基于元器件級電子設備抗振加固設計研究

摘 要：文章從電子設備力學可靠性角度出發，以某印制板電路板組件為對象，通過比較兩種抗振措施的有效性，展開面向基于元器件級的抗振設計研究。結果表明，在隨機振動條件下，阻尼減振方案更為有效，可有效改善元器件的力學工作環境。

關鍵詞：元器件；電子設備；抗振加固；設計

1 引言

為確保電子設備的可靠性，在進行力學環境試驗前，一般應用有限元仿真手段對結構進行設計驗證。通過有限元分析驗證的電子設備，其結構及PCB在環境試驗驗證一般均不會出現強度破壞及剛度不夠等問題。振動試驗表明當前最易出現問題的是設備中的電子元器件。如DIP雙列直插式封裝、BGA球陣列封裝、鉭電容器件管腳由于疲勞而斷裂、焊點脫落等[1]。綜合考慮振動失效模式和產品特點、可靠性和成本等因素，電子設備中往往采用振動被動控制技術。其應用的振動控制的主要技術有隔振、去諧與去耦、反共振減振、結構剛化設計等[2]。而隨著新型粘彈性（寬溫域、寬頻段、高阻尼）材料的研制成功，用粘彈性高阻尼材料制成的高阻尼減振器在電子設備上廣泛使用[3]。

文章將以某印制板組件為對象提出減振措施，從結構剛化設計和阻尼減振兩個方面提出兩個抗振加固方案；通過力學實驗比較措施的有效性，驗證器件級抗振加固的效果，以達到元器件在電子設備中能夠得到可靠應用的目的。

2 研究對象介紹

某印制板組件經簡化后，由鋁合金框架、印制板以及4個螺裝器件組成，如圖1。各零件之間連接均為螺釘緊固連接，印制板的外形尺寸為237mm×160mm×2mm。

圖1 印制板組件示意圖

2.1 方案一（結構剛化設計方案）

結構剛化設計，是通過提高結構剛度，達到提高設備諧振頻率和提高機械強度的目的。方案一通過改變原有鋁合金框架樣式，將螺裝器件從原有的安裝在印制電路板上改為安裝在鋁合金框架上，實現提高結構剛度的目的。

圖2 結構剛化設計組件示意圖

2.2 方案二（阻尼減振設計方案）

T型阻尼減振器結構簡單、使用方便，已廣泛應用于多種設備中。方案二將螺裝器件加裝該減振系統后固定在印制板上，詳圖3。其中阻尼減振器主體部分選用某系列粘彈性阻尼材料制成。該材料是一種高分子聚合物，既有彈性固體性質，又表現出粘性流體特性。由于粘彈性材料兼具二者特性，在力的往復作用下既可以儲存能量又可以耗散能量，起到阻尼減振的作用[4]。

3 減振措施有效性研究

3.1 隨機振動試驗

測點位置的確定及傳感器的安裝：將各方案中螺裝器件頂面中心位置和印制板上表面中心位置定義為測點，并在每個測點安裝一個加速度傳感器，用于測量該點的加速度響應，如圖4所示。對三種印制板組件方案進行相同條件的隨機振動試驗，得到頻響曲線如圖5。

圖4 測點安裝示意圖及實物圖

圖5 螺裝器件測點頻響曲線圖

圖6 PCB中心區域測點頻響曲線圖

3.2 實驗結果分析

通過綜合分析頻響曲線和響應數據，可以得到以下結論：

表1 試驗數據統計

3.2.1 從表1可以看出方案二與原方案組件的諧振頻率相同，均在118Hz附近，方案一的的諧振頻率在在178Hz附近，這說改變鋁合金框架樣式對于提高組件諧振頻率比較明顯。而方案二采取的阻尼減振結構措施，僅在螺裝器件處88Hz有尖峰出現，但響應峰值仍在118Hz處，并未影響整個組件的固有頻率。

3.2.2 與原方案相比，方案一器件處均方根加速度降低8%，功率譜密度降低16.4%；PCB中心區域均方根加速度提高了25.4%，功率譜密度峰值降低9.9%。方案二器件處均方根加速度降低73.5%，功率譜密度降低80.1%；PCB中心區域均方根加速度提高了6.5%，功率譜密度降低41.3%。

4 結束語

綜上所述，結構剛性化設計能夠提高一階諧振頻率以及響應峰值下降，對于器件處抗振加固能夠起到一定作用。但在寬帶隨機振動中，其它頻段響應卻因為結構動態特性變化而升高，因此整體效果并不明顯。而采用阻尼結構抗振加固措施，器件處均方根加速度下降明顯，其對功率譜密度峰值也起到了抑制作用，尤其是對高頻部分作用非常明顯。因此阻尼減振方案可以作為更為有效的抗振加固措施，提高電子設備中元器件及其組件的抗振性能。

參考文獻

[1]葉松林.航天計算機的振動分析與減振技術研究[D].西安電子科技大學.

[2]張天琳.電子設備硬振設計的模態與分析成都電子科技大學碩士論文2007.

[3]李曉顏，等.某電子設備的阻尼減振設計[J].宇航材料工藝，2013年第1期.

[4]于國榮，等.粘彈性耗能材料的動態力學特性研究[J].山西建筑，2008.

作者簡介：于方（1979，10-），男，高級工程師，星上電子設備結構設計和可靠性分析。