CC BY
24
УДК 621.396.96
Аль-Араджи З.Х.М., Макаров О.Ю., Муратов А.В, Турецкий А.В., Худяков Ю.В.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Воронеж, Россия
СПОСОБ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ НА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ
В статье предложена методика, которая отличается от традиционных более коротким временем доработки конструкции, путем применения моделирования. Этот метод проектирования печатных плат, включает два этапа. Сначала проводится анализ вибрации многослойной печатной платы с установленными компонентами. Чтобы проверить точность моделирования, сравниваются результаты моделирования FEM с результатами экспериментальных испытаний для печатной платы. Сравнение экспериментальных и имитационных результатов показывает, что они хорошо совпадают. Анализ вибрации печатной платы выполняется методом FEM с использованием элемента «сосредоточенный вес», который заменяет фактическую геометрию компонента. Второй этап заключается в выборе оптимального типа закрепления для печатной платы, который обеспечивает минимальный эффект вибрации.
Ключевые слова:
МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА (МПП), ВИБРАЦИЯ, РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, КОНСТРУКЦИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, CREO
В соответствии с изотропной моделью анализа эпоксидного стекловолокна, рассмотрена типичная структура печатной платы и ее характеристики приведены в таблице № 1.
Характеристики МПП Таблица № 1
Введение.
Многослойная печатная плата стала неотъемлемым, одним из важнейших элементов современного электронного оборудования. Она выполняет сразу две важнейшие функции: электрическое соединение электронных компонентов и их механическое закрепление. Анализ надежности электронного оборудования, работающего в жестких эксплуатационных условиях, показывает, что многие неисправности возникают в электрических соединениях, расположенных на плате, из-за воздействия высокой частоты и вибрации. Исследования [1] показали, что большинство отказов электронных схем в электронном оборудовании имеют механический характер, и многие из этих механических отказов происходят во внутренних слоях и в паяных соединениях [2]. За последние годы большое количество испытаний оборудования показало, что определенные типы вибраций и ударов вызывают около 20 % отказов
[3]. Когда внешняя рабочая частота печатной платы близка или равна ее собственной частоте, возникает резонанс, который приводит к следующим последствиям:
Электрические провода, паяные соединения и контакты разъема на печатной плате могут быть повреждены;
Компоненты, расположенные близко, мешают друг другу и вызывают короткое замыкание;
Происходит ослабление резьбового соединения печатной платы с корпусом.
Известно, что вибрационные характеристики многослойной ПП оказывают существенное влияние на надежность работы электронных компонентов на поверхности. В этой статье анализируются вибрационные характеристики многослойной ПП, а также влияние сосредоточенной массы на изменение резонансных частот и распределение смещений компонентов платы. Эти данные являются основой для анализа вибрационных характеристик печатных плат с электронными компонентами.
Модальный анализ печатных плат - это метод, используемый для определения собственных частот колебаний компоновки платы. Модальные параметры обеспечивают основу для анализа вибрации колебательной системы, диагностики и прогнозирования резонансных явлений, а также определения оптимальной компановки с приемлемыми динамическими характеристиками. Основными этапами модального анализа конечных элементов являются наложение граничных условий на конструкцию, моделирование и получение результатов с последующей обработкой
[4].
Оценка собственной частоты.
При моделировании необходимо создать геометрическую модель платы, ввести соответствующие параметры материала (модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность) и выбрать подходящий размер конечного элемента для генерации сетки. Меньшая сетка может применяется к некоторым поверхностям, что повышает точность расчета, хотя и удлиняет процесс решения.
После установки геометрической модели определяются граничные условия для платы (закрепление и нагрузка). После всех этапов выбирается наиболее подходящий метод расчетов. Поскольку затухание колебаний мало влияет на результаты модального анализа печатной платы, затухание материала игнорируется. В следующих подразделах приведены подробности анализа.
Параметр Значение
Размеры МПП. (200x150x1.5) мм
Вес МПП 672 г
Модуль Юнга для МПП 21 ГПа
Коэффициент Пуассона 0.15
Основная часть.
Аналитическое решение. Формы колебаний МПП требуют анализа, для того чтобы определить влияние вибрации на всю конструкцию. Режимы вибрации - это особые модели колебательного движения. Существует в основном четыре типа закрепления печатной платы, как показано ниже:
Две короткие стороны зафиксированы: как показано на рис. 1, может быть рассчитана первая собственная частота ПП ^ из уравнения,
полученного Дейвом С. Штейнбергом
э.55 Id
[1]
(1)
где: а D Р
длина РСВ (мм).
коэффициент жесткости РСВ (Н-мм). масса на единицу площади (кг/мм2)
Коэффициент жесткости плиты D найдем из:
(2)
где: E: h U б:
модуль упругости (Н/мм2) толщина РСВ (мм), коэффициент Пуассона, ширина РСВ (мм).
Рисунок 1 - Зафиксированы две стороны МПП
Собственная частота МПП оценивается теоретическими расчетами путем подставления уравнения (2) в уравнение (1) и составляет 133 Гц, что дает представление о динамике МПП на основе соответствующего анализа подсистемы.
Три стороны зафиксированы, самая короткая сторона остается свободной: первая собственная частота ^ МПП может быть рассчитана аналитически из уравнения Дейва С. Штейнберга [1].
f - Л Гр/°'75
п~ 3 [р\
+
1/2
(3)
_р \ а- а"Ь-
Собственная частота колебаний РСВ оценивается теоретическими расчетами с использованием уравнений (2) и (3) и составляет 252 Гц.
Fised
ь X i т ¡X
bwJ
L
Рисунок 2 - Три стороны МПП зафиксированы
Все 4 стороны зафиксированы: первая собственная частота ^ ПП может быть рассчитана аналитически из уравнения Дейва С. Штейнберга [1]:
" 1.5 Lp Va
п1/2
(4)
Гп ' 4р\а4 + а21,-+Ъ4
Собственная частота колебаний ПП оценивается теоретическими расчетами с использованием уравнений (2) и (4) и составляет 305 Гц.
Две стороны (короткая и длинная) зафиксированы, две другие (короткая и длинная) поддерживаются: первая собственная частота МПП может быть рассчитана аналитически уравнения Дейва С. Штейнберга [1]:
fn
из
_ TTTD /2.45 2.68 2.45Л1
1/2
(5)
Fixed
Fixed ь i а ц ТЗ j
Fixed
► х
Рисунок 3 - Все четыре стороны платы зафиксированы
Собственная частота колебаний МПП оценивается теоретическими расчетами с использованием уравнений (2) и (5) и составляет 213 Гц.
Supported
Fixed a В A ■c Q* a. t/1
Fixed
зафиксированы, две другие (короткая и длинная) поддерживаются
Метод анализа конечных элементов.
Предложенная аналитическая модель подтверждена сравнением результатов численного анализа с результатами модального анализа методом конечных элементов (МКЭ). Модальный анализ МКЭ выполняется программным обеспечением Creo Elements / Pro 5.0. Environment Необходимыми шагами конечно-элементного модального анализа являются: моделирование, задание ограничений и решение, получение результатов и постобработка [5-7].
При моделировании необходимо установить геометрическую модель ПП, параметры которой указаны в таблице № 1. Для построения сетки необходимо выбрать подходящий конечный элемент. Затем, после создания геометрической модели, надо задать граничные условия конструкции и, наконец, выбрать наиболее подходящий метод расчетов.
Демпфирование материала игнорируется,
поскольку оно мало влияет на результаты модального анализа. Затем для расчета конечных элементов используется программное обеспечение Creo, с помощью которого провоидится модальный анализ для получения первых трех собственных частот колебаний. Результаты моделирования показаны в таблице 2, частоты колебаний первых трех порядков показаны на Рис. 5.
Таблица №2
«Первые три собственные частоты колебания МПП с двумя зафиксированными короткими сторонами»
Fi (Гц) F2 (Гц) Fi (Гц)
130 Гц 182 Гц 368 Гц
Рисунок 4 - Две стороны (короткая и длинная)
а) б) в)
Рисунок 5 - Результаты модульного анализа в CREO. Расчетные значения собственных частот колебаний стеклопластиковой ПП с 4 зафиксированными краями: (а) первая собственная частота, (б) вторая собственная частота, (в) третья собтсвенная частота
Влияние граничных условий на вибрационные характеристики печатных плат. Первую собственную частоту пластины рассчитывают путем подстановки данных в формулы (1,2,3,4) собственных частот ПП
Собственные частоты ПП в различных граничных условиях
при различных граничных условиях, рассчитанных с помощью численного анализа и модального анализа CREO, полученных, как показано в таблице 3.
Таблица №3
Тип фиксации Численный метод. Первая собственная частота (Гц) Результат моделирования (Гц) совпадения
Две короткие стороны зафиксированы. 133 130 2
Три стороны зафиксированы, одна коротка сторона свободная 252 237 6
Четыре стороны зафиксированы 313 304 3
Две стороны (короткая и длинная) зафиксированы, две другие (короткая и длинная) поддерживаются. 226 260 13
Таким образом, из таблицы 3 можно наблюдать погрешность, возникающую между собственной частотой первого порядка, полученной с помощью модального анализа CREO, и рассчитанной численным методом в различных случаях граничных условий.
В четвертом случае задания граничных условий наблюдается наибольший коэффициент ошибок. Таким образом, жесткая фиксация стороны печатной платы является более лучшим способом, чем просто поддерживаемая, так как могут наблюдаться
вынужденные смещения в разных системах координат.
Результаты сравнения согласуются между собой, что позволяет сделать вывод о том, что результаты, полученный с помощью CREO заслуживают доверия. Можно заявить, что в данном случае установлена высокая достоверность, и данный метод можно с уверенностью использовать для дальнейшего анализа.
На аналитическом этапе работы авторы перемещали массу характеристик электронных компонентов печатной платы по многим позициям. Эта масса
была локализована в определенных местах, как показано в таблице № 4. В этой таблице приведены собственные частоты колебаний печатных плат массой 25 грамм в разных положениях. Одновременно плата жестко фиксируется по более коротким сторонам.
Процесс анализа показал, что собственные частоты МПП с концентрированной массой были меньше, чем собственные частоты МПП без концентрированной массы, и это зависит от положения
концентрированной массы МПП приводят к различию вибрационных характеристик плат. С другой стороны, локализация массы оказала существенное влияние на режимы колебаний печатной платы. Данный признак отличался в зависимости от расположения центра концентрированной массы на плате. Исходя из этого, можно сделать вывод, что необходимо уделять внимание расположению и весу электрических компонентов на ПП еще на этапе проектирования.
концентрированной массы. Различные положения
Собственные частоты колебаний МПП с сосредоточенной массой, расположенной в Таблица № 4 различных местах платы при условии: «2 короткие стороны зафиксированы»
Расположение центра масс (центр платы в коорд. мм) Первая частота собственных колебаний, ГЦ Вторая частота собственных колебаний, ГЦ Третья частота собственных колебаний, ГЦ
Q 133 1B2 362
5Q 116 182 216
75 102 182 216
1QQ 91 182 286
15Q 100 182 318
175 111 182 318
2QQ 133 182 318
Заключение
Место расположения любого электрического компонента на многослойных печатных платах имеет важное значение при проектировании электрических и электронных приборов. Итак, в этой статье авторы использовали большое количество способов найти оптимальное положение электрических компонентов для уменьшения вибрационных эффектов. После анализа с использованием программ методом конечных элементов (CREO), они нашли наилучшее положение - это случай, когда плата закреплена с четырех сторон. Эта позиция насколько возможно снизила вибрацию на ПП.
Наличие тяжелых электронных компонентов на печатной плате обычно снижает частоту ее соб-
ственных колебаний, поэтому в процессе модального анализа это необходимо учитывать, добавляя к модели сосредоточенную массу.
Также, на этапе установки или сборки, необходимо заранее разработать метод крепления печатной платы.
Ввиду того, что МПП сделана из композиционного материала, необходимо учитывать, что свойства этого материала были как анизотропными, так и изотропными; следовательно, модель конечных элементов печатной платы должна строиться по этим свойствам.
Граничные условия МПП оказали значительное влияние на ее вибрационные характеристики. Таким образом, необходимо определить граничное условия на этапе моделирования с помощью программы конечных элементов.
ЛИТЕРАТУРА
1. C. Zhang and C. Kan, "The Reverse Reconstruction and Finite Element Analysis of the UAV Impeller," Int. J. Sci. Res., vol. 5, no. 3, pp. 595-597, 2016.
2. R. W. Little, Master's Thesis, "Bending of a cantilever plate ," University of Wisconsin, 1959.
3. Leissa A W. The vibration of rectangular plates[J]. Journal of Sound & Vibration, 1980, 31(3):257-293.
4. Макаров О.Ю., Турецкий А.В., Ципина Н.В., Шуваев В.А. Комплексное моделирование и оптимизация характеристик в процессе конструкторского проектирования радиоэлектронных средств Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 6. С. 100-104.
4. Аль-Араджи З.Х.М., Муратов А.В.,Турецкий А.В., Худяков Ю.В.Моделирование механических характеристик многослойных печатных плат средствами CAE анализа Труды международного симпозиума Надежность и качество, г. Пенза 2018. Т. 1. С. 224-227.
5. Лозовой И.А., Турецкий А.В. Методика анализа радиоэлектронных модулей на механическую прочность Радиотехника. 2013. № 3. С. 085-088.
6. Белецкая С.Ю., Иевлев П.В., Муратов А.В., Тураева Т.Л. Турецкий А.В. , Худяков Ю.В. Средства инженерного анализа конструкций радиоэлектронных модулей третьего уровня Труды международного симпозиума Надежность и качество, г. Пенза 2017. Т. 2. С. 82-85.
УДК 378.14
Вьюгина С.В., Вяткина И.В., Слепнева Е.В.
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», Казань, Россия ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ КАК СРЕДСТВО СТИМУЛИРОВАНИЯ САМООБРАЗОВАНИЯ
Актуальной данной темы обусловлено тем, что это одна из наиболее активно обсуждающихся в последние годы форм таких услуг — это обучение с использованием глобальной сети Internrt или дистанционное обучение (ДО). В статье представлено отличие дистанционного обучения от традиционного с точки зрения форм взаимодействия преподавателя и студента, а также последовательности изучения предметов и темпа работы. Отмечена ключевая проблема дистанционного обучения - аутентификация пользователя при проверке знаний и предложено решении ее. Рассмотрены особенности дистанционного образования с точки зрения коммуникаций «преподаватель - студент», определены ее характерные черты. Обозначены преимущества дистанционного обучения по сравнению с традиционным: доступность источников информации, индивидуализация обучения, удобная система консультирования и другие.
Ключевые слова:
ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ, ИНФОРМАЦИОННЫЕ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В настоящее время отмечается, что информатизация технического образования в высшей школе, формирование и внедрение электронной информационной образовательной среды (ЭИОС), разработка педагогических средств, создание систем дистанционного образования и обеспечения доступа к мировым информационным ресурсам является важным условием ее модернизации [1,2].
Дистанционное обучение - это такая форма организации учебного процесса и педагогическая технология, основой которой является управляемая самостоятельная работа студентов и широкое применение в обучении современных информационно-коммуникационных технологий. Современная дистанционное образование - это разветвленная система передачи знаний на расстоянии при помощи
