張仲?gòu)?qiáng) 葛宇申 王偉彬 黃薛青 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著電子產(chǎn)品的集成度不斷提高，印制電路板組件（PCBA）的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的要求更加嚴(yán)酷。研究結(jié)果表明，振動(dòng)是導(dǎo)致印制電路板失效的主要因素，系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要由PCBA對(duì)振動(dòng)的敏感性而決定[1]。佘陳慧等學(xué)者[2]對(duì)隨機(jī)振動(dòng)下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的PCBA可靠性研究，探討了焊點(diǎn)位置、焊點(diǎn)材料、PCBA厚度、焊點(diǎn)高度對(duì)其振動(dòng)可靠性的影響。劉芳等學(xué)者[3]通過(guò)有限元模擬軟件模擬PCBA在隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，獲得焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變等變化規(guī)律。何敏[4]研究了PCBA的板厚、芯片布局等結(jié)構(gòu)參數(shù)和隨機(jī)振動(dòng)譜型變化對(duì)其焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞壽命的影響。劉昌儒等學(xué)者[5]對(duì)某航天產(chǎn)品內(nèi)部的PCBA進(jìn)行了正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的加速度響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)分析，探究了其焊腳處的力學(xué)載荷特性。

目前，對(duì)振動(dòng)作用下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的PCBA的振動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究，但在PCBA的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，對(duì)其振動(dòng)特性及采取減振措施降低焊點(diǎn)所受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平的內(nèi)容，還缺乏比較深入的研究。為了評(píng)價(jià)PCBA在振動(dòng)載荷作用下的可靠性，本文采用正弦振動(dòng)方法對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行研究，分析PCBA產(chǎn)生共振的原因，為PCBA的振動(dòng)控制提供依據(jù)，從而保證整個(gè)電子設(shè)備的可靠性，并滿(mǎn)足設(shè)備的工作要求。因此，對(duì)PCBA進(jìn)行振動(dòng)特性分析及振動(dòng)控制展開(kāi)研究是十分有必要的。

1 振動(dòng)特性分析

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)所選用的PCBA主要應(yīng)用于某電梯產(chǎn)品中的控制電路，其尺寸為255 mm×240 mm，如圖1所示。圖1中四個(gè)空心圓為PCBA振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的初次固定孔，實(shí)心圓為振動(dòng)監(jiān)控傳感器安裝位置，空心方框?yàn)樵鲈O(shè)的固定孔。試驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)四個(gè)空心圓位置處的固定孔用螺栓將PCBA緊固在振動(dòng)夾具上，振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接。

圖1 PCBA等效簡(jiǎn)化圖

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)情況

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)PCBA周?chē)O(shè)置的四個(gè)空心圓固定孔，利用螺栓將其與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接，監(jiān)控傳感器裝設(shè)于圖1中實(shí)心圓位置。依據(jù)GB/T 2423.10-2019《環(huán)境試驗(yàn) 第 2 部分 試驗(yàn)方法 試驗(yàn) Fc 振動(dòng) (正弦)》進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其施加如表1所示正弦振動(dòng)應(yīng)力。

表1 PCBA組件施加的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中，PCBA在橫向、縱向無(wú)共振現(xiàn)象，但在垂向上出現(xiàn)元器件劇烈共振，位于PCBA中央位置的監(jiān)控傳感器在頻率點(diǎn)41.5 Hz處所測(cè)得振動(dòng)響應(yīng)加速度幅值為0.70g，是目標(biāo)加速度幅值的三倍。PCBA在該頻率點(diǎn)處振動(dòng)劇烈，共振掃頻曲線如圖2所示。

圖2 PCBA共振掃頻曲線

2 共振原因分析及處理

2.1 共振原因分析

PCBA發(fā)生共振現(xiàn)象表明其自身的固有頻率，在與垂直軸向振動(dòng)頻率相等時(shí)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，振幅加劇。影響PCBA固有頻率的主要因素包括質(zhì)量和剛度，兩者決定著PCBA結(jié)構(gòu)的固有頻率[6]。

PCBA可等效成一塊矩形平板，其兩側(cè)固定約束并受到外界正弦振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，PCBA最大振幅可采用式（1）進(jìn)行計(jì)算[7]：

式中：Amax—— PCBA的最大振幅；

ωn—— PCBA結(jié)構(gòu)的固有頻率；

Gin—— 正弦振動(dòng)激勵(lì)的加速度

由式（1）可知，當(dāng)外界正弦振動(dòng)激勵(lì)的加速度不變時(shí)，PCBA的最大振幅Amax與其固有頻率成反比。因此，為了降低PCBA的最大振幅，需要提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，進(jìn)而不受外界正弦振動(dòng)激勵(lì)頻率帶來(lái)的影響，避免PCBA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。

2.2 抗共振措施

在PCBA上的元器件不能改動(dòng)的前提下，為了提高其固有頻率避開(kāi)共振激勵(lì)源，可采取對(duì)PCBA多點(diǎn)固定措施，增大其結(jié)構(gòu)整體剛度[8]。通過(guò)上述振動(dòng)試驗(yàn)，PCBA最大振幅出現(xiàn)在其中心位置，且中心區(qū)域的元器件共振劇烈，在共振點(diǎn)處的加速度響應(yīng)幅值較大。因此，在將PCBA四角通過(guò)螺栓、墊片固定于振動(dòng)臺(tái)面的基礎(chǔ)上，利用螺栓將板中心位置增設(shè)的固定孔與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加固PCBA整體結(jié)構(gòu)剛度的作用。

對(duì)加固后的PCBA施加表1中的正弦振動(dòng)應(yīng)力，以驗(yàn)證在振動(dòng)頻率10～55 Hz內(nèi)是否出現(xiàn)共振現(xiàn)象，其振動(dòng)曲線如圖3所示。PCBA中心位置處的加速度響應(yīng)幅值和目標(biāo)幅值數(shù)值一致，在振動(dòng)段內(nèi)無(wú)共振峰值出現(xiàn)，表明對(duì)PCBA四角、中心位置同時(shí)與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接，可有效避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。

圖3 PCBA固定方式優(yōu)化后的振動(dòng)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某電梯控制電路板組件（PCBA）在正弦振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的共振現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)其共振原因?yàn)镻CBA的固有頻率處于振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，進(jìn)而造成PCBA產(chǎn)生共振。對(duì)影響其共振原因的因素進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在外界激勵(lì)源不變的條件下，提高PCBA的固有頻率是避免產(chǎn)生共振的有效措施。通過(guò)對(duì)PCBA四角、中心位置同時(shí)與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接，提高其抗共振的能力。結(jié)果表明，優(yōu)化后的PCBA固定方式可有效提高自身的固有頻率，使其在正弦振動(dòng)過(guò)程中不再出現(xiàn)共振現(xiàn)象，為PCBA的振動(dòng)可靠性研究提供技術(shù)依據(jù)。