針對(duì)某車(chē)型門(mén)窗控制器的PCBA，提出了一種有限元分析中PCBA簡(jiǎn)化建模方法。通過(guò)對(duì)PCBA有限元仿真模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該簡(jiǎn)化建模方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法的提出為后續(xù)對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品PCBA進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析提供了可靠地分析依據(jù)。

前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)電子產(chǎn)品的可靠性越來(lái)越引起人們的重視，汽車(chē)電子產(chǎn)品的可靠性對(duì)行人和車(chē)輛的舒適性及安全性是至關(guān)重要的。印刷電路板組件(PCBA：Printed Circuit Broad Assembly)是汽車(chē)電子產(chǎn)品的核心，其可靠性也是汽車(chē)電子產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。

準(zhǔn)確的有限元分析結(jié)果能提前預(yù)知PCBA在后期試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。PCBA由PCB、電阻、繼電器、天線、芯片等零件組成。芯片、電容、繼電器等器件的PIN和焊點(diǎn)十分微小，數(shù)量多，體積小，在有限元仿真分析前處理階段建模費(fèi)時(shí)，計(jì)算過(guò)程中消耗過(guò)多計(jì)算資源。如何準(zhǔn)確、高效地建立PCBA的有限元模型，是得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵。

本文基于某車(chē)型門(mén)窗控制器(DCM：Door Control Module)的PCBA提出一種有限元分析中PCBA的簡(jiǎn)化建模方法，并進(jìn)行有限元仿真模態(tài)分析。通過(guò)仿真模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證所提出的簡(jiǎn)化建模方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 有限元分析

1.1 模型概況

DCM的PCBA包括：PCB、接插件、大天線、小天線、繼電器、電容、芯片、電阻等，器件總體數(shù)量約180個(gè)，如圖1所示。其中電阻數(shù)量大于100個(gè)且體積小、質(zhì)量小。

圖1：某車(chē)型DCM的PCBA

1.2 模型簡(jiǎn)化

1.2.1 邊界條件簡(jiǎn)化

PCB和器件之間通過(guò)表面貼裝技術(shù)(SMT：Surface Mounted Technology)與PCB焊接，焊點(diǎn)的焊錫、PCB上的器件都對(duì)PCBA的剛度產(chǎn)生了一定影響。器件單個(gè)管腳(PIN)和焊錫的體積和質(zhì)量相對(duì)于PCBA很小。在有限元仿真分析中，若建立PIN和焊錫的有限元模型，焊錫的體積難確定且PIN需要?jiǎng)澐址浅＜?xì)小的網(wǎng)格，這種建模過(guò)程復(fù)雜且運(yùn)算過(guò)程中將消耗大量計(jì)算資源。因此PCBA有限元建模時(shí)對(duì)器件的PIN和焊錫進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用面-面粘貼的方式將器件和PCB的接觸面進(jìn)行剛性連接。

1.2.2 電阻簡(jiǎn)化

PCB上的電阻數(shù)量多、體積小、質(zhì)量小。若在有限元分析中直接建立電阻的模型，則在模型前處理階段需要?jiǎng)澐趾芏嗉?xì)小的網(wǎng)格，計(jì)算過(guò)程中也將消耗過(guò)多的計(jì)算資源。若以將每個(gè)微小的電阻以一個(gè)集質(zhì)量點(diǎn)代替，將導(dǎo)致有限元模型前處理時(shí)間大大增加。

通過(guò)多次DCM控制器及與其類(lèi)似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品DV(Design Validation)試驗(yàn)觀察，微小的電阻在試驗(yàn)過(guò)程中很少出現(xiàn)由于振動(dòng)和沖擊問(wèn)題導(dǎo)致的失效，因此在建模過(guò)程中對(duì)體積較小的電阻進(jìn)行簡(jiǎn)化，不建立電阻的有限元模型，但考慮電阻對(duì)PCBA質(zhì)量和剛度的影響。通過(guò)調(diào)整PCB的密度和彈性模量以等效電阻被簡(jiǎn)化前的PCB。

1.2.3 簡(jiǎn)化后PCB材料參數(shù)調(diào)整

PCB和PCBA質(zhì)量如表1所示。

表1：PCB和PCBA質(zhì)量表

表中：PCB1為沒(méi)有經(jīng)過(guò)SMT的PCB;PCB2為帶有所有電阻和所有焊點(diǎn)焊錫的PCB。

由表1可知，電阻和焊錫的質(zhì)量2.90g約占PCBA總質(zhì)量的2.90%。若直接將電阻和焊錫的質(zhì)量刪除，在有限元分析中不予考慮是不妥的。因此將電阻和焊錫的質(zhì)量作為附加質(zhì)量計(jì)入PCB質(zhì)量中。

簡(jiǎn)化后有限元模型中PCB密度為

ρ=m/(V)= 2.592 e-3 g/mm3 (1)

式中：m為PCB2實(shí)測(cè)質(zhì)量;V 為PCB1的有限元模型體積。

模型簡(jiǎn)化前PCB的彈性模量E1=17000MPa，被簡(jiǎn)化的電阻和焊錫增強(qiáng)了PCB的剛度。模型簡(jiǎn)化后PCB彈性模量E2的值取19000MPa時(shí)，有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果前三階模態(tài)頻率相對(duì)誤差達(dá)到最小值。

1.3 單元類(lèi)型和材料參數(shù)

根據(jù)PCB的薄板類(lèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)幾種不同單元類(lèi)型的PCB有限元分析結(jié)果比較，最終PCBA的有限元分析模型選用一階六面體減縮積分加沙漏控制單元。

PCBA的有限元仿真分析模型如圖2所示。各零件材料參數(shù)和質(zhì)量如表2所示，PCBA的有限元模型質(zhì)量和實(shí)測(cè)質(zhì)量如表3所示。

圖2：PCBA有限元模型

表2：材料參數(shù)表

表3：PCBA質(zhì)量表

1.4 仿真分析

采用蘭索斯分塊法(Block Lanczos Method)進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析就是通過(guò)求解系統(tǒng)的特征方程，得到系統(tǒng)的特征值和特征向量，亦即振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率和振型。

一般多自由度系統(tǒng)的特征方程公式為

[K]{X}=ω2[M]{X} (2)

式中：[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣;{X}為系統(tǒng)的特征向量;ω為系統(tǒng)的特征值。

通過(guò)有限元分析軟件對(duì)PCBA有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，取前三階模態(tài)頻率和振型與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有限元分析前三階模態(tài)頻率如表4所示，前三階模態(tài)振型如圖8、圖9、圖10所示。

2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)PCBA的結(jié)構(gòu)特性，采用激光非接觸測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行PCBA模態(tài)試驗(yàn)，該系統(tǒng)由德國(guó)Polytec公司生產(chǎn)，包括計(jì)算機(jī)、激光頭、信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)采集箱等部分，其測(cè)量頻率范圍為0～200KHz，其最大的特點(diǎn)為非接觸掃描測(cè)試，掃描方式代替了多通道傳感器，較其它測(cè)試方式有較大的優(yōu)越性。

2.2 試驗(yàn)設(shè)置

測(cè)試開(kāi)始前先進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置：

1.邊界條件：試驗(yàn)采用剛度很小的線繩將PCBA懸掛起來(lái)，懸掛點(diǎn)位于試件一邊的兩個(gè)端點(diǎn)，模擬自由-自由狀態(tài)。

2.激勵(lì)方式：采用0～2000Hz正弦掃頻。

3.采樣頻率： 0～20kHz;激勵(lì)加Hanning窗;響應(yīng)加Hanning窗。

4.響應(yīng)測(cè)量：在Polytec軟件中將PCBA劃分為20塊，共30個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示綠色的點(diǎn)為激光測(cè)振系統(tǒng)中的激光測(cè)點(diǎn)。對(duì)激光掃描點(diǎn)進(jìn)行預(yù)設(shè)，并且將信號(hào)弱的掃描點(diǎn)粘貼反光薄膜。用激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量PCBA器件較少的面的速度響應(yīng)。

圖3：PCBA懸掛方式及測(cè)點(diǎn)圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

PCBA的激光非接觸模態(tài)測(cè)試輸入電壓如圖4所示。

圖4：PCBA激光非接觸模態(tài)測(cè)試輸入電壓

PCBA的激光非接觸模態(tài)測(cè)試速度響應(yīng)自譜如圖5所示。

圖5：PCBA激光非接觸模態(tài)測(cè)試響應(yīng)自譜

PCBA的激光非接觸模態(tài)測(cè)試頻響函數(shù)FRF如圖6所示。

圖6：PCBA激光非接觸模態(tài)測(cè)試頻響函數(shù)

激光非接觸模態(tài)測(cè)試得到PCBA前三階模態(tài)頻率和陣型如圖7所示。

圖7：激光非接觸測(cè)試PCBA前三階模態(tài)振型圖

3 仿真模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對(duì)比

3.1 仿真模態(tài)頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對(duì)比

對(duì)PCBA的仿真模態(tài)分析頻率和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析頻率進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4：仿真模態(tài)頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對(duì)比

3.2 仿真模態(tài)振型和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型比較

從仿真模態(tài)分析振型和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析振型比較結(jié)果可以看出，前三階模態(tài)振型一致，并按階次對(duì)應(yīng)良好，如圖8、圖9和圖10所示。

圖8：PCBA第一階仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比

圖9：PCBA第二階仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比

圖10：PCBA第三階仿真和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型對(duì)比

4 結(jié)論

有限元模型的簡(jiǎn)化是否合理、模型的參數(shù)是否準(zhǔn)確是有限元計(jì)算能否達(dá)到預(yù)期目的的前提和關(guān)鍵。本文提出的PCBA有限元建模方法將PCBA的電阻、PIN、焊點(diǎn)以及PCB內(nèi)部導(dǎo)線進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)調(diào)整PCB的密度和彈性模量以等效被簡(jiǎn)化的電阻、PIN和焊錫的質(zhì)量和剛度。器件和PCB通過(guò)面-面粘貼的方式進(jìn)行連接。PCB和器件采用一階六面體減縮積分加沙漏控制單元。通過(guò)進(jìn)行有限元仿真模態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的對(duì)比，前三階模態(tài)頻率相對(duì)誤差在4%以?xún)?nèi)，振型按階次對(duì)應(yīng)良好。