电路板组件环境应力筛选技术研究

摘要

研究表明，数控系统硬件存在大量早期故障是影响数控系统可靠性的重要原因之一。为了为解决数控系统早期故障问题提供依据，本文在对可靠性试验方法进行分析的基础上，本文提出从失效物理的角度出发，采用有限元方法，以组装有SOP封装器件的电路板组件为对象，研究电路板组件环境应力筛选技术，并提出优化环境应力筛选剖面的建议。主要内容如下： 1.针对组装有SOP器件的电路板组件在温度循环载荷下焊点的疲劳寿命问题，利用数值模拟手段计算焊点在载荷下的温度分布和应力应变响应，并选用修正版Coffin-Manson模型预测焊点疲劳失效所需时间，以此为依据研究温度循环参数对焊点疲劳寿命的影响。结果表明：提高高温端点温度对减少焊点疲劳寿命最有帮助，其次增加温变速率也可加速焊点疲劳破坏，而低温端点温度过低、高温保温和低温保温时间过长，均会降低筛选效率。 2.针对组装有SOP器件的电路板组件在随机振动载荷下焊点的疲劳寿命问题，使用有限元方法对电路板组件进行模态分析，并计算其在随机振动载荷下的应力情况和应力功率谱响应，根据Miner线性累积损伤理论和Dirlik模型估算焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命。结果表明：较大的振动强度、一阶固有频率处的振动信号和垂直于电路板方向的激励可大幅减少焊点疲劳寿命，提高筛选效率。以某型号伺服驱动单元控制板为试件，采用正交试验设计方法，对试件进行模态分析和随机振动疲劳寿命试验。对试验结果分析可知，适量提高随机振动加速度均方根值和使频率范围包含组件一阶固有频率均可显著减少焊点疲劳寿命。试验与仿真分析的结论基本一致。 本文通过数值模拟手段，研究了温度循环和随机振动剖面各参数对焊点疲劳寿命的影响，基于分析结果提出了在环境应力筛选中优化两种应力类型剖面的建议。且对某型驱动控制板进行随机振动疲劳寿命试验，发现其结论与仿真分析基本一致。本文的研究成果，对于电路板组件环境应力筛选技术研究的发展具有重要的实际意义。

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