基于應變測試技術(shù)的某VPX模塊的優(yōu)化設(shè)計

李鵬程，尤浩，韓鐘劍，趙宇博

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

機械應力是在機械外力的作用下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力，機械應力能使電子器件出現(xiàn)破裂、焊點開路等失效現(xiàn)象。機械應力只能通過物體產(chǎn)生的應變進行定量分析[1-3]。機載電子設(shè)備在運輸、貯存和使用過程中不可避免會受到各種機械應力的作用[4]，其會在很寬的頻率范圍內(nèi)受到振動[5]，振動會使電子設(shè)備整機及其電子元器件受到很大的應力以至電子設(shè)備失效[6]。

電子設(shè)備失效的主要原因是焊點開裂，因此圍繞焊點開裂開展應力應變狀態(tài)的研究[7]，有助于精確預測可能發(fā)生的故障位置及類型，從而對電子設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，很多學者基于應變測試對表貼元器件焊點做了大量的研究[8]。研究表明，要從根本上解決焊點開裂問題，則需要找到一種方法定位焊點開裂的根本原因，并對失效因子進行量化，才能有的放矢地對電子設(shè)備進行改進設(shè)計，提升產(chǎn)品抗振性能[9]。應變測量在電子設(shè)備設(shè)計、研發(fā)和制造過程中具有相當重要的意義[10]。通過測量電子設(shè)備在振動載荷下的應變，可實現(xiàn)對焊點開裂等失效的預測[11]。

本文著重對振動條件下電子設(shè)備進行應變測試，并用仿真的方法進行定性分析，找出設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化電子設(shè)備的設(shè)計，改善電子設(shè)備的力學性能，以確保電子設(shè)備在惡劣的振動環(huán)境下可以正常工作。

1 故障現(xiàn)象

基于VPX標準的6U模塊是一種常見的機載電子設(shè)備，本文對某機載VPX模塊進行振動試驗，設(shè)備上電工作正常后，振動臺開始工作，大約10 min該模塊出現(xiàn)故障，經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)電路板上位號為N3的某器件電源無輸出。VPX模塊示意圖如圖1所示。

圖1 VPX模塊示意圖

為了定位故障，對發(fā)生故障的某VPX模塊進行失效分析。對VPX模塊上距離VPX連接器較近的4個BGA封裝的器件N1、N2、N3和D2進行了金相切片檢測，金相檢測芯片位置如圖2所示。

圖2 金相檢測芯片位置

檢測結(jié)果為：樣品上N1、N2、N3和D2器件焊點都出現(xiàn)了不同程度的開裂，邊角的個別焊點出現(xiàn)了銅焊盤斷裂，N3器件焊點開裂情況如圖3所示，各器件焊點開裂點排布如圖4所示。從焊接情況來看，焊球塌陷良好，焊點金相組織均勻，焊接情況未見明顯異常。從開裂模式上來看，焊點存在多模式開裂的情況，表明焊點受到的應力較大。

圖3 N3器件焊點代表性金相圖

圖4 故障模塊開裂焊點分布圖

2 基于應變測試技術(shù)的失效過程分析

2.1 原因分析

VPX模塊在受到振動應力后，電路板變形，其峰值應變大，導致器件的焊點發(fā)生開裂。但要確定是否是上述原因?qū)е潞更c開裂，還需要具體試驗來驗證，并對變形量進行量化，進而對該VPX模塊的設(shè)計進行優(yōu)化。

2.2 應變測試技術(shù)

應變片電測法是用電阻應變計測量設(shè)備的表面應變，再根據(jù)應變-應力關(guān)系確定構(gòu)件表面應力狀態(tài)的一種應力分析方法。測量時，將電阻應變片粘貼在設(shè)備被測點。當設(shè)備在載荷作用下產(chǎn)生應變時，電阻應變計會發(fā)生相應的電阻變化，用應變儀測出這個變化，即可以計算被測點的應變和應力[12]。

2.3 應變測試

將10個應變片粘貼于指定的測試位置，1號～10號應變片布局如圖5所示，振動試驗現(xiàn)場安裝圖如圖6所示。

圖5 應變片布局圖

圖6 現(xiàn)場安裝圖

通過應變測試儀監(jiān)控應變參數(shù)。該故障VPX模塊進行振動試驗時，其遭受的應變值最大達到1 250 μE，測試結(jié)果如圖7所示，依據(jù)IPC/JEDEC-9704A中關(guān)于應變測試的要求[13]，最大允許應變與板厚和應變速率存在一定關(guān)系，測量值在應變-應變速率曲線下為允許應變，在曲線上則超過了允許應變，如圖8所示。實際測試得到4號應變片位置的應變-應變速率如圖9所示，從圖中可以看出，應變值超過了標準允許的最大應變，有發(fā)生故障的風險，根據(jù)經(jīng)驗值，應變超過1 000 μE就可能導致焊球開裂。

圖7 故障VPX模塊進行振動試驗時的應變情況

圖8 應變-應變速率圖

圖9 4號應變片應變-應變速率圖

3 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)故障原因以及應變測試的結(jié)果，對VPX模塊進行改進設(shè)計：1)增加VPX模塊的強度，降低VPX模塊振動時的應變；2)調(diào)整器件布局，使BGA器件避開應變較大的位置。對電路板和結(jié)構(gòu)件都進行了相應的改進。

電路板改進主要包括以下方面：1)電路板厚度從1.86 mm增加至2.30 mm；2)電路板重新布局，增加安裝孔，調(diào)整器件距安裝孔和VPX連接器距離。改進前后電路板器件布局對比如圖10所示。

圖10 電路板器件布局

結(jié)構(gòu)件改進主要包括以下方面：1)將殼體的壁厚從1.5 mm調(diào)整至2.0 mm；2)將安裝孔通過加強筋連接起來；3)殼體底部增加安裝孔并用加強筋連起來；4)殼體內(nèi)部增加兩條加強筋。改進前后的結(jié)構(gòu)布局對比如圖11所示。

圖11 結(jié)構(gòu)布局

4 仿真分析

4.1 仿真條件設(shè)置

VPX模塊的材料力學參數(shù)見表1。

表1 材料力學參數(shù)

對VPX模塊的三維模型進行簡化處理，去掉尺寸較小的孔、凸臺、圓角。VPX模塊插入機箱之后，模塊上連接器插頭與機箱背板上連接器插座連接，同時模塊在厚度方向上的橫向鎖緊依靠上下的楔形鎖緊機構(gòu)來實現(xiàn)，將鎖緊條安裝面和連接器插合面設(shè)為固定約束，建立的簡化模型如圖12所示，模塊約束邊界條件如圖13所示。

圖12 簡化模型 圖13 模塊約束邊界條件

4.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學分析的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的振動特性決定了其對于各種動力載荷的響應情況。表2列出了優(yōu)化后VPX模塊的前6階模態(tài)固有頻率，可知經(jīng)過優(yōu)化，前6階模態(tài)固有頻率均有不同程度的增加，VPX模塊的剛度得到提升。圖14為優(yōu)化后VPX模塊的前二階模態(tài)云圖。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

圖14 優(yōu)化后VPX模塊前二階模態(tài)

4.3 隨機振動分析

振動試驗一般用有限元分析軟件的隨機振動模塊進行分析，在隨機振動分析中選用全部模態(tài)解進行相應PSD(功率譜密度)求解。

表3列出了優(yōu)化前后N1、N2、N3和D2器件應變值，可知經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，N1、N2、N3和D2器件應變值均有不同程度的降低。

表3 隨機振動應變仿真分析結(jié)果

5 改進后應變測試

對改進后VPX模塊的振動進行了應變測試。由測試結(jié)果可知，進行振動試驗時遭受的應變值最大為250 μE，應變測試結(jié)果如圖15所示，應變-應變速率測試結(jié)果如圖16所示。

圖16 改進后進行振動試驗時的應變-應變速率圖

圖15 改進后進行振動試驗時的應變情況

表4列出了優(yōu)化前后N1、N2、N3和D2器件應變值變化，由表可知，N1、N2、N3和D2器件應變值明顯降低。

表4 隨機振動應變測試分析結(jié)果

6 結(jié)束語

本文通過應變測試對某VPX模塊進行應力評估，實現(xiàn)對應變風險的定量摸底。利用動力學仿真對應力分布情況進行預測，可全面、直觀地顯示出模塊的應力應變狀態(tài)，結(jié)合仿真分析優(yōu)化當前VPX模塊的布局。目前仿真的精度還不夠高，后續(xù)要結(jié)合應變測試進一步優(yōu)化仿真模型，提前預測電子設(shè)備經(jīng)受機械應力載荷時電路板的應力分布情況，進而識別設(shè)計缺陷，指導布局。