Optimalizace PCB pro vibrace, rázy a teplotní namáhání

Při návrhu desek plošných spojů patří mezi nejčastější příčiny poruch elektroniky teplotní cyklování, vibrace a mechanické rázy nebo pády zařízení. Tyto vlivy vedou především k mechanickému namáhání pájených spojů, k deformaci desky a k postupnému poškození komponent.

 

V praxi lze chování elektroniky ověřovat pomocí environmentálních testů, například vibračními nebo pádovými zkouškami. Ty jsou však časově i finančně náročné. Alternativou je vytvoření numerického modelu desky a její analýza ve výpočetním prostředí, kde lze jednotlivé zatěžovací scénáře simulovat a na základě výsledků upravit konstrukci ještě před výrobou prototypu.

 

Vibrace a vlastní frekvence PCB

Prvním krokem při posuzování odolnosti PCB vůči vibracím je určení vlastních frekvencí desky. K tomu se používá modální analýza, která identifikuje přirozené vibrační módy konstrukce. Pokud budicí frekvence z provozního prostředí leží blízko některé vlastní frekvence, může docházet k výraznému zvýšení amplitudy deformace a tím i mechanického namáhání komponent.

 

Typickým výsledkem vibrační analýzy je mapa deformací nebo mechanického napětí na desce. V takové analýze se často ukazuje, že nejvyšší deformace vznikají

- v blízkosti montážních otvorů

- mezi většími komponentami

- na místech oslabení desky, například u V-score drážek

 

Mechanické rázy a pád zařízení

Dalším typem zatížení je mechanický ráz. Ten vzniká při krátkém, prudkém zrychlení konstrukce, typicky například při pádu zařízení. Ráz má obvykle trvání kratší než 20 ms a jeho velikost může dosahovat desítek násobků gravitačního zrychlení (např. 10 G nebo i více).

Při takovém zatížení dochází k rychlému průhybu desky a k dynamickému zatížení pájených spojů i samotných součástek. Pro omezení těchto vlivů lze upravit návrh elektroniky na několika úrovních.

Úroveň systému

- použití tlumicích prvků nebo izolátorů vibrací

- doplnění mechanického tlumení nebo ochranných prvků (např. kryty nebo nárazníky)

 

Úroveň komponent

- volba součástek s flexibilními vývody

- použití vývodových komponent namísto čistě SMD pouzder v kritických aplikacích

- použití underfill nebo lepení komponent

 

Konstrukce PCB

- úprava tloušťky desky

- optimalizace polohy montážních bodů

- přizpůsobení rozložení hmoty na desce

 

Cílem těchto úprav je snížit mechanické namáhání komponent a pájených spojů během krátkých dynamických impulsů.

 

V aplikacích vystavených častým rázům – například v automobilové technice, průmyslové elektronice nebo přenosných zařízeních – je důležité posuzovat PCB nejen jako samostatnou desku, ale jako součást celé sestavy. Mechanická odezva totiž závisí i na vlastnostech krytu, upevnění a dalších konstrukčních prvcích zařízení.

 

Optimalizace PCB pro teplotní namáhání

Při dlouhodobém provozu elektroniky bývá nejčastějším zdrojem poruch teplotní cyklování. Typickým mechanismem je rozdíl v součiniteli teplotní roztažnosti (CTE) mezi deskou a osazenými součástkami. Čím větší je nesoulad roztažnosti mezi PCB a komponentem, tím vyšší bývá namáhání pájených spojů a tím roste pravděpodobnost jejich únavového poškození.

 

 

Problém nemusí vznikat jen „globálně“ vlivem teplotních cyklů celé sestavy. Významnou roli hrají také lokální konstrukční podmínky. Pro ilustraci se podívejme na automobilovou elektroniku, kde bývá PCB často pevně sevřena v hliníkovém krytu. V takovém případě se při změně teploty může jedna část desky smršťovat a jiná rozpínat, případně probíhají oba děje současně, což vede k vyboulení nebo prohnutí desky.

 

Závěr

Spolehlivost PCB je ve velké míře dána tím, jak návrh reaguje na vibrace, rázy a teplotní změny v celé sestavě zařízení.

 

Konstrukční priority jsou tři:

1) umístit komponenty citlivé na deformaci mimo nejvíce namáhané oblasti,

2) optimalizovat rozmístění montážních bodů tak, aby se omezilo zatížení desky i součástek a

3) zvolit vhodné materiály celé sestavy.

 

Numerické simulace představují účinný nástroj pro vyhodnocení těchto vlivů, protože umožňují analyzovat deformace, napětí i přetvoření v pájených spojích při různých mechanických a tepelných scénářích a ověřit dopad konstrukčních úprav ještě před výrobou fyzického prototypu.

 

Webinář k této tématice

Pojďte se podívat na technologie a postupy, které vám pomohou, pokud řešíte životnost desek plošných spojů. Vibrace a teplotní cykly dnes zásadně zvyšují riziko porušení pouzdra integrovaného obvodu, únavy pájených spojů, delaminace vrstev PCB, mikrotrhliny i selhávání těžkých komponent. Testování hotového prototypu často odhalí problém příliš pozdě, kdy změna designu znamená další měsíce zpoždění. Tyto problémy lze naštěstí výrazně omezit ještě předtím, než se promění v nákladné komplikace.

 

Napište nám nebo se přímo registrujte na webinář.