Optomet GmbH
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Wie verteilt sich die mechanische Beanspruchung auf einer Leiterplatte – und welche Bauteile sind betroffen? Laser-Doppler-Vibrometrie liefert die räumliche Antwort. Dieser Bericht zeigt drei Messansätze für Leiterplatten (PCB Boards):
Von der vollflächigen Out-of-plane-Messung über die 3D-Schwingungsanalyse bis zur 3D-Einzelpunktmessung.
Flächendeckende Messung senkrecht zur Oberfläche (Vollflächig, Out-of-plane)
Ein Vibrometer scannt die gesamte Platine und zeigt Schwingungshotspots auf Bauteilebene.
Dreidimensionale Messung über die gesamte Fläche (X/Y/Z, In-Plane + Out-Of-Plane)
Drei synchronisierte Vibrometer erfassen In-plane-Bewegung, Kippbewegung und thermische Ausdehnung.
Problemstellung
Bestückte Leiterplatten in Automobil-, Luftfahrt- und Industrieanwendungen sind im sind im Betrieb Schwingungen und Stößen ausgesetzt. Die Beanspruchung verteilt sich dabei nicht gleichmäßig, sondern konzentriert sich in lokalen Hotspots – an Stellen maximaler Auslenkung, in der Nähe schwerer Bauteile, an Übergängen zwischen Leiterplatte und Steckern.
Die zentralen Fragen
Ziel dieser Messung ist es, das vollflächige Out-of-plane-Schwingungsverhalten einer bestückten Automobil-Leiterplatte unter kontrollierter Anregung sichtbar zu machen. Statt eines einzelnen Messpunkts wird die gesamte Platinenoberfläche abgescannt – um zu erkennen, wo die Schwingungsamplituden senkrecht zur Oberfläche am größten sind: auf Platinenebene und auf Bauteilebene. Die resultierenden Betriebsschwingformen (ODS) zeigen, welche Bereiche und Bauteile den höchsten dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Leiterplatte wird auf einem elektrodynamischen Shaker befestigt. Das Scanning-Vibrometer ist auf einem portablen Aluminiumprofil-Rahmen über dem Prüfling montiert und blickt senkrecht auf die Platinenoberfläche. Diese Konfiguration ergibt den optimalen Messwinkel für Out-of-plane-Schwingungsmessungen.
Das Optomet Scanning-Vibrometer vereint Vibrometer, Datenerfassung, Signalgenerator und Kamera in einem Gerät. Für diese Messung ist keine zusätzliche externe Hardware erforderlich. Das Anregungssignal für den Shaker wird direkt vom integrierten Signalgenerator erzeugt.
Die Software SMART Lab zeigt über die integrierte Kamera ein Live-Bild des Prüflings. Messfläche und Scan-Raster werden direkt auf diesem Kamerabild definiert. Flächenauswahl, Mesh-Generatoren und komponentenweise Zuordnung erlauben eine präzise Platzierung der Messpunkte – von einem groben Vollplatinen-Raster bis zu dichten Rastern auf einzelnen Bauteilen.
Beide Bilder zeigen die Bestückungsseite der Leiterplatte aus leicht unterschiedlichen Perspektiven. Im linken Bild werden die Messbereiche und Boundary-Tools definiert, im rechten Bild ist das fertige Messpunktraster sichtbar. SMART Lab unterstützt mehrere Layer, sodass sich verschiedene Messbereiche – etwa ein grobes Vollplatinen-Raster und dichte Raster auf einzelnen Bauteilen – in einem gemeinsamen Projekt verwalten lassen.
Im Acquisition-Modul werden die Vibrometereinstellungen festgelegt. Für diese PCB-Messung beträgt die obere Grenzfrequenz 100 kHz – ausreichend, um sowohl die Grundresonanzen der Platine (typischerweise unter 5 kHz) als auch höhere Bauteilmoden zu erfassen. Mit über 13 Millionen FFT-Linien und einer Frequenzauflösung von 6,4 mHz werden auch eng benachbarte Moden sauber getrennt.
Sobald Raster und Einstellungen definiert sind, scannt das Vibrometer alle vordefinierten Messpunkte automatisch ab. Der Laser bewegt sich von Punkt zu Punkt, stellt bei Bedarf den Fokus nach, zeichnet das Schwingungssignal auf und rückt zur nächsten Position vor. Ein manueller Eingriff während des Scans ist nicht nötig.
Die Messung erfolgt vollständig berührungslos. Keine Sensoren auf der Platine, keine Kabel, keine zusätzliche Masse auf der Struktur. Die Ergebnisse bilden das tatsächliche Schwingungsverhalten der Baugruppe ab.
Nach Abschluss des Scans bietet SMART Lab im Analysis-Tab verschiedene Darstellungsformen. Die Schwingungsdaten lassen sich als farbcodierte Punkte über dem Kamerabild, als interpolierte Farbfläche oder als Drahtgittermodell mit animierter Verformung anzeigen. Dämpfungsinformationen können in die Darstellung einbezogen werden.
Die Farbflächendarstellung macht die globalen Plattenmoden sofort sichtbar: In diesem Fall zeigt sich eine höhere Eigenform mit mehreren ausgeprägten Amplitudenmaxima über die Platine verteilt. Wo diese Maxima in Bezug auf die Bauteilpositionen liegen, ist direkt relevant für die Zuverlässigkeitsbewertung – Bauteile in der Nähe eines Schwingungsmaximums erfahren die höchsten dynamischen Lasten.
Was die Messung zeigt: Die interpolierte ODS-Darstellung zeigt, dass die Platinenecken und die Bereiche nahe den großen Steckern bei bestimmten Frequenzen die höchsten Schwingungsamplituden aufweisen. Kondensatoren und IC-Packages in diesen Zonen sind erhöhter mechanischer Beanspruchung ausgesetzt – sie kommen als Kandidaten für Umplatzierung oder verstärkte Anbindung bei einer Überarbeitung infrage.
Neben der Gesamtansicht erlaubt SMART Lab das Hineinzoomen in einzelne Bauteile, um deren lokale Schwingformen darzustellen. Die integrierte Videoaufnahme-Funktion erzeugt 4K-Videos der animierten Schwingungsdaten – einschließlich Tracking-Shots, die die virtuelle Kamera über die Platinenoberfläche fahren lassen. Ideal für Präsentationen und Berichte.
Die Detailansicht zeigt, wie jedes einzelne Bauteil auf die Anregung reagiert. In dieser Nahaufnahme zeigen die Elektrolyt-Kondensatoren jeweils ein eigenes Schwingungsmuster – einige kippen lateral, andere zeigen vertikale Auslenkung. Diese Detailtiefe ist nur mit der räumlichen Auflösung eines Scanning-Vibrometers möglich und bleibt bei herkömmlichen Beschleunigungssensor-Messungen unsichtbar.
Die bisherige Messung erfasst die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Platinenoberfläche. Für viele PCB-Analysen reicht das – Biegemoden dominieren, die größte Auslenkung erfolgt out-of-plane. Doch die Detailansicht der Kondensatoren in Schritt 6 deutet bereits an, was eine reine Out-of-plane-Messung nicht vollständig abbilden kann: Einige Bauteile kippen lateral, nicht nur vertikal.
Auf bestückten Leiterplatten gibt es mehrere Situationen, in denen die In-plane-Bewegung eine entscheidende Rolle spielt:
In all diesen Fällen liefert eine reine Out-of-plane-Messung ein unvollständiges Bild. Die folgenden Abschnitte zeigen, was die 3D-Messung an derselben Leiterplatte zusätzlich sichtbar macht.
Echte Messdaten, keine Simulation – Die Darstellung zeigt eine reale 3D-Schwingungsmessung an der bestückten Leiterplatte, aufgenommen mit dem SMART 3D-Scan. Die Messdaten lassen sich direkt auf das 3D-Model der Platine projizieren – so wird sofort sichtbar, welche Bauteile und Bereiche betroffen sind.
Drei synchronisierte SMART Scan+ Vibrometer messen gleichzeitig aus unterschiedlichen Winkeln.
Aus den drei Geschwindigkeitskomponenten berechnet die Software die vollständige Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung an jedem Messpunkt. Der Messworkflow in SMART Lab ist dabei im Kern identisch zum 1D-Fall: Messpunkte auf dem 3D-Modell oder dem Kamerabild definieren, automatisch abscannen, Ergebnisse visualisieren. Der entscheidende Unterschied liegt nicht im Ablauf – sondern in dem, was die Ergebnisse zeigen.
Warum 3D statt nur Out-of-plane?
Die 3D-Messung macht Bewegungsanteile sichtbar, die in der reinen Out-of-plane-Analyse verborgen bleiben. Insbesondere die laterale Bewegung der Steckerleisten, das Kippverhalten hoher Elektrolyt-Kondensatoren und die Pendelbewegung der Transistoren werden erst im 3D-Datensatz vollständig erfasst – und damit auch die tatsächliche Beanspruchung der zugehörigen Lötstellen.
Neben der Schwingungsanalyse kann dasselbe SMART 3D-Scan Vibrometer auch die thermische Ausdehnung der Leiterplatte und ihrer Bauteile erfassen. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von FR4-Substrat, Kupfer-Leiterbahnen, Lötstellen und Gehäusematerialien erzeugen bei Temperaturänderungen lokale Verformungen, die zu Ermüdungsschäden führen können.
Für Temperaturwechseltests (TCT – Temperature Cycling Test) und die Bewertung der thermo-mechanischen Zuverlässigkeit liefert die 3D-Messung der thermischen Ausdehnung die räumliche Evidenz, die mit Dehnungsmessstreifen nur an wenigen Stellen verfügbar wäre – berührungslos und vollflächig.
Nicht jede PCB-Analyse erfordert ein vollflächiges Scan-Raster. Bei Shaker-Tests an Steuergeräten (ECUs), der Qualifikation einzelner Baugruppen oder der Überwachung definierter Messpunkte in der Serienprüfung reicht ein einzelner Messpunkt – allerdings in allen drei Raumrichtungen.
Das SMART 3D-Fiber liefert genau das: drei Laserstrahlen treffen auf denselben Oberflächenpunkt und erfassen die vollständige 3D-Schwingungsbewegung. Der kompakte Faserkopf eignet sich besonders für beengte Einbausituationen – etwa zur Messung direkt auf einer Leiterplatte innerhalb eines Gehäuses.
Die X-, Y- und Z-Geschwindigkeitskomponenten stehen direkt am Digital- und Analogausgang zur Verfügung. Das SMART 3D-Fiber lässt sich sowohl über SMART Lab als auch direkt über ein externes DAQ-System betreiben – für die Integration in bestehende Prüfstände ist keine proprietäre Software erforderlich.
Anwendungsfall ECU-Shaker-Test: Bei der Schwingungsanalyse von Steuergeräten zeigt die 3D-Einzelpunktmessung die vollständige Schwingung an einem definierten Messpunkt – einschließlich der In-plane-Anteile, die bei konventionellen 1D-Beschleunigungssensoren unsichtbar bleiben. Für Kunden, die einen definierten Punkt über einen längeren Zeitraum oder unter wechselnden Bedingungen überwachen, ist das SMART 3D-Fiber die kompakte Alternative zum vollflächigen 3D-Scanning.
Alle drei in diesem Bericht gezeigten Messansätze verwenden Optomet Laser-Doppler-Vibrometrie und die SMART Lab Software. Die Wahl des Systems hängt davon ab, welche Information benötigt wird:
| Messaufgabe | Scanning-Vibrometer 1D, vollflächig | SMART 3D-Scan 3D, vollflächig | SMART 3D-Fiber 3D, Einzelpunkt |
|---|---|---|---|
| Out-of-plane-Schwingung | ✓ | ✓ | ✓ |
| In-plane-Schwingung | – | ✓ | ✓ |
| Fullfield-ODS / Modenformen | ✓ | ✓ | – |
| Thermische Ausdehnung | – | ✓ | ✓ |
Scanning-Laser-Doppler-Vibrometer mit SWIR-Technologie (1550 nm), augensicherem Messlaser (Klasse 1) und digitaler FPGA-Signalverarbeitung.
Die aktuelle Generation: vollintegriertes Scanning-Vibrometer mit erweiterter Bandbreite, 4K-Kamera, integrierter DAQ und bis zu 12 Referenzkanälen – ohne externe Hardware.
Drei synchronisierte SMART Scan+ für vollständige X/Y/Z-Messung an jedem Scanpunkt. Modularer Upgrade-Pfad.
3D-Einpunkt-Vibrometer mit kompaktem Faserkopf. Direkte X/Y/Z-Ausgabe am Analog- und Digitalausgang.
Der grundlegende Ablauf der Messung ist bei allen vier Systemen vergleichbar. Die Wahl hängt von der Messaufgabe ab: vollflächig oder punktuell, 1D oder 3D – oder beides, denn die SMART-Systeme lassen sich kombinieren und schrittweise erweitern.
Dieser Anwenderbericht zeigt drei Messansätze für die Schwingungsanalyse bestückter Leiterplatten mit Optomet Laser-Doppler-Vibrometern.
Vollflächige Out-of-plane-Messung: Ein einzelnes Scanning-Vibrometer erfasst die Schwingungskomponente senkrecht zur Platinenoberfläche. Sechs Schritte vom Aufbau bis zur Bauteil-Detailanalyse zeigen den vollständigen Workflow. Die Ergebnisse identifizieren räumliche Schwingungshotspots, machen Eigenformen auf Platinenebene sichtbar und zeigen das individuelle Schwingungsverhalten einzelner Bauteile.
3D-Schwingungsanalyse: Drei synchronisierte SMART Scan+ Vibrometer erfassen die vollständige Bewegung in X, Y und Z. Damit werden Lateralbewegungen, Kippbewegungen und gekoppelte Moden sichtbar, die in der Out-of-plane-Messung verborgen bleiben. Dasselbe System erfasst auch die thermische Ausdehnung – relevant für die Bewertung der thermo-mechanischen Zuverlässigkeit.
3D-Einzelpunktmessung: Das SMART 3D-Fiber liefert die vollständige 3D-Schwingungsinformation an einem definierten Messpunkt. Der kompakte Faserkopf eignet sich für Shaker-Tests an Steuergeräten, Bauteilqualifikation und die Integration in bestehende Prüfstände.
Alle drei Ansätze liefern die räumliche Evidenz für gezielte Designentscheidungen: Bauteilumplatzierung, lokale Versteifung, Anpassung der Montagebedingungen oder FEM-Validierung anhand gemessener Realität.
Vollflächige Schwingungsanalyse für Ihre Leiterplatten? Optomet bietet die passende Messlösung.
Europa: 9:00am - 5:00pm (UTC+1)
Amerika: 3:00am - 12:00pm (UTC-5)
Asien: 3:00pm - 0:00am (UTC+8)
SMART Scan+
SMART 3D-Scan
SMART Full Body
SMART Single+
SMART Multi-Fiber
SMART 3D-Fiber
SMART DAQ
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