电路板工装结构设计及其振动传递特性研究

孟金玲，赵宏达*

（1. 华中光电技术研究所； 2. 武汉光电国家研究中心：武汉 430223）

0 引言

为了发现和剔除制造过程中不良元器件和工艺缺陷等早期故障，印制电路板（PCB）在研制过程中需要进行环境应力筛选试验。有关统计资料表明，随机振动作为环境应力筛选试验的重要内容，可暴露近90%早期制造缺陷。振动工装作为连接振动台与电路板的中间部件，其振动传递特性会对电路板安装部位振动环境产生直接影响，严重时造成“欠试验”或“过试验”等后果。因此，开展电路板振动工装设计及振动传递特性研究对提高环境应力筛选试验的有效性具有重要意义。

随着对产品工装认识的不断深入，近年来许多学者和工程技术人员都对结构工装开展了相关研究。邓传锦等对振动夹具的主要设计原则及夹具性能的测试方法进行了综述。高喆等设计了机载光电吊舱垂向振动工装，并通过仿真分析和振动试验对其动力学特性进行了验证。刘晓晨等针对固体火箭发动机振动夹具进行结构设计，应用有限元开展了模态分析和随机振动仿真分析并通过垂向振动试验验证了工装设计的有效性。顾松年等研究了不同动力学特性的夹具对振动试验的影响，提出了试验中采用弹性夹具的必要性。石蒙等充分考虑了产品和工装的耦合影响，建立了产品和工装的整体动力学模型并对工装进行了动力学优化设计研究。此外，也有对特定工装结构进行设计与分析。但是，目前对于工装的设计及研究大都针对整机产品，而对于电路板级的振动工装研究仍然很少见诸报道。

相比传统的经验设计方法，本文以电路板尺寸、固有频率和筛选效率为约束条件对电路板工装设计方法及动力学测试进行研究。首先针对电路板环境应力筛选试验要求进行振动工装结构设计与优化，通过模态测试验证工装刚性设计的有效性。然后综合研究装夹、传感器布置等对工装上电路板安装位置振动效果的影响并固化测试方案。最终基于研究结果开展某型电路板的振动应力筛选试验。

1 工装随机振动分析基本原理

电路板工装随机振动等效为多自由度系统受到已知加速度基础激励¨时系统动力学响应。此时模型动力学控制方程表示为

式中：为激励圆频率；为质量归一化的第阶模态振型向量；γ为第阶模态振型参与系数；H()为频率响应函数，

工程中产品随机振动环境应力筛选输入谱已由相关标准给出，因此工装结构功率谱密度响应及均方根值仅与工装固有频率和阻尼比等参数相关，即由结构本身动力学特性决定。

2 电路板振动工装结构设计及验证

2.1 振动工装结构设计方法

电路板工装设计要求包括质量要求、刚度特性及试验效率要求。电路板振动工装设计及优化流程如图1 所示。首先，由待测电路板尺寸和单次电路板测试数量分别确定工装的长、宽和高等参数，从而确定工装结构外形。然后对初始工装结构开展模态分析并判断其基频及质量设计等是否满足要求，若不满足则需要根据模态振型对工装高度进行调整或优化局部结构设计，如减少单次测试数量、增加/调整侧壁加强筋以及局部减重等直至满足要求。最后则根据工装设计及优化结果利用机加工艺成型并开展模态测试，根据一阶固有频率对工装结构刚度特性进行验证，若不满足要求则需要重新迭代设计直至满足刚度以及质量设计要求。

图1 电路板工装设计优化流程Fig. 1 Flowchart for the design and optimization of PCB fixture

2.2 振动工装结构设计优化

根据待测电路板的外形尺寸及单次筛选数量确定振动工装初始结构如图2 所示。与振动台推力相比，电路板工装质量通常较小，对振动台推力影响可忽略不计，因此暂不考虑工装质量要求。

图2 电路板筛选工装初始结构Fig. 2 Initial structure of the vibration fixture for PCB

GJB 1032A《电子产品环境应力筛选方法》对电子产品应力筛选试验所采用的工装刚度特性提出明确要求，即工装在试验规定频率上限2000 Hz内不应有共振频率存在。本文结合试验效率要求，单次电路板筛选数量不少于2 块。基于ANSYS Workbench 协同仿真平台对所设计工装的结构开展动力学模态分析，结果如图3 所示，可见筛选工装一阶固有频率为1788 Hz，低于随机振动筛选试验频段上限2000 Hz，工装需进一步优化。

图3 工装结构一阶模态Fig. 3 The first modal shape of the fixture

根据工装初始结构一阶模态振型可知侧壁为薄弱部位，因此从侧壁高度、厚度及加强筋等方面进行结构优化，如图4 所示。分别对优化后工装结构2、结构3 进行模态分析，获得其前三阶固有频率并与原结构固有频率对比，结果如图5 所示。分析可知：结构2 一阶固有频率为2518 Hz，较结构1提高了41%，已超过分析频率范围上限2000 Hz，理论上不会出现共振峰。但考虑到仿真模型中理想刚性约束与实际工程中的弹性约束存在差异，会使得仿真模型的一阶固有频率偏高，因此，在结构2模型侧壁外围设计加强筋并降低侧壁高度后得到结构3。结构3 一阶固有频率为4577 Hz，远高于分析频段范围上限且满足单次试验完成不少于2 块电路板筛选的要求。结构3 前三阶模态振型如图6所示。将结构3 工装确定为最终优化方案并开展进一步分析与测试。

图4 设计工装结构优化过程Fig. 4 The optimization process for fixture structure

图5 不同结构方案筛选工装前三阶固有频率Fig. 5 The first three natural frequencies of different structures of the fixture

图6 结构3 前三阶模态振型仿真结果Fig. 6 FEM results of the first three modal shapes of structure III

2.3 振动工装模态测试验证

为了验证工装的频率特性及仿真结果的准确性，基于LMS 动态测试系统对工装开展锤击法模态测试（如图7 所示）：工装通过若干压块与振动台紧密接触近似模拟仿真分析固支边界条件；在工装结构7 个位置布置三轴加速度传感器；分析带宽设置为0～6000 Hz，采样频率1.25 Hz。

图7 有约束工装模态测试Fig. 7 Modal test of the fixture with constraints

工装模态测试所得测点综合频响曲线如图8所示。采用Poly Max 工具对模态频率参数进行辨识可得压块约束下工装前三阶固有频率分别为4436 Hz、5093 Hz 和5573 Hz。工装结构模态测试前三阶模态振型如图9 所示，可以看出：工装结构前三阶模态振型分别为侧壁同向弯曲、侧壁反向弯曲、后壁弯曲，与图6 中仿真结果一致。此外，综合频响曲线在1000～3000 Hz 频段存在一些局部极点，分析其原因是由于固定工装的9 个压块在高频激励下引起的局部约束模态。前三阶固有频率的测试与仿真结果对比如表1 所示，可见误差均小于5%，两者基本吻合。综上，所设计工装满足GJB 1032A 对振动夹具固有频率的要求，可以用于电路板随机振动测试。

图8 测点综合频响函数曲线Fig. 8 Synthetic frequency response curve at the measurement points

图9 工装前三阶模态振型测试结果Fig. 9 The first three modal shapes of the fixture in modal testing

表1 工装固有频率仿真分析与试验测试对比Table 1 Comparison of natural frequencies between simulation result and test result

3 应力筛选测试方案研究

在电路板应力筛选随机振动试验中，由于受到振动台一致性、压块数量及预紧力、传感器灵敏度误差等多种因素影响，有时即使工装刚度特性满足要求，也会出现振动工装电路板安装位置振动环境与试验条件不一致的情形。因此，需要对工装固定位置、装夹方式和传感器布置等开展研究，使得振动工装电路板安装部位的振动特性满足GJB 1032A有关要求。

通过调整工装固定位置、传感器布置及压块数量等分别开展工装3 个方向的随机振动试验。试验中采用3 个传感器信号作为控制信号进行多点平均控制。GJB 1032A 中对控制点位置、控制谱允差等均提出了具体要求，其中指出：控制点应布置于工装上最接近产品（电路板）的刚度最大的部位。通过反复调试使得控制点的响应曲线在指定误差范围，最终固化工装水平向振动试验方案如图10(a)所示。试验测试中3 个控制点加速度功率谱密度曲线及均方根值分别如图10(b)和表2 所示。

表2 控制点加速度均方根值及误差Table 2 RMS values and errors of accelerations at control points

图10 工装水平z 向振动测试结果Fig. 10 Vibration test of the fixture and the results in z direction (horizontal)

从图10 可以看出：控制点谱线在1000 Hz 以内频段与标准谱基本重合，振动传递特性优良；在1000～2000 Hz 频段由于压块弹性约束引起的局部模态对工装振动传递特性产生影响，造成该频段范围内控制点谱与标准谱相比存在一定波动，但控制谱仍位于标准谱±6 dB 容差范围；加速度均方根值允差均小于1.5 dB。分析表明图示工装状态下振动特性满足GJB 1032A 对工装夹具有关要求，可以进行电路板振动应力筛选试验。

同理，开展工装在水平向及垂向向振动试验。通过调整工装固定位置、传感器布置及夹块数量等并进行试验最终固化工装向及向振动试验方案，分别如图11(a)、(b)所示；控制点功率谱密度曲线及加速度均方根值分别如图11(c)、(d)以及表2 所示。与向测试结果类似，由于受到压块弹性约束影响，控制点谱线在高频部分出现波动，局部频段较标准谱超出±6 dB 容差范围但小于-9 dB且超出部分最大带宽小于300 Hz；加速度均方根值最大为0.84 dB，小于1.5 dB 允差。这表明图示工装状态下在向及向振动特性均满足GJB 1032A有关要求。

图11 工装y 向、x 向振动测试及其结果Fig. 11 Vibration test of the fixture and its results in y &x directions

综上所述，通过合理调整工装的安装位置、装夹方式和传感器布置等可在、和三个方向同时满足GJB 1032A 针对振动夹具的有关要求，实现电路板在3 个正交方向的振动应力筛选。

4 电路板环境应力筛选试验控制信号测试

对某型电路板进行3 个正交方向环境应力筛选试验，工装安装位置、装夹方式、传感器布置及控制方式等均与上述单独工装测试保持一致。由于电路板质量远小于工装质量，试验中控制信号与工装单独测试曲线基本吻合。这表明工装在3 个方向同时具有良好振动传递特性，固化的测试方案合理有效。

5 结束语

本文针对电路板环境应力筛选试验提出了一种以电路板尺寸、筛选效率以及固有频率为约束的工装设计方法。以某型电路板为例进行了工装设计并测得工装约束模态一阶固有频率为4436 Hz，满足在试验频段范围内无共振频率要求。通过联合多压块约束、多点平均控制以及调整传感器布局等方案，所设计工装可实现良好振动传递特性，满足3 个正交方向应力筛选要求的同时兼顾了试验效率。采用该设计工装及固化方案进行了某型电路板环境应力筛选试验，保证了试验有效性。同时也注意到：工装压块约束与理想固支约束存在差异，会对高频部分振动传递特性产生影响。因此拟进一步研究工装刚性约束方法以优化工装振动传递特性。