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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

程诗叙  
【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。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。


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