高科技裝置中PCB電路板振動對感測器之影響

印刷電路板(PCB)振動可能引發元件間不良雜訊與干擾。透過模擬技術可追溯振動源頭並協助設計者研擬對策。本文將解析如何透過多物理場耦合之虛擬孿生模型，同步模擬電磁、結構與振動聲學效應，以及導致振動干擾之因果耦合機制。

現代高科技裝置普遍配置多種感測器與天線。感測器種類包含加速度計、心率監測儀、高度計與麥克風；天線系統則涵蓋蜂窩網路、WiFi及衛星通訊等類型。此類元件本質上皆具高度敏感性，其輸出訊號易受裝置內部產生之局部雜訊與振動影響。

壓電效應、勞倫茲力與磁致伸縮現象均可能引致電子元件振動。當此類振動與印刷電路板之機械共振模態產生交互作用時，將導致整板振動現象。此類振動雖多屬人耳不可聞範圍，然對於智慧手錶、醫療設備、科學儀器及精密製造機具等裝置內之感測器與其他敏感電子元件將造成顯著干擾。

本文將示範如何透過多物理場耦合之虛擬孿生模型，同步模擬電磁、結構與振動聲學效應，以及導致振動干擾之因果耦合機制。藉由精細分析，工程師可透過適當設計變更有效抑制各類振動現象。

電子元件振動成因解析

Finite element simulation of PCB structural stress distribution using CAE software — *由嗡嗡作響的電容器引起的 PCB 振動的模擬動畫。*

振盪訊號於電力供應與模擬/數位訊號傳輸領域應用廣泛。多種常見電子元件因下列物理現象易受此類訊號引發振動：

常態下此類振動可忽略不計。然若元件安裝於印刷電路板上時，該基板可能形成共振腔，顯著放大振動效應。此振動能量可能傳導至其他元件，進而影響其功能運作。

壓電效應

多層陶瓷電容器(MLCC)廣泛應用於去耦、濾波與計時等電子領域，具有體積精巧與高可靠性等優勢。MLCC採用具壓電效應之材料製成，該效應特性為材料受機械應力時產生電荷，反之於電場作用下會產生機械形變。當施加振盪訊號時即可能引發振動。

磁致伸縮

常見於電源電子裝置，類似效應發生於磁性材料（如電感器與變壓器之鐵氧體磁芯），此現象稱為磁致伸縮。材料磁化時，磁偶極子將旋轉至與磁場對齊，於材料內部產生磁階層面之應變並導致伸長。施加振盪訊號時即可能引發振動。

勞倫茲力

另一潛在振動成因係勞倫茲力。此力與馬克士威方程組同屬電磁學基礎理論要素，常稱為磁力，廣泛應用於電動機與發電機中，指導體於磁場內載流時所受之力。於振盪訊號作用下，電感器與線圈等電子元件亦可觀測到此效應，同樣可能引發非預期振動。

印刷電路板振動負面效應解析

可聞噪音

振動引發之首要問題為噪音污染。當振動頻率落於人耳可聞範圍(20Hz-20kHz)時，將產生嗡鳴聲響。例如變壓器因磁致伸縮產生之嗡鳴聲即屬常見噪音問題，此類可聞效應多發於高功率電子裝置。

電磁干擾

振動可透過「微音效應」引發電磁干擾。麥克風通常利用壓電效應將振動轉換為電訊號，而MLCC可能類似微型麥克風，將振動轉換為電氣訊號。此現象於音響系統中尤為明顯，將導致聲音輸出產生非預期嗡雜訊。

感測器干擾

現代裝置普遍搭載高精度感測器，常見於智慧手錶等穿戴式醫療裝置、科學儀器及半導體製程等高精密製造設備。振動可能干擾感測器運作，導致輸出訊號雜訊增加並降低量測精度。

材料應變與破裂

振動將於材料內部產生應力累積，長期作用可能導致元件強度衰減與早期失效。具體表徵包含印刷電路板高應力區裂紋、連接器鬆脫及焊點失效等。

透過模擬技術分析與抑制PCB元件振動

為尋求解決方案，工程師需研究元件振動與PCB共振特性，透過精密設計達成干擾與噪音最小化。模擬技術可於裝置之「虛擬孿生」模型上追溯振動源，使問題於開發初期即可識別與解決。此方法無需製作實體原型進行測試，可有效加速開發流程並降低研發成本。

工程師可運用達梭系統(Dassault Systèmes)SIMULIA於3DEXPERIENCE平台提供之多物理場工作流程，該平台整合多項物理基礎模擬工具於單一作業環境。

電磁場模擬

Electromagnetic field vector simulation of toroidal inductor using FEA-based EM analysis software — *線圈中的勞倫茲力模擬。*

模擬流程首步為建立模擬模型。將來自電子設計自動化(EDA)工具之PCB佈局導入SIMULIA CST Studio Suite，該軟體可自動萃取3D模擬模型。使用者定義系統輸入訊號後，電磁場模擬將計算元件內部電流、場分布與勞倫茲力分布，並提供視覺化呈現。

結構模擬

PCB deformation simulation with fixture constraints using finite element analysis in CAE software — *PCB 上的共振動畫*

隨後將3D模型與相關場數據導入SIMULIA Abaqus進行結構模擬。Abaqus可模擬電容器之壓電特性，以及磁致伸縮與勞倫茲力引發之應變，同時計算PCB結構之共振模態。於耦合模擬中，振動源將驅動PCB共振，進而計算空間速度場分布。

振動聲學模擬

Acoustic simulation of sound pressure level distribution around an object at 12.469 kHz frequency, comparing free-field and obstructed field conditions. — *振動 PCB 周圍的聲壓位準。*

空間速度場數據將輸出至振動聲學工具SIMULIA Wave6，計算PCB振動場與聲輻射模式，並探測聲壓位準(SPL)。透過此分析，工程師可掌握振動如何耦合至其他感測器，以及可能產生之可聞噪音。

設計改良方案

模擬結果可協助PCB設計者快速識別潛在問題並進行改善。設計者可比較不同雜訊抑制元件與PCB佈局配置之效應，識別PCB潛在失效點，並依據預期使用環境之振動應力優化PCB尺寸與佈局。於實體原型製作前預先處理感測器失效、元件鬆脫或焊點疲勞等潛在問題，可有效提升裝置可靠性。

若識別出振動問題，工程師可採用下列PCB佈局改良方法：

調整振動源與受擾感測器位置，使敏感元件遠離PCB共振頻率下之高應變區域
加裝橡膠減震器等雜訊抑制元件
變更PCB固定點與鎖附螺絲配置
調整PCB尺寸或外形以消除共振現象

結論

PCB振動可能導致元件間不良雜訊與干擾。透過模擬技術可追溯振動源並協助制定對策。完整理解PCB振動需採用多物理場耦合方法，將電磁、結構與振動聲學模擬技術整合至電子設計自動化(EDA)工作流程。達梭系統SIMULIA工具提供完整的多物理場工作流程進行PCB振動分析。藉由模擬技術，PCB設計者無需耗費實體原型製作與測試成本即可識別問題並尋求解方，顯著加速設計流程並降低產品開發後期或上市後出現問題之風險。

原文轉載來自: Stephen Jorgenson-Murray – PCB Vibrations Affecting Sensors in High-Tech Devices