Influência da distribuição de componentes sobre placas no projeto estrutural de equipamentos eletrônicos embarcados

Abstract

Todo equipamento eletrônico embarcado irá sofrer vibração em algum momento da vida. Se não for uma vibração ativa operacional, pelo menos durante o transporte alguma vibração irá ocorrer. Sendo a vibração a segunda grande fonte de falha em componentes eletrônicos (cerca de 20% segundo Steinberg, 2000), é de grande importância a sua compreensão para melhor proteger a eletrônica embarcada, principalmente, a que está submetida a severos níveis de vibração como em casos de aplicação em satélites. Normalmente, por diversas questões como acessibilidade, manuseio e manutenção, a eletrônica embarcada é composta basicamente de módulos (caixas ou invólucros) que acomodam as placas de circuito impresso nas quais são montados os componentes eletrônicos. As placas de circuito impresso são responsáveis por fornecer suporte mecânico aos componentes eletrônicos e prover a conectividade elétrica do circuito. Este trabalho tem o objetivo de estudar como a distribuição dos componentes sobre a placa afeta o seu comportamento dinâmico e, até que ponto, pode-se utilizar essa distribuição em benefício do projeto estrutural. Para isso, foi elaborado um modelo de elementos finitos onde foram obtidas as frequências naturais e os modos de vibrar da placa para 6 distribuições arbitrárias de massa. A fim de avaliar como a distribuição de massa é afetada em placas que tem maior massa adicionada, para cada distribuição de massa, a massa adicionada à placa foi aumentada em três etapas, 22,9% da massa da placa, 30,4% e 39,8%. O mesmo foi feito com a área dos suportes de fixação para avaliar como a sensibilidade da mudança da distribuição é afetada pela área de apoio. Na configuração inicial, a área dos suportes de fixação somava 5% da área da placa, posteriormente passou a ser 10% e 15%. Após a análise por elementos finitos foram realizados ensaios experimentais e os resultados dos mesmos foram comparados com os resultados da simulação e com outros resultados obtidos na bibliografia.

Each on board electronic equipment shall be subject to vibration during its life. It is expected that equipment suffer some vibration at least during its transportation, if not during its operational life. As the vibration is the second biggest source for electronic equipment fails (around 20% according to Steinberg, 2000), it is quite important to understand how better protect the on board electronic, mainly if it is under high acceleration levels as in satellite applications. For different reasons as accessibility, handling and maintenance, the electronic on board usually consists basically of modules (box or casing) which receive the printed circuit board where the electronic components are mounted. The printed board circuits are responsible for supplying mechanical support to electronics equipment and, at the same time, assure an electrical connectivity of the circuit. The aim of this work is to study how the arrangement of the component in plate should affect its dynamic behavior and, how this distribution can be used for structural design safety. For doing this, a finite elements model is proposed and natural frequencies and their respective mode shapes are analyzed. Six different types of mass distribution have been considered. In order to evaluate mass influence on the plate dynamic behavior, for all the arrangement proposed distribution of the masses, the mass amount was increased in three steps. The same has been done with the area of the mounting support that 5%, 10% and 15% of the plate area. After the finite element analysis, experimental tests have been performed and their results were compared with simulation results and with other results found in bibliography.