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.

Image

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.

Image

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 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 

Image

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 i lokální konstrukční podmínky. Jako příklad 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 a součástek
3. a 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.