鐘云龍 ，李 泉 ，蔣 燦 ，張中文

（1.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；2.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710089；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心，廣州 510610）

隨著現(xiàn)代化作戰(zhàn)的需要，對(duì)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能要求越來(lái)越高，機(jī)載電子設(shè)備面臨著更為嚴(yán)苛的振動(dòng)使用環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在引起機(jī)載電子設(shè)備失效的環(huán)境因素中，振動(dòng)約占27%[1]。為了提高電子設(shè)備的抗振能力，鑒定試驗(yàn)等實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)正應(yīng)用于機(jī)載產(chǎn)品上，以盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在故障。

目前，實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)高，使得試驗(yàn)開展受到限制。由于建模與仿真試驗(yàn)可以快速掌握電子設(shè)備的模態(tài)特性和振動(dòng)響應(yīng)，定位產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)[2-5]，且仿真試驗(yàn)周期短、成本低，正在鑒定試驗(yàn)中受到重視。同時(shí)，通過(guò)振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)仿真模型進(jìn)行修正，提高故障分析精度。目前，振動(dòng)仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證相結(jié)合的方法在電子設(shè)備故障分析中正得到關(guān)注。文獻(xiàn)[6]對(duì)印制板的有限元成型技術(shù)進(jìn)行研究，并采用試驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

現(xiàn)針對(duì)某機(jī)載設(shè)備的電路板在可靠性與環(huán)境鑒定試驗(yàn)中出現(xiàn)的振動(dòng)疲勞故障，開展振動(dòng)仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證方法研究，對(duì)故障進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施。

1 電路板振動(dòng)疲勞故障分析

1.1 電路板振動(dòng)疲勞故障特點(diǎn)

某機(jī)載設(shè)備在可靠性與環(huán)境鑒定試驗(yàn)中，在低溫振動(dòng)條件下出現(xiàn)故障，停振后故障消失，重新施加振動(dòng)后故障復(fù)現(xiàn)，表明該故障對(duì)振動(dòng)敏感，初步判斷為振動(dòng)條件下出現(xiàn)的焊接問(wèn)題。經(jīng)分析，故障定位至控制單元電路板，通過(guò)電鏡分析發(fā)現(xiàn)該電路板上的光耦器件存在焊錫裂紋，如圖1所示，與故障現(xiàn)象吻合。

圖1 焊錫裂紋圖示Fig.1 Soldering tin crack

該故障在試驗(yàn)初期便出現(xiàn)，說(shuō)明電路板存在振動(dòng)薄弱環(huán)節(jié)，振動(dòng)響應(yīng)過(guò)大，導(dǎo)致電路板器件的焊錫在鑒定試驗(yàn)中出現(xiàn)振動(dòng)疲勞斷裂。根據(jù)上述失效分析已經(jīng)定位了故障位置和原因，但缺乏定量的振動(dòng)性能評(píng)價(jià)分析，無(wú)法有針對(duì)性地提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，采取定性的改進(jìn)也只能通過(guò)大量的振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

利用有限元軟件進(jìn)行振動(dòng)仿真建模，可以快速地計(jì)算電路板的模態(tài)特性和振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，提高模型和故障分析精度，彌補(bǔ)實(shí)物試驗(yàn)的周期長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)的缺陷。

首先需按電路板的組成建立電路板的仿真模型。

1.2 電路板組成

該電路板含PCB 1個(gè)，器件49個(gè)，固定方式為螺釘連接，4個(gè)固定點(diǎn)分別在4個(gè)角上，如圖2所示，按照?qǐng)D示組成建立數(shù)字樣機(jī)模型，故障部位為圖示光耦器件的焊錫斷裂。

圖2 電路板組成圖Fig.2 Circuit board composition

2 建立振動(dòng)仿真模型

2.1 模型驗(yàn)證

由于實(shí)測(cè)的振動(dòng)輸入譜是針對(duì)整個(gè)機(jī)載設(shè)備的，通過(guò)利用Ansys軟件將整個(gè)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)建模，并模擬飛機(jī)實(shí)測(cè)的振動(dòng)環(huán)境條件，激勵(lì)施加在機(jī)載設(shè)備的安裝位置，仿真計(jì)算完成后提取其中需分析的電路板振動(dòng)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

振動(dòng)仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)及振動(dòng)應(yīng)力，為了保證仿真模型的準(zhǔn)確性，采用實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度響應(yīng)與仿真的加速度響應(yīng)結(jié)果對(duì)比，從而驗(yàn)證仿真模型。在電路板上選取一個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，作為振動(dòng)試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的對(duì)比，圖3為驗(yàn)證點(diǎn)處的振動(dòng)實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)，放大了約4.7倍，圖4為試驗(yàn)所測(cè)電路板上光耦器件處的振動(dòng)加速度響應(yīng)，放大了約8.6倍。

圖3 驗(yàn)證點(diǎn)實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)Fig.3 Measured acceleration response of verification point

圖4 光耦處實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)Fig.4 Measured acceleration response of optocoupler

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整模型的密度和彈性模量，修正仿真模型并符合總質(zhì)量等效原則[7]，使得仿真模型更加符合實(shí)際。在施加同樣的振動(dòng)激勵(lì)條件下進(jìn)行振動(dòng)仿真計(jì)算，圖5為模型修正后對(duì)應(yīng)光耦器件處的響應(yīng)，比激勵(lì)放大了8.9倍。仿真得到驗(yàn)證點(diǎn)處的響應(yīng)如圖6所示，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)放大了約4.8倍，與實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)比較吻合，驗(yàn)證了修正模型的準(zhǔn)確性。

圖5 光耦處振動(dòng)仿真加速度響應(yīng)Fig.5 Simulation acceleration response of optocoupler

圖6 驗(yàn)證點(diǎn)處振動(dòng)仿真加速度響應(yīng)Fig.6 Simulation acceleration response of verification point

2.2 振動(dòng)應(yīng)力仿真

本次故障為振動(dòng)疲勞斷裂，表明振動(dòng)應(yīng)力已經(jīng)超出了焊錫允許的疲勞強(qiáng)度。在Ansys軟件中可直接提取電路板的振動(dòng)應(yīng)力，應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 電路板振動(dòng)應(yīng)力云圖Fig.7 Vibration stress cloud diagram of circuit board

該電路板上的光耦器件焊接所用焊料類型為Sn-Pb釬料（63Sn37Pb），焊料的抗拉強(qiáng)度為51 MPa，從圖7中可見光耦器件處的最大應(yīng)力為57.1 MPa，大于焊錫的抗拉強(qiáng)度，因此判斷該故障為振動(dòng)激勵(lì)引起電路板振動(dòng)響應(yīng)放大，導(dǎo)致器件管腳處焊點(diǎn)損傷引發(fā)故障。

通過(guò)上述分析可以快速定位電路板的振動(dòng)薄弱環(huán)節(jié)，有助于故障的定位和機(jī)理分析，簡(jiǎn)單高效。

3 振動(dòng)薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)

利用振動(dòng)仿真的響應(yīng)結(jié)果，針對(duì)不同的薄弱環(huán)節(jié)可以采用相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效地減小振動(dòng)響應(yīng)，提高PCB的抗振性能和可靠性水平。

3.1 PCB減振方法總結(jié)

提高PCB抗振能力的方法主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）增加PCB的支撐點(diǎn)，尤其是振動(dòng)響應(yīng)較大的地方，可大大提高PCB板的固有頻率，降低PCB的加速度響應(yīng)和振動(dòng)應(yīng)力，簡(jiǎn)單實(shí)用。

（2）滿足前向倍頻程準(zhǔn)則，不得出現(xiàn)有害的結(jié)構(gòu)諧振，針對(duì)寬帶隨機(jī)振動(dòng)，盡量滿足PCB一階固有頻率與機(jī)箱的一階固有頻率的比值大于2，在工程上難以實(shí)現(xiàn)的情況下，經(jīng)協(xié)商也可放寬至1.5倍。針對(duì)定頻或窄帶，PCB及整機(jī)一階固有頻率必須大于主工作頻率的2倍，各階固有頻率不得與主工作頻率重合或接近。

（3）滿足反向倍頻程準(zhǔn)則，即機(jī)箱的一階固有頻率與PCB一階固有頻率的比值大于2，但是僅針對(duì)重量較輕的PCB，固有頻率較低，如果重量過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)反而增大。

（4）使用減振器減小PCB的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，主要是減小彎曲位移，延長(zhǎng)組件的振動(dòng)疲勞壽命，難點(diǎn)在于找到位移最大的位置，作為安裝減振器的最佳位置，并提供減振器安裝的空間，而這個(gè)時(shí)候就體現(xiàn)了振動(dòng)仿真技術(shù)的優(yōu)越性。

（5）使用黏彈性材料，類似于橡膠材料，增大阻尼，能夠消耗大量的振動(dòng)能量，有效降低動(dòng)態(tài)位移和振動(dòng)應(yīng)力，但作為非金屬材料，應(yīng)避免在溫度較高的條件下使用，否則會(huì)衍生出老化問(wèn)題。

3.2 確定改進(jìn)措施

本次故障是在鑒定試驗(yàn)中出現(xiàn)，設(shè)計(jì)滿足前向倍頻程準(zhǔn)則，在改動(dòng)最小的前提下，最佳改進(jìn)措施為調(diào)整電路板的固定支撐點(diǎn)，進(jìn)一步提高電路板的固有頻率。根據(jù)振動(dòng)仿真結(jié)果，光耦器件安裝位置處響應(yīng)偏大，超出了器件焊錫的抗拉強(qiáng)度，因此在可實(shí)施的前提下優(yōu)先在該位置處增加固定支撐點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 電路板增加固定點(diǎn)示意Fig.8 Fixed point adding for circuit board

4 振動(dòng)仿真改進(jìn)效果

為了驗(yàn)證改進(jìn)的效果，電路板改進(jìn)后重新進(jìn)行振動(dòng)仿真分析，電路板振動(dòng)應(yīng)力云圖如圖9所示，最大的振動(dòng)應(yīng)力為31.2 MPa，能夠滿足器件焊錫抗拉強(qiáng)度要求。改進(jìn)后實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度響應(yīng)結(jié)果如圖10所示，響應(yīng)減小了約3倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。由于所焊器件和焊接條件的差異，導(dǎo)致焊點(diǎn)處的應(yīng)力值存在一定的分散性，因此，為了增強(qiáng)器件與印制板的連接，同時(shí)保護(hù)焊接點(diǎn)，利用1473ZG成熟工藝，在貼焊器件四周涂環(huán)氧膠，可有效地增強(qiáng)器件與印制板的連接。同時(shí)，采取措施后的電路板進(jìn)行了相關(guān)耐久振動(dòng)試驗(yàn)，未出現(xiàn)故障，通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了措施的有效性。

圖9 電路板改后振動(dòng)應(yīng)力云圖Fig.9 Vibration stress cloud diagram of circuit board after improvement

圖10 電路板改后實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度響應(yīng)Fig.10 Measured acceleration response of circuit board after improvement

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某機(jī)載設(shè)備電路板在鑒定試驗(yàn)中出現(xiàn)的振動(dòng)疲勞故障，通過(guò)采用振動(dòng)仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證方法，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正仿真模型，查找出電路板振動(dòng)故障的薄弱環(huán)節(jié)為光耦器件。通過(guò)改進(jìn)光耦器件的固定支撐方式、增強(qiáng)器件與印制板的連接等措施，提高產(chǎn)品的抗振能力。結(jié)果表明，振動(dòng)仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證分析方法有助于快速查找電子設(shè)備故障機(jī)理，從而節(jié)約研制成本和縮短研制周期。