随机振动载荷下电子箱PCBA焊点疲劳寿命分析
时间：2023-03-23 20:25:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 溯，程 昊，郭 秦，汪建成
（中国航天科技集团九院第16 研究所，西安 710100）
电子设备在受到外界冲击、振动力学载荷下容易引起焊点失效，尤其是振动载荷下产生的高周循环疲劳对其有重要影响[1]印制板电路组件（PCBA）中焊点起到机械、电气连接作用，焊点的可靠性直接决定了产品的可靠性和使用寿命。PCBA 中焊点的失效会导致电子电路瘫痪、产品输出异常[2]。因此针对电子箱PCBA 焊点进行随机振动载荷下的疲劳分析，建立整机级PCBA 焊点疲劳寿命模型具有重要意义。
文献[3]用模态分析仿真了固定不同个数的螺钉对PCB 固有频率的影响。在PCB 分别固定1，2，4，6 个螺钉的情况下得出固定6 个螺钉的设计有更高的固有频率，说明多的螺钉可以起到减小容易失效焊点的等效应力的作用；
文献[4]讨论了PCB 的固定位置对可靠性的影响。固定PCB 上的两个位置，芯片位于PCB 的中间位置，测得不同的固定位置对应的固有频率，结果表明固定位置不同PCB 的固有频率不同，固定PCB 两个短边固有频率最高；
文献[5]在随机振动试验基础上，通过限元分析计算得到焊点应力、应变统计值，建立了随机振动载荷下焊点的疲劳寿命预测模型；
文献[6]建立了Basquin模型，并假设随机振动幅值符合Gaussian 分布，引入Miner 线性累计损伤定律，建立了可以应用于随机振动载荷的疲劳寿命模型；
文献[7]基于振动试验、有限元计算以及修正Steinberg 寿命预测模型，发展了一种考虑到高阶振型的PBGA 封装焊点疲劳寿命预测方法。
电子箱为铸件箱体一体式结构，通过箱体4 个支耳固定安装于船体上，箱体通过承力部位增加壁厚、加强筋、圆角过渡设计提升强度、刚度，减少箱体结构对外界激励传递的放大，箱体内部由9 块PCBA 组件组成，电路采用锁体安装结构形式从箱体侧面插入安装，电子箱结构、PCBA 组件如图1 和图2 所示。
图1 电子箱结构图Fig.1 Electronic box structure diagram
图2 PCBA 组件图Fig.2 PCBA component diagram
由于电子箱结构较为繁琐，在有限元软件中建模难以将电子箱结构准确表达，因此在CREO 中建立电子箱三维模型，将三维模型转化为Parasolid 格式导入到有限元软件中进行模型建立。
2.1 模型处理
在进行有限元分析之前，需要对主要分析对象进行确定，综合考虑位置、元器件因素，确定了相同的4#、5#、6# 电路板为主要分析对象，如图1 所示，具体分析每块电路板上焊装的场效应晶体管焊点，由于电路板在法线方向上相较于其余方向更容易变形，更容易放大振动激励，因此研究振动方向为电路板法线方向。
为了提高计算效率与速度，需要在对整机计算精度影响较小的前提下，对三维模型进行适当简化，主要简化模型零件为箱体，将箱体中较小的螺纹孔、倒角等特征进行简化，保留箱体印制板插槽，并将主要分析对象之外的部件简化为均布质量载荷，保留印制板锁体组件、盖板、插座安装板组成部分；
考虑到焊点为主要分析对象，将元器件及焊点进行实体单独建模，各部分材料的密度、弹性模量、泊松比如表1 所示。
表1 电子箱材料属性Tab.1 Material properties of the electronic box
2.2 网格划分及边界条件
将三维装配体模型导入ANSYS 后，需要根据实际组件装配情况对默认接触约束进行修改，保证计算结果的准确性；
电子箱通过8 个M6 螺钉固定连接在安装面上，在有限元模型中将箱体4 个安装法兰按固定接触面积施加Fixed Support 固定约束。网格划分单元类型采用多域扫掠六面体+四面体单元，根据各部件形状、尺寸大小进行局部加密，模型共计1428334 个单元和613632 个节点，如图3 所示。
图3 整机网格划分Fig.3 Grid division of whole machine
2.3 随机振动仿真及振动试验
根据电子箱振动试验条件，使用ANSYS 中Random Vibration 模块进行随机振动分析，试验条件如表2 所示，试验谱型如图4 所示。
表2 随机振动试验条件Tab.2 Random vibration test conditions
图4 随机振动谱形Fig.4 Random vibrational spectra
对电子箱进行了X，Y，Z 三方向随机振动试验，测量传感器贴在箱体侧壁上方位置，测量传感器谱形如图5 和图6 所示，可以看出箱体结构在受到Y振动激励时，响应均方根值为13.2 g。
图5 振动试验箱体振动响应谱形Fig.5 Vibration response spectrum of vibration test chamber
图6 有限元模型振动响应谱形Fig.6 Finite element model vibration response spectra
根据实际试验条件，由于随机激励频率分布在10～2000 Hz，拐点频率在300 Hz，较大的振动量级集中在频率带前段，在计算整机模态频率时，提取了36 阶模态频率，最大频率为827.6 Hz，能够覆盖到频率分布中大量级输入部分[8-9]，提高计算结果准确性；
对有限元模型进行随机振动分析，在模型上与实际测量相同位置提取振动量级为13.39 g。通过对比可以看出，实际振动量级与有限元分析响应量级误差较小，验证了有限元模型计算结果的合理性。
3.1 随机振动下焊点应力与位移
通过处理随机振动计算结果，可以得到4#、5#、6#PCBA 上器件及其焊点等效应力、方向加速度响应，如图7 和图8 所示。可以看出，4#PCBA 应力响应水平大于5#、6#PCBA，最大应力在管腿处，由于可伐合金有较高的疲劳强度，因此需要针对焊点进行疲劳分析，焊点的最大应力、加速度响应如表3所示。
图7 4#、5#、6#PCBA 上器件应力响应Fig.7 Stress response of devices on 4#，5#and 6#PCBA
图8 4#、5#、6#PCBA 上器件加速度响应Fig.8 Device acceleration response on 4#，5#，and 6# PCBA
表3 焊点最大应力和加速度响应值Tab.3 Maximum stress and acceleration response values of solder joints
3.2 随机振动下焊点寿命
当结构受峰值振幅为S 的简谐应力时，根据Basquin 公式[10]，响应的疲劳寿命为
式中：C 和m 为与材料相关的常数，对焊料来说，C=1.39×1019，m=9.36。
在随机振动载荷下，加速度激励是一个随机过程，结构的应力响应也是一个随机过程，其拉应力峰值概率可近似为瑞利分布，应在随机应力下疲劳寿命（循环次数）应修正为
式中：Γ 为Gamma 函数；
σs为应力过程中的均方根值。
总的循环次数Nf可由疲劳寿命T 与交叉速率给出：
交叉速率v+0可以用位移和速度的均方根值表示：
因此，疲劳寿命可表示为
为了得到焊点在不同量级随机振动载荷下的疲劳寿命，通过ANSYS 计算表2 随机振动载荷以及在此条件下+6 db，+12 db 随机振动载荷下最大焊点应力响应，通过式（5）计算得到的数据，如表4 所示。将离散点拟合得到应力-循环次数（S-N）曲线，如图9 所示。
表4 +6 db 和+12 db 振动条件下的焊点寿命Tab.4 Solder joint life under +6 db and+12 db vibration conditions
图9 焊点应力-循环次数（S-N）曲线Fig.9 Solder joint stress-cycle number（S-N）curve
由以上结果可知，在实际工况下焊点具有足够长的寿命，能够满足电子箱可靠性要求，在随机振动载荷增加的条件下，焊点应力响应水平大幅上升，焊点寿命随之减小。
本文基于电子箱结构、有限元仿真计算、随机振动试验以及Basquin 模型，得到了随机振动载荷下电子箱PCBA 焊点寿命分析结果，得到了电子箱PCBA 焊点的S-N 曲线，发展了随机振动载荷下整机级PCBA 焊点寿命预测方法；
在工况振动条件下，电子箱结构具有足够的可靠性，PCBA 器件管腿疲劳寿命远大于焊点疲劳寿命，随着振动激励增大，焊点疲劳寿命缩短。
