Підвищення точності вібраційного аналізу друкованих плат бортової електроніки

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВІБРАЦІЙНОГО АНАЛІЗУ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ БОРТОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

IMPROVING THE ACCURACY OF THE VIBRATION ANALYSIS OF ON-BOARD ELECTRONICS PRINTED BOARDS

Сторінки: 301-306. Номер: №5, 2022 (313)   
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-313-5-301-306
Автори:
ГОРОШКО Андрій
Хмельницький національний університет
https://orcid.org/0000-0002-1386-2326
КОВТУН Ігор
Хмельницький національний університет
https://orcid.org/0000-0002-1430-6479
ЗЕМБИЦЬКА Марина
Хмельницький національний університет
https://orcid.org/0000-0002-6671-9937
e-mail: iftomm@ukr.net
GOROSHKO Andrii., KOVTUN Igor, ZEMBYTSKA Maryna
Khmelnytskyi National University

Анотація мовою оригіналу

Електронна апаратура літальних апаратів під час експлуатації піддається вібраціям з частотою 20-2000 Гц та віброприскоренням до 20g. Майже половина усіх відмов бортової апаратури спричинено негативним впливом вібрації. Для ефективного віброзахисту апаратури при її проектуванні здійснюють вібраційний аналіз, визнаючи резонансні режими. У роботі подано результати вібраційного аналізу відомими аналітичними методами, чисельними та експериментальними методами. Показано, що на точність визначення власних частот і форм коливань плати істотно впливають інерційні і пружно-демпфувальні характеристики компонентів плати, кріплень до корпусу і їх місце розташування. З метою підвищення точності вібраційного аналізу необхідно проводити попередній аналіз пружних і демпфувальних параметрів кріплення плати до корпусу та самого корпусу.
Ключові слова: друкована плата, пластина, вібрація, власні частоти, моделювання

Розширена анотація англійською  мовою

Electronic equipment of aircraft during operation is exposed to vibrations with a frequency of 20-2000 Hz and a vibration acceleration of up to 20g. Almost half of all failures of on-board equipment are caused by the negative impact of vibration. For effective vibration protection of the equipment during its design, a vibration analysis is carried out, recognizing resonance modes. The difficulty of modeling vibration processes in printed circuit boards lies in the deviation of calculated values of critical frequencies and values obtained experimentally with the help of shakers. The main reasons for this in the known analytical methods are the impossibility of fully accurate consideration of the concentrated masses and elastic-damping characteristics of individual electronic components of the board, its fasteners and device cases, which, in turn, leads to the appearance of coupled oscillations. The paper presents the results of vibration analysis by well-known analytical methods, numerical and experimental methods. It is shown that the accuracy of determining the natural frequencies and forms of board oscillations is significantly influenced by the geometric, inertial, and elastic-damping characteristics of the board components. The effectiveness of numerical modeling methods is demonstrated. When arranging massive components at the stage of designing the board, it is necessary to take into account that the natural frequency of the board depends on the position of its center of gravity and increases sharply when approaching the edge of the board. Boards with a small number of components have a lower critical frequency than their corresponding empty boards due to the increase in mass. Instead, boards densely filled with components have a higher natural frequency than empty boards due to increased stiffness. In order to increase the accuracy of the vibration analysis, it is necessary to conduct a preliminary analysis of the elastic and damping parameters of attaching the board to the case and the case itself.
Keywords: printed circuit board, plate, vibration, natural frequencies, modeling

References

1. Royzman, V.P. (2015). Mechanics in electronics [in Russian]. In 3 Volumes. Vol 2. Dynamic Strength : monograph. Khmelnytskyi : KHMNU, 313 p.
2. Pavlenko, V. (2021). Features of assembly of printed circuit boards. Computer-Integrated Technologies: Education, Science, Production, (44), 44-48.
3. Kovtun, I.I, Royzman, V.P. (2019). Deformations of electronic equipment structures under operating loads [in Ukrainian]. Khmelnytskyi : KHMNU, 230 p.
4. Uday, H. Kalyani, Mark Wylie. (2020, June). Modal finite element analysis of PCBs and the role of material anisotropy. Vibroengineering Procedia. VOL. 32. 75-80
5. Gharaibeh, M. A., & Pitarresi, J. M. (2019). Random vibration fatigue life analysis of electronic packages by analytical solutions and Taguchi method. Microelectronics Reliability, 102, 113475.
6. Ghaderi, D., Pourmahdavi, M., Samavatian, V., Mir, O., & Samavatian, M. (2019). Combination of thermal cycling and vibration loading effects on the fatigue life of solder joints in a power module. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 233(9), 1753-1763.
7. Kavitha, M., Mahmoud, Z. H., Kishore, K. H., Petrov, A. M., Lekomtsev, A., Iliushin, P., … & Salmani, M. (2021). Application of Steinberg model for vibration lifetime evaluation of SN-AG-CU-based solder joints in power semiconductors. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 11(3), 444-450.
8. Somashekar, V. N., Harikrishnan, S., Ahmed, P. A., & Kamesh, D. (2016). Vibration response prediction of the printed circuit boards using experimentally validated finite element model. Procedia Engineering, 144, 576-583
9. Arabi, F., Gracia, A., Delétage, J. Y., & Frémont, H. (2018, April). Vibration test and simulation of printed circuit board. In 2018 19th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE) (pp. 1-7). IEEE
10. Kovtun, I., Boiko, J., Petrashchuk, S., & Kałaczyński, T. (2018). Theory and practice of vibration analysis in electronic packages. In MATEC Web of Conferences (Vol. 182). EDP Sciences.
11. Jalink, J., Roucou, R., Zaal, J. J. M., Lesventes, J., & Rongen, R. T. H. (2017, May). Effect of PCB and Package Type on Board Level Vibration using Vibrational Spectrum Analysis. In 2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC) (pp. 470-475). IEEE
12. Al-Araji, Z. H., Swaikat, N. A., Muratov, A., & Turetsky, A. V. (2019, April). Modeling and experimental research of vibration n properties of a multi-layer printed circuit board. In 2019 4th Scientific International Conference Najaf (SICN) (pp. 43-47). IEEE
13. Amy, R. A., Aglietti, G. S., & Richardson, G. (2009). Reliability analysis of electronic equipment subjected to shock and vibration–A review. Shock and Vibration, 16(1), 45-59.
14. Pisarenko G.S., Agarev V.A. Strength of materials [in Russian]. Kiev: Technika; 1967.
15. Dash, P. K., & Thraza, M. M. (2018). Modelling and simulation of effect of component stiffness on dynamic behaviour of printed circuit board. Inter. Jour. Mechanical and Production Eng. Res. & Develop., 8(2), 307-314.
16. Bachoo, R., Balliram, S., & Bridge, J. (2020, June). Experimental and Numerical Vibration Analysis of Printed Circuit Boards. In Book of Abstracts (p. 101).