DE102010014812A1

DE102010014812A1 - Method for measuring vibration characteristics of electronic parts in to-be-examined region of circuit board, involves filtering deflections of electronic parts over time and over surface

Info

Publication number: DE102010014812A1
Application number: DE102010014812A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schwindt; Delyan Malchev; Dr. Veerkamp Hermann-Josef
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-10-13

Abstract

The method involves measuring deflection of a to-be-examined region (U) of a circuit board and deflection of an attaching unit using two high speed cameras. The measured deflection of the attaching unit is subtracted from the measured deflection of the to-be-examined region. Deflections of an electronic part (B2) determined by subtraction are filtered over time and over a surface, where the electronic part is in the to-be-examined region. Vibration is generated in a range of about 20 to 5000 Hertz by using a vibration desk. The cameras form an angle of 0.5 to 179.5 degrees with each other.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Schwingungsverhaltens von elektronischen Bauteilen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a method for measuring the vibration behavior of electronic components according to the features of claim 1.

Für die Qualifikation von elektronischen Bauteilen im fliegenden Einsatz ist deren modales Verhalten von großer Bedeutung. Durch die hochkomplexen Bauweisen ist es nicht mehr ausreichend lediglich Eigenfrequenzen auf Grund einer Sinusanregung zu ermitteln. Vielmehr sind die Eigenformen jeder Eigenfrequenz bei stochastischer Anregung von Bedeutung, um das Zusammenspiel von Bauteilen zu erkennen.For the qualification of electronic components in flying applications, their modal behavior is of great importance. Due to the highly complex construction methods, it is no longer sufficient to determine only natural frequencies due to a sinusoidal excitation. Rather, the eigenmodes of each natural frequency in stochastic excitation of importance to recognize the interaction of components.

Um das Schwingungsverhalten von Bauteilen zu ermitteln werden üblicherweise Beschleunigungsaufnehmer an diskreten Punkten des Bauteils aufgebracht, um die Beschleunigung zu messen. Da der Beschleunigungssensor üblicherweise eine ähnlich oder sogar höhere Masse als das zu untersuchende Bauteil aufweist, beeinflusst der Sensor das Schwingungsverhalten des Bauteils erheblich. Um die zugefügte Masse möglichst gering zu halten, wird oft nur ein Sensor platziert. Ein Problem mit Beschleunigungsaufnehmern ist, dass diese nicht alle Eigenfrequenzen eines Bauteils abdecken, auf dem sie platziert werden. Es kann passieren, dass bei einer oder mehrere Eigenfrequenzen, der Ort, an dem der Aufnehmer angebracht ist, sich gar nicht bewegt. Ein weiteres Problem mit Beschleunigungsaufnehmern ist, dass relative Bewegungen nicht oder zumindest nur schwer zu ermitteln sind.To determine the vibration behavior of components usually accelerometers are applied to discrete points of the component to measure the acceleration. Since the acceleration sensor usually has a similar or even higher mass than the component to be examined, the sensor significantly influences the vibration behavior of the component. To keep the added mass as low as possible, often only one sensor is placed. One problem with accelerometers is that they do not cover all the natural frequencies of a component on which they are placed. It may happen that at one or more natural frequencies, the location where the transducer is mounted does not move at all. Another problem with accelerometers is that relative movements are not or at least difficult to determine.

Optische Methoden zur Verformungsanalyse sind z. B. aus JP 3018727 A , WO 2006/124939 A1 oder GB 2427264 A bekannt. Diese Methoden sind allerdings nur für große Flächen oder größere Objekte auf großen Flächen geeignet bzw. für Anwendungen bei denen die Objektauslenkungen groß in Relation zum Gesamtobjekt ist. Für die Bestimmung des Schwingungsverhaltens von elektronischen Bauteilen sind diese Verfahren allerdings nicht geeignet, da elektronische Bauteile üblicherweise kleine Objekte mit relativ kleinen Auslenkungen in Relation zur Basisfläche sind.Optical methods for deformation analysis are z. B. off JP 3018727 A . WO 2006/124939 A1 or GB 2427264 A known. However, these methods are only suitable for large areas or larger objects on large areas or for applications in which the object deflections are large in relation to the overall object. However, these methods are not suitable for determining the vibration behavior of electronic components, since electronic components are usually small objects with relatively small deflections in relation to the base surface.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Verfahren zur Analyse des Schwingungsverhaltens von elektronischen Bauteilen anzugeben, mit welchem Beschleunigungen und kleinste Verformungen der Bauteile über eine Fläche ermittelt werden können.The object of the invention is to provide an optical method for analyzing the vibration behavior of electronic components, with which accelerations and smallest deformations of the components can be determined over a surface.

Diese Aufgabe wird erfüllt mit dem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by the method according to the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass das Schwingungsverhalten mindestens eines elektronischen Bauteils in mindestens einem zu untersuchenden Bereich auf einer das Bauteil tragenden Leiterplatte gemessen wird. Dabei ist die Leiterplatte mittels eines steifen Verbindungsstückes und einem Befestigungsmittel auf einem zur Auslenkung des mindestens einen elektronischen Bauteils vorgesehenen Vibrationstisch aufgebracht. Zur Identifizierung des zu untersuchenden Bereiches ist eine Markierung in dem zu untersuchenden Bereich vorgesehen. Gemäß der Erfindung wird die Auslenkung des mindestens einen zu untersuchenden Bereichs und die Auslenkung des Befestigungsmittels mittels mindestens einer Hochgeschwindigkeitskamera gemessen.The method according to the invention provides that the vibration behavior of at least one electronic component in at least one region to be examined is measured on a printed circuit board carrying the component. In this case, the printed circuit board is applied by means of a rigid connecting piece and a fastening means on a vibration table provided for the deflection of the at least one electronic component. To identify the area to be examined, a marking is provided in the area to be examined. According to the invention, the deflection of the at least one region to be examined and the deflection of the fastening means are measured by means of at least one high-speed camera.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die gemessene Auslenkung des Befestigungsmittels von der gemessenen Auslenkung des mindestens einen zu untersuchenden Bereichs subtrahiert. Die dadurch ermittelten Auslenkungen des mindestens einen elektronischen Bauteils in dem mindestens einen zu untersuchenden Bereich werden über die Zeit und über die Fläche gefiltert.According to a further aspect of the invention, the measured deflection of the fastening means is subtracted from the measured deflection of the at least one region to be examined. The thus determined deflections of the at least one electronic component in the at least one area to be examined are filtered over time and over the area.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention and further advantageous embodiments will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:

1a einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1a a test setup for carrying out the method according to the invention,

1b eine beispielhafte Leiterkarte mit elektronischen Bauteilen in einem zu untersuchenden Bereich, 1b an exemplary printed circuit board with electronic components in an area to be examined,

2 eine beispielhafte Darstellung eines Vergleichs der gemessenen Auslenkung eines Bauteils und dessen Schwingung. 2 an exemplary representation of a comparison of the measured deflection of a component and its vibration.

1a zeigt einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1b zeigt eine beispielhafte Leiterkarte mit elektronischen Bauteilen in einem zu untersuchenden Bereich. 1a shows a measuring structure for carrying out the method according to the invention. 1b shows an exemplary printed circuit board with electronic components in a region to be examined.

Um den, elektronische Bauteile B2 umfassende zu untersuchenden Bereich U besser mit den Hochgeschwindigkeitskameras bestimmen zu können, ist es möglich, dass auf dem zu untersuchenden Bereich eine Markierung M aufgebracht wird. Diese Markierung kann z. B. ein zufälliges Punktmuster sein, das einem Rechner erlaubt aus den aufgenommenen Bildern eine zweifelsfreie Zuordnung einer entsprechenden Auslenkung zu gewährleisten. Auch reguläre Muster, z. B. Schachbrettmuster, sind möglich. Hier ist allerdings eine entsprechende Zuordnung bei großen Verformungen nicht mehr möglich. Als zweckdienlich haben sich erwiesen, eine schwarze Grundierung mit Graphitspray und eine Mustererstellung mit Kalkspray. Dadurch wird ein hoher Kontrast erzielt und die elektrischen Eigenschaften werden nicht beeinflusst. Letzteres ist dienlich, um Funktionstests während einer Messung durchzuführen. Eine weitere Möglichkeit ist, eine weiße Grundierung mit einem schwarzen Muster. Der Vorteil dieser Variante ist, dass bei gleichem Kontrast wie bei einer schwarzen Grundierung und einem weißen Muster, mehr Licht reflektiert wird, was bei der Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras bessere Aufnahmen liefert.In order to be able to better determine the area U to be examined, electronic components B2, with the high-speed cameras, it is possible for a marking M to be applied to the area to be examined. This mark can z. B. be a random dot pattern that allows a computer from the images taken to ensure a clear assignment of a corresponding deflection. Also regular patterns, z. B. checkerboard pattern, are possible. Here, however, a corresponding assignment for large deformations is no longer possible. As have proven useful, a black primer with graphite spray and a Pattern creation with lime spray. This achieves high contrast and does not affect the electrical properties. The latter is useful for performing functional tests during a measurement. Another option is a white primer with a black pattern. The advantage of this variant is that, with the same contrast as with a black primer and a white pattern, more light is reflected, which provides better images when using high-speed cameras.

1a zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Messanordnung mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras. Auf einem Vibrationstisch A ist die zu Leiterplatte C mit den zu untersuchenden Bauteilen D befestigt. Die Befestigung erfolgt mittels starrer Abstandsstücke B. Zwei Hochgeschwindigkeitskameras D1 und D2 sind zweckmäßig so angeordnet, dass die Sichtlinien der beiden Kameras D1, D2 in einer Ebene liegen. Darüber hinaus bilden die Kameras D1, D2 einen Winkel O zwischen 0,5 und 179,5°. Der Winkel zwischen der Flächennormalen F der Leiterplatte C und einer Kamera D1, D2 beträgt zweckmäßig zwischen 0° und 44,5°. In einer weiteren Ausführungsvariante befinden sich die Sichtlinien der Kameras D1, D2 sowie die Flächennormale F in einer gemeinsamen Ebene. Mit dieser Anordnung ist es möglich, das Vibrationsverhalten der Leiterplatte und der zu untersuchenden Bauteile zu analysieren. 1a shows an exemplary construction of a measuring arrangement with two high-speed cameras. On a vibration table A is attached to the circuit board C with the components to be examined D. The attachment is made by means of rigid spacers B. Two high-speed cameras D1 and D2 are expediently arranged so that the lines of sight of the two cameras D1, D2 lie in one plane. In addition, the cameras D1, D2 form an angle O between 0.5 and 179.5 °. The angle between the surface normal F of the circuit board C and a camera D1, D2 is expediently between 0 ° and 44.5 °. In a further embodiment, the lines of sight of the cameras D1, D2 and the surface normal F are in a common plane. With this arrangement, it is possible to analyze the vibration behavior of the printed circuit board and the components to be examined.

2 zeigt eine beispielhafte Darstellung des Verhältnisses der Gesamtbewegung G der Leiterplatte C zur Schwingungsbewegung S eines Bauteils D. Um die Vibrationen von bis zu 5000 Hz zu ermitteln, werden zweckmäßig Markierungen (B1 in 1b) auf der Leiterkarte angebracht. Diese Markierung B1 befindet sich auf dem Befestigungsmittel der Leiterkarte zum Vibrationstisch, z. B. auf einem Schraubenkopf. Dadurch ist es möglich, die Auslenkung der Anregungsplattform (Vibrationstisch) genau zu bestimmen und gleichzeitig die Schwingung der zu untersuchenden Bauteile zu analysieren. Bei den Steifigkeiten elektronischer Bauteile und den zu messenden Frequenzen sind die relativen Bewegungen im μm-Bereich. 2 shows an exemplary representation of the ratio of the total movement G of the circuit board C to the oscillatory motion S of a component D. In order to determine the vibrations of up to 5000 Hz, markings (B1 in FIG 1b ) on the printed circuit board. This mark B1 is located on the fastener of the circuit board to the vibration table, z. B. on a screw head. This makes it possible to accurately determine the deflection of the excitation platform (vibration table) and at the same time to analyze the vibration of the components to be examined. For the stiffnesses of electronic components and the frequencies to be measured, the relative movements are in the μm range.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das Schwingungsverhalten verschiedener elektronischer Bauteile zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse und Daten können in einer Datenbank zusammengefasst werden. Diese Datenbank kann dann dazu verwendet werden um eine Gesamtkomponente aus Leiterplatte und elektronischen Bauteilen mit einem bestimmten Schwingungsverhalten an einem Computer zu simulieren. Damit ist es möglich, Designänderungen an z. B. Leiterkarten virtuell vorzunehmen, ohne dass eine Vielzahl von Prototypen hergestellt und vermessen werden. Dadurch können Kosten und Entwicklungszeit erheblich reduziert werden.With the method according to the invention, it is possible to investigate the vibration behavior of various electronic components. The knowledge and data gained can be summarized in a database. This database can then be used to simulate an overall component of circuit board and electronic components with a particular vibration behavior on a computer. This makes it possible to design changes to z. As virtual cards, without a variety of prototypes are manufactured and measured. This can significantly reduce costs and development time.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 3018727 A [0004]
WO 2006/124939 A1 [0004]
GB 2427264 A [0004]

Claims

A method for measuring the vibration behavior of at least one electronic component in at least one area to be examined on a circuit board carrying the component, which is applied by means of a rigid connecting piece and a fastening means on a provided for deflecting the at least one electronic component vibration table, wherein a mark in the at least an area to be examined is applied, characterized by the following method steps Measurement of the deflection of the at least one region to be examined and measurement of the deflection of a fastening means by means of at least one high-speed camera, Subtraction of the measured deflection of the fastening means from the measured deflection of the at least one region to be examined, - Filtering of the determined by the subtraction deflections of the at least one electronic component in the at least one area to be examined over time and over the area.

A method according to claim 1, characterized in that vibrations are generated in the range of 20 to 5000 Hz by means of the vibrating table.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that 2 high-speed cameras are used, wherein the two cameras form an angle of 0.5 to 179.5 ° to each other and the line of sight of the cameras to the surface normal of the area to be examined an angle between 0 ° and 44.5 ° form.