王長(zhǎng)成，馬榮國(guó)，任澤亮，范紅梅

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺(tái) 264003）

宇航用DIP封裝元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估★

王長(zhǎng)成，馬榮國(guó)，任澤亮，范紅梅

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺(tái) 264003）

應(yīng)用力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了宇航用DIP封裝PROM型元器件的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力。通過(guò)元器件力學(xué)環(huán)境敏感要素分析，確定了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)評(píng)估項(xiàng)目和試驗(yàn)量級(jí)，并設(shè)計(jì)工程樣機(jī)；利用數(shù)字仿真工具進(jìn)行力學(xué)分析，預(yù)示元器件的響應(yīng)狀態(tài)和特征，并通過(guò)對(duì)比分析而獲得了傳感器的合理安裝方式；最后進(jìn)行了評(píng)估試驗(yàn)，獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了傳感器安裝方式的合理性，給出了元器件的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力評(píng)估結(jié)論。實(shí)踐的評(píng)估流程為后續(xù)宇航元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性的研究評(píng)估提供了借鑒參考。

雙列直插式封裝；力學(xué)環(huán)境；環(huán)境敏感要素；環(huán)境適應(yīng)性；評(píng)估

0 引言

宇航元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性是指元器件在宇航應(yīng)用力學(xué)環(huán)境條件下完成規(guī)定功能和性能的能力[1]。由于宇航元器件具體的力學(xué)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和嚴(yán)酷性，型號(hào)中多次出現(xiàn)由于元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力不足而導(dǎo)致的故障和失效。所以有必要研究宇航元器件機(jī)械和電性能對(duì)力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)能力，并進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。宇航元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估大致的流程為：1）根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用中出現(xiàn)的典型失效案例，選擇典型宇航裝機(jī)條件下的元器件，分析其失效機(jī)理和失效物理模型；2）從元器件的電性能、工藝、材料、封裝和結(jié)構(gòu)方面，對(duì)元器件進(jìn)行敏感要素分析，確定力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目及量級(jí)；3）進(jìn)行力學(xué)環(huán)境剖面分析，獲得元器件的響應(yīng)狀態(tài)和特征，然后進(jìn)行元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力評(píng)估試驗(yàn)；4）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出評(píng)估結(jié)論[2]。在實(shí)際的元器件評(píng)估過(guò)程中，可用的評(píng)估方法包括力學(xué)分析方法、相似性方法和力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證法，以及其中兩種方法相結(jié)合進(jìn)行評(píng)估的方法[2-3]。力學(xué)分析方法，特別是有限元仿真分析方法的應(yīng)用，使得我們可以基于工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)模型，建立工程樣機(jī)的虛擬樣機(jī)。在虛擬樣機(jī)上施加振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)情況十分接近的力學(xué)仿真分析，代替工程樣機(jī)完成力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中復(fù)雜的試驗(yàn)過(guò)程，從而迅速、方便地預(yù)估振動(dòng)結(jié)果，為試驗(yàn)驗(yàn)證提供參考和支持。評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證力學(xué)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，完善力學(xué)分析模型，從而獲得更加詳細(xì)、豐富的有效數(shù)據(jù)；對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，可以確定元器件的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力。本文根據(jù)重大專項(xiàng) “宇航元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)研究”的技術(shù)成果，針對(duì)具體的宇航用DIP封裝PROM型元器件進(jìn)行力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力評(píng)估。首先通過(guò)力學(xué)分析結(jié)果，預(yù)示元器件的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)和特征，通過(guò)對(duì)比分析獲得傳感器合理的安裝方式，為試驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證力學(xué)分析結(jié)果，依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)和確定的判據(jù)進(jìn)行元器件的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力評(píng)估，并給出評(píng)估結(jié)論。

1 工程樣機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 元器件結(jié)構(gòu)特性

為了對(duì)比元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力，選擇宇航用DIP封裝PROM型元器件兩只，將其安裝于PCB的正面和背面，且安裝位置相對(duì)PCB具有對(duì)稱性。

元器件本體外型為扁平長(zhǎng)方體，殼體外形尺寸為36 mm×13 mm×4.8 mm；封裝形式為DIP28，沿殼體兩長(zhǎng)側(cè)面均布28條管腿；管腿長(zhǎng) （從外殼引出端到焊點(diǎn)）約4.3 mm，管腿截面為矩形，最小尺寸為0.46mm×0.25mm；殼體材料為陶瓷，芯片上方的外殼為圓形玻璃密封，管腿材料鐵鎳合金；質(zhì)量約為15 g。元器件外型結(jié)構(gòu)示意見圖1。

電性能方面主要監(jiān)測(cè)元器件在受到振動(dòng)和沖擊等力學(xué)應(yīng)力環(huán)境下可能產(chǎn)生電噪聲及電參數(shù)的漂移和異常情況。

1.2 力學(xué)環(huán)境敏感要素分析

所分析的元器件為單片集成電路，其扁平狹長(zhǎng)的外型殼體結(jié)構(gòu)，抗變形能力較差；外殼材料為陶瓷，具有較好的強(qiáng)度和剛度，但材料的韌性較差；芯片上方為玻璃外殼，耐機(jī)械應(yīng)力的能力差，易引起材料破碎；28管腿雙列直插的安裝方式，以及較長(zhǎng)的連接管腿，容易出現(xiàn)管腿斷裂和焊點(diǎn)脫落的危險(xiǎn)。力學(xué)環(huán)境可能引起電功能失效和電參數(shù)漂移和異常。

1.3 試驗(yàn)項(xiàng)目的確定

元器件的殼體材料，管腿安裝方式對(duì)沖擊和振動(dòng)環(huán)境均比較敏感，殼體變形對(duì)振動(dòng)環(huán)境較為敏感。由以上元器件力學(xué)環(huán)境敏感要素分析，最終確定試驗(yàn)項(xiàng)目為沖擊、低頻正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。結(jié)合實(shí)際的宇航應(yīng)用，選擇典型型號(hào)航天器組件力學(xué)試驗(yàn)量級(jí)作為工程樣機(jī)的試驗(yàn)條件[3]。

低頻正弦振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如圖2、3所示。

1.4 工程樣機(jī)概述

參考DIP封裝PROM型元器件在實(shí)踐工程電子設(shè)備上的使用，選擇的工程樣機(jī)結(jié)構(gòu)形式為模塊式；同時(shí)，元器件在工程樣機(jī)中的安裝方式應(yīng)與其應(yīng)用環(huán)境中的安裝方式一致，元器件所在的PCB應(yīng)盡可能具有與星上單機(jī)組件中的PCB類似的傳遞特性和阻尼，以避免在試驗(yàn)中產(chǎn)生過(guò)大的響應(yīng)，從而引起過(guò)試驗(yàn)。工程樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

工程樣機(jī)共包含7個(gè)模塊，每個(gè)模塊有1塊PCB。被評(píng)估元器件安裝于PCB正面和背面，相對(duì)于PCB中心軸左右對(duì)稱分布。

2 力學(xué)仿真分析

2.1 仿真建模

力學(xué)仿真分析可以定量地獲得元器件振動(dòng)放大響應(yīng)情況，為工程樣機(jī)的驗(yàn)證試驗(yàn)提供可以參考的數(shù)據(jù)。對(duì)于DIP封裝PROM型元器件的振動(dòng)響應(yīng)，以其外殼幾何中心的振動(dòng)響應(yīng)為準(zhǔn)，但試驗(yàn)過(guò)程中，受PCB上器件布局以及被測(cè)元器件外殼形狀、尺寸、封裝形式和安裝方式的制約，傳感器無(wú)法安裝于元器件外殼。因此找到一種較為準(zhǔn)確的測(cè)量元器件振動(dòng)響應(yīng)的傳感器合理安裝方式，也是本文要解決的問(wèn)題。根據(jù)PCB上元器件布置情況，及考慮到PCB的變形情況，避免傳感器與相鄰模塊上元器件之間發(fā)生碰撞。選擇了4個(gè)傳感器的安裝位置進(jìn)行比較：元器件外殼，對(duì)應(yīng)傳感器編號(hào)為S6；元器件安裝位置的PCB背面，對(duì)應(yīng)傳感器編號(hào)為S4；距元器件邊緣1倍寬位置，對(duì)應(yīng)傳感器編號(hào)為S3；距元器件邊緣大于1倍寬位置，對(duì)應(yīng)傳感器編號(hào)為S2。其具體的坐標(biāo)位置如圖5所示，*代表傳感器安裝底面幾何中心點(diǎn)，單位mm。

所關(guān)注部分為元器件及其附近位置的振動(dòng)響應(yīng)情況，而元器件的殼體剛度、質(zhì)量和管腿連接剛度對(duì)結(jié)果的影響必須考慮在內(nèi)，因此在有限元模型中需要詳細(xì)模擬元器件管腿及傳感器外形與連接方式。根據(jù)工程樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，建立虛擬樣機(jī)有限元模型，圖6為PCB上傳感器的詳細(xì)模型。

2.2 仿真結(jié)果分析

a）模態(tài)分析

模態(tài)分析可以獲得模型無(wú)阻尼自由振動(dòng)情況，元器件所在PCB的基頻為166.86 Hz，最大振型出現(xiàn)在PCB中部。其模態(tài)振型如圖7所示。

由模態(tài)分析結(jié)果可以得知，元器件的最大振動(dòng)響應(yīng)將會(huì)出現(xiàn)在接近PCB中部位置，且響應(yīng)沿垂直PCB方向最大。

b）低頻正弦振動(dòng)分析

進(jìn)行低頻正弦振動(dòng)掃描分析，獲得在最大響應(yīng)頻率的變形云圖和Von Misses等效應(yīng)力云圖。

由變形云圖可以判斷PCB和元器件最大變形發(fā)生位置，由Von Misses等效應(yīng)力云圖可以得知元器件最大應(yīng)力出現(xiàn)在管腿與PCB焊接處。

得到傳感器上的加速度響應(yīng)對(duì)比，如表1所示。

表1 最大振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

通過(guò)響應(yīng)數(shù)據(jù)可以定量地看到，元器件外殼上的響應(yīng)放大最大，作為元器件上的響應(yīng)值將具有很好的精度；S4與其之間相對(duì)誤差很小 （小于5 %），也可以考慮作為測(cè)量元器件振動(dòng)響應(yīng)的安裝位置；而其它位置的響應(yīng)值的相對(duì)誤差較大，不可以作為元器件的振動(dòng)響應(yīng)。

c）隨機(jī)振動(dòng)分析

輸入隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度激勵(lì)，進(jìn)行分析，可以獲得4個(gè)位置的加速度響應(yīng)，具體的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 最大振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

通過(guò)響應(yīng)數(shù)據(jù)可以定量地看到，元器件外殼上，即S6位置的響應(yīng)放大最大，作為元器件上的響應(yīng)值具有很好的精度；S4與其之間相對(duì)誤差很小 （小于5%），也可以考慮作為測(cè)量元器件振動(dòng)響應(yīng)的安裝位置；而其它位置的響應(yīng)值的相對(duì)誤差較大，不可以作為元器件的振動(dòng)響應(yīng)。

3 試驗(yàn)評(píng)估及結(jié)論

根據(jù)以上仿真分析結(jié)果，垂直PCB方向加載得到的響應(yīng)最大。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，要辨別并記錄設(shè)備安裝方向、試驗(yàn)加載方向和傳感器響應(yīng)方向，以獲得需要方向的測(cè)量數(shù)據(jù)。參考圖5的位置坐標(biāo)來(lái)安裝傳感器，并連接導(dǎo)線以檢測(cè)元器件的電性能參數(shù)。圖10為傳感器安裝圖。

試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行的順序?yàn)闆_擊、低頻正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度掃描。為與仿真分析進(jìn)行對(duì)比，取低頻正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)數(shù)據(jù)見表4。

表4 正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4的對(duì)比結(jié)果，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，力學(xué)仿真分析的結(jié)論有較高的可信度。除S6位置的響應(yīng)值以外，傳感器安裝在被測(cè)元器件位置的PCB背面 （即S4）時(shí)的測(cè)量值，也可以作為元器件的振動(dòng)響應(yīng)。其余位置的測(cè)量值不可以作為元器件的振動(dòng)響應(yīng)。

試驗(yàn)后仔細(xì)檢查元器件外觀及安裝狀態(tài)，與試驗(yàn)前進(jìn)行對(duì)比：元器件外觀正常；管腿無(wú)斷裂；焊點(diǎn)焊接牢固，無(wú)脫落現(xiàn)象。試驗(yàn)進(jìn)行中，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被評(píng)估元器件的電性能參數(shù)，并比較試驗(yàn)前后元器件的電性能指標(biāo)，結(jié)果顯示，元器件電性能穩(wěn)定，所測(cè)量的電性能參數(shù)誤差在允許范圍之內(nèi)。

本文的試驗(yàn)條件取典型宇航型號(hào)產(chǎn)品的試驗(yàn)型譜及量級(jí)，通過(guò)以上的評(píng)估得出，元器件有較強(qiáng)的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力。說(shuō)明此種DIP封裝PROM型元器件應(yīng)用于航天器艙內(nèi)組件級(jí)產(chǎn)品，可以很好地滿足宇航型號(hào)力學(xué)環(huán)境應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以工程樣機(jī)為試驗(yàn)載體，針對(duì)宇航用DIP封裝PROM型元器件進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力評(píng)估。得到以下結(jié)論：

a）找到了測(cè)量元器件振動(dòng)響應(yīng)的傳感器合理安裝位置，即元器件外殼及其安裝位置的PCB背面。其余位置的振動(dòng)響應(yīng)不能作為元器件的響應(yīng)值。

b）應(yīng)用力學(xué)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，得出宇航用DIP封裝PROM型元器件適用于航天器艙內(nèi)組件級(jí)產(chǎn)品，且在此力學(xué)環(huán)境下其適應(yīng)能力較強(qiáng)的結(jié)論。

c）建立的經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的評(píng)估流程合理可行，可供借鑒參考。

[1]GJB 548B-2005，微電子器件試驗(yàn)方法和程序 [S].

[2]馬榮國(guó)，范紅梅，肖軍強(qiáng)，等.宇航元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)技術(shù)研究 [J].電子元器件可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012，30（3）：1-5.

[3]GJB 1027A-2005，運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求[S].

[4]曾攀，石偉，雷麗萍.工程有限元方法 [M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5]王蘊(yùn)輝，于宗光，孫再吉.電子元器件可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

Evaluation of Dynam ic Environmental Adaptability of Space-borne DIP PROMCom ponents

WANG Chang-cheng，MA Rong-guo，REN Ze-liang，F(xiàn)AN Hong-mei
（Shandong Aerospace Electro-technology Institute，Yantai 264003，China）

The dynam ic environmental adaptability of a space-borne DIP PROMcom ponent was investigated using themethod ofmechanical analysis and verification test.Themechanical test items and test levels were determined by the component’s dynamic environmental sensitive factor analysis，and the engineering prototype was designed.By themechanical analysis using simulating toolkit，the response state and characteristics of the component were predicted，and the proper installation of the accelerometer was determined.From the results of the evaluation test，the installation of the accelerometer was justified，and the component’s dynamic environmental adaptability was concluded.The evaluation process practiced provides reference for the follow-up dynamic environmental adaptability research of other space-borne components.

DIP PROM；mechanical environment；dynamic environmental sensitive factor；dynamic environmental adaptability；evaluation

TB24

A

1672-5468（2012）03-0011-05

2011-12-09

2011-12-16

國(guó)家重大工程專項(xiàng) （2009ZX 01025-001-A601）資助

王長(zhǎng)成 （1980-）男，山東招遠(yuǎn)人，山東航天電子技術(shù)研究所元器件應(yīng)用驗(yàn)證分中心工程師，碩士，主要從事宇航電子產(chǎn)品力學(xué)和熱分析、元器件應(yīng)用驗(yàn)證工作。

信息與動(dòng)態(tài)