CC BY
108
УДК 621.396
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ С УЧЕТОМ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
А.В. Турецкий
Рассмотрены основные стадии процесса моделирования радиоэлектронных средств в системе Creo Parametric с использованием специализированного модуля Creo Parametric Mechanica. Показано применение предложенных процедур при проектировании модуля на печатной плате
Ключевые слова: радиоэлектронный модуль, нагрузка, механический анализ
При создании радиоэлектронного устройства, особенно специального назначения, образец на завершающих этапах проектирования обязательно подвергают широкомасштабным испытаниям на климатические и механические воздействия, проявляющиеся при эксплуатации. Выявленные недостатки конструкции необходимо устранить и этот процесс бывает достаточно сложен и требует, подчас, серьезной переработки изделия. Гораздо целесообразнее заранее, на этапе проектирования методами компьютерного моделирования (CAE-анализа) осуществлять проверку печатных плат на устойчивость к разного вида нагрузкам, в том числе и механическим. В этом случае количество доработок можно существенно уменьшить, сэкономив время и затраты на проектирование.
В радиотехнической промышленности применяются разные САПР высокого уровня, охватывающие большое количество стадий создания РЭС. Одной из таких систем является Creo Parametric (ранее Pro/Engineer Wildfire). К сожалению, указанная система не имеет возможности моделирования механических характеристик таких сложных узлов как многослойные печатные платы [1], в то время как они, во многом, определяют надежность всего устройства. Сама многослойная печатная плата представляет собой сложную конструкцию, состоящую из большого числа элементов: межслойных диэлектриков, коммутационных проводников, пленочных резисторов и конденсаторов, бескорпусных микросхем и др.
Сама задача моделирования представляется достаточно сложной из-за влияния большого числа факторов: материалов, технологии изготовления, конструкции и др. В тоже время при анализе механических свойств многослойных плат необходимо руководствоваться значениями допустимых нагрузок. Эти значения могут быть получены только в результате лабораторных испытаний тестовых образцов плат со статистической обработкой результатов.
В данной работе предлагается алгоритм процедур оптимального проектирования радиоэлектронных модулей путем исследования механических
Турецкий Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(906)677-51-29, e-mail: tav7@mail.ru
характеристик многослойных печатных плат (рис. 1). Данный алгоритм использует в качестве критериев оценки механической надежности плат результаты испытаний тестовых образцов. Он учитывает предельные значения вибраций, ударов, статических нагрузок печатных плат с различными количеством слоев, выполненных из разных материалов по разной технологии. Похожий метод применялся в [2-5], применительно к радиоэлектронным модулям, относящимся к первому уровню разукрупнения.
Лабораторные испытания тестовых образцов многослойных печатных плат можно осуществлять согласно регламенту 1РС-ТМ-650 [6]. Указанная методика предусматривает комплекс механических и электрических испытаний, а также контроль геометрических размеров. Для ускорения процессов старения материалов в платах рекомендуется применять процесс термоциклирования по методу, представленному в [7]. Указанный метод включает в себя процесс нагрева изделий до определенных температур, выдержку и охлаждение, причем этот процесс повторяется неоднократно. Количество термоциклов зависит от условий эксплуатации: чем жестче условия, тем больше их количество.
Постановка задачи на оптимальное проектирование ставится в блоке №1. В соответствии с техническим заданием устанавливается перечень и уровень механических воздействий, которым подвергается разрабатываемое устройство в процессе эксплуатации.
Для осуществления процесса анализа механической надежности радиоэлектронного устройства собирается необходимая информация (блок №3). Необходимы данные о элементной базе, материалах и их характеристиках, а так же технологии изготовления многослойной платы. Определятся наиболее уязвимые места конструкции с точки зрения механической надежности.
Информация поступает из постоянно обновляемой базы данных (блок №2), которая содержит данные о вибрационных, ударных и тепловых характеристиках активной и пассивной элементной базы. В ней также имеются сведения о физико-химических свойствах конструкционных материалов радиоэлектронных средств и печатных платах.
Постанова задачи
БД
J Сбор иобкодилвй информации
да
5
Аналитическое
решение з адачи
Рис. 1. Алгоритм комплексного анализа механических характеристик печатных плат в составе
радиоэлектронных модулей
Процесс проектирования может идти по двум сценариям. Если конструкция является простой, то для ускорения процесса моделирования может применяться аналитический метод. В то же время в более сложных случаях, коих большинство, применяется метод CAE анализа. Выбор пути производится в блоке № 4.
Аналитическое решение задачи (блок №5) включает в себя применение математических моде-
лей для типовых способов крепления платы. Это такие как жесткое защемление, свободное опирание или незакрепленный край пластины или балки.
Результатом аналитического решения является определение собственных частот колебаний конструкции платы, значения напряжений в отдельных участках конструкции при влиянии статических нагрузок и ударов.
В блоке №6 происходит проверка достаточности результатов аналитического решения. Если результаты удовлетворяют проектировщика, то принимается решение о дальнейшем процессе проектирования. Если же аналитический расчет не дал достаточно точных и однозначных результатов или конструкция устройства не позволяет применить аналитические методы, используют инструменты инженерного анализа на основе метода конечных элементов (блок № 8).
Для применения этого метода необходимо иметь 3 D модель конструкции разрабатываемого устройства. В соответствии с техническим заданием на конструкцию накладываются ограничения в виде закреплений, нагрузок и материалов и выполняется собственно моделирование (блок № 11). В качестве основы взята система Creo Parametric включающая в себя модули CAE анализа. Имеется возможность выполнять наиболее распространенные виды моделирования механических нагрузок (статический, модальный и динамический анализы).
В соответствии с требованиями технического задания выбираются необходимые режимы испытаний (блок № 28).
У системы Creo Parametric имеется мощный постпроцессор, позволяющий представить результаты анализа в виде диаграмм и графиков (блок № 12). Имеется возможность определения напряжений в различных участках конструкции с выявлением проблемных мест.
Блок № 8 также содержит процедуры тестовых лабораторных испытаний образцов печатных плат по международному стандарту IPC-TM-650 [6]. Проводится анализ механических свойств различных образцов плат, различающихся по конструкции и технологии изготовления (блок № 9). Затем полученные данные в блоке № 10 подвергаются статистической обработке и наполняют в специализированную базу данных (блок № 13). В нее заносятся данные о предельных значениях вибрации, ударов и статических напряжений печатных плат с разным конструктивным исполнением, разного класса точности и технологии изготовления. Отоит также отметить, что лабораторные испытания одного вида плат можно провести единожды и затем данные использовать в большом количестве проектов, реализуемых на отдельных предприятиях или даже концернах.
После выполнение CAE анализа в блоке № 14 происходит проверка результатов с использованием базы данных (блок № 13). Если полученные значения механических напряжений превышают предел надежной работы устройства или собственные частоты лежат в области эксплуатационных, то принимается решение об оптимизации конструкции платы (блок №23). Изменение конструкции может идти по пути модификации конструкции (блок № 24), использованию материалов с другими характеристиками (блок № 25), изменению топологии (блок № 26) или применению другой технологии изготов-
ления платы (блок № 27). После этого также проводится весь цикл CAE анализа (блоки 11, 12).
В случае удовлетворения результатами моделирования (блок № 15) принимается решение об изготовлении опытного образца устройства (блок № 16) и испытаниях его на вибрационных стендах (блок № 18). При этом применяются установленные стандартом режимы (блок № 17).
В блоке № 19 происходит проверка соответствий механических характеристик выпускаемого изделия требуемым значениям. Если конструкция не прошла испытания, то оптимизируют конструкцию (блок 23) с созданием модернизированного опытного образца.
Если конструкция прошла лабораторные испытания, то проводят испытания в реальных условиях эксплуатации (блок № 20), где на конструкцию также действуют другие факторы, влияющие на надежность (влага, грязь, солевой туман и др.).
В блоке № 21 проверяется соответствие характеристик проектируемого изделия требованиям технического задания, и в случае положительного решения происходит сдача изделия заказчику (блок № 22). В противном случае опять необходим процесс модернизации конструкции.
В качестве примера реализации данной методики проведено моделирование радиоэлектронного модуля на механические характеристики. Радиоэлектронный модуль представляет собой одноплатную конструкцию, имеющую четыре штатных отверстия для крепления и восемь отверстий для фиксации жидкокристаллических индикаторов двух типов. На поверхности платы располагаются также светодиоды, электрические соединители и другие компоненты.
В первоначальном варианте плата жестко закреплена по 4 существующим отверстиям и на поверхность подана нагрузка величиной 10 Н перпендикулярно плоскости платы.
Creo Parametric имеет возможность автоматически генерировать сетку конечных элементов Внешний вид закрепленной платы с элементами сетки представлен на рис.2.
Рис. 2. Закрепленная плата с элементами сетки
Величина элементов сетки влияет на точность моделирования. Чем меньше размер конечного элемента сетки, тем выше точность, однако это приводит к значительному увеличению времени анализа,
что требует серьезных ресурсов вычислительных платформ. В &eo Parametric имеется возможность изменения размеров сетки в различных элементах конструкции. Там, где необходима повышенная точность, размер элементов уменьшают, в то время как у остальных элементов размер может быть значительно больше.
Результат моделирования статического режима представлен на рис. 3. Чем светлее контур, тем больше прогиб платы.
3.5Э7е + 00
-
-
т& ^^ ^Ьж В
Рис. 3. Структурный анализ, результаты статика
Анализируя результаты, представленные на рис. 3. можно сказать, что максимальное перемещение участков платы наблюдается в ее середине и составляет 3,5 мм, что является большой величиной. Характерно также наличие неравномерно нагруженных участков из-за схемы крепления платы. Выявлено также повышенное напряжение участков платы в области отверстий, составляющие по Фон Мизесу 40 МПа.
Модальный анализ показал, что первый резонанс появляется на уровне 62 Гц (рис. 4), что является неприемлемым, так как эксплуатационные частоты имеют верхний уровень в 120 Гц. По условиям эксплуатации необходимо иметь 2-2,5 кратный запас по нижней границе резонансной частоты и для выполнения условия механической прочности при воздействии внешней вибрации, необходимо провести оптимизацию конструкции.
Для увеличения собственных частот необходимо более жесткое крепление платы, применение материалов с лучшими прочностными характеристиками или уменьшение площади платы. Уменьшить площадь платы не представляется возможным, так как она имеет довольно плотную компоновку, а применение иных материалов серьезно удорожает конструкцию. Поэтому процесс оптимизации пошел по пути увеличения жесткости крепления платы.
В процессе проектирования радиоэлектронного модуля проработано 5 вариантов конструкции. Окончательный вариант представлен на рис. 5. Плата закреплена по 8 существующим отверстиям и по 2 дополнительным отверстиям в середине.
Также выявлено, что резонируют также свето-диоды. Принято решение закрепить концы светоди-одов в крышке.
платы 62 Гц
Результаты статического и модального анализов оптимизированного варианта конструкции представлены на рис. 6-7.
закреплено 10 отверстий и 3 светодиода
Рис. 6. Результат анализа статического режима окончательного варианта конструкции
Рис. 7. 1 резонанс 310 Гц (5 вариант конструкции)
Рис. 8. 2 резонанс 324 Гц (5 вариант конструкции)
Рис. 9. 3 резонанс 362 Гц (5 вариант конструкции)
Анализируя рис. 6 можно сказать, что максимальное перемещение участков платы составляет 0,18 мм, что является небольшой величиной.
Результаты анализа резонансных частот показывают, что их величины больше максимальных эксплуатационных 120 Гц более чем в 2 раза.
По результатам принято решение о создании опытного образца и дальнейшего испытания устройства.
Предложенная методика позволяет значительно ускорить процесс разработки радиоэлектронных изделий. Этому способствуют два фактора. Первый фактор заключается в системном применении
Воронежский государственный технический университет
средств CAE анализа а также систем автоматизированного проектирования. Второй фактор состоит в наличии специализированной пополняемой базы данных, содержащей сведения о предельных механических нагрузках печатных плат разных конструкций.
На многих российских предприятиях, занимающихся проектированием радиоэлектронных средств, как правило, существует большая номенклатура разрабатываемых изделий, у которых применены типовые конструкции печатных плат с унифицированными размерами. Применение предложенных процедур на предприятии позволит всем отделам пользоваться этой базой без проведения дополнительных лабораторных испытаний.
Литература
1. Муратов, А.В. ^временные технологии повышения интеграции и микроминиатюризации радиоэлектронных модулей с указанием возможных вариантов их совершенствования [Текст] / А.В. Муратов, СВ. Иванов, Д.А. Корчагин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т. 6. -№ 12. -C. 130134.
2. Лозовой, И.А. Методика анализа радиоэлектронных модулей на механическую прочность [Текст] / И.А. Лозовой, А.В. Турецкий. // Радиотехника. -2013. -№3. -C. 85-88.
3. Лозовой, И.А. Подсистема испытания паяных соединений электронных компонентов на механические воздействия [Текст] / И.А. Лозовой, А.В. Турецкий // Радиотехника. - 2012. - №8. - C. 80-84.
4. Лозовой, И.А. Методы испытания паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов на механические воздействия [Текст] / И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев // Радиотехника. - 2012. - №8. - C. 76-80.
5. Процедуры инженерного анализа механических воздействий на РЭC в системе PRO/ENGINEER [Текст] / И.А. Лозовой, СЮ. &зов, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2011. -Т. 7. -№ 5. -C. 26-27.
6. IPC-TM-650 Test Methods Manual.
7. Князев, А. Испытания надежности печатных плат при помощи термоциклирования и термоудара [Текст] / А. Князев, C. Борисенков // Технологии в электронной промышленности, № 1, 2008 C. 21-24.
THE OPTIMAL DESIGN OF RADIO ELECTRONIC MODULE IN VIEW
OF MECHANICAL ACTION
А.V. Turetsky
The main stage of the process simulation of electronic modules in the system Creo Parametric with specialized module Creo Parametric Mechanica. Results using the proposed procedures for the design of the module PCB
Key words: the radio-electronic module, loading, the mechanical analysis
