Determination of equivalent elastic properties of printed circuit boards
Baskı devre kartlarının eşlenik elastik özelliklerin belirlenmesi
- Tez No: 888352
- Danışmanlar: PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Baskı devre kartları, günümüz elektronik ekipmanlarında vazgeçilmez bir bileşendir. Bu kartlar; askeri ve savunma sanayisi, endüstri, sağlık hizmetleri ekipmanları, uzay, enerji, telekomünikasyon ve tüketici ekipmanları gibi pek çok alanda sıklıkla kullanılan elektronik ekipmanların temel bileşenleridir. Bu alanların her birinde, baskı devre kartlarının güvenilirliği ve performansı, genel sistemin başarısı ve verimliliği açısından kritik öneme sahiptir. Pek çok ekipmanın içinde baskı devre kartının hacmi ve etkin alanı azdır. Ancak, bazı ekipman ve sistemlerde ise bu kartların varlığı, ekipmanı veya sistemi oluşturan diğer birimlere göre daha fazladır. Özellikle, yüksek performans ve dayanıklılık gerektiren uygulamalarda, baskı devre kartlarının doğru malzeme özellikleri ve tasarımları, sistemin genel başarısını doğrudan etkileyebilir. Bu varlık oranı, baskı devre kartının ekipman ve sistem üzerindeki etkisini veya sistemin ve ekipmanın baskı devre kartı üzerindeki etkisini dikkate alınması gereken bir seviyeye getirmektedir. Bu hacim ve kütle fazlalığı örnekleri arasında küp uydular ve cep uyduları önemli bir yer tutmaktadır. Bu uyduların görevleri sırasında maruz kaldıkları zorlu ortam koşulları ve titreşimler, baskı devre kartlarının dayanıklılığını ve güvenilirliğini daha da önemli hale getirmektedir. Küp uydularda, yapı alt sistemi haricinde elektronik içeren tüm alt sistemler, ağırlıklı olarak baskı devre kartları üzerine kurgulanmıştır. Cep uydularında ise durum, küp uydulara göre daha yüksek bir orandadır; yapısal alt sistem olarak da baskı devre kartları kullanılmaktadır. Bu tür uydularda, baskı devre kartlarının yapısal bütünlüğü, uydunun genel performansı ve misyon başarısı için kritik öneme sahiptir. Küp uydular ve cep uyduları yörüngeye yerleştirilirken fırlatma araçları kullanılmakta ve bu araçlar uydular üzerinde çeşitli yükler oluşturmaktadır: 10 g'lik ($g = 9.806 m/s^2$) karekök ortalama (RMS) değerine sahip rastgele titreşim, 2 g'lik ivmelenme, 125 Hz'e kadar 2.5 g'lik sinüzoidal titreşimler ve fırlatma araçlarının kademe ayrılışları ile ateşleme zamanlarındaki şok yükleri. Uyduların bu yüklere dayanımları test aşamasında belirlenir. Uydu projelerinde test aşaması, üretim aşamasından sonra gelmekte ve projelerin son safhalarına denk düşmektedir. Bu testlerden başarıyla geçemeyen uydular tekrar incelemeye alınmakta ve testten başarılı olana kadar tasarım ve üretim faaliyetlerindeki hatalar ayıklanarak devam ettirilmektedir. Baskı devre kartları, birkaç farklı malzemenin birbirine yapıştırılması ve elektriksel bağlantıların ilgili yerlere sağlanması ile oluşturulur. Bu katmanlar; yalıtkan katman, iletken katman, lehim maskesi ve serigrafi gibi bileşenlerden oluşur. Her bir katmanın kendine özgü malzeme özellikleri ve işlevleri vardır, bu da baskı devre kartlarının genel performansını ve dayanıklılığını belirler. İletken katman genellikle bakır malzemeden folyo olarak kullanılır ve 0.5 oz (0.0175 mm) kalınlıktan başlayarak ihtiyaca göre 1.0, 1.5, ... ve 13.0 oz olarak değişir. Yalıtkan katmanın malzeme yelpazesi geniştir. Örnek olarak FR4, Rogger, Mercurywave ve alüminyum gibi malzemeler verilebilir. Bu katmanın temel görevleri, baskı devre kartına dayanıklılık sağlamak ve katmanlar arasında yalıtkanlık görevi görmektir. Katmanlar arası iletimi, via olarak adlandırılan delik içi iletken kaplamaları ile sağlanmaktadır. Bu via'lar, baskı devre kartlarının elektriksel bütünlüğünü sağlar ve katmanlar arasında güvenilir bağlantılar oluşturur. Yalıtkan katman, baskı devre kartının ihtiyaçlarına uygun olarak seçilir. Üretim esnasında da hazır olarak kullanılan ve standartlara uygun prepregler ile elektriksel yalıtım, mekanik ve termal dayanıklılık sağlanmaktadır. Baskı devre kartları, ekipmanların elektronik gereksinimlerine ve tasarımlarına göre şekillenir. Bu sebeple, tasarlanan ve üretilen tüm alt sistemler eşlenik olamaz. Eşlenik olmaması ve sürekli değişen tasarım ve malzeme çeşitliliğinden dolayı, baskı devre kartının mekanik özelliklerinin detaylı belirlenmesi için örneklerinin malzeme özellikleri belirleme testlerine girmesi gerekmektedir. Ancak, bunun bütçesel ve zaman maliyeti düşünüldüğünde, uygulaması mühendislik açısından uygun değildir. Uyduların maruz kaldıkları ortamları doğru modellemek ve uyduları doğru malzeme özellikleriyle modelleyip analizlerini yapmak, başarım oranını artıracaktır. Aslının aksine aşırı dayanıklı olarak analiz sonuçları elde edilmiş baskı devre kartları testlerde başarısız sonuçlara yol açabilirken, düşük dayanımlı olarak analiz sonuçları elde edilmiş baskı devre kartları ise gereksiz yere fazla mühendislik çabası gerektirecektir. Daha az bilgisayar gücü ve zaman ile daha yüksek doğrulukta modellenmiş bir baskı devre kartı, en optimum çözümün oluşmasına olanak sağlayacaktır. Bu çalışmada, küp ve cep uydularında kullanılan boyutlardaki baskı devre kartlarının mekanik özelliklerini daha ayrıntılı bir şekilde yansıtmak, ancak zaman verimli bir şekilde modellemek için eşlenik bir model önerilmiştir. Çalışma prensipte iki temel parçadan oluşmaktadır. Birinci kısım, eşlenik modele yönelik değerlerin belirlenmesi için bir veri havuzu oluşturulmasıdır. İkinci kısım ise, bu veri havuzundan alınan verilerin eşlenik modele atanacak katsayıların belirlenmesi için bir optimizasyon probleminin çözülmesidir. Çalışmada, ticari yazılımlar ve başka projelerde geliştirilmiş yazılımlar kullanılmıştır. Optimizasyon çalışmasında, eşlenik modellere ilişkin doğal frekans analizleri gerçekleştirilmiş ve veri havuzu için paket yazılımlar ile belirli koşullar altında detaylı doğal frekans analizleri yapılmıştır. Optimizasyon probleminin çözümü için, asıl geometrinin dış boyutlarını kapsayacak şekilde benzetilmiş geometrilerin doğal frekansları diferansiyel kuadratür yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Veri havuzu, 2 katlı, 4 katlı, 6 katlı ve 8 katlı baskı devre kartlarının her çeşidinden ikişer adet olmak üzere toplamda sekiz farklı baskı devre kartı ile oluşturulmuştur. Öncelikle, baskı devre kartlarının bilgisayar destekli modellendiği baskı devre kartı tasarım programı Altium Designer'dan her iletken katmanın katı model çıktısı alınmıştır. Bu çıktılar, baskı devre kartının katman yığını tasarımına göre katı modelleme yazılımı olan CATIA ile modellenmiştir. Bu modelleme esnasında, katmanların doluluk hacim oranları hesaplanmıştır. Doluluk hacim oranları diferansiyel kuadratür yönteminde kullanılan maksimum uzunluklara göre hesaplanmıştır. Sekiz katlı ikinci modelde ise doluluk hacim oranı baskı devre kartının maksimum boyutlarına göre hesaplanmıştır. Modellenen baskı devre kartlarının bazı iletken katmanlarının kalınlıkları 0.0175 mm'den, yalıtkan katmanların kalınlıkları ise 0.26 mm'den başlamasından dolayı, sonlu elemanlar analizleri için katmanlar kabuk olarak modellenmiştir. Ek olarak, modelin detayında 0.1 milimetre x 0.1 milimetre uzunluk ve genişliğe sahip yüzeylerin detaylarından ötürü, katı modeller sonlu elemanlar yazılımına hazırlanmak için Ansys SpaceClaim yazılımında orta yüzeyleri oluşturularak düzenlenmiştir. Düzenlenen yüzey modeller sonlu elemanlar yazılımı PATRAN yazalımına aktarılmıştır. PATRAN yazılımında, analizlerin sonlu elemanlar modeli malzeme özelliklerinin atanması ve sınır koşullarının belirlenmesi ile oluşturulmuştur. PATRAN yazılımında oluşturulan sonlu elemanlar modellerin analizleri NASTRAN yazılımında çözülmüş ve sonuçların ve görselleştirilmesi yine PATRAN yazılımında gerçekleştirilmiştir. 2 katlı ve 4 katlı baskı devre katlarının doğal frekans analizi modelleri ve sonuçları veri havuzuna optimizasyon adımında kullanılması için eklenmiştir. 6 katlı ve 8 katlı baskı devre kartlarının modelleri ve sonuçları ise veri havuzuna doğrulamadaki analizlerde kullanılmak üzere veri havuzuna eklenmiştir. Eşlenik malzeme modelinin oluşturulmasında Halpin-Tsai modeli baz alınmış ve doluluk üzerine kurgulanan formülasyonu üzerine doluluk hacim oranına istinaden bir formülasyon önerilmiştir. Formülasyonda yer alan eşleme parametresi optimizasyon için kullanılan parametre olmuştur. Optimizasyon parametresinin doğal frekans hesaplamasında kullanımını kolaylaştırmak adına doğal frekanslar optimizasyon adımında da diferansiyel kuadratüre metodu kullanılmış ve doğal frekanslar bu yöntem ile hesaplanmıştır. Halpin-Tsai modeline göre veri havuzu sonuçları ile kuadratüre metot ile hesaplanan sonuçları normalleştirilmiş kök ortalamalarının toplamı en aza indirilecek şekilde optimize edilmiştir. Brute force yaklaşımıyla ile veri havuzu ve malzeme özellikleri değiştirilerek fark optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaların sonunda, baskı devre kartlarının eşlenik malzeme modelinin diferansiyel kuadratür yöntemi ile elde edilen analiz sonuçları ile detaylı modellenmiş sonlu elemanlar yöntemi analiz sonuçları kıyaslanmıştır. Kıyaslama sonucu, tüm diferansiyel kuadratür yöntemi ile elde edilmiş doğal frekans analizleri sonuçları arasındaki farkın ortalamasının %3.47 civarında olduğu bulunmuştur. Geometrisinin dikdörtgen olmaması nedeniyle bir baskı devre kartı, diferansiyel kuadratür yöntemi ile çözülememiş ve doğal frekans belirlemesi sonlu elemanlar yöntemi ile yapılmıştır. Bu baskı devre kartında, Halpin-Tsai ve Voigt modellerine göre elastik özellikleri değiştirilmiş ve her katman ayrı yüzey olarak modellenip çözülmüştür. Detaylı doğal frekans analizi sonucuyla eşlenik model analizi sonucu arasında Halpin-Tsai ile elde edilen malzeme modeline göre ortalama %2.54'lük bir fark bulunmuştur. Detaylı model analiz sonuçlarına göre, Voigt ve Halpin-Tsai modelleri arasındaki fark, Halpin-Tsai modelinin sonuçlarının Voigt modeline göre %3 daha iyi olduğunu göstermektedir. Sonlu elemanlar analiz programı ile çözümlenen modelin detaylı analizi, 24 çekirdekli ve 64 GB bellekli bir bilgisayarda 28,695.00 saniye sürerken, elastik eşlenik malzeme ile modellenen analiz, 12 çekirdekli ve 32 GB bellekli bir bilgisayarda 1,583.00 saniye sürmüştür. Çözüm süresi, detaylı sonlu elemanlar analizine göre %94.48 azaltılmıştır. Çalışmanın temel hedeflerinden biri olan analiz süresinin kısaltılması, \%2.54'lük bir analiz sonuç benzerliği ile gerçekleştirilmiştir. Gelecek çalışmalarda veri havuzunun genişletilmesi, detaylı modellenmiş analiz sonuçları ile olan benzerliği arttırmaya yardımcı olacaktır. Veri havuzu, malzeme özelliklerini belirleme testleri, daha fazla detaylı analiz modelleri ve sonuçları ile genişletilebilir. Farklı doluluk hacim oranlarına sahip baskı devre kartlarının rezonans taraması yapılarak doğal frekansları belirlenip, diferansiyel kuadratür yöntemi ile eşlenik modelin optimizasyonunda daha fazla veriden yararlanılabilir.
Özet (Çeviri)
Printed Circuit Boards (PCBs) are indispensable components in modern electronic equipment. They are widely used in various fields such as aerospace, military and defense products, industrial, medical, automotive, telecommunications, maritime, and consumer electronics. Some of these products, the PCBs have a higher volume than other parts of the products. PCBs have significantly effects on these products design and mechanical durability. PCBs are crucial components in the CubeSats and PocketQubes satellites. CubeSats have main six subsystems and these subsystem except one (that is structure) made from PCB or it is controlled from PCB. PocketQubes are made from PCB also structural system. In this application PCBs can affect other systems and be affected by the environment. PCB contains various layers, which are substrate, conductive, solder mask, and silkscreen layers. Each layer has a specific duty. Substrate ensures mechanical and thermal durability, insulation between conductive layers. Solder mask, silkscreen layers are used to help for integrating PCB assemblies. The conductive layers are the main layers of the PCBs, and their number is named PCB. The main duty is conducting electronic parts with electronic ways or surfaces. PCBs are made up of layers that are stacked with epoxy. Due to the variability in design and materials, the mechanical properties of PCBs must be thoroughly tested. However, considering budget and time constraints, this is not always feasible in engineering practice. This study proposes an equivalent model to efficiently and accurately model the mechanical properties of PCBs used in CubeSats and PocketQubes. The study is divided into two main parts: creating a data pool for elastically equivalent model values and solving an optimization problem to assign coefficients to the equivalent model. Commercial software and software developed for other projects were used. Modal frequency analyses were performed for the equivalent models and detailed natural frequency analyzes were performed using package software. For the optimization problem, the natural frequencies of geometries simulating the primary structure were determined using the differential quadrature method. The database was created with 2-layer, 4-layer, 6-layer, and 8-layer PCBs with two samples of each. Solid models of each conductive layer were extracted from Altium Designer and modeled in CATIA based on the stack-up design. Layer fill ratios were calculated based on maximum dimensions. Due to the small thickness of some conductive (starting at 0.0175 mm) and insulating layers (starting at 0.26 mm), layers were modeled as shells for finite element analysis. Detailed surface models were prepared in Ansys SpaceClaim and transferred to PATRAN for finite element analysis. Results were obtained from NASTRAN and added to the data pool for optimization and validation. To run the optimization code, the natural frequencies were calculated using the differential quadrature method. The material model was based on the Halpin-Tsai model, the normalized root mean square error between the database results and those calculated with quadrature method is minimized for optimization. A brute force approach was used to obtain the material parameters that minimize the selected objective function. The final comparison showed an average difference of around 3.47 % between the equivalent model results obtained with the differential quadrature method and detailed finite element analysis results. One PCB, with a non-rectangular geometry, was solved using finite element analysis due to the inability to use the differential quadrature method. The detailed analysis of the model, solved using a finite element analysis program, took 28,695.00 seconds on a computer with 24 cores and 64 GB of memory, while the analysis modeled with elastic equivalent material model took 1,583.00 seconds on a computer with 12 cores and 32 GB of memory. The solution time was reduced by 94.48 % compared to the detailed finite element analysis with average 2.54 % difference in results. Further validation involved comparing the results with the Voigt model, the Halpin-Tsai model is more accurate than the Voigt model, with their differences being around 3 % compared to detailed model. The primary goal of reducing analysis time was achieved with a 2.54 % mode similarity. Future work could expand creating the database through material property tests and optimizing the equivalent model with more data from more analysis and resonance survey of PCBs with varying fill volumes.
Benzer Tezler
- Boyalara ve kaplamalara nano metal oksit katkısının fiziksel, antikorozif ve antibakteriyel etkilerinin incelenmesi
Determination of physical, antiorrosive and antibacterial effects of nano metal oxide additives to paints and coatings
EZGİ KIZILKONCA DURAN
- Antimon (cevheri ve konsantresi) ve demir konsantresi katkılı silikon kauçuk malzemelerin diagnostik x-ışınlarını zayıflatma özelliklerinin belirlenmesi
Determination of diagnostic x-ray attenuation properties of antimony (ore and concentrate) and iron concentrate imbedded silicon rubber materials
ÖZLEM VURAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESRİN ALTINSOY
DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT BÜYÜK
- Moment aktaran alın levhalı birleşimlerin çevrimsel yükler altında davranışı
Behaviour of end-plate moment connections under cyclic loading
ALİRIZA İLKER AKGÖNEN
Doktora
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Design, fabrication and control of a novel shape memory alloy (SMA)-wire-based flexible composite actuator
Ozgün bir şekil bellek alaşım (ŞBA) tabanlı esnek kompozit eyleyicinin tasarımı, üretimi ve denetimi
ERAY TEOMAN ÖNDER
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI
DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Mekanistik-ampirik yaklaşım ve ömür boyu maliyet analizi ile Türkiye'de kullanılan tipik esnek kaplama kesitlerinin değerlendirilmesi
Evaluation of Turkish standard flexible pavement sections using mechanistic-empirical approach and life cycle cost analysis
SAADOON OBAID EYADA EYADA
Doktora
Türkçe
2021
İnşaat MühendisliğiSelçuk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN NURİ ÇELİK