印制电路板及元器件引脚振动分析

2020-06-21刘昌儒毛阿龙

机电工程技术 2020年5期

刘昌儒，于鹏，贺帅，毛阿龙，李博

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

目前航天产品中，有大量复杂的电子系统，印制电路板上元器件数量多，连接方式复杂，在航天产品发射升空过程中，由于发动机工作、发动机级间分离与POGO效应等原因，航天产品会发生不可避免的振动[1]。因此航天产品发射升空前，都需要进行振动试验，通过地面的振动试验考核航天产品是否能经受发射时的振动[2]。

当电子产品处于在振动环境中时，由于固定方式、产品质量、电子产品在整机产品上的位置等因素，会导致作用在电路板上的振动量级放大，超出元器件能承受的振动量级，引起元器件引脚与焊盘断裂，最终导致产品故障[3]。因此对印制电路板元器件进行分析就显得尤为必要[4-5]。

在印制电路板的常规分析中，元器件一般作为附加质量固定在电路板上[6]。国内外对于元器件固定在电路板上的电装工艺有相应的指标规范[7]，但由于产品振动环境、量级的不同，某型号产品在随机振动过程中发生过引脚断裂的情况。因此也有必要对元器件引脚的连接强度进行分析。

本文根据某航天产品内部的印制电路板结构及元器件分布，对电路板及板上大质量元器件进行了建模，并模拟了FPGA元器件的引脚连接，使用MSC.Patran/Nastran软件进行了模态分析、正弦振动分析和随机振动分析，分析结果表明电路板及FPGA元器件引脚可以承受发射阶段的力学载荷。

1 模型构造

FPGA器件是电路板中质量及体积较大的元器件，且其安装位置靠近电路板中心，在振动中位移及应力响应大。FPGA器件质量为16 g，通过208个四周排布的引脚与电路板焊盘连接。引脚宽度0.21 mm，厚度0.16 mm，使用矩形梁单元进行建模，材料为可伐合金（FeNi29Go17），抗拉极限取585 MPa，图1所示为FPGA元器件引脚建模图。由于RBE2为刚性连接，在处理胶粘、焊接等不能视为完全刚性连接的模型时，使用节点耦合的方式，将引脚单元与电路板、FPGA单元连接。

图1 FPGA元器件引脚建模图

图2 印制电路板模型示意

印制电路板模型如图2所示，FPGA使用壳单元建模，由于芯片使用同一种塑料封装，对模型中所有芯片采用相同的材料参数，再修改材料密度让元器件达到真实质量。电路板基板使用壳单元建模，材料为酚醛。印制电路板及元器件总质量为250 g。模型材料如表1所示。

表1 电路板材料属性表

2 约束及加载方式

为了真实模拟电路板边界状态，模态分析时将电路板模型通过MPC固定在其所在产品安装架上，再对产品螺孔施加全约束，如图3所示。正弦、随机振动分析时加载使用大质量点法进行加载，激励从产品固定端输入。

图3 印制电路板约束示意

3 有限元分析

为确保航天产品能承受发射过程中的振动载荷，在发射前都会对其进行地面振动试验，包括正弦振动和随机振动试验，并在试验前进行相应的有限元分析[8]。例如分析航天产品的动态刚度与结构强度等。动态刚度主要指产品基频，结构强度主要指产品在正弦振动与随机振动时的加速度、应力、应变响应。

3.1 模态分析

对产品连接螺孔全约束。对工装进行模态分析，印制电路板在产品螺孔全约束下固有频率如表2所示，图4所示为1～6阶振型。电路板产品基频大于正弦振动试验范围，可以判断正弦振动时电路板组件不会发生共振。

表2 印制电路板固有频率表

表3 正弦振动试验条件

图4 1～6阶振型

图5 XYZ方向正弦振动响应图

图6 X、Y、Z方向随机振动RMS应力（3σ）云图

3.2 正弦、随机振动分析

利用MSC.patran/nastran中频率响应分析模块，使用模态叠加法，继承模态分析中模态求解数据。分别求解出X、Y、Z方向正弦振动条件下工装最大加速度和最大变形情况。鉴定级正弦振动条件如表3所示。

如图4所示，正弦振动分析时结构阻尼为0.03。振动条件为鉴定级。电路板一阶频率为231.89 Hz，超过了正弦振动载荷的频率范围，故不会发生共振，且阻尼对响应影响不明显。分析结果如图5所示。最大加速度响应发生在Z向正弦振动时，响应为23.4 g，放大倍数为1.3倍。最大应力响应同样发生在Z向正弦振动时，应力为72.1 MPa，不会导致结构破坏。

图5（a）为X向正弦振动100Hz时电路板加速度/应力云图，工装最大加速度为18g，无放大，FPGA引脚最大应力为2.8 MPa，小于材料屈服极限。图5（b）为Y向正弦振动100 Hz时电路板加速度/应力云图，工装最大加速度为18g，无放大，FPGA引脚最大应力为2.91 MPa。图5（c）为Z向正弦振动100 Hz时电路板加速度/应力云图，工装最大加速度为23.4g，无放大，FPGA引脚最大应力为72.1 MPa，小于材料屈服极限。

随机振动结构阻尼取0.03，随机振动条件如表4所示，随机振动峰值应力结果（3σ值）结果如表5所示。