董 陽，吳 華，李 崧，孫超山

（1.中國人民解放軍陸軍裝甲兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都 610041；2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

某型通信控制設備印制板線斷裂原因分析*

董 陽1，吳 華2，李 崧2，孫超山2

（1.中國人民解放軍陸軍裝甲兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都 610041；2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

針對某型通信控制設備印制板線斷裂問題，首先從斷裂機理和疲勞壽命估算兩方面分析了印制板線斷裂的原因，接著采用仿真分析的方法找出印制板具有振動放大的薄弱環(huán)節(jié)，然后通過振動疲勞試驗，驗證了由于振動產生了放大的交變應力，而其進一步導致印制板線形成了疲勞破壞而斷裂，最后從質量管理的角度提出了改進建議，以期能夠為通信控制設備的維護與檢修積累經(jīng)驗。

印制線斷裂；振動放大；疲勞破壞；質量管理

0 引 言

某型通信控制設備通過螺栓直接安裝到履帶裝甲車輛內壁，在沒有減震措施的情況下，經(jīng)過長時間隨車訓練行駛后，設備內部某印制板上BGA芯片焊盤處的印制板線有出現(xiàn)斷裂的情況，斷裂方向與印制板線垂直。

通過理論分析﹑仿真分析以及試驗驗證等手段對印制板線斷裂的原因進行了深入分析，并從質量管理的角度提出了改進建議。

1 斷裂處微觀現(xiàn)象

該印制板的基材為FR4，印制板走線銅厚為?OZ，印制板材料各項性能指標及加工符合相關技術要求。通過顯微鏡觀察到BGA芯片A2管腳焊點與印制板通孔相連的印制線開裂，裂縫為貫穿性裂縫，開裂紋路為不規(guī)則的鋸齒狀，疑似與BGA芯片A2管腳焊點所在區(qū)域受到較大外力作用有關。裂縫情況如圖1﹑圖2所示。

圖1 印制線斷裂點（垂直面）

圖2 印制線斷裂點（水平面）

2 斷裂原因理論分析

2.1 斷裂機理

當裝甲車輛在訓練時，車內的設備會一直處在持續(xù)的振動環(huán)境中[1]。當設備處于振動環(huán)境時，由外界振動產生的能量激勵通過機殼傳遞到印制板，印制板將在激勵的方向上發(fā)生往復運動。在往復運動過程中，印制板以及板載器件都會承受不同程度的交變應力（也稱循環(huán)應力）。從材料力學可知，任何材料在受到多次重復的交變應力作用后，即使是交變應力低于材料的屈服極限，經(jīng)過一段時間的工作后，最后也會導致疲勞破壞。交變應力下材料的累積塑性變形，是疲勞破壞的主要原因。

從故障印制板結構受力情況分析可知，BGA芯片的A1腳區(qū)域緊挨印制板上的共振區(qū)域（如圖3所示），BGA芯片四角區(qū)域的焊點是應力最為集中的位置（如圖4所示）。當印制板發(fā)生共振現(xiàn)象時，共振區(qū)的振幅﹑應力﹑加速度等物理參數(shù)都會產生數(shù)倍的放大。受此影響，芯片A1腳及周圍緊鄰的焊點在此時承受的交變應力會加大，印制板在往復運動中的形變程度也會加劇，緊鄰焊點處的印制線承受的交變應力和產生的形變幅度也都同步放大。由于印制線橫截面的物理尺寸非常小，在放大了的交變應力的長時間反復作用下，最終會產生疲勞破壞現(xiàn)象，形成斷裂。

從芯片A1腳處往遠離共振區(qū)方向上排布的其他焊點，由于受到共振放大影響的程度越來越小，承受交變應力的大小也隨之同步減弱。因此，這些焊點的疲勞壽命都大于A1腳及其周圍緊鄰位置的焊點。這也是所有故障板卡的故障位置都產生在A1腳附近A2腳處（附近只有A2腳有印制線引出）的原因。

圖3 芯片在印制板上位置示意

圖4 焊球應力集中區(qū)域示意

2.2 疲勞壽命估算

在隨機振動分析領域，管腳焊點部位的壽命評估，通常采用Steinberg提出的基于Gaussian分布和Miner線性累計損傷定律的三區(qū)間法進行疲勞評估[2]。

基于Gaussian分布和Miner線性累計損傷定律的三區(qū)間法進行疲勞評估的計算公式如下：

式中：N1σ﹑N2σ﹑N3σ為應力水平1σ﹑2σ﹑3σ下對應的疲勞壽命；通常根據(jù)S-N疲勞曲線，依據(jù)實際應力水平數(shù)據(jù)查得。n1σ﹑n2σ﹑n3σ分別為應力水平1σ﹑2σ﹑3σ對應的實際循環(huán)次數(shù)。根據(jù)Gaussian分布的概率密度可得：n1σ=0.683v+T，n2σ= 0.27v+T、n3σ=0.043v+T，其中v+為平均振動頻率，T為振動壽命。

根據(jù)Miner定律總體損傷公式，當D＝1時，焊點處疲勞失效，可以反算求出結構的疲勞壽命：

從式（2）可見，最關鍵的計算數(shù)據(jù)為N1σ﹑N2σ﹑N3σ數(shù)值的計算，需要相關的材料試驗參數(shù)。

焊點疲勞通常以最薄弱的材料部分為研究對象，焊錫的釬料疲勞破壞伴隨著焊點其他部位的破壞最終可以導致印制板上器件﹑線路損壞。此印制板BGA貼裝采用的錫焊材料為Sn63Pb37，有相關的研究及公式可以借用[3]：

根據(jù)裝甲車輛隨機振動的頻率范圍，若按GJB150則最大頻率為500 Hz[4]，若按GJB1032，最大頻率為2 000 Hz[5]。因此，極限條件下，可取v+=500（或v+=2 000）。

根據(jù)仿真計算結果，在共振應力放大的情況下，芯片邊角上應力極值σ約為13.9 MPa，代入式（3），得出N的具體數(shù)值代入式（2），則可計算壽命時間T。

若取v+=500，由計算可得，T1=1.026 8e5 s約為38個小時；若取v+=2 000，由計算可得，T1=2.567 0e4 s，約為7個小時。由此可見，通過理論估算，在共振應力放大的情況下連續(xù)最大頻率振動，故障區(qū)域焊點印制線的疲勞壽命不大于38個小時。

3 軟件仿真分析

根據(jù)設備的結構設計方案，利用Ansys力學分析軟件，按照GJB1032環(huán)境應力篩選試驗條件，對設備進行振動仿真分析，計算出疑似故障區(qū)域的各項振動數(shù)據(jù)，從而分析印制板疑似故障區(qū)域的振幅﹑應力﹑加速度等物理參數(shù)是否存在嚴重的振動放大情況。具體的仿真過程及分析結果如下。

仿真幾何模型簡化了實物模型中的局部細微特征，如圓角﹑倒棱﹑細微小孔及印制板上細微器件﹑焊腳等。主要支撐及接插件聯(lián)接﹑螺紋固定等均考慮進簡化模型。為降低模型規(guī)模，取消了與分析主要部位無太大關系的前面板結構，不作詳細考慮。于是，具體仿真模型如圖5所示。

圖5 設備內部組件幾何模型

主要導熱墊﹑印制板板材力學性能參數(shù)﹑質量較大器件及接插件材料參數(shù)，根據(jù)實際使用材料的材料參數(shù)進行模擬。

按設備實際安裝固定方式，在四個腳施加固定約束；外部載荷（激勵）也由此引入。

根據(jù)GJB1032標準環(huán)境應力篩選試驗條件，即分析20～2 000 Hz頻率范圍內設備的隨機振動特性。仿真分析最大位移﹑速度﹑加速度﹑應力等結果數(shù)據(jù)依次如圖6﹑圖7﹑圖8﹑圖9所示。

由圖6可見，相對被固定的設備的四個支撐部位，印制板上存在位移放大的情況，最大位移位置正是理論分析中板卡的共振區(qū)域，與印制板故障區(qū)域位置相近。

圖6 隨機振動位移分布

由圖7可見，速度的分布情況與位移分布圖類似。

圖7 隨機振動速度分布

由圖8可見，加速度的分布情況與位移分布圖類似。

圖9則為隨機振動應力的分布情況。

圖8 隨機振動加速度分布

圖9 隨機振動應力分布

綜上可見，故障印制板無論是考核位移﹑變形﹑還是速度﹑加速度﹑應力都存在振動放大的情況，最大放大位置與理論分析中板卡的共振區(qū)域一致。同時，根據(jù)上列圖形所示，故障印制板上BGA芯片最有可能受影響的區(qū)域位于印制板外緣中部的一角上，跟實際故障區(qū)域吻合。

4 振動疲勞試驗

為驗證上述理論分析﹑仿真分析的正確性，對設備實物進行了振動疲勞試驗。振動疲勞試驗是將新印制板放入整機運行振動試驗考核，考察印制板的受力和抗疲勞能力，驗證設備故障是否與振動疲勞破壞產生的失效有關?？紤]到實際使用環(huán)境，采用GJB1032環(huán)境應力篩選的試驗條件延長試驗時間來驗證印制板的抗疲勞能力。

4.1 試驗方法

試驗樣件從新生產的印制板中隨機選擇兩件（1號板﹑2號板）裝入整機，按水平方向安裝在振動臺上。

振動條件設置為：

（1）振動類型：隨機振動。

（2）振動功率譜：如圖10所示。

圖10 機會時隙傳輸

（3）振動軸向：分別在產品的Y軸（側掛安裝）﹑Z軸（水平安裝）兩個方向上施加振動應力。

4.2 試驗結果

其中，1號板在兩個軸向方向上累積振動了25小時后出現(xiàn)相同故障。該結果驗證了板卡BGA芯片管腳焊盤和印制線連接處在較長時間振動環(huán)境下，可能會出現(xiàn)疲勞破壞的問題，而此問題是導致故障的主要原因。

5 結語及啟示

通過理論分析﹑仿真分析和實測試驗可知，此型設備中，部分板卡在裝甲車輛工作振動環(huán)境中存在一定程度的共振放大現(xiàn)象。如果長時間在共振狀態(tài)下工作，放大的交變應力將會使共振區(qū)域中BGA芯片管腳處的疲勞累計加速產生，印制線在比正常疲勞壽命更短的時間內形成了疲勞破壞，最終導致了橫向斷裂。

5.1 過程管理需進一步改進提高

在裝甲裝備信息化改造過程中，隨著信息化設備裝備量的不斷增加，企業(yè)產品的設計生產節(jié)拍越來越快，產品質量及可靠性風險也同時相對增大，在產品設計﹑生產制造等方面缺乏及時有效﹑快捷的監(jiān)管。

特別是環(huán)境適應上，企業(yè)往往對裝甲車內實際環(huán)境的認知和理解一直偏重于國軍標層面，對持續(xù)振動特性﹑安裝方式等理解不夠全面深入，造成在產品設計﹑生產制造過程中經(jīng)驗主義偏多，理論分析不夠，難以做到有的放矢和準確判斷。

因此，軍事代表室作為監(jiān)管機構必須加強軍工產品研制各個階段的質量監(jiān)控。首先，要加強對軍工產品設計制造階段的質量監(jiān)管，督促企業(yè)深入研究實際使用需求，加強理論分析，做好可靠性設計。其次，在產品檢驗時加強可靠性測試，盡量模擬實際使用環(huán)境，通過深入全面的測試試驗，確保為部隊提供可靠的產品。

5.2 關鍵部位關注不夠

關鍵件及關鍵部位是根據(jù)產品部件﹑組件﹑零件及器件的不同精度和復雜程度﹑功能特性和技術難度﹑以及失效后對產品性能的影響，把它們劃分為關鍵件﹑重要件和一般件[6]。高密度管腳的BGA封裝器件應納入關鍵件進行管理控制，對其設計參數(shù)和制造工藝要嚴格審查，要進行重點質量控制。今后針對應用于惡劣環(huán)境的產品，應著重關注其加固工藝，加強檢查，消除隱患。

[1] 高潮,楊暉,蘇艷等.裝甲車內振動信號的采集與分析[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(04):37-39.

GAO Chao,YANG Hui,SU Yan,et al.Acquisition and Analysis of Vibration Signal in Armored Car[J].Transducer and Micro System Technologies,2009,28(04):37-39.

[2] 潘海波,楊家印.車輛承載部件隨機疲勞計算方法分析[J].精密成形工程,2016,8(03):74-77.

PAN Hai-bo,YANG Jia-yin.Random Fatigue Calculation Method for Vehicle Bearing Components[J].Journal Of Netshape Forming Engineering,2016,8(03):74-77.

[3] 謝定君,王暢,謝勁松.電路板焊點在工程環(huán)境條件下壽命分析[J].電子質量,2013,(05):20-24.

XIE Ding-jun,WANG Chang,XIE Jin-song.Board Level Solder Joint Life Prediction Under Engineering Environmental Conditions[J].Electronic Quality,2013,(05): 20-24.

[4] 中國人民解放軍總裝備部.GJB 150.16A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分:振動試驗[S].2009.

General Armament Department of the People's Liberation Army.150.16A-2009 GJB Laboratory Environment Test Method for Military Equipment Sixteenth Parts:Vibration Test[S].2009.

[5] 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 1032-90 電子產品環(huán)境應力篩選方法[S].1991.

National Defense Science and Technology Industry Committee.Environmental Stress Screening Method for 1032-90 GJB Electronic Products[S].1991.

[6] 施志康.對軍工產品研制質量的研究[J].工業(yè)技術,2013,(11):56-57.

SHI Zhi-kang.Research On The Quality Of Military Products[J].Industrial Technology,2013,(11):56-57.

Analysis on PCB Line Fracture of Certain Communication Control Equipment

DONG Yang1, WU Hua2, LI Song2, SUN Chao-shan2

(1.PLA Armored Force Representative Office in Chengdu, Chengdu Sichuan 610041, China; 2.No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

Aiming at the problem of PCB Line Fracture of certain communication control equipment, theoretical analysis is firstly done from fracture mechanisMand estimation of fatigue life, then simulation analysis adopted to find the weak link of vibration amplification for PCB, and then via vibration fatigue test, the amplified alternating stress produced by the vibration is verified, and this very stress leads to PCB line forming the fatigue failure and fracture. Finally from the perspective of quality management, the suggestions for improvement are proposed, with a purpose to accumulate some experience for overhaul and maintenance of the communication control equipment.

PCB line fracture; vibration amplification; fatigue failure; quality assurance

TN803.5

A

1002-0802(2016)-11-1562-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.028

董 陽（1973—），男，本科，工程師，主要研究方向為裝甲通信裝備質量管理；

吳 華（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向為戰(zhàn)術通信技術；

李 崧（1980—），男，本科，工程師，主要研究方向為通信裝備結構與工藝；

孫超山（1983—），男，碩士，工程師，主要研究方向為戰(zhàn)術通信技術。

2016-07-14；

2016-10-23 Received date:2016-07-14;Revised date:2016-10-23