尤 浩，李鵬程

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。通常情況下，電子設(shè)備是由大量電子元器件通過印制電路、接插件以及焊接點以一定的方式連接而成的。如果元器件出現(xiàn)故障，或者它們間的連接被破壞，都會造成整個設(shè)備的故障。而電子設(shè)備在運輸、使用過程中不可避免地會受到振動、沖擊等環(huán)境應(yīng)力的作用，這對電子設(shè)備的可靠性是嚴(yán)峻的考驗[1-2]。

電子設(shè)備在各種應(yīng)力的作用下可能會受到電子部件的隱形損傷，這種隱形損傷會對電子產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生較大影響。電子設(shè)備所受到的應(yīng)力無法直接測量，只能通過由應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變進行測量、分析。通過測量、分析，控制應(yīng)力產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，以此來降低電子設(shè)備因為受到過大應(yīng)力而失效的風(fēng)險[3-5]。

當(dāng)電子設(shè)備由于受到過大應(yīng)力而發(fā)生故障時，一方面需要有手段對電子設(shè)備的損傷進行探測，另一方面需要對電子設(shè)備所受到的應(yīng)變進行測量。

在探測隱形損傷方面，目前常用的手段有計算機斷層掃描(CT)、金相切片等。CT對印制電路板(PCB)進行三維成像，能夠在三維空間上以μm級的分辨率把PCB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，可以對內(nèi)部缺陷信息包括裂紋、殘缺、虛焊等進行三維無損檢測[6]。金相切片分析就是通過取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察等一系列手段和步驟獲得焊點、PCB橫截面結(jié)構(gòu)的過程。通過切片分析可以得到反映焊點或者PCB(通孔、鍍層等)質(zhì)量的微觀結(jié)構(gòu)的豐富信息，為下一步的質(zhì)量改進提供很好的依據(jù)[7]。金相切片檢測為有損探測。

在應(yīng)變測量的各種方法中，基于電阻應(yīng)變片的測量是應(yīng)用最廣泛的方法。其工作原理是：當(dāng)有外力作用在應(yīng)變片上導(dǎo)致其產(chǎn)生變形時，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，且電阻變化與應(yīng)變片表面應(yīng)變成比例，通過測量電路輸出應(yīng)變片電阻變化信號，經(jīng)計算轉(zhuǎn)化成應(yīng)變值，得到應(yīng)變片的應(yīng)變數(shù)據(jù)[8]。測量時將應(yīng)變片粘貼到測量點，即可得到該點處的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

某機載模塊是基于VATA48標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的VPX模塊，該模塊在進行振動試驗時出現(xiàn)功能故障。本文采用金相切片、應(yīng)變測試等技術(shù)對該模塊進行故障分析，并對改進后的設(shè)計進行驗證。

1 故障現(xiàn)象與分析

1.1 故障現(xiàn)象

某機載模塊在進行功能振動試驗5 min后出現(xiàn)功能故障，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)模塊內(nèi)PCB上連接器附近位號為N3的某器件電源輸出異常。模塊示意圖如圖1所示。

圖1 某機載模塊示意圖

經(jīng)排查分析，發(fā)現(xiàn)該批次生產(chǎn)的其他模塊也有N3器件接觸不良的現(xiàn)象。

1.2 故障分析

為了排查故障原因，對故障模塊和未經(jīng)過振動的同一批次模塊進行金相切片檢測，檢測位置為靠近連接器的4個BGA封裝器件，位號分別為N1、N2、N3和D2，如圖2所示。

金相切片檢測結(jié)果表明：故障模塊N1、N2、N3和D2的器件均有不同程度的開裂(如圖3所示)，裂縫主要在PCB焊盤和焊料之間，N3器件焊點開裂最為嚴(yán)重；未經(jīng)過振動試驗的模塊N1、N2、N3和D2的器件邊角位置有開裂(如圖4所示)，裂縫主要在PCB焊盤和焊料之間，N3器件焊點開裂最為嚴(yán)重。

圖3 故障模塊開裂焊點分布圖

圖4 未經(jīng)過振動試驗?zāi)K開裂焊點分布圖

由金相切片檢測可知，故障模塊在振動試驗前已有部分器件焊點開裂，但較為輕微，不影響模塊功能，振動試驗加劇了開裂情況，導(dǎo)致模塊功能故障。初步認(rèn)定焊點開裂與振動試驗無關(guān)。

2 故障定位

器件焊點開裂必然由于受到超過設(shè)計之外的應(yīng)力造成，故障模塊從生產(chǎn)到功能振動前主要會受到的應(yīng)力情況有以下幾方面：

(1) 裝配階段：模塊所用的連接器為VPX連接器，連接器的安裝在所有器件焊接完成之后，且為壓接安裝，不規(guī)范的裝配方式可能對PCB板及其上的器件產(chǎn)生破壞；

(2) 調(diào)試階段：在調(diào)試階段，需要將模塊安裝在機箱內(nèi)，模塊為盲插式結(jié)構(gòu)，VPX連接器內(nèi)部簧片較多，插拔力較大，若模塊設(shè)計不合理，多次插拔可能導(dǎo)致應(yīng)力PCB板變形過大，進而引起器件焊點開裂。

對以上各個階段分別進行排查，對故障進行定位。若上述2個階段的排查無問題，再對故障模塊進行功能振動的分析與測試。

2.1 裝配階段

應(yīng)力測試時需要在被測點處粘貼應(yīng)變片，考慮到壓接過程中應(yīng)變測試難以進行，待PCB板完成主要器件焊接、連接器完成壓接后，對N1、N2、N3和D2的器件進行金相切片檢測，結(jié)果顯示焊點正常，如圖5所示。

圖5 裝配完成后模塊焊點情況分布圖

2.2 調(diào)試階段

調(diào)試階段主要進行的是模塊插拔時的應(yīng)力測試。對模塊PCB板卡粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的分布如圖6所示。

圖6 故障模塊PCB板應(yīng)變片分布圖

粘貼完應(yīng)變片的板卡裝配完成后，將其插入到機箱內(nèi)，處于自然松弛狀態(tài)，此為測試“零點”，此時應(yīng)變?yōu)?。

將模塊通過起拔器完全插入機箱，將鎖緊條鎖死，然后松開鎖緊條，再通過起拔器將模塊拔出，處于自然松弛狀態(tài)。記錄上述過程的應(yīng)變變化情況，各個測試點插拔過程應(yīng)變情況如圖7所示，各個測試點的絕對最大應(yīng)變?nèi)绫?所示。

圖7 各個測試點插拔過程應(yīng)變變化情況

表1 各個測試點的絕對值最大應(yīng)變

由表 1可以看出，測試點7為應(yīng)變最大處，查看其插拔過程應(yīng)變情況如圖8所示。

圖8 測試點7插拔過程應(yīng)變變化情況

在IPC/JEDEC-9704A《印制電路組件應(yīng)變測試指南》中提示，PCB板的最大允許的應(yīng)變值和應(yīng)變率與板厚存在一定關(guān)聯(lián)，其參考曲線如圖9所示，測量值在相應(yīng)的曲線下方則小于最大許用應(yīng)變，反之則大于最大許用應(yīng)變[9]。故障模塊的PCB板板厚為1.86 mm，按圖9可知其最大許用應(yīng)變在1 100～1 340之間，小于實測的最大應(yīng)變1 518。因此，調(diào)試階段的反復(fù)插拔會導(dǎo)致模塊故障。

圖9 最大允許應(yīng)變值與應(yīng)變率和板厚關(guān)系

3 機理分析

模塊插入機箱時受力情況如圖10所示。

圖10 模塊插入機箱時受力示意圖

模塊插入機箱時，VPX連接器一端會受到來自插座的阻力，殼體上的起拔器一端會受到來自起拔器的推力。上述相反的作用力最終作用到PCB板上，導(dǎo)致PCB板以靠近連接器附近的安裝點為支點產(chǎn)生翹曲變形，使這些安裝點附近的器件焊盤受到較大的應(yīng)力。模塊鎖緊安裝后，應(yīng)力并未釋放。調(diào)試過程的反復(fù)插拔最終導(dǎo)致焊盤開裂。

PCB板在焊盤開裂，受到較大安裝應(yīng)力的情況下進行振動試驗，會加劇焊盤開裂的程度，最終導(dǎo)致故障現(xiàn)象的發(fā)生。

4 改進措施

根據(jù)故障原因和機理分析，對PCB板和模塊結(jié)構(gòu)件進行改進設(shè)計。PCB板的改進主要包括以下幾方面：

(1) PCB板厚度從1.86 mm增至2.3 mm；

(2) PCB板重新布局，調(diào)整各個器件距安裝孔的距離，增大器件和VPX連接器之間的距離，增加PCB板的安裝孔數(shù)量。

模塊結(jié)構(gòu)件的改進設(shè)計主要有：

(1) 將殼體的壁厚由1.5 mm增至2 mm；

(2) 增加加強筋和安裝孔的數(shù)量，所有安裝孔通過加強筋連接起來，增強安裝孔處的強度；

(3) 殼體深度方向尺寸增大，使殼體和連接器的間隙減小至0.2 mm；

(4) 在蓋板上增加加強筋。

改進前后模塊對比如圖11所示。

圖11 改進前后模塊對比示意

5 驗 證

對改進后的模塊進行插拔應(yīng)變測試，以驗證改進是否有效。對改進后的PCB板粘貼應(yīng)變片，如圖12所示。

圖12 改進后PCB板應(yīng)變片分布情況

模塊裝配完成后，進行插拔應(yīng)力測試，各個測試點應(yīng)變變化情況如圖13所示。各個測試點的絕對最大應(yīng)變?nèi)绫?所示。

圖13 改進后各個測試點插拔過程應(yīng)變變化情況

表2 改進后各個測試點的絕對最大應(yīng)變

由表2可以看出，測試點1為應(yīng)變最大處，查看其插拔過程應(yīng)變情況如圖14所示。

由圖13和圖14可以看出，在模塊插入機箱的過程中，應(yīng)變一直較小，最大應(yīng)變出現(xiàn)在模塊拔出時，其為瞬時應(yīng)變。由圖 9可知，模塊最大許用應(yīng)變?yōu)? 100，大于實測的應(yīng)變最大值，改進設(shè)計可行。

圖14 測試點1插拔過程應(yīng)變變化情況

6 結(jié)束語

通過金相切片檢測技術(shù)和應(yīng)變測試技術(shù)對某機載模塊進行故障分析與定位，快速找出了設(shè)計不足，對改進后的模塊進行應(yīng)變測試，驗證了改進方案的可行性。后續(xù)可開展相關(guān)仿真工作，通過仿真與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證仿真準(zhǔn)確性，并通過不斷修正仿真邊界條件，提升仿真準(zhǔn)確性，使前期仿真工作更加準(zhǔn)確，在對類似模塊進行設(shè)計時，能更加準(zhǔn)確地模擬實際情況。