航空電子設(shè)備PCB組件的動(dòng)態(tài)分析

引言

航空電子設(shè)備在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中不可避免地要受到振動(dòng)和沖擊的作用。這些振動(dòng)和沖擊的作用可能導(dǎo)致電子設(shè)備的多種形式的失效，甚至破壞。這些振動(dòng)和沖擊引起的電子設(shè)備的破壞螺釘與螺母松脫、機(jī)箱的變形、PCB 焊點(diǎn)斷裂剝離、器件引腳斷裂等。尤其是隨著PCB 不斷向高精度、高密度、小間距、多層化、高速傳輸方向發(fā)展和大規(guī)模集成電路(VLSI)的飛速發(fā)展，它的功能更全、體積更小，封裝引腳更多、更密的IC 和SOIC 不斷涌現(xiàn)，特別是表面貼裝技術(shù)(SMT)的廣泛應(yīng)用，都對(duì)PCB 組件提出了更高的挑戰(zhàn)。

對(duì)航空電子設(shè)備而言，振動(dòng)和沖擊引起的故障會(huì)大大降低其可靠性，產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果。有關(guān)文獻(xiàn)顯示，航空電子產(chǎn)品因振動(dòng)、沖擊動(dòng)力學(xué)環(huán)境所引起的失效率占總失效率的28.7%。在對(duì)航電設(shè)備進(jìn)行的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，PCB 也時(shí)常有發(fā)生。通過(guò)對(duì)PCB 組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、設(shè)計(jì)可以有效地降低其在環(huán)境試驗(yàn)中出現(xiàn)故障概率，提高航電產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。

動(dòng)力學(xué)分析是以動(dòng)態(tài)特性分析為基礎(chǔ)的。通過(guò)對(duì)PCB 組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析可以建立其動(dòng)力學(xué)模型。只有建立起準(zhǔn)確地動(dòng)力學(xué)模型才可以對(duì)起進(jìn)行有效地動(dòng)力學(xué)分析。為此，本文試圖采用有限元分析(FEA)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(EMA)相結(jié)合的預(yù)試驗(yàn)分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行某航電設(shè)備PCB 組件(圖1 所示)的動(dòng)態(tài)特性分析，并建立了該P(yáng)CB 組件的有限元?jiǎng)恿W(xué)分析模型。

1 有限元模態(tài)分析

作為一種成熟的數(shù)值分析技術(shù)，有限元分析技術(shù)(FEA)被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備PCB 組件的動(dòng)態(tài)特性分析。并且，F(xiàn)EA 可以幫助工程師設(shè)計(jì)更可靠的PCB 組件，通過(guò)設(shè)計(jì)之初預(yù)測(cè)潛在的失效和疲勞。本文以某航空電子設(shè)備的PCB 組件(圖1)為研究對(duì)象，其外形尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為133.5mm×79mm×1.8mm，通過(guò)PCB 四個(gè)角處螺釘固定在電子設(shè)備的機(jī)殼上。該P(yáng)CB 組件的外形尺寸和固定方式均與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)PCB 相似，只是厚度大了一些。元器件和接插件采用表面貼裝技術(shù)(SMT)與PCB 組裝，其中元器件的封裝主要為BGA、QFP 和SOP。

圖1 對(duì)象PCB 組件

1.1 有限元分析模型

組成對(duì)象PCB 組件的各個(gè)部分的材料物理性能參數(shù)如表1 所示。根據(jù)該P(yáng)CB 組件幾何尺寸信息和相關(guān)材料信息，在ANSYS 中建立了有限元分析模型(圖2)。由于要得到的是PCB組件整體所表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)，而不是元器件本身的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，因此建立模型時(shí)，對(duì)元器件和接插件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。具體地，采用矩形和正方形塊來(lái)模擬元器件，接插件采用其大致外形來(lái)模擬。有限元分析模型中各部位均采用三維實(shí)體單元(SOLID187)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分(采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，雖然一定程度上增大了計(jì)算量，但是從CAD 到CAE 的模型的工作量大大減少，有利于工程應(yīng)用推廣)，并且元器件與PCB、接插件與PCB 之間的連接均采用多點(diǎn)約束(MPC)來(lái)模擬。同時(shí)，由于電子機(jī)殼的剛度遠(yuǎn)大于PCB 組件的剛度，在有限元模型中在四個(gè)角處的螺釘孔處施加固定支撐約束來(lái)模擬該P(yáng)CB 組件與設(shè)備機(jī)殼的螺釘連接。

表1 對(duì)象PCB 各組成部分材料的物性參數(shù)

圖2 對(duì)象PCB 組件的有限元模型