柯飆 呂陽 劉丹 張燕亮 鄭華雄 金波

寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波 315021

0 引言

軌道交通傳感器為列車監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時溫度、壓力、速度、加速度等信息，保障列車運(yùn)行安全，是軌道交通智能化、網(wǎng)絡(luò)化的重要組成部分[1-2]。中國軌道交通線路長、分布廣、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對隨車傳感器提出了寬溫域、長壽命、高可靠的性能要求[3]。因此，為提高傳感器防水、防潮、防腐蝕、抗振及絕緣強(qiáng)度等性能，常選用不同的材料對傳感器電氣元部件進(jìn)行灌封，灌封材料包覆保護(hù)電氣元部件，并起到機(jī)械支持作用[4]。

傳感器作為典型微機(jī)電設(shè)備，除機(jī)械結(jié)構(gòu)失效外，其內(nèi)部電氣元部件失效也是引起傳感器故障的主要因素。電氣元部件失效模式主要分為元部件本身因物理或化學(xué)過程導(dǎo)致的元部件失效模式和元部件焊點(diǎn)疲勞類失效模式。對于元部件本身的失效，可通過選型設(shè)計有效規(guī)避，因此，元部件焊點(diǎn)疲勞失效是電氣元部件失效的關(guān)注熱點(diǎn)[5]。

本文對灌封型速度傳感器焊點(diǎn)失效現(xiàn)象開展分析，從灌封材料固化工藝出發(fā)，研究不同固化工藝帶來的灌封膠性能差異，定性指出不同工藝下灌封膠體熱膨脹系數(shù)的差異，同時基于現(xiàn)車實(shí)際運(yùn)營情況，確定傳感器溫度載荷工況，最后通過仿真及試驗(yàn)對比，驗(yàn)證灌封膠固化工藝對焊點(diǎn)熱應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度的影響情況。

1 產(chǎn)品焊點(diǎn)疲勞失效分析

灌封型速度傳感器核心組成包括內(nèi)芯組件、殼體及灌封材料。如圖1 所示，敏感元件及電子元器件貼焊在PCB 上，形成內(nèi)芯組件并放入傳感器殼體中，隨后進(jìn)行整體灌封，實(shí)現(xiàn)絕緣及防護(hù)功能。

實(shí)際應(yīng)用中，灌封型速度傳感器偶發(fā)故障，經(jīng)產(chǎn)品解剖發(fā)現(xiàn)，傳感器敏感元件與PCB 焊點(diǎn)存在開裂失效現(xiàn)象。對焊點(diǎn)進(jìn)行切片分析，焊點(diǎn)裂紋處存在明顯的晶粒生長粗化，屬于焊點(diǎn)典型疲勞損傷現(xiàn)象，如圖2 所示。

焊點(diǎn)疲勞失效的主要因素為焊點(diǎn)與周圍材料的熱膨脹系數(shù)不匹配[6]。圖3 給出了溫度環(huán)境中焊點(diǎn)應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理示意。對于灌封型傳感器，其內(nèi)部電子元器件焊點(diǎn)主要與PCB 及灌封材料接觸。在溫度環(huán)境中，因材料熱膨脹系數(shù)差異，焊點(diǎn)、PCB 及灌封膠之間會產(chǎn)生相對位移，并將在焊點(diǎn)處產(chǎn)品應(yīng)力和應(yīng)變，隨溫度的高低溫交替，相對位移不斷變化，從而使得焊點(diǎn)承受應(yīng)力循環(huán)載荷，當(dāng)載荷過大或循環(huán)次數(shù)過高時，將導(dǎo)致焊點(diǎn)裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞失效。因此，材料間熱膨脹系數(shù)的適配性對于電子設(shè)備焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度有重要意義。

2 灌封膠固化工藝研究

本文中傳感器灌封膠為雙組分聚氨酯液體樹脂，該材料不含溶劑和鹵素，固化成型后的膠體具備極佳的耐熱性能和防火阻燃性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械件和眾多電氣元件中，表1 給出了材料成分及部分物理性能。

表1 灌封材料成分組成及物理性能

灌封膠從固化工藝條件上可分為常溫固化（25 ℃）和高溫固化（80 ℃）。

宏觀層面上，常溫固化工藝和高溫固化工藝過程中膠體硬度變化不同，如圖4 所示。一般以40 A（標(biāo)準(zhǔn)硬度57 A 的70%）作為工序判斷標(biāo)準(zhǔn)，常溫固化工藝下，膠體在48 h 后達(dá)到40 A 硬度；高溫固化工藝下，膠體僅需10 h 即達(dá)到40 A 硬度，并在16 h 時達(dá)到常溫固化72 h 的效果。

微觀層面上，灌封膠固化過程是一個高分子聚合化學(xué)反應(yīng)[7]。內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)相互交聯(lián)，形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可通過交聯(lián)度來衡量聚合反應(yīng)的充分程度。交聯(lián)度可通過膠體在丙酮溶劑中的溶脹試驗(yàn)進(jìn)行定性測定，溶脹率越小，交聯(lián)度越高，聚合反應(yīng)越充分，即膠體內(nèi)部殘存的未參與反應(yīng)的自由基團(tuán)越少，聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，膠體的抗變形能力更強(qiáng)，體積膨脹越難發(fā)生。表2 給出了常溫固化和高溫固化下灌封膠的溶脹率?？梢?，高溫固化形成的膠體溶脹率更小，固化過程中的聚合反應(yīng)更加充分，膠體穩(wěn)定性更好。

表2 不同固化工藝下膠體性能差異

綜上，高溫固化工藝下形成的灌封膠膠體硬度更高，交聯(lián)度更高，熱穩(wěn)定性更好，抗變形能力更強(qiáng)，可定性反應(yīng)高溫固化工藝膠體熱膨脹系數(shù)更低，為便于后續(xù)計算，取高溫固化膠體膨脹系數(shù)為常溫固化下的一半。

3 基于實(shí)際運(yùn)營的溫度載荷工況

為更真實(shí)反映傳感器焊點(diǎn)熱應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度，本文結(jié)合現(xiàn)車實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，確定基于實(shí)際運(yùn)營的溫度載荷工況。圖5 和圖6 分別給出了某型高速動車組運(yùn)行狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架電機(jī)非傳動端溫度信息?？梢?，電機(jī)非傳動端在一天內(nèi)的溫度變化較為緩慢，溫度循環(huán)頻率較小，約1 cycle/day，溫度的峰谷值較少，即溫度循環(huán)次數(shù)較少。運(yùn)行工況下，電機(jī)非傳動端內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度差值最大可達(dá)20 ℃；停運(yùn)狀態(tài)下，電機(jī)非傳動端內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度差值最大僅為5 ℃。

提取連續(xù)一個月的溫度峰谷值，建立溫度循環(huán)時間歷程數(shù)據(jù)，并通過雨流計數(shù)法識別實(shí)際運(yùn)營中電機(jī)非傳動端內(nèi)部溫度循環(huán)分布，如圖7 所示?？梢?，連續(xù)時間歷程上，電機(jī)非傳動端內(nèi)部溫度循環(huán)最大幅值為30 ℃，多數(shù)情況下，溫度循環(huán)幅值較?。? ℃以內(nèi)循環(huán)），溫度均值在40 ℃左右，即實(shí)際情況下，電機(jī)非傳動端內(nèi)部溫度動態(tài)變化規(guī)律是趨于平穩(wěn)的。

綜上，確定基于實(shí)際運(yùn)營的傳感器溫度載荷工況，如表3 所示。

表3 基于實(shí)際運(yùn)營的溫度載荷工況表

4 焊點(diǎn)熱應(yīng)力分析及疲勞壽命預(yù)測

建立有限元模型，基于實(shí)際運(yùn)營溫度載荷工況開展仿真分析，對比常溫固化和高溫固化下傳感器內(nèi)部焊點(diǎn)的熱應(yīng)力及疲勞壽命。仿真流程如圖8 所示。首先，基于實(shí)際溫度工況求取傳感器溫度場分布，分析焊點(diǎn)熱應(yīng)力情況；然后，根據(jù)材料S-N 曲線及溫度循環(huán)幅值分布求取焊點(diǎn)疲勞損傷，預(yù)測焊點(diǎn)疲勞壽命[8]。

仿真結(jié)果表明，焊點(diǎn)與PCB 接觸區(qū)域、焊點(diǎn)與敏感元件引腳接觸區(qū)域均為應(yīng)力集中區(qū)，與產(chǎn)品焊點(diǎn)實(shí)際失效位置高度吻合，如圖9 所示。表4 給出了各溫度工況下不同固化工藝的焊點(diǎn)熱應(yīng)力對比情況?？梢?，常溫固化工藝下焊點(diǎn)熱應(yīng)力幅值遠(yuǎn)大于高溫固化工藝下焊點(diǎn)熱應(yīng)力幅值；焊點(diǎn)熱應(yīng)力幅值與溫度幅值變化范圍相關(guān)，溫度幅值變化越大，焊點(diǎn)熱應(yīng)力越大。

表4 不同溫度及不同固化工藝下焊點(diǎn)熱應(yīng)力對比

由上可知，溫度循環(huán)幅值是影響焊點(diǎn)熱應(yīng)力的主要因素。因此，對圖7 中溫度循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值概率分布擬合。圖10 給出了實(shí)際運(yùn)營中電機(jī)非傳動端內(nèi)部溫度幅值概率分布曲線。傳感器應(yīng)用環(huán)境溫度循環(huán)頻率約1 cycle/day，傳感器壽命取15 年，安全系數(shù)2.5，則傳感器全壽命周期內(nèi)溫度載荷循環(huán)次數(shù)約13,700 次。隨后根據(jù)溫度變化幅值概率分布曲線，按30 級分級統(tǒng)計傳感器全壽命周期內(nèi)各溫度變化情況的頻次，如表5 所示。

表5 傳感器全壽命周期溫度載荷分級及頻次統(tǒng)計表

由此，以多級載荷循環(huán)對焊點(diǎn)疲勞進(jìn)行分析，傳感器工作時間歷程上承受各級溫度幅值變化，內(nèi)部焊點(diǎn)受到由s1,s2,…,sr等r個不同應(yīng)力水平構(gòu)成的疲勞載荷歷程，且每個應(yīng)力水平作用頻次分別為n1,n2,…,nr。根據(jù)錫鉛材料典型雙對數(shù)S-N 曲線，如圖11 所示，可計算得到對應(yīng)于應(yīng)力水平si作用時的疲勞壽命循環(huán)Ni，計算公式如式（1）：

其中，m表示材料指數(shù)斜率；C表示常數(shù)。計算應(yīng)力水平si造成的損傷值，如式（2）：

其中，D(si)表示應(yīng)力水平si，作用頻次ni情況下產(chǎn)生的疲勞損傷值。

根據(jù)Miner 累積損傷理論，可得到傳感器全壽命周期內(nèi)焊點(diǎn)的累積損傷值D，如式（3）：

一般定焊點(diǎn)疲勞失效時，總累積損傷值為1，則可以計算焊點(diǎn)所能經(jīng)歷的載荷作用總數(shù)ω，即預(yù)測焊點(diǎn)溫度循環(huán)疲勞壽命，如式（4）：

圖12 給出了疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果，常溫固化下焊點(diǎn)全壽命周期疲勞損傷值D1=1.78，預(yù)測疲勞壽命循環(huán)僅為7,700 次，焊點(diǎn)存在失效風(fēng)險；高溫固化下焊點(diǎn)全壽命周期疲勞損傷值D2=0.064，預(yù)測疲勞壽命循環(huán)達(dá)20 萬次，焊點(diǎn)可靠性有極大提升。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對常溫固化工藝和高溫固化工藝的傳感器進(jìn)行同條件溫度快變試驗(yàn)，為加速焊點(diǎn)疲勞失效進(jìn)程，參考GB/T 2423.2016 和GB/T 2423..22-2012，取試驗(yàn)溫度變化范圍-40～90 ℃，溫度變化速率10 ℃/min，極限溫度保溫時間20 min。試驗(yàn)過程中，實(shí)時監(jiān)測傳感器輸出；試驗(yàn)結(jié)束后，對傳感器進(jìn)行解剖，查看焊點(diǎn)狀態(tài)。

試驗(yàn)進(jìn)行初期，常溫固化工藝制成的傳感器輸出信號出現(xiàn)異常跳變，對該傳感器進(jìn)行解剖，檢查焊點(diǎn)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)4 處焊點(diǎn)均發(fā)生不同程度的疲勞開裂現(xiàn)象，如圖13 所示。

試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行至后期時，常溫固化工藝制成的傳感器均出現(xiàn)信號異常跳變，解剖后發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)均有開裂現(xiàn)象；而高溫固化工藝制成的傳感器信號未出現(xiàn)異常，解剖后，焊點(diǎn)未出現(xiàn)位移或開裂現(xiàn)象，如圖14 所示。

試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用高溫固化工藝的灌封型速度傳感器內(nèi)部焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度有極大提高，傳感器可靠性更好，更能適應(yīng)高速動車組電機(jī)內(nèi)部溫度環(huán)境，滿足列車應(yīng)用需求。

6 結(jié)束語

本文對灌封型速度傳感器焊點(diǎn)開裂失效現(xiàn)象及機(jī)理進(jìn)行分析，指出材料熱膨脹系數(shù)適配性對元器件焊點(diǎn)疲勞的重要性，從灌封膠固化工藝角度出發(fā)，研究不同固化工藝下灌封膠性能，結(jié)果表明，高溫固化形成的膠體硬度更高，穩(wěn)定性更好，抗變形能力更強(qiáng)，定性說明高溫固化下膠體熱膨脹系數(shù)更小。同時，基于現(xiàn)車實(shí)際運(yùn)營情況，對傳感器安裝位置的溫度載荷進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定了基于實(shí)際運(yùn)營的溫度載荷工況。最后，通過仿真及試驗(yàn)，對比分析常溫固化工藝和高溫固化工藝下焊點(diǎn)熱應(yīng)力，評估焊點(diǎn)疲勞損傷及循環(huán)壽命。結(jié)果表明，采用高溫固化工藝可以有效提高灌封型速度傳感器焊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，提升灌封型速度傳感器可靠性。