航空电子设备PCB组件的动态分析

　　引言

　　航空电子设备在生产、运输和使用过程中不可避免地要受到振动和冲击的作用。这些振动和冲击的作用可能导致电子设备的多种形式的失效，甚至破坏。这些振动和冲击引起的电子设备的破坏螺钉与螺母松脱、机箱的变形、PCB 焊点断裂剥离、器件引脚断裂等。尤其是随着PCB 不断向高精度、高密度、小间距、多层化、高速传输方向发展和大规模集成电路（VLSI）的飞速发展，它的功能更全、体积更小，封装引脚更多、更密的IC 和SOIC 不断涌现，特别是表面贴装技术（SMT）的广泛应用，都对PCB 组件提出了更高的挑战。

　　对航空电子设备而言，振动和冲击引起的故障会大大降低其可靠性，产生极其严重的后果。有关文献显示，航空电子产品因振动、冲击动力学环境所引起的失效率占总失效率的28.7%。在对航电设备进行的振动环境试验中，PCB 也时常有发生。通过对PCB 组件进行动力学分析、设计可以有效地降低其在环境试验中出现故障概率，提高航电产品的可靠性和质量。

　　动力学分析是以动态特性分析为基础的。通过对PCB 组件进行动态特性分析可以建立其动力学模型。只有建立起准确地动力学模型才可以对起进行有效地动力学分析。为此，本文试图采用有限元分析（FEA）与实验模态分析（EMA）相结合的预试验分析技术来进行某航电设备PCB 组件（图1 所示）的动态特性分析，并建立了该PCB 组件的有限元动力学分析模型。

　　1 有限元模态分析

　　作为一种成熟的数值分析技术，有限元分析技术（FEA）被广泛应用于电子设备PCB 组件的动态特性分析。并且，FEA 可以帮助工程师设计更可靠的PCB 组件，通过设计之初预测潜在的失效和疲劳。本文以某航空电子设备的PCB 组件（图1）为研究对象，其外形尺寸（长×宽×厚）为133.5mm×79mm×1.8mm，通过PCB 四个角处螺钉固定在电子设备的机壳上。该PCB 组件的外形尺寸和固定方式均与规定的标准试验PCB 相似，只是厚度大了一些。元器件和接插件采用表面贴装技术（SMT）与PCB 组装，其中元器件的封装主要为BGA、QFP 和SOP。

　　图1 对象PCB 组件

　　1.1 有限元分析模型

　　组成对象PCB 组件的各个部分的材料物理性能参数如表1 所示。根据该PCB 组件几何尺寸信息和相关材料信息，在ANSYS 中建立了有限元分析模型（图2）。由于要得到的是PCB组件整体所表现出的动态性能数据，而不是元器件本身的细节数据，因此建立模型时，对元器件和接插件进行了简化。具体地，采用矩形和正方形块来模拟元器件，接插件采用其大致外形来模拟。有限元分析模型中各部位均采用三维实体单元（SOLID187）来进行网格划分（采用实体单元进行网格划分，虽然一定程度上增大了计算量，但是从CAD 到CAE 的模型的工作量大大减少，有利于工程应用推广），并且元器件与PCB、接插件与PCB 之间的连接均采用多点约束（MPC）来模拟。同时，由于电子机壳的刚度远大于PCB 组件的刚度，在有限元模型中在四个角处的螺钉孔处施加固定支撑约束来模拟该PCB 组件与设备机壳的螺钉连接。

　　表1 对象PCB 各组成部分材料的物性参数

　　图2 对象PCB 组件的有限元模型

　　1.2 有限元模态分析结果

　　建立起对象PCB 组件的有限元模型，并采用兰索斯分块法（Block Lanczos Method）进行模态分析。模态分析就是通过求解系统的特征方程，一般多自由度系统的特征方程可以成式（1）所示的形式，来得到系统的特征值和特征向量，亦即振动系统固有频率和振型。

　　式中，［M］－系统的质量矩阵，有限元模态分析中由单元质量矩阵组装而成；［K］－系统的刚度矩阵，有限元模态分析中由单元刚度矩阵组装而成；{X}—系统的位移向量；ω－系统的特征值。

　　通过模态分析，得到了采用四颗螺钉固定的对象PCB 组件的前三阶固有频率和振型，具体见表2。该PCB 组件的第1 阶振型为一阶弯曲，第2 阶振型为扭转，第3 阶振型为正弦波状弯曲。这些振型与得到的四颗螺钉固定下JEDEC 标准板相似。

　　表2 有限元模态分析结果

　　图3 PCB 组件第1 阶振型（FEA）

　　图4 PCB 组件第2 阶振型（FEA）

　　图5 PCB 组件第3 阶振型（FEA）

　　2 实验模态分析

　　实验模态分析是若干工程学科的综合，它通过建立试验“装置”、估计频响函数、系统识别、识别结果验证4 个步骤得到系统的模态参数：固有频率、振型、模态阻尼等。实验模态分析的结果经常被用来检验有限元分析模型的有效性和正确性。为了检验本文所建立的对象 PCB 组件的有限元分析模型的有效性和模态分析结果的正确性，对该PCB 组件进行了实验模态分析。