印制电路板与集成电路组件的模态分析及振动可靠性研究

摘要

电子产品的振动可靠性问题是目前国内外航空航天界非常关心和研究的重点之一.据统计,在导致机载电子设备故障中,振动因数已经占到27％,而印制电路板组件(PCBA)又是振动问题的核心.当前,在振动环境下,PCBA对振动的敏感性已经影响到整板的性能和系统的稳定性.模态分析技术是获得结构动态特性的重要手段,它起源于80年代初,经过20多年发展,至今已趋成熟.它和有限元分析技术一起,已成为结构动力学中两大支柱.目前这一技术已发展成为解决工程中振动问题的重要手段,在机械、航空、航天和电子等工程领域被广泛应用.结构动态特性包括各阶固有频率、主振型、阻尼比等,我们根据结构动态特性就可以对结构进行优化设计、故障诊断、可靠性分析与估计.本文从电路系统的角度,摈弃电子和机械工程的学科界限,结合现代模态分析技术对某卫星信号处理电路组件出现的振动可靠性问题进行研究.首先研究了适用于PCBA的有限元建模方法,据此建立了目标PCBA的有限元分析模型,应用大型工程分析软件ANSYS对它进行计算模态分析,得到的动态特性结果与最后的实验结果表明此建模方法是合理的.实验模态分析是精确获得结构动态特性的唯一方法,我们借助美国DP公司的动态信号分析仪对目标PCBA进行了实验模态分析,获得了包括固有频率、振型和阻尼等特性参数,为下一步的故障诊断、可靠性分析与估计、优化设计与结构动力修改打下基础.实验模态分析的同时研究了振动信号的分析与参数提取方法.根据前期获得结果,找到了目标PCBA的薄弱环节,提出改进抗振性措施,对它进行基于灵敏度分析的动力修改,并用Protel对电路板重新布板投产,模态分析表明,结果有很大改善,经第三次改进布板投产,抗振性得到较大提高,经严酷的扫频和随机振动实验,均一次通过,未出现改板前的各种故障,目前整机已通过验收并交付使用.我们以此为契机全面研究了PCBA的一般动态特性,提出PCBA的一些通用抗振设计原则,填补了国内空白,为电路设计师在前期PCB布局布线设计中考虑电路的抗振性问题提供了依据,从而为全面提高电路系统振动可靠性打下坚实基础.本文的一些结论也可以植入EDA软件的设计规则检查中,其方法对EDA软件的开发也有一定的参考意义和价值.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章引言

1.1课题背景

1.1.1传统电子设备抗振措施简介

1.1.2开展此课题研究的必要性说明

1.1.3国内外研究发展现状与对比

1.2本课题来源

1.3本课题主要内容及需要解决的问题

1.3.1课题主要内容

1.3.2需要解决的问题

1.3.3论文的主要工作及创新

第二章模态分析理论及目标PCBA简介

2.1模态分析概述

2.2实验模态分析基本理论

2.2.1实验模态分析理论基础

2.2.2实验模态分析测试方法理论基础

2.2.3实验模态分析的工程应用

2.3理论模态分析基本理论及解题步骤

2.3.1有限元基本理论

2.3.2有限元法进行理论模态分析的解题步骤

2.3.3有限元法在结构动力分析中的应用

2.3.4理论模态分析软件简介及本课题的选择

2.4目标PCBA简介

第三章目标PCBA的理论模态分析

3.1典型ANSYS分析过程

3.2建立目标PCBA的有限元模型及理论模态分析

3.2.1适用于PCBA的有限元建模方法探讨

3.3理论模态分析结果

3.4模态分析结果及目标PCBA存在问题的讨论

第四章目标PCBA的实验模态分析

4.1实验测试方法和测试设备

4.1.1实验测试方法

4.1.2测试系统组成和设备

4.1.3动态信号分析仪

4.1.4 ICP力锤

4.1.5加速度传感器

4.2模态参数识别技术

4.2.1模态参数识别技术简介

4.2.2实验模态分析参数识别技术探讨

4.3目标PCBA的实验模态分析

4.3.1目标PCBA网格划分

4.3.2传递函数获取

4.3.3数据分析与参数提取

4.3.4模态置信度(MAC)检查

4.3.5测试过程讨论及注意事项

4.4理论与实验模态分析结果对比及分析

第五章目标PCBA的结构动力修改

5.1原目标PCBA的动态特性及存在的缺陷

5.2基于灵敏度分析的动力修改方法探讨

5.2.1结构的灵敏度分析

5.2.2结构动力修改

5.3对PCBA第一次动力修改及其抗振效果

5.4对PCBA第二次动力修改及其抗振效果

第六章通用PCBA振动可靠性研究及抗振设计原则探讨

6.1基于模态分析的PCBA布局布线抗振设计

6.1.1理论依据

6.1.2芯片布局方案设计及计算模态分析

6.1.3结果分析

6.1.4印制电路板布线抗振性探讨

6.2预应力安装PCB抗振可靠性研究

6.2.1印制电路板预变形安装简介

6.2.2原理分析

6.2.3.结论

6.3超大规模集成电路(VLSI)振动可靠性研究

6.3.1翼型引脚的QFP封装芯片的振动可靠性研究

6.3.2 PBGA球珊阵列封装芯片振动可靠性研究

第七章结束语

参考文献

致谢

个人简历