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具加熱晶片之印刷電路板於熱場分析與模型驗證

        當今的電子產品,因製程技術快速提升,都以輕薄短小功能多元化高效率高功率的趨勢發展,相對減少印刷電路板所需佔用的體積,但對印刷電路板所能承受之要求愈趨嚴格,其中最重視的是因高功率電子晶片所導致的高溫破壞,有鑑於此必須先了解印刷電路板受熱效應後之溫度分佈以及熱應力分佈,故本文針對不同熱效應之印刷電路板進行一系列分析及探討。

      具熱效應印刷電路板(print circuit board, PCB)是值得探討的議題。本文使用配置四顆加熱晶片之PCB當成熱源模擬PCB在實際運作過程中所產生之熱場,此加熱晶片之設計為使用直流電壓並可迅速達到高溫,且溫度是隨電壓增加而呈現線性上升。本實驗使用紅外線熱像儀拍攝PCB上溫度分佈並搭配有限元素對PCB及加熱晶片溫度分佈進行實驗分析之驗證。由驗證結果顯是理論分析與實驗驗證結果非常吻合。此外,有無熱效應之PCB之模態特性驗證結果也十分良好。經驗證成功之具熱效應PCB有限元素模型可進一步延伸至頻譜響應分析,探討隨機振動熱效應之耦合分析


屏東科技大學機械工程系所  振動噪音實驗室
實驗室主持人:王栢村教授
聯絡信箱:wangbt@mail.npust.edu.tw
聯絡電話:08-7703202 #7017 / 7036
實驗室網站:http://140.127.6.133/lab/

單一封裝PCB板之響應預測與實驗驗證

       結構振動問題一直是動態分析設計中很重要一部份,而解決振動問題必須先要獲得實體結構的振動特性,除了基礎理論分析外,還可利用有限元素分析法(Finite Element Analysis, FEA)模擬分析。除了理論數學模擬推導外,利用實驗模態分析(Experimental Modal Analysis, EMA)獲得實際結構之振動參數,是常見擷取振動參數之方法。本研究希望利用理論與實驗相互比較驗證,而獲得整體印刷電路板等校模型並已模型進行破壞預測,嘗試找出可能最大破壞位置。


       將單一封裝體印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)已驗證完成鎖固邊界等效有限元素模型,並延伸應用於PCB響應預測,利用有限元素分析軟體頻譜響應分析配合隨機振動實驗,並依照JEDEC振動試驗規範中之E level進行隨機激振頻譜響應分析,透過實驗頻譜分析可以獲得結構物受隨機激振下之功率頻譜密度函數(Power Spectrum Density, PSD),由實驗及理論分析求得加速度應變PSD,並由PSD進行計算求得平均平方根值(Root Mean Square, RMS ),由PSD圖形RMS值可對理論分析之精準度進行驗證,並確認響應預測的正確性,最後延伸進行疲勞破壞分析


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隨機振動與熱效應複合負載下之封裝體錫球應力預測分析

       隨著科技日新月異,人們對於電子產品使用與便利性之要求相對提高,使得印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)尺寸設計愈趨嚴苛,而產品縮小所伴隨的是在運輸使用環境高溫熱能等情況下其使用壽命之議題,利用FEA分析得到PCB有無熱效應之結構特性,進而對PCB進行振動熱傳耦合分析,藉此探討PCB於耦合效應之特性,以便能對PCB進行最佳化結構設計



       透過可靠且準確之印刷電路板分析模型便可預測結構於衝擊振動甚至具熱效應模擬情況下系統之響應。本文利用經實驗模態分析方法及有限元素分析法模型驗證之印刷電路板精細有限元素模型,依循JEDEC制定振動試驗規範進行包含熱效應頻譜響應分析,藉由理論及實驗之加速度功率頻譜密度函數比對驗證,可確認此印刷電路板模型正確性,並進一步預測印刷電路板在具熱效應隨機振動測試耦合狀態下之疲勞破壞。本文建立振動與熱傳耦合驗證分析流程,基於隨機輸入之常態分佈假設,引用Goodman圖,對印刷電路板具熱效應於隨機激振下進行疲勞破壞評估,由本文所建立分析方法將有利於未來印刷電路板於振動與熱傳耦合負載下之設計分析。



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上級封裝體於自由邊界下之模型驗證

        本文針對微小封裝體(SPBGA)結構進行振動參數之探討,經由有限元素分析軟體配合實驗模態分析進行模型驗證,進而取得等效於實際封裝體之等效有限元素模型並確認對微小物品之實驗模態量測方法分析之準確性。在有限元素分析,首先建構符合實體結構之有限元素模型,封裝體內部結構包括:晶片底層化合物錫球,以有限元素分析軟體進行模態分析簡諧響應分析。在實驗部份,利用傳統實驗模態分析量測手法,以衝擊鎚當驅動器,而以麥克風取代加速度計當感測器進行實驗模態分析,經由實驗可獲得封裝體之模態參數,包括自然頻率、模態振型及阻尼比,在與理論有限元素分析得到之模態參數(阻尼比除外)進行比對驗證,以取得等效於實際結構之有限元素模型。經由取得封裝體之等效有限元素模型,可確立本次實驗方法之可行性,並可將其等效模型進一步應用於進行其他振動分析響應預測等。


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具加熱晶片之印刷電路板於熱效應下之模型驗證

    本文針對配置四顆加熱晶片印刷電路板(printed circuit board, PCB)進行振動耦合熱效應之分析與驗證。本文經由實驗模態分析(Experimental Modal Analysis, EMA)搭配有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA)進行不同熱效應印刷電路板模型驗證,皆考慮自由邊界固定邊界兩種邊界設定,探討PCB於不同邊界及不同熱效應下之振動特性
經由實驗模態分析結合有限元素分析對配置加熱晶片之印刷電路板進行振動與熱效應耦合分析,經由實驗分析與理論分析求得之模態參數進行具熱效應之印刷電路板之模型驗證。
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具加熱晶片之印刷電路板於隨機振動與熱效應之耦合分析

        新一代的電子產品,大多以輕薄短小、功能多元化高效率及高功率的趨勢發展,相對減少印刷電路板所需佔用的體積,對印刷電路板所能承受之要求愈趨嚴格,其中最重視的是高功率電子晶片所產生之高溫所導致的高溫破壞以及環境振動對印刷電路板之使用壽命;有鑑於此必須了解印刷電路板結構在不同熱效應下之振動特性,故本文針對不同熱效應印刷電路板進行一系列振動分析探討。
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印刷電路板模型驗證與響應預測之重複性探討

        本文對兩塊相同規格印刷電路板於振動特性上之重複實驗與分析差異探討,並利用有限元素分析配合實驗模態分析進行模型驗證及隨機振動測試之響應預測,藉由模型驗證及響應預測之結果可對兩塊印刷電路板進行變異性之探討。在模型驗證部份,利用有限元素分析軟體進行模態分析及簡諧響應分析可求得印刷電路板之模態參數及頻率響應函數,再與實驗模態分析所求得之結果進行模型驗證,可確保電路板有限元素模型於自由固定邊界下與實際結構之等效性。再將驗證完成之有限元素模型應用於響應預測,由有限元素分析軟體之頻譜響應分析配合隨機振動 實驗並遵照 JEDEC 所製定之振動試驗規範 JESD22-B110 取得印刷電路板於隨機振動下之動態響應及應力應變值, 並預測印刷電路板於隨機振動下之破壞位置,綜合以上分析結果進行兩塊印刷電路板之變異性探討,以尋找印刷電 路板於振動測試分析中之差異。本文結合分析與實驗方法於研究大量製作印刷電路板時之環境振動測試,並驗證分 析與實驗方法,將有助印刷電路板對於振動分析之參考。

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印刷電路板受熱狀態之振動模態分析與驗證

在電子構裝產業中,印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)在體積日益縮小的情況下,除了由高溫所產生之破壞以外,在組裝、運輸及使用過程中,經由振動所產生的破壞亦為印刷電路板之設計關鍵,因此必須進行振動與熱傳複合試驗,由實驗模態分析可得實際結構有無受熱之模態參數及頻率響應函數,理論由有限元素分析可得印刷電路板有無受熱之理論振動模態及頻率響應函數,兩者比對得到足夠代表實際結構之等效模型

本文利用有限元素分析實驗模態分析進行印刷電路板(PCB)有無受熱狀態模型驗證,首先進行自由邊界之模型驗證,包含PCB板、PCB板於封裝體貼附加熱片及加熱片給予固定熱源施於PCB之封裝體,以確認分析模型之正確性。其次進行PCB板固定邊界之模型驗證,包含PCB板於封裝體貼附加熱片及PCB板封裝體於不同輸入電壓狀態,確認模擬固定邊界的彈簧元素之彈簧參數,並探討PCB板受熱前後之振動模態特性差異性




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有無熱效應印刷電路板之振動特性模擬分析比較

本文目的在對單一封裝體晶片固定溫度熱邊界之印刷電路板與無固定溫度熱邊界印刷電路板振動特性相互比較。首先分別以封裝體晶片具固定溫度熱邊界之印刷電路板及封裝體晶片不具固定溫度熱邊界之印刷電路板兩種形式進行結構振動分析,皆分別考慮自由及固定兩種邊界狀態,進行印刷電路板之振動特性比較。結果顯示具固定溫度熱邊界之印刷電路板其自然頻率有提升之現象,在模態振型除了固定邊界有明顯差異外,於自由邊界下之模態振型沒有太大的改變。






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印刷電路板實驗模態分析重現性探討

近年來電子產品趨勢皆往高功能及高攜帶性方向快速進展,在這兩方面強力驅使下,環境應力篩選更是品質與可靠度保證方法,而在實驗中有諸多不可避免之人為差異性,本研究採用之PCB已使用於實驗相關測試一段時間,對於PCB內部結構是否有無變異,不確知,因此重複EMA探討PCB之模態重現性差異,並評估所建構之等效有限元素分析模型之適應性。

本文探討環境振動測試所設計之印刷電路板進行實驗模態分析之重現性,利用傳統實驗模態分析方式,對PCB執行兩次獨立實驗,透過頻譜分析儀求得結構之FRF,經由參數估測方法,將頻率響應函數藉由曲線嵌合軟體擷取出結構之自然頻率模態振型阻尼比等模態參數,由所得結果以驗證PCB實驗模態參數重現性之正確性及合理性。



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印刷電路板於振動試驗之響應預測與驗證


隨著微機電科技進步而日新月異,近年來電子產品趨勢皆往高功能及高攜帶性方向快速進展,在這兩方面強力驅使下,環境應力篩選更是品質與可靠度保證方法印刷電路板(Printed Circuit Boards, PCB)的設計因日益縮小的體積而帶來的高溫破壞,惟除了高溫破壞外,隨著其組裝、運輸,使用環境等各因素所帶來的破壞也將對PCB使用壽命產生極大影響,故對PCB進行振動分析設計是很重要的。

本文係利用重現性手法對以螺栓鎖固於環境振動試驗用治具的印刷電路板進行模型驗證,並發展印刷電路板於固定邊界之理論模型進行在環境振動試驗下的響應預測與可能之破壞點。將實際印刷電路板進行符合JEDEC的環境隨機振動試驗規範的振動試驗,量測印刷電路板的輸出響應,依照JEDEC的環境隨機振動試驗規範不同的標準,實際試驗之輸入與輸出頻率響應函數比對,可獲得治具對激振訊號的傳輸能力評估,即可驗證治具的可靠性。


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具封裝體印刷電路板受熱之溫度場分析與實驗驗證

在電子構裝產業中,印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)在體積日益縮小的情況下,除了由高溫所產生之破壞以外,在組裝、運輸及使用過程中,經由振動所產生的破壞亦為印刷電路板之設計關鍵,因此必須進行振動熱傳複合試驗,故本文熱源採用加熱片對應刷電路板進行受熱,先探討印刷電路板受熱後之溫度情形,未來將建立振動熱傳複合試驗


印刷電路板實驗模態分析重現性探討

近年來電子產品趨勢皆往高功能及高攜帶性方向快速進展,在這兩方面強力驅使下,環境應力篩選更是品質與可靠度保證方法,而在實驗中有諸多不可避免之人為差異性,本研究採用之PCB已使用於實驗相關測試一段時間,對於PCB內部結構是否有無變異,無法得知,因此重複EMA探討PCB模態重現性差異,並評估所建構之等效有限元素分析模型適應性

印刷電路板受熱狀態之振動模態分析與驗證

在電子構裝產業中,印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)在體積日益縮小的情況下,除了由高溫所產生之破壞以外,在組裝、運輸及使用過程中,經由振動所產生的破壞亦為印刷電路板之設計關鍵,因此必須進行振動熱傳複合試驗,由實驗模態分析可得實際結構有無受熱之模態參數頻率響應函數,理論由有限元素分析可得印刷電路板有無受熱之理論振動模態頻率響應函數,兩者比對得到足夠代表實際結構之等效模型


不同封裝體數量印刷電路板之振動特性與響應預測模擬比較分析

在電子構裝產業中,印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)在體積日益縮小的情況下,除了由高溫所產生之破壞以外,在組裝、運輸及使用過程中,經由振動所產生的破壞亦為印刷電路板之設計關鍵,因此藉由對印刷電路板振動特性之研究與探討,能夠對PCB進行最佳化之結構設計,而要瞭解如何設計及改變,必須對結構振動問題進行分析才能探討結構因環境振動所造成的損害。


探討兩塊封裝體數量不同之印刷電路板於固定邊界動態參數之變化,並於有限元素分析軟體中進行理論模態分析簡諧響應分析頻譜響應分析。在模態及簡諧響應分析部份,應用數個封裝體已模型驗證完成之結構參數套入單一封裝體有限元素模型求得自然頻率模態振型頻率響應函數,並進行兩塊印刷電路板之振動特性比較。



環境振動試驗用印刷電路板之模型驗證

印刷電路板(Printed Circuit Boards, PCB)的設計最重視的除了因日益縮小的體積而帶來的高溫破壞外,隨著其組裝、運輸、使用環境等各因素所帶來的動態破壞也將對PCB的使用壽命產生極大影響,故動態分析設計對PCB也是極重要的關鍵。若結合有限元素分析(FEA)實驗模態分析(EMA),將FEA的理論分析結果與EMA實驗分析數據作比較,以實驗結果為基準不斷修正FE模型的設定參數,最後可獲得與實際受測物等效的FE模型,並可將此等效FE模型運用在協助動態分析設計上。

如能對自由邊界PCB建立與其實際結構等效之理論數學模型,可協助架構出PCB在實際振動試驗挾持邊界條件下的理論數學模型,將可簡化相關振動測試的進行,未來並可利用該等效FE模型進行更進一步的PCB整體或細部零組件振動破壞分析設計