноточечное 3D-измерение с помощью SMART 3D-Fiber

Не для каждого анализа PCB требуется сетка сканирования по всей поверхности. При испытаниях электронных блоков управления (ECU) на вибростенде, квалификационных испытаниях отдельных узлов или контроле заданных точек измерения в ходе серийных испытаний достаточно одной точки — при условии измерения по всем трем пространственным направлениям.

Именно это обеспечивает SMART 3D-Fiber: три лазерных луча сходятся в одной точке поверхности и регистрируют полное трехмерное вибрационное движение. Компактная измерительная головка Fiber Head особенно удобна при ограниченном пространстве — например, для измерений непосредственно на печатной плате внутри корпуса.

Компоненты виброскорости по осям X, Y и Z доступны непосредственно на цифровом и аналоговом выходах. SMART 3D-Fiber может работать как под управлением SMART Lab, так и напрямую через внешнюю систему сбора данных (DAQ) — для интеграции в существующие испытательные стенды проприетарное программное обеспечение не требуется.

Какая система подходит для конкретной измерительной задачи?

Во всех трех представленных в этом отчете подходах к измерению используются лазерная доплеровская виброметрия Optomet и программное обеспечение SMART Lab. Выбор системы зависит от того, какие данные необходимо получить:

Общий порядок проведения измерений сопоставим для всех четырёх систем. Выбор зависит от измерительной задачи: полнопольные или точечные измерения, 1D или 3D — либо и то и другое, поскольку системы SMART можно комбинировать и поэтапно расширять.

Резюме

В этом примере применения представлены три подхода к измерению вибраций печатных плат с установленными компонентами с помощью лазерных доплеровских виброметров Optomet.

Полнопольные измерения вне плоскости: Один сканирующий виброметр измеряет составляющую вибрации, перпендикулярную поверхности платы. Шесть этапов — от подготовки измерительной установки до детального анализа компонентов — охватывают весь рабочий процесс. Результаты позволяют выявить пространственные зоны повышенной вибрации, визуализировать собственные формы колебаний на уровне платы и оценить индивидуальное вибрационное поведение отдельных компонентов.

3D-анализ вибраций: Три синхронизированных виброметра SMART Scan+ измеряют движение по всем трём осям: X, Y и Z. Это позволяет выявить поперечные и угловые перемещения, а также связанные моды, которые невозможно обнаружить при измерениях вне плоскости. Эта же система измеряет тепловое расширение, что важно для оценки термомеханической надёжности.

Одноточечные 3D-измерения: SMART 3D-Fiber предоставляет полную информацию о 3D-вибрациях в заданной точке измерения. Компактная измерительная головка Fiber Head подходит для вибрационных испытаний электронных блоков управления на шейкере, квалификационных испытаний компонентов и интеграции в существующие испытательные стенды.

Все три подхода предоставляют пространственные данные для принятия обоснованных конструкторских решений: изменения расположения компонентов, локального усиления конструкции, корректировки условий монтажа или валидации конечно-элементной модели по результатам реальных измерений.