楊哲輝，劉云猛，王一博

(1.中科院上海技術物理研究所，上海 200083;2.上?？萍即髮W，上海 201210)

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星載電路DSP芯片引腳斷裂分析及改進

楊哲輝1,2，劉云猛1，王一博1

(1.中科院上海技術物理研究所，上海 200083;2.上?？萍即髮W，上海 201210)

在隨機振動試驗中星載儀器電路板上的DSP芯片的引腳發(fā)生斷裂，經再次試驗該現(xiàn)象得到復現(xiàn)。通過引腳斷口形貌分析、能譜成分分析、電裝工藝排查以及結構動力學仿真分析等，確定引腳斷裂的性質和原因。結果表明：該芯片引腳斷裂屬于疲勞斷裂，隨機振動中引腳受到過大的交變應力是導致引腳疲勞斷裂的主要原因。借助力學仿真分析優(yōu)化結構，在結構上采取了加固措施，改進設計后電路的結構設計及DSP芯片通過了驗證試驗考核。

引腳斷裂；隨機振動；DSP芯片；疲勞

0 引言

工程材料與結構的失效分析涉及的學科和技術種類極為廣泛，包括化學、材料、機械、力學、摩擦等學科[1-2]。DSP芯片是航天領域的常用器件，芯片的可靠性關系到星載儀器信息處理功能的實現(xiàn)，其中芯片引腳斷裂是DSP芯片失效的一個重要原因，對其進行失效分析有助于提高DSP芯片的可靠性。芯片引腳的受力特性有其結構上的固有特性，而不同的設計布局、安裝工藝以及輔助措施會影響芯片的力學性能[3-5]。國內開展的相關研究大多數(shù)結合工程應用開展。李朔等對某類電容引腳斷裂的分析和改進做了研究，通過斷口分析判斷斷裂類型，采取了改進膠環(huán)粘結和更改裝配工序進行改進[6]。焦超鋒等則通過分析對印制板與模塊冷板的翹曲變形產生的應力，從而采取改進兩板黏貼方法等方式減小翹曲變形從而防止引腳斷裂[7]。林建平等對星載電路板引腳斷裂采取了單一的有限元分析方法，用MSC/Nastran軟件進行模態(tài)分析從而判斷引腳斷裂原因，并通過增加加強框防止引腳斷裂[8]。

星載儀器電路箱在研制過程中，為考核其整體結構以及器件的可靠性，按要求進行了大量級的隨機振動試驗(總均方根加速度為12.04 grms)，在試驗過程中一個插槽方式安裝的電路板(圖1)上的2個對稱分布的DSP芯片均發(fā)生了引腳斷裂(圖2)，斷裂引腳共4根，檢查發(fā)現(xiàn)斷裂位置在芯片對角線的引腳位置。

針對上述發(fā)生的問題，將斷裂的引腳通過焊接恢復后，通電測試顯示通信正常，表明芯片內部沒有受到振動損壞，只是引腳發(fā)生了斷裂。為了復現(xiàn)上述現(xiàn)象，更換新的芯片再次進行相同條件下振動試驗，同樣是對角線位置發(fā)生了引腳斷裂。本研究針對該引腳斷裂的問題，從工程分析角度，在斷口形貌、能譜、力學仿真、工藝等方面展開分析和定位，采取加固補償措施并進行試驗驗證。利用有限元軟件建立引腳的有限元模型，進行改進設計，并進行隨機振動試驗驗證。

圖1 引腳斷裂的電路板及其安裝位置

圖2 芯片引腳斷裂實物圖

1 原因分析

1.1 安裝狀態(tài)

電路板以插槽方式安裝，2個DSP芯片左右對稱分布的電路上，靠近壓條位置，通過壓條固定在電路箱結構側板上，在試驗過程中未對電路板兩側邊采取邊框加強。

1.2 斷口形貌分析

宏觀檢查斷裂點在引腳與芯片表面接觸的靠近根部位置，非焊點斷裂。采用掃描電子顯微鏡觀察斷口特征，圖3為斷裂引腳的斷口形貌SEM照片，能夠看出斷裂面的疲勞源區(qū)、疲勞條帶以及瞬斷區(qū)等疲勞斷裂一般特征，而疲勞條帶占滿了大部分斷口，從斷口一角向外部擴展，表明該引腳斷裂經歷了裂紋萌生、擴展直至斷裂的過程。通過分析比較2個被檢測的斷裂引腳試樣，斷裂的特征表現(xiàn)情況基本一致，所以認為該引腳斷裂屬于疲勞斷裂。

斷口A區(qū)，平坦細密，光亮是疲勞源區(qū)，是斷裂面對磨造成的；B區(qū)為疲勞裂紋擴展區(qū)，具有許多疲勞條帶；C區(qū)為瞬斷區(qū)，呈現(xiàn)較粗糙的顆粒狀，有靜載斷口的形貌(圖3b)。以上特征反映疲勞斷裂特征。

圖3 斷裂引腳的斷口形貌

1.3 能譜分析

選取引腳斷面的中間位置進行成分EDS分析，結果如表1所示。

表1 引腳化學成分分析結果 (質量分數(shù) /%)

分析結果符合標準的鐵鎳鈷合金4J29的成分[10-11]，基本可以確定材料為4J29合金，表面為鍍金處理，斷口已有部分氧化。經測試，該引腳材料的抗拉強度為570 MPa，硬度為HV 170。

1.4 力學模擬分析

為了進一步分析問題產生的原因，需要對電控箱結構進行力學分析，確定芯片在振動過程中的受力情況。對線路箱及電路板整體進行三維建模，劃分網格單元：PCB板為殼單元，主要器件、接插件及其余結構等為實體單元，DSP芯片引腳等效簡化為32個。材料屬性：PCB板為FR-4，插座等為PTFE，結構及其余器件為鋁合金材料，電路板在固定方式上與實際使用狀態(tài)相同，兩側邊都處于無約束狀態(tài)，處于插槽中，通過壓條和接插件固定。

按以上邊界條件設置使用有限元軟件進行隨機振動分析，其輸入條件線路箱底板位置總均方根為12.04 grms。仿真分析結果：電路板一階模態(tài)頻率為122 Hz，除固定約束位置應力集中外，在整個PCB板的應力分布圖上，PCB板3個方向的應力均小于12 MPa。但對于芯片引腳的應力情況，x方向(沿PCB板短邊方向)最大應力約為214 MPa，y方向(沿PCB板長邊方向)為216 MPa，z方向為47.2 MPa，最大應力集中在芯片斜對角線位置。圖4為最大y向引腳應力分布圖。

圖4 y向引腳應力分布

對電路板在隨機振動下的加速度響應情況進行仿真，DSP引腳位置y向加速度響應為48.7 g，相對于線路箱底板位置放大了4倍。

綜合以上分析結果，引腳的峰值應力沒有超出材料的強度極限570 MPa卻發(fā)生斷裂，因此該斷裂不屬于過載破壞，結合斷口形貌，推斷出現(xiàn)了疲勞破壞。PCB板處于插槽中的兩翼振動時響應較大，使得PCB板來回擺動，這樣引腳在隨機振動中承受反復的交變應力，逐漸累積損傷，致使疲勞破壞。引腳斷裂主要由y方向應力引起，仿真結果最大應力集中在DSP芯片斜對角線引腳位置，該位置斷裂機率最大，這與實際振動情況吻合。

1.5 工藝檢查

DSP芯片采用表面貼裝，將引腳焊在PCB板表面，芯片底面與PCB板保留約0.15 mm間隙，填充一層硅橡膠，芯片四周也用硅橡膠固定。在芯片安裝前先固定壓條、接插件，然后再焊接引腳。電裝完成后整個電路板經過高低溫試驗的考核，引腳斷裂位置靠近引腳和芯片連接點，不是引腳和PCB板上焊盤的連接點。因此從裝配過程來看符合工藝規(guī)范。

2 改進設計與驗證

2.1 改進設計

DSP芯片引腳斷裂現(xiàn)象經過了隨機振動再次試驗的復現(xiàn)，針對分析結果的薄弱環(huán)節(jié)，下面主要從結構設計和工藝角度考慮，來加強電路板整體剛度，減小隨機振動應力影響。

電路板的整體力學性能由電路板本身的固有特性、壓條結構剛度、線路箱的插槽間隙、電路板在插槽中的深度等因素決定[8,12]。在不改變原有設計和布局情況下，如不改變插槽間隙、插槽深度、PCB板尺寸、器件位置等，本文主要采用加固邊框設計來解決此問題。考慮結構輕量化，加固邊框使用輕質材料鎂合金，設計并比對幾種結構形式[9](圖5)，直接在原電路板上加固，首先對幾種結構形式進行有限元仿真分析。

安裝特點四周固定，中間的孔位用于輔助支撐，通過墊塊連接到PCB板。仿真結果：若不使用輔助支撐時，日字型結構、田字形結構、網格狀結構的一階模態(tài)頻率分別為181、238、241 Hz；對網狀結構增加1個輔助支撐時，其模態(tài)頻率變?yōu)?09 Hz，增加輔助支撐有助于提高整體模態(tài)頻率。

圖5 不同加固結構形式

2.2 驗證試驗

驗證試驗1：使用田字型邊框結構，PCB板上安裝1個完好的DSP芯片和1個DSP芯片模擬件，位置布局相同，芯片安裝后位置參考圖1所示。硅橡膠固封，中間輔助支撐，線路箱參加隨機振動試驗，3個方向完成后，查看DSP芯片引腳，仍有1個引腳斷裂，說明實施此加固邊框后通不過振動試驗的考核。

驗證試驗2：使用網狀邊框結構，PCB板上安裝2個完好的DSP芯片，硅橡膠固封，中間孔膠封輔助支撐，3個方向振動完成后，查看DSP引腳外觀完好，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，電路通電測試，測試結果也正常。試驗結果說明采取此結構通過振動試驗考核。針對網狀邊框結構進一步作隨機振動仿真分析，芯片引腳的y向最大應力為117 MPa，相對加固前減小了45%。此網狀結構應用于正式電路的加固。

3 結論

1) 電路板上DSP芯片引腳斷裂性質為疲勞斷裂；

2) 隨機振動過程中芯片引腳受到較大的振動交變應力是斷裂的主要原因，芯片重量及隨電路板一起振動產生的加速度作用在引腳上產生了交變應力；

3) 在原電路板上采取邊框整體加固措施，并完善了相關工藝，通過了力學試驗驗證。這對解決此類DSP芯片引腳斷裂相關問題和預防有指導意義。

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Fracture Analysis and Improvement of Pins of DSP Chips in Satellite-borne Circuit

YANG Zhe-hui1,2，LIU Yun-meng1，WANG Yi-bo1

( 1.ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,CAS,Shanghai200083,China;2.ShanghaiTechUniversity,Shanghai201210,China)

The pins of DSP chips in the satellite-borne circuit board fractured during random vibration testing. The phenomenon reoccurred during the repeat test. The fracture mode and cause of the pins was analyzed by fracture surface analysis, energy spectrum composition analysis, process analysis and structure mechanical analysis. The results show that the fracture mode of the chip pins is fatigue fracture. The main cause of fatigue fracture is the excessive alternating stress on the pins during the vibration test. The reinforced structure based on the finite analysis is adopted. Finally, the improved structure design of circuit and DSP chips are proved better through the random vibration test.

pin fracture; random vibration; DSP chip; fatigue

2016年5月10日

2016年7月20日

楊哲輝(1990年-)，男，碩士，主要從事航天結構設計及有限元分析等方面的研究。

V414.3；TN603

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.008

1673-6214(2016)04-0236-04