肖百川，關(guān) 迪，劉 杰，李 良，劉筱云

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

引 言

來自裝載平臺的各種振動和沖擊是導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一，因此減振問題是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的永恒課題。

硅橡膠墊質(zhì)地柔軟，環(huán)境適應(yīng)性好，易于加工，且具有良好的吸能減振特性[1-3]，常常用于芯片的加固和保護(hù)。但由于硅橡膠材料的非線性，生產(chǎn)廠家也很少進(jìn)行力學(xué)特性測試，因此在實際應(yīng)用時設(shè)計師往往只能憑經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，缺少理論依據(jù)，經(jīng)常造成各種問題。

某電子設(shè)備的芯片上加裝了硅橡膠墊用于減振。工程樣件的試驗證明該硅橡膠墊減振有效[4-5]，滿足力學(xué)環(huán)境試驗條件的要求，但批量生產(chǎn)后出現(xiàn)了3例芯片開裂現(xiàn)象。本文以此為研究對象，用排除法對故障進(jìn)行了初步定位，通過試驗和數(shù)值擬合法得到了硅橡膠墊的壓縮量與壓力的關(guān)系曲線，并以此為依據(jù)計算出了故障件芯片上的實際壓力載荷；利用壓力機測出了芯片可承受的最大壓力載荷，從而判定芯片斷裂是裝配應(yīng)力過大造成的；后續(xù)又在壓力機上用真實工件進(jìn)行試驗，再次出現(xiàn)了芯片開裂現(xiàn)象，證明故障定位完全準(zhǔn)確；最后制定了用于后續(xù)生產(chǎn)的改進(jìn)措施，對整改后的設(shè)備重新進(jìn)行了裝配試驗和各項力學(xué)實驗，各項功能及性能正常，證明改進(jìn)措施有效、可行。

1 問題描述

某電子設(shè)備在進(jìn)行常溫加電測試工作時，出現(xiàn)了3例故障，其表現(xiàn)為某通道無信號輸出。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部某PCB上的SDRAM芯片損壞，芯片底部有明顯斷裂紋。芯片損傷情況如圖1和圖2所示。

圖1 芯片表面損傷情況

圖2 芯片內(nèi)部破壞情況

PCB板的安裝結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。PCB板的底面緊貼在設(shè)備的結(jié)構(gòu)底板上，其頂面則安裝了一個帶有硅橡膠減振墊的保護(hù)板。橡膠墊與芯片頂面直接接觸，其壓縮量由保護(hù)板的限位凸臺來控制。裝配時，通過轉(zhuǎn)動螺釘推動保護(hù)板壓縮橡膠墊，當(dāng)保護(hù)板的限位凸臺與PCB板接觸時，橡膠墊即停止壓縮，結(jié)構(gòu)安裝到位。

圖3 PCB板裝配情況

圖4 拆開后的PCB板與保護(hù)板

2 問題定位

2.1 故障樹分析

對失效的芯片樣本進(jìn)行專業(yè)失效分析，分析結(jié)論為：樣品芯片開裂導(dǎo)致電源與地線短路失效，芯片開裂是由外部機械應(yīng)力造成的。

使芯片開裂的外部機械應(yīng)力有3種：由溫度劇烈變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力、振動環(huán)境下產(chǎn)生的振動應(yīng)力和 PCB板裝配后引入的安裝應(yīng)力。其故障樹如圖5所示。

圖5 芯片開裂故障樹

2.2 故障原因分析

2.2.1 熱應(yīng)力和振動應(yīng)力

設(shè)備完成裝配后在常溫狀態(tài)下一開機就出現(xiàn)了問題，并沒有做過任何溫度試驗和力學(xué)試驗，因此可以排除熱應(yīng)力和振動應(yīng)力的影響。

2.2.2 安裝應(yīng)力

PCB板安裝到位后，硅橡膠減振墊直接壓在芯片的頂部。橡膠墊屬于彈性材料，它的壓縮量由保護(hù)板的限位凸臺來控制。若限位凸臺或者橡膠墊的厚度尺寸超差，橡膠墊的壓縮量就可能超出設(shè)計范圍，橡膠墊作用到芯片上的壓力也會增加。當(dāng)壓力超出芯片的承受極限，芯片即被壓裂。

對故障件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)幾個關(guān)鍵尺寸均超出設(shè)計值。因此，初步判斷芯片開裂是安裝應(yīng)力引起的。

3 機理分析

芯片的安裝應(yīng)力來源于硅橡膠墊施加的裝配預(yù)應(yīng)力。需從2個方面著手分析：一是測量橡膠墊的實際壓縮量，并計算出此壓縮量對應(yīng)的裝配應(yīng)力；二是測出芯片的承壓極限。通過比較判斷裝配應(yīng)力是否大于芯片的承壓極限，為前面的故障定位提供理論依據(jù)。

3.1 橡膠墊的力學(xué)特性測試

橡膠墊材料是非線性的，廠家資料沒有壓縮比與壓力的關(guān)系曲線，且無法提供該材料的準(zhǔn)確力學(xué)參數(shù)，故力學(xué)仿真結(jié)果可信度較低，不足以作為判據(jù)。實測法則不失為一種簡單易行的手段。

為了減小測量誤差，選取了16片與實際工件相同的橡膠墊，分成4組疊放在平板工裝的4個角上。校正平板的水平度后，將另一個平板(配重塊)壓在橡膠墊上，連續(xù)改變配重塊的重量，得到多組壓力與壓縮量的關(guān)系數(shù)據(jù)。測試工裝如圖6所示。橡膠墊力學(xué)特性測試的原始數(shù)據(jù)見表1。

圖6 測試工裝

表1 硅橡膠墊力學(xué)特性測試數(shù)據(jù)

將表1的測試數(shù)據(jù)用數(shù)值處理方法擬合成三次多項式，得到硅橡膠墊的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式和曲線，如式(1)和圖7所示。

y= 19.5x3-2.923 7x2+ 2.467x+ 9×10-5

(1)

圖7 硅橡膠墊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)式(1)進(jìn)行換算，得到本設(shè)備中硅橡膠墊所受壓力與壓縮量的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 硅橡膠墊壓力-壓縮量關(guān)系曲線

3.2 芯片抗壓極限測試

廠家提供的資料缺少芯片的抗壓極限值。芯片內(nèi)部是結(jié)構(gòu)、工藝和材料都非常復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，仿真也基本不可行，只能通過實測得到數(shù)據(jù)。將工件按實際安裝工況置于工作臺上，用壓力機對芯片施加壓力載荷，測試出芯片的承壓能力。前后取了多個芯片焊接到PCB板上進(jìn)行測試，按從小到大的順序依次給芯片施加壓力載荷，直到芯片發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。在測試過程中，通過顯微鏡觀察芯片的損傷情況，并利用控制軟件讀出壓力載荷。

經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，待測芯片在265 N時均不會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，而當(dāng)壓力≥296 N時，芯片均會發(fā)生不同程度的破壞。考慮到芯片在承受裝配應(yīng)力的同時還要能同時承受振動應(yīng)力和熱應(yīng)力，隨后也進(jìn)行了振動試驗和高低溫試驗。試驗結(jié)果顯示，芯片在承受265 N裝配應(yīng)力的情況下可以承受環(huán)境試驗條件和可靠性試驗條件要求的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力而不發(fā)生任何損壞。因此，保守起見，取265 N作為芯片的抗壓極限載荷。

3.3 與硅橡膠墊壓縮量有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，需要控制保護(hù)板上限位凸臺的高度公差、硅橡膠墊的厚度公差以及芯片的焊接公差，以確保PCB板裝配到位后橡膠墊的壓縮量在要求的范圍內(nèi)。其中，限位凸臺的高度公差要求和橡膠墊的厚度公差要求為±0.1 mm，芯片焊接的高度公差要求為±0.05 mm。計算整個尺寸鏈公差，得到硅橡膠的理論壓縮量范圍為0.25 mm±0.25 mm，即0～0.5 mm。

對故障件進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸測量，發(fā)現(xiàn)限位凸臺的高度和硅橡膠墊的厚度尺寸均超標(biāo)，硅橡膠墊的實際壓縮量為0.76 mm，比設(shè)計要求的上限值還要大0.26 mm。表2是各結(jié)構(gòu)件的理論設(shè)計值與實物實測值。

表2結(jié)構(gòu)設(shè)計理論尺寸與實物實測尺寸mm

項目名稱設(shè)計值實測值超差值凸臺高度5．0±0．14．740．16橡膠墊厚度1．5±0．11．760．16芯片高度1．05±0．051．080壓縮量0．25±0．250．760．26

3.4 小結(jié)

將硅橡膠墊的壓縮量代入式(1)進(jìn)行計算，得到芯片上的實際載荷情況，見表3。

表3 橡膠墊不同壓縮量對應(yīng)的壓力載荷

從表2和表3可以得出明確的結(jié)論：造成PCB板SDRAM芯片開裂的原因是保護(hù)板限位凸臺的高度和硅橡膠墊的厚度均超出了設(shè)計要求，導(dǎo)致硅橡膠墊的壓縮量超出了控制范圍，作用到芯片上的載荷由64 N增加到了328 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出芯片的抗壓極限載荷(265 N)，最終使芯片結(jié)構(gòu)遭到破壞。

4 故障復(fù)現(xiàn)

4.1 實物裝配試驗

對已加工但未完成裝配的實物進(jìn)行檢查，又發(fā)現(xiàn)2例加工尺寸超標(biāo)的工件。將超標(biāo)工件進(jìn)行裝配，裝配后取出PCB板的SDRAM芯片。在燈光下觀察芯片外觀，發(fā)現(xiàn)芯片再次開裂，裂紋形態(tài)與之前的故障件一致，說明故障復(fù)現(xiàn)。裂紋情況如圖9所示。

圖9 裝配后芯片再次開裂

4.2 壓力機模擬試驗

根據(jù)故障件的實測尺寸，在壓力機上進(jìn)行模擬試驗。在試驗中模擬真實的安裝狀態(tài)，根據(jù)實測的壓縮量給芯片施加相應(yīng)的壓力載荷，結(jié)果芯片出現(xiàn)了同樣的結(jié)構(gòu)破壞，如圖10所示，說明故障再次復(fù)現(xiàn)。

圖10 在顯微鏡下觀察到的芯片裂紋

4.3 小結(jié)

無論是實物裝配驗證還是壓力機模擬測試，都真實地再現(xiàn)了芯片開裂的現(xiàn)象，證明前面的分析和計算是完全正確的。

5 整改措施

5.1 制造質(zhì)量控制

清查所有采用類似設(shè)計的在制品和已制品，復(fù)測關(guān)鍵加工尺寸，凡是超標(biāo)的一律返廠或報廢。更換故障件上損壞的芯片和尺寸超差的護(hù)板、橡膠墊，重新裝配后加電測試恢復(fù)到正常狀態(tài)。在后續(xù)生產(chǎn)中將硅橡膠墊的厚度尺寸、保護(hù)板限位凸臺的高度尺寸和芯片的焊接高度尺寸作為生產(chǎn)檢驗的關(guān)重項，制定了切實有效的措施對加工檢驗環(huán)節(jié)和原材料入廠檢驗環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，確保后續(xù)產(chǎn)品不會超差交付。

5.2 設(shè)計優(yōu)化

在現(xiàn)階段，按照常規(guī)設(shè)計模式，凡是表面不加工的非金屬材料，圖紙上一律不標(biāo)注零件的厚度公差。硅橡膠墊的厚度公差僅僅由生產(chǎn)采購部門在原材料進(jìn)貨環(huán)節(jié)予以控制。

鑒于此，更改相關(guān)零件的圖紙，在零件圖紙中明確要求“在加工和裝配前檢驗硅橡膠墊原材料的厚度，尺寸公差不達(dá)標(biāo)的不能進(jìn)行下一步工序”，從而從根本上杜絕不合格原材料流入產(chǎn)品中。

6 驗證情況

完成各項改進(jìn)措施后，對新生產(chǎn)的工件進(jìn)行了尺寸檢驗，結(jié)果全部滿足圖紙要求，無一超差。在裝配完成后進(jìn)行加電測試，結(jié)果芯片工作全部正常。新生產(chǎn)的設(shè)備均順利通過了振動、溫度等各項環(huán)境和可靠性試驗項目驗證。試驗完成后再次拆開工件，用儀器對芯片進(jìn)行檢測。結(jié)果芯片外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均正常，沒有再次出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，證明改進(jìn)措施有效、可行。

7 結(jié)束語

本文以某PCB板芯片的開裂故障為研究對象，采用排除法對故障進(jìn)行了初步定位，通過試驗和數(shù)值擬合法計算出故障件芯片上的實際壓力載荷，利用壓力機測出芯片可承受的最大壓力載荷，從而判定芯片開斷裂是由裝配應(yīng)力過大造成的。后續(xù)又在壓力機上用真實工件進(jìn)行試驗，再現(xiàn)了芯片斷裂的現(xiàn)象。整個研究過程定位準(zhǔn)確，機理清楚，故障復(fù)現(xiàn)后采取的措施有效。本文的研究成果對芯片的抗沖隔振設(shè)計具有一定的借鑒意義，特別是硅橡膠墊的力學(xué)特性曲線具有重要的參考價值。

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