王崇哲，劉杰，程皓月

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

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的使用環(huán)境日益嚴(yán)峻，為保證產(chǎn)品的可靠性，需要早期對(duì)電子設(shè)備開(kāi)展環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，及時(shí)篩選剔除質(zhì)量不合格的產(chǎn)品。振動(dòng)應(yīng)力作為環(huán)境篩選試驗(yàn)主要應(yīng)力之一[1-2]，外部的振動(dòng)環(huán)境很容易導(dǎo)致元器件發(fā)生失效破壞，如電子線路的短路或斷路、接插件松動(dòng)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軍用彈載電子設(shè)備中，由振動(dòng)環(huán)境引起的設(shè)備失效約占29%，因此產(chǎn)品早期一般進(jìn)行低量級(jí)的振動(dòng)篩選試驗(yàn)，排除早期故障。根據(jù)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的固有特性，錯(cuò)誤的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)選取，將會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)中某些頻段出現(xiàn)過(guò)應(yīng)力考核，從而導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障[3-4]。

對(duì)于電子設(shè)備，小尺寸的試驗(yàn)件可以采用壓板或連接孔直接和振動(dòng)臺(tái)相連接；中等尺寸的電子設(shè)備，一般需要設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具，通過(guò)轉(zhuǎn)接方式固定到振動(dòng)臺(tái)上[5-6]；對(duì)于較大的電子設(shè)備，由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)和振動(dòng)夾具的固有頻率接近，往往會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題[7-11]。吳瓊瑤等[12]詳細(xì)分析了設(shè)備失效機(jī)理，提出應(yīng)力篩選試驗(yàn)?zāi)転樵O(shè)備的可靠性提供重要保證。魏英魁等[13]則針對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)問(wèn)題開(kāi)展了研究，并以某具體設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選故障為例，分析總結(jié)了不同解決方法的優(yōu)缺點(diǎn)。魏威等[14]同樣從某設(shè)備振動(dòng)故障失效著手分析，深入探討了常見(jiàn)的3種故障情況，分別給出合理的修改建議，使振動(dòng)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)得到有效降低。在振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，往往出現(xiàn)由于振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成電子設(shè)備所受振動(dòng)量級(jí)過(guò)大，從而發(fā)生失效。有學(xué)者認(rèn)為，通過(guò)合理地布置控制點(diǎn)，采取關(guān)鍵部位安裝傳感器監(jiān)測(cè)等方法，可以有效地避免試驗(yàn)件過(guò)考核和欠考核等現(xiàn)象發(fā)生[15-17]。在此基礎(chǔ)上，司中柱等[18]還考慮了傳感器安裝方法對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)造成的影響，同時(shí)分析得出電子模塊產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，最少需要布置3個(gè)控制點(diǎn)方能保證試驗(yàn)的精度。

文中所介紹的某電子設(shè)備在z方向（垂直設(shè)備平面方向）隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境篩選試驗(yàn)過(guò)程中，5套產(chǎn)品發(fā)生故障，無(wú)信號(hào)輸出，故障定位于電路印制板上焊盤(pán)損傷脫落，從而使得信號(hào)輸出異常。文中以此為研究對(duì)象，開(kāi)展隨機(jī)振動(dòng)有限元仿真，對(duì)故障失效機(jī)理進(jìn)行定位分析，給出設(shè)備失效的原因：即振動(dòng)夾具與電子設(shè)備共振，造成設(shè)備出現(xiàn)過(guò)考核，從而發(fā)生失效破壞。在此基礎(chǔ)上，使用設(shè)備真實(shí)所受振動(dòng)量級(jí)為輸入，通過(guò)有限元仿真得到失效模式，并開(kāi)展故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證失效機(jī)理分析的正確性，最后改進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)夾具，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，避免類似故障再次發(fā)生，為后續(xù)的振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)提供一定的借鑒參考。

1 機(jī)理分析

1.1 初步分析

對(duì)發(fā)生故障的印制板進(jìn)行初步分析，螺釘固定點(diǎn)較多，如圖1中圓點(diǎn)所示。從其他型號(hào)設(shè)備（印制板面積、螺釘數(shù)量及安裝位置相似）的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)判斷，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，無(wú)明顯薄弱部位。分析其試驗(yàn)夾具（如圖2所示），認(rèn)為存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題： 該試驗(yàn)夾具為螺接式結(jié)構(gòu)，相比較平時(shí)采用的焊接式結(jié)構(gòu)，整體剛度較低；在試驗(yàn)過(guò)程中，振動(dòng)夾具采用壓板方式與試驗(yàn)臺(tái)連接，且緊固螺桿高度較高，無(wú)法完全有效固定；振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)布置在振動(dòng)臺(tái)面上，振動(dòng)夾具較高，且受試設(shè)備固定位置也較高，有可能產(chǎn)生振動(dòng)放大問(wèn)題。

圖1 螺釘位置 Fig.1 The position of screws

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)夾具 Fig.2 The fixture for vibration test

初步分析認(rèn)為螺釘布置合理，在環(huán)境篩選試驗(yàn)相對(duì)較低的振動(dòng)量級(jí)下，電子設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)失效破壞，同時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)夾具存在設(shè)計(jì)缺陷，可能導(dǎo)致電子設(shè)備在振動(dòng)過(guò)程中受到過(guò)量級(jí)考核。因此接下來(lái)一方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行有限元仿真，計(jì)算設(shè)備的固有頻率及在理想功率譜密度譜線下的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)；另一方面，測(cè)試振動(dòng)夾具實(shí)際輸出的功率譜密度譜線，了解夾具的動(dòng)力學(xué)特性，與有限元仿真對(duì)比分析，查找故障出現(xiàn)的原因。

1.2 有限元仿真分析

綜合考慮仿真計(jì)算效率及模型準(zhǔn)確度等因素，對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，僅保留腔體、印制電路板（PCB）和5個(gè)芯片，考慮有限元網(wǎng)格劃分問(wèn)題，對(duì)模型圓角部分均進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖3所示。坐標(biāo)系設(shè)置z方向?yàn)榇怪蹦Ｐ推矫娣较?。PCB通過(guò)電路板表面螺釘孔固定到腔體上，芯片內(nèi)集成電路引出焊腳，通過(guò)焊接方式與PCB連接固定，整個(gè)模型由四周螺釘完全固定，模型邊界條件設(shè)置為腔體對(duì)外安裝螺釘點(diǎn)采用固支約束，PCB與腔體使用MPC約束模擬螺栓連接，芯片與PCB通過(guò)Tie綁定。在模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，采用適應(yīng)性較好的六面體單元C3D8R對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格總量為133 169個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為216 242個(gè)。各部件材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 各部件材料的力學(xué)性能 Tab.1 The material mechanical properties of each part

圖3 簡(jiǎn)化模型 Fig.3 The diagram of simplified model

1.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和對(duì)應(yīng)的基本變形模式，可用于評(píng)估系統(tǒng)的振動(dòng)特性，其計(jì)算結(jié)果是其他動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。使用Frequency模態(tài)分析模塊，獲取模型前十階模態(tài)，取最主要的前兩階 模態(tài)變形情況（如圖4所示），固有頻率分別為853 Hz和1047 Hz?？梢钥吹剑O(shè)備無(wú)整體變形，主要表現(xiàn)為PCB局部變形，且變形較大部位位于螺釘布置點(diǎn)稀疏的區(qū)域。這是由于此處PCB受約束較弱，變形相應(yīng)較大?？梢?jiàn)模型整體剛度性能較好，無(wú)明顯薄弱環(huán)節(jié)。

圖4 前兩階模態(tài)變形云圖 Fig.4 Deformation of the first and second modes: a) first mode; b) second mode

1.4 振動(dòng)分析

針對(duì)模型開(kāi)展z向隨機(jī)振動(dòng)分析，邊界條件為模型四周螺釘安裝孔固支，使用Random response模塊?；谀Ｐ颓笆A模態(tài)，阻尼系數(shù)取0.02，對(duì)模型沿z方向施加隨機(jī)振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍為20～ 2000 Hz，功率譜密度譜如圖5所示。

圖5 隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度譜 Fig.5 The PSD of random vibration

由圖6a仿真結(jié)果可看出，z方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下，設(shè)備最大均方根（RMISES）應(yīng)力為7.3 MPa，3Sigma應(yīng)力取均方根應(yīng)力的3倍，即為22 MPa，小于焊接強(qiáng)度40 MPa，滿足結(jié)構(gòu)承載需求。從圖6b也 可以看到，最大變形位于PCB螺釘布置稀疏區(qū)域，模型整體無(wú)較大變形，最大變形為0.05 mm，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容許變形的范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。綜上分析，在該振動(dòng)量級(jí)下設(shè)備不會(huì)發(fā)生失效破壞。

圖6 均方根應(yīng)力及位移變形情況 Fig.6 The deformation of RMISES stress and displacement: a) the deformation of RMISES stress; b) the deformation of displacement

2 過(guò)考核失效分析

2.1 夾具振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)備在振動(dòng)過(guò)程中所處的真實(shí)力學(xué)環(huán)境，分別對(duì)夾具上設(shè)備固定孔處的響應(yīng)進(jìn)行測(cè) 試，4個(gè)安裝點(diǎn)位置如圖7所示。測(cè)試得到P1—P4測(cè)點(diǎn)各階模態(tài)頻率，取前三階模態(tài)匯總于圖8?？梢钥吹剑O(shè)備前兩階固有頻率分別為853 Hz和1047 Hz，與振動(dòng)夾具的2、3階頻率相近（如圖8中兩條豎線所示），導(dǎo)致共振現(xiàn)象發(fā)生[19]，使設(shè)備所受振動(dòng)激勵(lì)被放大。由圖8中還可以看出，測(cè)點(diǎn)受到的能量輸入遠(yuǎn)高于理論輸入值，表明設(shè)備在試驗(yàn)過(guò)程中遭受了過(guò)考核，因此導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生失效破壞。

圖8 P1—P4測(cè)點(diǎn)頻率 Fig.8 The frequency of the measuring point P1—P4

綜上所述，由試驗(yàn)夾具振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試可以看到，試驗(yàn)夾具2、3階固有頻率與設(shè)備的前兩階頻率重頻，共振現(xiàn)象導(dǎo)致隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)被放大，對(duì)設(shè)備造成過(guò)考核，從而引起設(shè)備失效。

2.2 設(shè)備過(guò)考核有限元仿真

根據(jù)2.1節(jié)試驗(yàn)夾具振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，得到設(shè)備實(shí)際所受振動(dòng)激勵(lì)如圖9通道3譜線所示，通道1和通道2為振動(dòng)臺(tái)控制點(diǎn)，僅作對(duì)比參考。由通道3的譜線可明顯看到，輸出量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輸入容差范圍，電子設(shè)備所受振動(dòng)考核完全超過(guò)理想考核量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 實(shí)際測(cè)得PSD曲線 Fig.9 The actual measured curve of PSD

以通道3譜線為輸入，開(kāi)展設(shè)備有限元仿真分析，仿真得到設(shè)備應(yīng)力變化情況如圖10所示。由圖10中橢圓框部分可以看到，芯片左上角區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為17.3 MPa，3Sigma應(yīng)力為 52 MPa。由于此處通過(guò)焊接方式固定，焊接強(qiáng)度僅為40 MPa，因此模型應(yīng)力水平超過(guò)了焊接強(qiáng)度承載極限，導(dǎo)致焊點(diǎn)處強(qiáng)度不夠，焊盤(pán)脫落發(fā)生失效。

圖10 模型應(yīng)力分布云圖 Fig.10 The stress distribution of model

3 故障復(fù)現(xiàn)

取同一批次完好電子設(shè)備，安裝在原試驗(yàn)夾具上進(jìn)行z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)夾具由壓板固定在試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)輸出振動(dòng)應(yīng)力傳遞至試驗(yàn)夾具，設(shè)備腔體通過(guò)四周螺釘固定在夾具上，振動(dòng)應(yīng)力經(jīng)腔體傳遞至PCB。由于共振導(dǎo)致振動(dòng)應(yīng)力放大，實(shí)際作用于PCB的振動(dòng)應(yīng)力已遠(yuǎn)超試驗(yàn)臺(tái)輸出應(yīng)力水平。記錄振動(dòng)過(guò)程中響應(yīng)譜，設(shè)備中間部位和安裝點(diǎn)處的均方根加速度分別為26.13g和9.73g，超出試驗(yàn)允差。試驗(yàn)完畢后，測(cè)試發(fā)現(xiàn)設(shè)備信號(hào)異常，解焊器件檢查印制板，焊點(diǎn)情況如圖11所示。對(duì)比正常焊點(diǎn)，可以明 顯看到，失效焊點(diǎn)焊盤(pán)脫落，電子設(shè)備發(fā)生故障。

圖11 電子設(shè)備焊點(diǎn)失效情況 Fig.11 The failure point of electronic equipment

為進(jìn)一步驗(yàn)證是由于振動(dòng)夾具與設(shè)備共振，使設(shè)備過(guò)考核發(fā)生破壞，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套新的振動(dòng)夾具如圖12所示。夾具采用焊接成形，相比較之前螺接夾具，剛度得到有效提高，其一階頻率超過(guò)受試設(shè)備的一階固有頻率3倍，確保不會(huì)發(fā)生共振[20-21]。受試設(shè)備通過(guò)螺釘固定在夾具側(cè)板上，試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)通過(guò)5個(gè)螺釘固定，連接更為可靠緊固，振動(dòng)應(yīng)力能有效傳遞給受試設(shè)備。此外，受試設(shè)備上布置控制點(diǎn)，通過(guò)反饋控制設(shè)備所受振動(dòng)量級(jí)，其振動(dòng)載荷不會(huì)被過(guò)度放大。

圖12 改進(jìn)后振動(dòng)試驗(yàn)夾具 Fig.12 The improved fixture of vibration test

取同一批次完好設(shè)備，固定在改進(jìn)后夾具上開(kāi)展z向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，記錄振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)譜，均方根加速度為5.81g，功率譜密度在低頻擬合較好，符合試驗(yàn)允差要求。設(shè)備經(jīng)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試后，未出現(xiàn)故障，檢查印制板，未發(fā)現(xiàn)焊盤(pán)、印制線損傷或裂紋現(xiàn)象，與有限元仿真結(jié)論保持一致。綜上所述，由于試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)不合理，振動(dòng)量級(jí)放大，導(dǎo)致設(shè)備焊點(diǎn)脫落，故障得以復(fù)現(xiàn)。在改進(jìn)試驗(yàn)夾具后，設(shè)備在隨機(jī)振動(dòng)載荷下未發(fā)生故障，進(jìn)一步證明故障是由于試驗(yàn)夾具與設(shè)備共振造成的。

4 整改措施

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，改進(jìn)后的振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)合理可靠，對(duì)完成早期篩選剔除前提下的設(shè)備元器件、焊點(diǎn)等沒(méi)有損傷。因此后續(xù)產(chǎn)品采用改進(jìn)夾具進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境篩選試驗(yàn)，并將該要求在產(chǎn)品規(guī)范中進(jìn)行明確。

后續(xù)振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中，須提前開(kāi)展有限元仿真試驗(yàn)，分析力學(xué)薄弱點(diǎn)，確定固有頻率范圍，保證設(shè)備環(huán)境篩選試驗(yàn)振動(dòng)響應(yīng)低于設(shè)計(jì)極限值。

5 結(jié)論

文中以某電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境篩選試驗(yàn)故障為研究對(duì)象，開(kāi)展了失效機(jī)理分析，采用Abaqus有限元仿真擬合得到了設(shè)備的模態(tài)及應(yīng)力分布，驗(yàn)證了設(shè)備本身設(shè)計(jì)無(wú)缺陷。通過(guò)與振動(dòng)夾具的固有頻率對(duì)比分析，定位故障原因?yàn)閵A具和電子設(shè)備發(fā)生共振導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)考核，并采用有限元仿真驗(yàn)證過(guò)考核條件下設(shè)備焊點(diǎn)達(dá)到承載極限。后續(xù)開(kāi)展故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，再現(xiàn)了焊點(diǎn)脫落的失效模式，并針對(duì)夾具設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后，順利完成了電子設(shè)備的振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)。整個(gè)研究過(guò)程條理清晰，完成了故障機(jī)理分析與整改，該研究成果對(duì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境篩選試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。