基于元器件级电子设备抗振加固设计研究

摘 要：文章从电子设备力学可靠性角度出发，以某印制板电路板组件为对象，通过比较两种抗振措施的有效性，展开面向基于元器件级的抗振设计研究。结果表明，在随机振动条件下，阻尼减振方案更为有效，可有效改善元器件的力学工作环境。

关键词：元器件；电子设备；抗振加固；设计

1 引言

为确保电子设备的可靠性，在进行力学环境试验前，一般应用有限元仿真手段对结构进行设计验证。通过有限元分析验证的电子设备，其结构及PCB在环境试验验证一般均不会出现强度破坏及刚度不够等问题。振动试验表明当前最易出现问题的是设备中的电子元器件。如DIP双列直插式封装、BGA球阵列封装、钽电容器件管脚由于疲劳而断裂、焊点脱落等[1]。综合考虑振动失效模式和产品特点、可靠性和成本等因素，电子设备中往往采用振动被动控制技术。其应用的振动控制的主要技术有隔振、去谐与去耦、反共振减振、结构刚化设计等[2]。而随着新型粘弹性（宽温域、宽频段、高阻尼）材料的研制成功，用粘弹性高阻尼材料制成的高阻尼减振器在电子设备上广泛使用[3]。

文章将以某印制板组件为对象提出减振措施，从结构刚化设计和阻尼减振两个方面提出两个抗振加固方案；通过力学实验比较措施的有效性，验证器件级抗振加固的效果，以达到元器件在电子设备中能够得到可靠应用的目的。

2 研究对象介绍

某印制板组件经简化后，由铝合金框架、印制板以及4个螺装器件组成，如图1。各零件之间连接均为螺钉紧固连接，印制板的外形尺寸为237mm×160mm×2mm。

图1 印制板组件示意图

2.1 方案一（结构刚化设计方案）

结构刚化设计，是通过提高结构刚度，达到提高设备谐振频率和提高机械强度的目的。方案一通过改变原有铝合金框架样式，将螺装器件从原有的安装在印制电路板上改为安装在铝合金框架上，实现提高结构刚度的目的。

图2 结构刚化设计组件示意图

2.2 方案二（阻尼减振设计方案）

T型阻尼减振器结构简单、使用方便，已广泛应用于多种设备中。方案二将螺装器件加装该减振系统后固定在印制板上，详图3。其中阻尼减振器主体部分选用某系列粘弹性阻尼材料制成。该材料是一种高分子聚合物，既有弹性固体性质，又表现出粘性流体特性。由于粘弹性材料兼具二者特性，在力的往复作用下既可以储存能量又可以耗散能量，起到阻尼减振的作用[4]。

3 减振措施有效性研究

3.1 随机振动试验

测点位置的确定及传感器的安装：将各方案中螺装器件顶面中心位置和印制板上表面中心位置定义为测点，并在每个测点安装一个加速度传感器，用于测量该点的加速度响应，如图4所示。对三种印制板组件方案进行相同条件的随机振动试验，得到频响曲线如图5。

图4 测点安装示意图及实物图

图5 螺装器件测点频响曲线图

图6 PCB中心区域测点频响曲线图

3.2 实验结果分析

通过综合分析频响曲线和响应数据，可以得到以下结论：

表1 试验数据统计

3.2.1 从表1可以看出方案二与原方案组件的谐振频率相同，均在118Hz附近，方案一的的谐振频率在在178Hz附近，这说改变铝合金框架样式对于提高组件谐振频率比较明显。而方案二采取的阻尼减振结构措施，仅在螺装器件处88Hz有尖峰出现，但响应峰值仍在118Hz处，并未影响整个组件的固有频率。

3.2.2 与原方案相比，方案一器件处均方根加速度降低8%，功率谱密度降低16.4%；PCB中心区域均方根加速度提高了25.4%，功率谱密度峰值降低9.9%。方案二器件处均方根加速度降低73.5%，功率谱密度降低80.1%；PCB中心区域均方根加速度提高了6.5%，功率谱密度降低41.3%。

4 结束语

综上所述，结构刚性化设计能够提高一阶谐振频率以及响应峰值下降，对于器件处抗振加固能够起到一定作用。但在宽带随机振动中，其它频段响应却因为结构动态特性变化而升高，因此整体效果并不明显。而采用阻尼结构抗振加固措施，器件处均方根加速度下降明显，其对功率谱密度峰值也起到了抑制作用，尤其是对高频部分作用非常明显。因此阻尼减振方案可以作为更为有效的抗振加固措施，提高电子设备中元器件及其组件的抗振性能。

参考文献

[1]叶松林.航天计算机的振动分析与减振技术研究[D].西安电子科技大学.

[2]张天琳.电子设备硬振设计的模态与分析成都电子科技大学硕士论文2007.

[3]李晓颜，等.某电子设备的阻尼减振设计[J].宇航材料工艺，2013年第1期.

[4]于国荣，等.粘弹性耗能材料的动态力学特性研究[J].山西建筑，2008.

作者简介：于方（1979，10-），男，高级工程师，星上电子设备结构设计和可靠性分析。