Äänen eteneminen piirilevyssä

Abstract

Akustisen emission hyödyntämismahdollisuuksia on tutkittu elektroniikan komponenttien vikaantumisen havainnoinnissa. Akustisen emission on osoitettu rajatuissa olosuhteissa antavan luotettavia tuloksia monikerroksisten keraamisten kondensaattoreiden vikaantumisen määrittämisessä. Hiljan on tehty myös alustavaa tutkimusta keskittyen eristehilabipolaaritansistoreihin. Akustista emissiota ei toistaiseksi kuitenkaan hyödynnetä yleisesti elektroniikan toiminnan varmuuden valvonnassa. Aiheeseen liittyvien menetelmien kehittämistä ajatellen, piirilevyn akustisten ominaisuuksien tuntemus on hyödyksi, sillä piirilevy on välttämättä aina osana elektronisia laitteita. Tämän työn tarkoituksena on saada alustava käsitys siitä, millainen mekaanisen aallon välittäjä tyypillinen piirilevymateriaali on. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin akustiset kokeet neljälle piirilevykappaleelle. Piirilevyihin välitettiin mekaanista värähtelyä eri taajuuksilla pietsosähköisellä kontaktisensorilla määrättyyn pisteeseen ja tämä värähtely mitattiin toisella vastaavanlaisella kontaktisensorilla toisesta pisteestä eri etäisyyksillä. Testattavat kappaleet olivat komponentittomia FR-4 piirilevyjä, joiden oleellisiksi eroiksi toisiinsa asetettiin paksuus ja kuparipinnoitteen olemassaolo. Tehtyjen kokeiden perusteella todettiin, että piirilevyiltä on mahdollista havaita värähtelyä ainakin kuuloalueen taajuudella siten, että tarkastelussa olleiden muuttujien vaikutukset pystyttiin määrittämään. Huomattavasti kuuloalueen taajuuden yläpuolella värähtelevät aallot osoittautuivat vaimenevan taustakohinan tasolle eikä niistä siten ainakaan tämän työn menetelmin pysty erottamaan mitään erityispiirteitä. Mikäli kuitenkin jossakin käyttökohteessa matalammat taajuudet ovat kiinnostavia, olisi syytä tutkia muidenkin muuttujien vaikutusta aaltojen etenemiseen piirilevyssä.

Research have been done on acoustic emission utilization for detection of malfunctioning electronic components. In specific circumstances, acoustic emission has been shown to provide reliable results, when it comes to determining whether multilayer ceramic chip capacitors have failed. Some precursory research concerning insulated gate bipolar transistors have also been conducted recently. However, currently acoustic emission is not widely used for condition monitoring in the field of electronics. Further development of methods concerning this subject could potentially benefit from understanding of acoustic features of a printed circuit board, since it is unavoidably part of most electronic devices. The goal of this thesis is to establish basic knowledge of printed circuit board as a medium for mechanical wave propagation. Acoustic experiments for four test circuit board pieces were designed and executed. Test pieces were subjected to vibration using piezoelectric contact sensor with various frequencies. Vibrations produced were then measured with another similar sensor from a different point of object being tested with varying distance to the source of vibration. The test pieces were plain FR-4 boards and their distinct difference from each other was their thickness and presence of copper plating. Based on experiments presented in this study, it was found that at least vibrations which take place within hearing frequencies can be observed in a way that effect of variables being inspected could be determined. It was demonstrated that waves descent to background noise level at frequencies that go considerably above the highest audible frequency; thus, no characteristics can be derived from them at least with the methods used in this study. If there is an instance that operates within these lower frequencies around the audible band, it would be wise to do further research on the matter, adding new variables for determining their effect on the wave propagation characteristics in a circuit board.