電路板組件環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)研究

發(fā)布時間：2020-07-27 13:38

【摘要】：研究表明,數(shù)控系統(tǒng)硬件存在大量早期故障是影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的重要原因之一。為了為解決數(shù)控系統(tǒng)早期故障問題提供依據(jù),本文在對可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,本文提出從失效物理的角度出發(fā),采用有限元方法,以組裝有SOP封裝器件的電路板組件為對象,研究電路板組件環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù),并提出優(yōu)化環(huán)境應(yīng)力篩選剖面的建議。主要內(nèi)容如下:1.針對組裝有SOP器件的電路板組件在溫度循環(huán)載荷下焊點(diǎn)的疲勞壽命問題,利用數(shù)值模擬手段計(jì)算焊點(diǎn)在載荷下的溫度分布和應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),并選用修正版Coffin-Manson模型預(yù)測焊點(diǎn)疲勞失效所需時間,以此為依據(jù)研究溫度循環(huán)參數(shù)對焊點(diǎn)疲勞壽命的影響。結(jié)果表明:提高高溫端點(diǎn)溫度對減少焊點(diǎn)疲勞壽命最有幫助,其次增加溫變速率也可加速焊點(diǎn)疲勞破壞,而低溫端點(diǎn)溫度過低、高溫保溫和低溫保溫時間過長,均會降低篩選效率。2.針對組裝有SOP器件的電路板組件在隨機(jī)振動載荷下焊點(diǎn)的疲勞壽命問題,使用有限元方法對電路板組件進(jìn)行模態(tài)分析,并計(jì)算其在隨機(jī)振動載荷下的應(yīng)力情況和應(yīng)力功率譜響應(yīng),根據(jù)Miner線性累積損傷理論和Dirlik模型估算焊點(diǎn)在隨機(jī)振動載荷下的疲勞壽命。結(jié)果表明:較大的振動強(qiáng)度、一階固有頻率處的振動信號和垂直于電路板方向的激勵可大幅減少焊點(diǎn)疲勞壽命,提高篩選效率。以某型號伺服驅(qū)動單元控制板為試件,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,對試件進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動疲勞壽命試驗(yàn)。對試驗(yàn)結(jié)果分析可知,適量提高隨機(jī)振動加速度均方根值和使頻率范圍包含組件一階固有頻率均可顯著減少焊點(diǎn)疲勞壽命。試驗(yàn)與仿真分析的結(jié)論基本一致。本文通過數(shù)值模擬手段,研究了溫度循環(huán)和隨機(jī)振動剖面各參數(shù)對焊點(diǎn)疲勞壽命的影響,基于分析結(jié)果提出了在環(huán)境應(yīng)力篩選中優(yōu)化兩種應(yīng)力類型剖面的建議。且對某型驅(qū)動控制板進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞壽命試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其結(jié)論與仿真分析基本一致。本文的研究成果,對于電路板組件環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)研究的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN41
【圖文】：

曲線,典型失效,曲線,環(huán)境應(yīng)力篩選

圖 1-1 典型失效率曲線產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選不能提高產(chǎn)品的固有可靠性，固有可靠但是它可以將具有潛在缺陷的產(chǎn)品從整批產(chǎn)品中篩選出來維修使用階段可靠性。境應(yīng)力篩選發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀應(yīng)力篩選（Environmental Stress Screening, ESS）的提出源于波羅計(jì)劃中對強(qiáng)化環(huán)境試驗(yàn)的總結(jié)，1979 年，美國海軍的代表出環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)，使用對產(chǎn)品施加隨機(jī)振動和溫度循環(huán)藝方面的潛在缺陷[6]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其應(yīng)用從最初的海軍個國防工業(yè)，并逐漸發(fā)展至其他民用行業(yè)。我國于 20 世紀(jì) 8選技術(shù)，隨后在 90 年和 93 年先后頒布了兩項(xiàng)國軍標(biāo) GJB 103篩選方法》和 GJB/Z 34《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》，分

焊點(diǎn),幾何模型,器件

圖 2-1 SOP 器件和焊點(diǎn)幾何模型圖 2-2 電路板組件幾何模型由于該模型的幾何特征和加載情況具有對稱性特點(diǎn)，為了減少仿真計(jì)算量，僅進(jìn)行四分之一建模，因此實(shí)際仿真計(jì)算中僅計(jì)算兩個焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變情況。在實(shí)際的溫度循環(huán)篩選中，將試件放置在溫度試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱從某一箱壁輸入熱空氣，將溫度的載荷施加在器件表面。而仿真中則假設(shè)存在理想條件，直接在模型中的每一個器件外表面添加 Temperature 溫度載荷，且該載荷隨時間循環(huán)變化。實(shí)際條件與仿真條件相比，由于試驗(yàn)箱要改變箱中和試件表面的溫度需要一定時間，因此實(shí)際篩選中相比于仿真需要更多的保溫時間來減小溫度滯后現(xiàn)象的影響。焊接 SOP 器件的焊料為 63Sn37Pn，對其力學(xué)本構(gòu)關(guān)系的描述采用 Anand 模型，表 2.1 所示為 63Sn37Pn 焊料模型參數(shù)[30]。其它材料屬性如表 2.2 所示[27]。網(wǎng)格劃分后的模型如圖 2-3 所示。

電路板,幾何模型,組件