林震，羅俊，朱朝軒，楊少華

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，各種型號(hào)的電源模塊被更加廣泛地運(yùn)用于我國的航空航天、電子信息科技等領(lǐng)域中[1]。近年來，對(duì)電源模塊需求量的快速增長，促使模塊電源的技術(shù)水平得到了迅速的發(fā)展，此發(fā)展趨勢對(duì)于電源模塊的質(zhì)量提出了相應(yīng)的要求，同時(shí)也對(duì)于電源模塊的失效分析方法和可靠性提出了更高的要求。本文以某型號(hào)電源為例，結(jié)合該電源模塊的具體失效情況，進(jìn)行模擬仿真的失效分析，得到了一套通用的電源模塊的失效分析方法，對(duì)于提高相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性具有重要的意義[2]。

1 電源模塊的失效形式

電源模塊的失效通常是由于某種內(nèi)部或外部因素導(dǎo)致其組成元器件發(fā)生降級(jí)而引發(fā)的。內(nèi)部因素主要產(chǎn)生于元件材料、版卡設(shè)計(jì)、組裝和包裝；外部因素取決于使用方式，主要包括電應(yīng)力、靜電放電和過載[3-4]。電源模塊常見的失效模式包括：開路、短路、輸出值不穩(wěn)定、輸出偏高、輸出偏低和波紋過高。

本研究對(duì)某型號(hào)模塊電源在做溫度循環(huán)和高溫老煉時(shí)出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進(jìn)行了分析，在顯微鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)：該型號(hào)模塊電源的失效位置在其芯片處，經(jīng)熱風(fēng)將焊點(diǎn)重新熔融冷卻后，該芯片的功能恢復(fù)正常，因而推測其失效原因?yàn)橐_處產(chǎn)生了過大的應(yīng)力，使焊盤發(fā)生脫落或是斷裂。

根據(jù)該型號(hào)產(chǎn)品的具體情況，分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該失效現(xiàn)象的原因，主要為以下兩點(diǎn)：1）高溫試驗(yàn)和溫循中的溫度負(fù)載造成PCB變形；2）焊接時(shí)，該器件引腳的溫度較高，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。針對(duì)上述兩種情況，分別設(shè)置兩種分析條件進(jìn)行分析，即：1）溫度載荷，外殼溫度設(shè)置為110℃，變壓器功率為1 W；2）溫度載荷，手工焊盤溫度分別為200、300℃，環(huán)境溫度為25℃。本次模擬仿真的分析，將根據(jù)產(chǎn)品的工藝生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該產(chǎn)品的失效原因進(jìn)行預(yù)測，開展相應(yīng)的模擬仿真失效分析預(yù)測[5-6]。

2 電源模塊的結(jié)構(gòu)描述

該產(chǎn)品由兩塊PCB通過引針連接，安裝于防銹鋁管殼內(nèi)，再填充灌封膠進(jìn)行封裝。在本分析任務(wù)中，定義失效器件所在的PCB為PCB板1，有變壓器開孔的PCB為PCB板2。該產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三維結(jié)構(gòu)示意圖

3 電源模塊的模擬仿真分析

3.1 模擬仿真準(zhǔn)備

為了簡化模型、提高計(jì)算效率，在熱應(yīng)力分析建模時(shí)未考慮沒有失效的PCB板2，在位移分析時(shí)未考慮管殼。忽略掉尺寸較小且不發(fā)熱的元件，管殼部分細(xì)節(jié)如圓角等做簡化處理。全局網(wǎng)格劃分質(zhì)量選擇Fine，失效器件和PCB板1單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸設(shè)置分別為0.2 mm和0.5 mm。失效器件塑封部分同PCB的接觸進(jìn)行抑制，其他接觸均采用綁定設(shè)置。坐標(biāo)系如圖2所示，選取的主要結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)如表1所示。根據(jù)實(shí)際情況，只對(duì)管殼底面進(jìn)行固定約束，位移分析時(shí)對(duì)一側(cè)引針或PCB板進(jìn)行固定約束。

圖2 坐標(biāo)系示意圖

表1 主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.2.1 評(píng)定準(zhǔn)則

本研究主要分析焊盤處在熱負(fù)載和位移負(fù)載下的應(yīng)力響應(yīng)情況，所以整個(gè)研究采用靜力條件下的強(qiáng)度校核評(píng)估準(zhǔn)則。焊盤連接處的材料為合金，無法獲取準(zhǔn)確的強(qiáng)度參數(shù)，故采用焊料的最大許用應(yīng)力作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。鉛錫拉伸強(qiáng)度約為40～50 MPa，剪切強(qiáng)度約為40 MPa，取塑性材料安全系數(shù)為1.4～1.7， 許用應(yīng)力為 23.5～35.7 MPa。

在分析相關(guān)條件時(shí)，由于無法獲取準(zhǔn)確的溫度負(fù)載和位移負(fù)載，故只進(jìn)行對(duì)比分析，僅考察相對(duì)變化量，不對(duì)絕對(duì)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.2 外殼溫度情況模擬仿真

對(duì)模型進(jìn)行熱應(yīng)力分析，溫度載荷按表1的設(shè)置在Icepak中計(jì)算后導(dǎo)入靜力分析模塊，電路板的厚度分別取0.9 mm和1.2 mm，不同厚度的電路板的溫度分布情況分別如圖3-4所示，電路板的位移變形情況分別如圖5-6所示，元器件焊盤等效應(yīng)力情況分別如圖7-8所示。

圖3 0.9 mm厚電路板溫度分布示意圖

圖4 1.2 mm厚電路板溫度分布示意圖

圖5 0.9 mm厚電路板位移變形情況示意圖

圖6 1.2 mm厚電路板位移變形情況示意圖

圖7 0.9 mm厚電路板元件焊盤等效應(yīng)力

圖8 1.2 mm厚電路板元件焊盤等效應(yīng)力

由上述模擬仿真分析結(jié)果可知：PCB的變形跟溫度和PCB元件分布有關(guān)，而失效元件位置正好在變形較大的區(qū)域，并且元件兩側(cè)引腳處的PCB變形不同，而變形不一致也是應(yīng)力產(chǎn)生的原因之一。同時(shí)可以觀測到失效元件引腳外的應(yīng)力不同，在靠近變壓器側(cè)即PCB中心區(qū)域的應(yīng)力較大，在30～40 MPa之間，根據(jù)本研究評(píng)定準(zhǔn)則，較為接近臨界值。同時(shí)，如果將PCB板的厚度由0.9 mm增加至1.2 mm，對(duì)溫度分布基本沒有影響，PCB的變形改變不明顯；引腳處的應(yīng)力值減小為25～30 MPa，雖然有一定的改善，但仍處于臨界值附近。

3.2.3 焊盤溫度情況模擬仿真

對(duì)模型進(jìn)行熱應(yīng)力分析，由于仿真瞬態(tài)溫度的時(shí)間較長，故采用穩(wěn)態(tài)設(shè)置不同溫度值的方法來近似地模擬手工焊接時(shí)間長短對(duì)元件引腳處應(yīng)力的影響。采用0.9 mm厚的電路板模型，手工焊盤在元件上方2.5 mm位置，溫度載荷按分析條件2的設(shè)置在Icepak中計(jì)算后導(dǎo)入靜力分析模塊。引腳溫度分布情況分別如圖9-10所示，電路板的位移變形情況分別如圖11-12所示，元器件焊盤等效應(yīng)力情況分別如圖13-14所示。

圖9 負(fù)載300℃引腳位置溫度示意圖

圖10 負(fù)載200℃引腳位置溫度示意圖

圖11 負(fù)載300℃電路板位移形變情況

圖12 負(fù)載200℃電路板位移形變情況

圖13 負(fù)載300℃焊盤應(yīng)力情況示意圖

圖14 200℃焊盤應(yīng)力情況示意圖

在手工焊接的過程中，手工焊接的時(shí)間長短對(duì)于周圍環(huán)境溫度會(huì)有輕微的影響，本研究只是近似地模擬焊接過程，以及假設(shè)周圍環(huán)境恒定不變，同時(shí)通過負(fù)載溫度的高低來表征手工焊接時(shí)間的長短，以求獲得與實(shí)際情況最為吻合的仿真結(jié)果?？梢詮囊陨戏抡娼Y(jié)果得知，當(dāng)在手工焊接時(shí)間不同情況的影響下，以及在負(fù)載300℃和200℃的條件下，元件引腳處溫度和熱應(yīng)力分布情況綜合分析的結(jié)果是：失效元件引腳處的溫度降低30℃時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力將減小20～40 MPa。

4 結(jié)束語

經(jīng)過多次模擬仿真，可以判斷仿真設(shè)計(jì)結(jié)果與失效模式判定與工程實(shí)際運(yùn)用情況吻合。并且通過模擬仿真發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品選型的過程中，由于主要器件的封裝自身結(jié)構(gòu)和安裝位置對(duì)產(chǎn)品的熱應(yīng)力產(chǎn)生影響，在今后的生產(chǎn)中應(yīng)該盡量地避免使用該類型封裝的器件；同時(shí)，在設(shè)計(jì)工藝中應(yīng)該注意其放置位置，避開變形較大的區(qū)域。在使用手工焊接的過程中，由于焊接工藝的原因容易造成局部溫度較高的情況，所以在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)調(diào)整電路板中手工焊接點(diǎn)的位置，使其遠(yuǎn)離敏感和易失效的元件。在焊接過程中，由于溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致電路板的翹曲應(yīng)力受溫度影響而再次釋放，因而在工藝允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量地增加電路板的厚度；并且應(yīng)調(diào)整人工焊接的焊接順序；最后，長時(shí)間的焊接點(diǎn)應(yīng)該是遠(yuǎn)離敏感器件，并且通過改進(jìn)夾具和增加解焊步驟，在焊接過程中和完成后注意電路板翹曲形成的應(yīng)力釋放。

[1]屠麗英.電源的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)研究 [D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[2]陳瑩梅，胡正飛.模擬集成電路技術(shù)與設(shè)計(jì)器 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]JEFFREY T， KRING J.LabVIEW for everyone[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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世界首列氫燃料電車唐山開跑 唯一排放物只有水

10月26日，中車唐山公司研制的世界首列商用型氫燃料混合動(dòng)力100%低地板現(xiàn)代有軌電車在河北唐山市唐胥鐵路載客運(yùn)營。這也是全球范圍內(nèi)，氫燃料電池有軌電車首次商業(yè)運(yùn)營，標(biāo)志著我國在新能源軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

氫燃料電池技術(shù)是全球清潔能源開發(fā)利用的主流方向，通過氫與氧的直接電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，是電解水的逆過程，能量密度高、噪音低、無污染，發(fā)電反應(yīng)最高溫度不超過100℃，不產(chǎn)生氮氧化合物，唯一的排放物質(zhì)只有水，是真正的 “零排放”。經(jīng)過4年多攻關(guān)，中車唐山公司率先在全球首次突破了燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力牽引和控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制的有軌電車完全取消了電弓和接觸網(wǎng)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域空白，實(shí)現(xiàn)污染物 “零排放”和全程 “無網(wǎng)”運(yùn)行。

唐胥鐵路具有136年的歷史。唐山市為打造工業(yè)特色旅游產(chǎn)業(yè)，充分利用 “中國鐵路零公里”及“老工業(yè)基地”等特色景區(qū)的吸引力，將唐山南站、開灤礦山公園、啟新1889工業(yè)園及南湖風(fēng)井組成的 “中國鐵路源頭游”三條鐵路打造成唐山工業(yè)旅游線路。

據(jù)悉，唐山工業(yè)旅游線路采用氫燃料電池有軌電車，無需架設(shè)接觸網(wǎng)，不用沿途安裝第三軌和充電樁，完整保留了百年唐胥鐵路的原貌。列車采用世界最先進(jìn)的100%低地板技術(shù)，車廂地板距軌道面僅35 mm，無需站臺(tái)；最小轉(zhuǎn)彎半徑僅19 m，可沿現(xiàn)有城市道路直接鋪設(shè)軌道，在地面行駛和?？?，乘客輕松搭乘。線路運(yùn)營全程13.84 km，有軌電車一次快速加氫只需15 min，可持續(xù)行駛40 km，最高運(yùn)行時(shí)速70 km。

中車唐山公司介紹，氫燃料混合動(dòng)力有軌電車，采用2動(dòng)1拖3輛編組，設(shè)乘客座位66個(gè)，最大載客量336人，還可根據(jù)運(yùn)營需求靈活增加編組和載客量。這種有軌電車不僅可以最高速度持續(xù)運(yùn)行，而且在制動(dòng)、停站時(shí)，由燃料電池和制動(dòng)能量回收系統(tǒng)為超級(jí)電容和蓄電池充電，能量回收率達(dá)30%以上。

（摘自新浪科技）