Schwingungsanalyse von Leiterplatten mit Laservibrometrie
Leiterplatten (PCBs), die in der Raumfahrt, Verteidigung, Luftfahrt und im Transportwesen eingesetzt werden, dürfen im Betrieb keine Ausfälle tolerieren.
Vor dem Einsatz müssen diese Systeme Umweltqualifikationstests bestehen, einschließlich Vibration, Schock, thermische Zyklen, Strahlung, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Schutz vor Eindringen.
Bei Schwingungsprüfungen treten PCB-Fehler häufig auf aufgrund von:
– Risse in Lötstellen
– Ablösung von Komponenten
– Pad-Delamination
– Leiterbahnbrüche
Alle diese Fehler stehen im Zusammenhang mit dem dynamischen Verhalten unter Vibrationsbelastung und können eine ganze Mission oder ein System gefährden.
Um kompromisslose Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist es unerlässlich zu verstehen, wie sich Leiterplatten unter Last tatsächlich verformen und schwingen.
Standardwerkzeuge wie Beschleunigungsmesser liefern zwar die Gesamtbewegung der Platine, können aber die Vibration an einzelnen Komponenten, wo Fehler entstehen, nicht messen. Bestückte Leiterplatten sind keine einheitlichen, flachen Platten. Sie weisen komplexe Massen- und Steifigkeitsverteilungen auf, die durch Komponenten, Lötstellen und Kupferbahnen verursacht werden. Dies macht Modellierung und Simulation höchst unsicher. Ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) ermöglicht eine berührungslose Schwingungsmessung, aber herkömmliche Scanning-LDVs erfassen nur jeweils einen Punkt. Das bedeutet lange Erfassungszeiten, wiederholte Anregungen und das Risiko, lokalisierte Verhaltensweisen zu übersehen.Warum accelerometerbasierte PCB-Tests zu kurz greifen
Verwendung von Laservibrometrie und Laser-RADAR für PCB-Tests
Der Ansatz von Ommatidia verwendet massiv parallele Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV), basierend auf Laser-RADAR- und interferometrischen Messprinzipien, um Dutzende von Messpunkten gleichzeitig zu erfassen.
Diese Methode bietet:
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- Berührungslose Messung (keine Massenbelastung, keine Verkabelung)
- Hohe räumliche Auflösung über die Oberfläche der Leiterplatte
- Synchrone Daten über alle Punkte ohne Stitching oder wiederholte Sweeps
- Klare Visualisierung des Schwingungsverhaltens auf Komponentenebene
Es eignet sich besonders für Umgebungen, in denen Leiterplatten zufälligen Vibrationen, Sinusschwingungen, Startlasten, Waffenrückstoß, Hochgeschwindigkeitsbahndynamik oder Dauerermüdung standhalten müssen.
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Testaufbau: Leiterplatte unter Vibrationsanregung
Eine bestückte Leiterplatte wurde auf einem Linearschüttler montiert, wobei die Vibration senkrecht zur Ebene der Platine angelegt wurde. CB unter Test, aufgenommen mit der integrierten Q2-Kamera von Ommatidia. Die Punktreihe stellt die Positionen der 65 simultanen Messpunkte dar, die für die Schwingungserfassung verwendet wurden. Wichtige Setup-Parameter: Der Frequenzgang zeigte drei deutliche Resonanzspitzen bei etwa 150 Hz, 200 Hz und 250 Hz. Der Shaker wurde dann bei jeder Resonanzfrequenz einzeln angesteuert, um die Betriebsschwingformen zu erfassen.
Schwingungsmoden der Leiterplatte bei Anregung mit 150 Hz (links), 200 Hz (Mitte) und 250 Hz (rechts).
Wichtige Beobachtungen aus hochdichter Messung
Die Schwingungsmuster unterschieden sich erheblich von denen, die bei einer einfachen flachen Platte erwartet wurden.
Komponenten versteiften die umliegenden Bereiche, veränderten die lokalen Auslenkungsmuster, und Knotenlinien waren bei 150 Hz und 200 Hz deutlich sichtbar.
Beobachtung des Vorhandenseins von Knotenlinien bei 150 Hz und 200 Hz.
Dies bestätigt, dass die Komponentenplatzierung das Schwingungsverhalten direkt beeinflusst.
Komponenten, die in Regionen mit hoher Geschwindigkeit oder in der Nähe von Knotenlinien positioniert sind, sind einem höheren Risiko von Lötstellenermüdung, Pad-Delamination oder Brüchen während des Starts, des Fluges, des Transports oder bei Stößen ausgesetzt.
Obwohl diese Technik hochdichte Betriebsverformungsdaten liefert, handelt es sich noch nicht um eine vollständige experimentelle Modalanalyse.
Sie ermöglicht es Ingenieuren jedoch, frühzeitig im Konstruktions- und Qualifizierungsprozess zu sehen, wie sich echte Hardware unter Last verhält.
Warum dies für Raumfahrt, Verteidigung und Luftfahrt wichtig ist
Für Teams, die Raumfahrzeug-Avionik, Lenksysteme für Flugkörper, UAV-Elektronik, Eisenbahnsignaltechnik, Verteidigungsradarsysteme oder Flugsteuerungscomputer entwickeln, bietet dieser Ansatz konkrete Vorteile:
- Keine Beschleunigungsmesser erforderlich. Keine zusätzliche Masse, keine Verkabelung
- Quantitative Schwingungsdaten auf Komponentenebene
- Erkennung von ausfallgefährdeten Bereichen vor der Qualifikationsprüfung
- Bessere Korrelation zwischen Simulation und Hardwareverhalten
- Unterstützt die Optimierung des PCB-Layouts für raue Umgebungen
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Abschließende Gedanken
In schwingungskritischen Anwendungen ist es unerlässlich zu verstehen, wie sich eine Leiterplatte unter Anregung verformt.
Durch die Verwendung von massiv paralleler Laser-Doppler-Vibrometrie basierend auf Laser-RADAR und interferometrischer Messung können Ingenieure nun Schwingungsgeschwindigkeiten über Komponenten beobachten, nicht nur Bewegungen auf Platinenebene.
Diese hochdichten Schwingungsantwortdaten können als Grundlage für eine nachfolgende vollständige Modalanalyse mit einer Auflösung und Geschwindigkeit dienen, die die von traditionellen Werkzeugen übertreffen.
Zukünftige technische Hinweise werden vollständige Arbeitsabläufe zur Extraktion modaler Parameter demonstrieren.
Wenn Sie in der Raumfahrt, Verteidigung, im Transportwesen oder in der Luftfahrt tätig sind und diese Methode an Ihrer eigenen Hardware evaluieren möchten, kann das Team von Ommatidia Sie bei der Testeinrichtung und der Dateninterpretation unterstützen.
Besuchen Sie ommatidia-lidar.com oder senden Sie eine E-Mail an sales@ommatidia-lidar.com.
