電路板工裝結構設計及其振動傳遞特性研究

孟金玲，趙宏達*

（1. 華中光電技術研究所； 2. 武漢光電國家研究中心：武漢 430223）

0 引言

為了發現和剔除制造過程中不良元器件和工藝缺陷等早期故障，印制電路板（PCB）在研制過程中需要進行環境應力篩選試驗。有關統計資料表明，隨機振動作為環境應力篩選試驗的重要內容，可暴露近90%早期制造缺陷。振動工裝作為連接振動臺與電路板的中間部件，其振動傳遞特性會對電路板安裝部位振動環境產生直接影響，嚴重時造成“欠試驗”或“過試驗”等后果。因此，開展電路板振動工裝設計及振動傳遞特性研究對提高環境應力篩選試驗的有效性具有重要意義。

隨著對產品工裝認識的不斷深入，近年來許多學者和工程技術人員都對結構工裝開展了相關研究。鄧傳錦等對振動夾具的主要設計原則及夾具性能的測試方法進行了綜述。高喆等設計了機載光電吊艙垂向振動工裝，并通過仿真分析和振動試驗對其動力學特性進行了驗證。劉曉晨等針對固體火箭發動機振動夾具進行結構設計，應用有限元開展了模態分析和隨機振動仿真分析并通過垂向振動試驗驗證了工裝設計的有效性。顧松年等研究了不同動力學特性的夾具對振動試驗的影響，提出了試驗中采用彈性夾具的必要性。石蒙等充分考慮了產品和工裝的耦合影響，建立了產品和工裝的整體動力學模型并對工裝進行了動力學優化設計研究。此外，也有對特定工裝結構進行設計與分析。但是，目前對于工裝的設計及研究大都針對整機產品，而對于電路板級的振動工裝研究仍然很少見諸報道。

相比傳統的經驗設計方法，本文以電路板尺寸、固有頻率和篩選效率為約束條件對電路板工裝設計方法及動力學測試進行研究。首先針對電路板環境應力篩選試驗要求進行振動工裝結構設計與優化，通過模態測試驗證工裝剛性設計的有效性。然后綜合研究裝夾、傳感器布置等對工裝上電路板安裝位置振動效果的影響并固化測試方案。最終基于研究結果開展某型電路板的振動應力篩選試驗。

1 工裝隨機振動分析基本原理

電路板工裝隨機振動等效為多自由度系統受到已知加速度基礎激勵¨時系統動力學響應。此時模型動力學控制方程表示為

式中：為激勵圓頻率；為質量歸一化的第階模態振型向量；γ為第階模態振型參與系數；H()為頻率響應函數，

工程中產品隨機振動環境應力篩選輸入譜已由相關標準給出，因此工裝結構功率譜密度響應及均方根值僅與工裝固有頻率和阻尼比等參數相關，即由結構本身動力學特性決定。

2 電路板振動工裝結構設計及驗證

2.1 振動工裝結構設計方法

電路板工裝設計要求包括質量要求、剛度特性及試驗效率要求。電路板振動工裝設計及優化流程如圖1 所示。首先，由待測電路板尺寸和單次電路板測試數量分別確定工裝的長、寬和高等參數，從而確定工裝結構外形。然后對初始工裝結構開展模態分析并判斷其基頻及質量設計等是否滿足要求，若不滿足則需要根據模態振型對工裝高度進行調整或優化局部結構設計，如減少單次測試數量、增加/調整側壁加強筋以及局部減重等直至滿足要求。最后則根據工裝設計及優化結果利用機加工藝成型并開展模態測試，根據一階固有頻率對工裝結構剛度特性進行驗證，若不滿足要求則需要重新迭代設計直至滿足剛度以及質量設計要求。

圖1 電路板工裝設計優化流程Fig. 1 Flowchart for the design and optimization of PCB fixture

2.2 振動工裝結構設計優化

根據待測電路板的外形尺寸及單次篩選數量確定振動工裝初始結構如圖2 所示。與振動臺推力相比，電路板工裝質量通常較小，對振動臺推力影響可忽略不計，因此暫不考慮工裝質量要求。

圖2 電路板篩選工裝初始結構Fig. 2 Initial structure of the vibration fixture for PCB

GJB 1032A《電子產品環境應力篩選方法》對電子產品應力篩選試驗所采用的工裝剛度特性提出明確要求，即工裝在試驗規定頻率上限2000 Hz內不應有共振頻率存在。本文結合試驗效率要求，單次電路板篩選數量不少于2 塊。基于ANSYS Workbench 協同仿真平臺對所設計工裝的結構開展動力學模態分析，結果如圖3 所示，可見篩選工裝一階固有頻率為1788 Hz，低于隨機振動篩選試驗頻段上限2000 Hz，工裝需進一步優化。

圖3 工裝結構一階模態Fig. 3 The first modal shape of the fixture

根據工裝初始結構一階模態振型可知側壁為薄弱部位，因此從側壁高度、厚度及加強筋等方面進行結構優化，如圖4 所示。分別對優化后工裝結構2、結構3 進行模態分析，獲得其前三階固有頻率并與原結構固有頻率對比，結果如圖5 所示。分析可知：結構2 一階固有頻率為2518 Hz，較結構1提高了41%，已超過分析頻率范圍上限2000 Hz，理論上不會出現共振峰。但考慮到仿真模型中理想剛性約束與實際工程中的彈性約束存在差異，會使得仿真模型的一階固有頻率偏高，因此，在結構2模型側壁外圍設計加強筋并降低側壁高度后得到結構3。結構3 一階固有頻率為4577 Hz，遠高于分析頻段范圍上限且滿足單次試驗完成不少于2 塊電路板篩選的要求。結構3 前三階模態振型如圖6所示。將結構3 工裝確定為最終優化方案并開展進一步分析與測試。

圖4 設計工裝結構優化過程Fig. 4 The optimization process for fixture structure

圖5 不同結構方案篩選工裝前三階固有頻率Fig. 5 The first three natural frequencies of different structures of the fixture

圖6 結構3 前三階模態振型仿真結果Fig. 6 FEM results of the first three modal shapes of structure III

2.3 振動工裝模態測試驗證

為了驗證工裝的頻率特性及仿真結果的準確性，基于LMS 動態測試系統對工裝開展錘擊法模態測試（如圖7 所示）：工裝通過若干壓塊與振動臺緊密接觸近似模擬仿真分析固支邊界條件；在工裝結構7 個位置布置三軸加速度傳感器；分析帶寬設置為0～6000 Hz，采樣頻率1.25 Hz。

圖7 有約束工裝模態測試Fig. 7 Modal test of the fixture with constraints

工裝模態測試所得測點綜合頻響曲線如圖8所示。采用Poly Max 工具對模態頻率參數進行辨識可得壓塊約束下工裝前三階固有頻率分別為4436 Hz、5093 Hz 和5573 Hz。工裝結構模態測試前三階模態振型如圖9 所示，可以看出：工裝結構前三階模態振型分別為側壁同向彎曲、側壁反向彎曲、后壁彎曲，與圖6 中仿真結果一致。此外，綜合頻響曲線在1000～3000 Hz 頻段存在一些局部極點，分析其原因是由于固定工裝的9 個壓塊在高頻激勵下引起的局部約束模態。前三階固有頻率的測試與仿真結果對比如表1 所示，可見誤差均小于5%，兩者基本吻合。綜上，所設計工裝滿足GJB 1032A 對振動夾具固有頻率的要求，可以用于電路板隨機振動測試。

圖8 測點綜合頻響函數曲線Fig. 8 Synthetic frequency response curve at the measurement points

圖9 工裝前三階模態振型測試結果Fig. 9 The first three modal shapes of the fixture in modal testing

表1 工裝固有頻率仿真分析與試驗測試對比Table 1 Comparison of natural frequencies between simulation result and test result

3 應力篩選測試方案研究

在電路板應力篩選隨機振動試驗中，由于受到振動臺一致性、壓塊數量及預緊力、傳感器靈敏度誤差等多種因素影響，有時即使工裝剛度特性滿足要求，也會出現振動工裝電路板安裝位置振動環境與試驗條件不一致的情形。因此，需要對工裝固定位置、裝夾方式和傳感器布置等開展研究，使得振動工裝電路板安裝部位的振動特性滿足GJB 1032A有關要求。

通過調整工裝固定位置、傳感器布置及壓塊數量等分別開展工裝3 個方向的隨機振動試驗。試驗中采用3 個傳感器信號作為控制信號進行多點平均控制。GJB 1032A 中對控制點位置、控制譜允差等均提出了具體要求，其中指出：控制點應布置于工裝上最接近產品（電路板）的剛度最大的部位。通過反復調試使得控制點的響應曲線在指定誤差范圍，最終固化工裝水平向振動試驗方案如圖10(a)所示。試驗測試中3 個控制點加速度功率譜密度曲線及均方根值分別如圖10(b)和表2 所示。

表2 控制點加速度均方根值及誤差Table 2 RMS values and errors of accelerations at control points

圖10 工裝水平z 向振動測試結果Fig. 10 Vibration test of the fixture and the results in z direction (horizontal)

從圖10 可以看出：控制點譜線在1000 Hz 以內頻段與標準譜基本重合，振動傳遞特性優良；在1000～2000 Hz 頻段由于壓塊彈性約束引起的局部模態對工裝振動傳遞特性產生影響，造成該頻段范圍內控制點譜與標準譜相比存在一定波動，但控制譜仍位于標準譜±6 dB 容差范圍；加速度均方根值允差均小于1.5 dB。分析表明圖示工裝狀態下振動特性滿足GJB 1032A 對工裝夾具有關要求，可以進行電路板振動應力篩選試驗。

同理，開展工裝在水平向及垂向向振動試驗。通過調整工裝固定位置、傳感器布置及夾塊數量等并進行試驗最終固化工裝向及向振動試驗方案，分別如圖11(a)、(b)所示；控制點功率譜密度曲線及加速度均方根值分別如圖11(c)、(d)以及表2 所示。與向測試結果類似，由于受到壓塊彈性約束影響，控制點譜線在高頻部分出現波動，局部頻段較標準譜超出±6 dB 容差范圍但小于-9 dB且超出部分最大帶寬小于300 Hz；加速度均方根值最大為0.84 dB，小于1.5 dB 允差。這表明圖示工裝狀態下在向及向振動特性均滿足GJB 1032A有關要求。

圖11 工裝y 向、x 向振動測試及其結果Fig. 11 Vibration test of the fixture and its results in y &x directions

綜上所述，通過合理調整工裝的安裝位置、裝夾方式和傳感器布置等可在、和三個方向同時滿足GJB 1032A 針對振動夾具的有關要求，實現電路板在3 個正交方向的振動應力篩選。

4 電路板環境應力篩選試驗控制信號測試

對某型電路板進行3 個正交方向環境應力篩選試驗，工裝安裝位置、裝夾方式、傳感器布置及控制方式等均與上述單獨工裝測試保持一致。由于電路板質量遠小于工裝質量，試驗中控制信號與工裝單獨測試曲線基本吻合。這表明工裝在3 個方向同時具有良好振動傳遞特性，固化的測試方案合理有效。

5 結束語

本文針對電路板環境應力篩選試驗提出了一種以電路板尺寸、篩選效率以及固有頻率為約束的工裝設計方法。以某型電路板為例進行了工裝設計并測得工裝約束模態一階固有頻率為4436 Hz，滿足在試驗頻段范圍內無共振頻率要求。通過聯合多壓塊約束、多點平均控制以及調整傳感器布局等方案，所設計工裝可實現良好振動傳遞特性，滿足3 個正交方向應力篩選要求的同時兼顧了試驗效率。采用該設計工裝及固化方案進行了某型電路板環境應力篩選試驗，保證了試驗有效性。同時也注意到：工裝壓塊約束與理想固支約束存在差異，會對高頻部分振動傳遞特性產生影響。因此擬進一步研究工裝剛性約束方法以優化工裝振動傳遞特性。