彈載SAR伺服控制焊點(diǎn)故障分析

程 林

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

彈載SAR伺服控制焊點(diǎn)故障分析

程 林

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

針對彈載SAR伺服控制板焊點(diǎn)脫落故障，從整機(jī)隨機(jī)振動加速度響應(yīng)，單板級熱應(yīng)力和隨機(jī)振動應(yīng)力分析排查故障原因，根據(jù)仿真結(jié)果提出工藝參數(shù)優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。仿真結(jié)果表明，伺服控制板的加速度響應(yīng)是基礎(chǔ)激勵的1.78倍；金屬陶瓷芯片采用表面貼裝工藝組裝時對熱應(yīng)力敏感，增加焊料厚度有利于降低熱應(yīng)力；帶引腳芯片采用堆焊工藝時對振動應(yīng)力敏感，在芯片與印制板之間點(diǎn)膠有利于降低振動應(yīng)力。

故障；熱應(yīng)力；隨機(jī)振動；表面貼裝

引 言

彈載SAR在發(fā)射和再入階段歷經(jīng)高過載、強(qiáng)振動和寬溫的工作環(huán)境，惡劣環(huán)境條件嚴(yán)重考驗(yàn)金屬陶瓷封裝器件的可靠性。統(tǒng)計(jì)分析表明，熱和振動是導(dǎo)致陶瓷封裝器件失效的兩大因素。由熱作用引起的陶瓷封裝器件失效占比為55%，器件的工作溫度每升高10 ℃，失效率增加1倍[1]。在產(chǎn)品工程實(shí)施階段，環(huán)境適應(yīng)性仿真和試驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的重要手段，基于仿真結(jié)果探索產(chǎn)品熱匹配和動態(tài)響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷并開展故障診斷，提出合理化建議，保障產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

1 彈載SAR導(dǎo)引頭

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

彈載SAR導(dǎo)引頭為柱狀結(jié)構(gòu)，安裝于導(dǎo)引頭艙段內(nèi)，由4個分機(jī)組成，從上往下依次為伺服分機(jī)、發(fā)射分機(jī)、接收分機(jī)和綜合分機(jī)，相鄰分機(jī)通過螺栓連接，導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。伺服控制板為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)圈和外圈安裝孔安裝于伺服分機(jī)內(nèi)部。

圖1 導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)

1.2 故障描述

彈載SAR導(dǎo)引頭整機(jī)在進(jìn)行鑒定級隨機(jī)振動驗(yàn)收試驗(yàn)時，經(jīng)過橫/法向隨機(jī)振動后，測試各項(xiàng)功能指標(biāo)滿足技術(shù)條件要求，進(jìn)行軸向隨機(jī)振動時伺服平臺開始不受控制。對伺服控制板進(jìn)行80倍鏡檢，發(fā)現(xiàn)CPU1芯片的27～43引腳(焊點(diǎn))均有不同程度的裂紋，CPU2芯片的24、25、36、37、41引腳(焊點(diǎn))有裂紋。通過初步分析，伺服控制板法向剛度最低，而伺服控制板法向與導(dǎo)引頭軸向一致，因此軸向隨機(jī)振動的影響最大。

1.3 機(jī)理分析

伺服控制板CPU芯片采用表面貼裝的封裝形式，芯片尺寸為24 mm × 24 mm，芯片與印制板焊盤采用Sn37Pb錫釬焊焊接，焊錫厚度0.1 mm。已有研究結(jié)果表明，板級表面貼裝結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)在服役過程中的熱疲勞破壞是電子產(chǎn)品發(fā)生失效的主要形式[2]。金屬陶瓷無引線封裝器件的熱膨脹系數(shù)與印制板差異較大，在溫度循環(huán)試驗(yàn)中焊點(diǎn)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，在振動的綜合作用下，存在焊點(diǎn)失效的隱患。雖然伺服控制板焊點(diǎn)失效是在振動試驗(yàn)過程中暴露的，但其失效根源卻在于溫度循環(huán)試驗(yàn)，力學(xué)仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一情況。

1.4 工況分析

(1)工況1：伺服控制板安裝邊界振動響應(yīng)分析

彈載SAR電子設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整機(jī)有限元建模時通常對PCB板上的元器件采用質(zhì)量點(diǎn)等效進(jìn)行分析，否則有限元模型的規(guī)模相當(dāng)龐大，超出硬件資源而無法計(jì)算。通常的做法是將元器件等效為質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行整機(jī)的隨機(jī)振動分析，得到PCB板的加速度響應(yīng)；然后對關(guān)心的元器件單獨(dú)建立詳細(xì)模型，以元器件實(shí)際加速度響應(yīng)作為輸入條件，進(jìn)行單板級元器件應(yīng)力分析[3]。

加速度響應(yīng)控制包括4種形式：單點(diǎn)控制、多點(diǎn)控制、多點(diǎn)最大值控制、多點(diǎn)平均控制?？刂品椒ǖ倪x擇要視試驗(yàn)樣品的情況而定[4]。圖2所示為整機(jī)基礎(chǔ)激勵曲線。

圖2 整機(jī)基礎(chǔ)激勵曲線

(2)工況2：CPU芯片焊點(diǎn)隨機(jī)振動應(yīng)力分析

以根據(jù)工況1獲取的多點(diǎn)平均控制加速度響應(yīng)作為伺服控制板載荷輸入，單獨(dú)對伺服控制板進(jìn)行詳細(xì)建模，獲取CPU芯片焊點(diǎn)的振動應(yīng)力響應(yīng)。

(3)工況3：CPU芯片焊點(diǎn)熱應(yīng)力分析

設(shè)定在室溫條件20 ℃下開展溫度循環(huán)試驗(yàn)，溫度循環(huán)范圍為-40 ℃～70 ℃，熱應(yīng)力仿真溫差取60 ℃(-40 ℃～20 ℃)，邊界條件自由膨脹。

2 有限元仿真

2.1 伺服控制板安裝邊界振動響應(yīng)

為了便于直觀反映隨機(jī)振動加速度響應(yīng)，分別在伺服控制板的外圈和內(nèi)圈各取4個點(diǎn)作為相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)，編號及位置如圖3所示。伺服控制板幾何和邊界條件均為圓周對稱結(jié)構(gòu)，質(zhì)量分布相對平均，加速度響應(yīng)控制適于采用多點(diǎn)平均控制。

圖3 伺服控制板及振動響應(yīng)控制點(diǎn)

整機(jī)隨機(jī)振動采用基礎(chǔ)激勵，約束導(dǎo)引頭艙段下端框底面6向自由度，激勵曲線如圖2所示(加速度均方根值Grms=10.5g)。整機(jī)材料基本為鋁合金，模態(tài)阻尼比取0.03，獲取伺服控制板標(biāo)記點(diǎn)的加速度響應(yīng)，8點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果如表1所示。

表1 伺服控制板響應(yīng)點(diǎn)振動響應(yīng)

由表1可知，伺服控制板安裝面的加速度均方根值(8點(diǎn)平均)是導(dǎo)引頭艙段下端框的1.78倍。

2.2 CPU芯片焊點(diǎn)振動應(yīng)力分析

(1)邊界條件

伺服控制板有限元模型見圖4，約束伺服控制板內(nèi)外圈固定孔的6向自由度。伺服控制板振動激勵曲線如圖5所示(Grms=18.9g)，激勵曲線譜型與整機(jī)激勵曲線相同。根據(jù)8點(diǎn)平均放大結(jié)果將激勵曲線整體上移，保證平移后加速度均方根值放大倍數(shù)與整機(jī)隨機(jī)振動時伺服控制板的加速度響應(yīng)放大倍數(shù)一致。

圖4 伺服控制板有限元模型

圖5 伺服控制板振動激勵曲線

(2)CPU芯片焊點(diǎn)振動應(yīng)力分析

CPU芯片通過四周的68個金屬點(diǎn)焊接在印制板上，伺服控制板材料特性如表2所示。伺服控制板材料為FR4覆銅印制板，CPU芯片材料為LTCC陶瓷(AL2O3)，焊料為Sn37Pb鉛錫焊料，模態(tài)阻尼比取0.05。

表2 伺服控制板材料特性

由于陶瓷與FR4材料的熱脹系數(shù)相差較大，存在熱不匹配性，鉛錫焊料厚度太薄則熱變形無法釋放，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落。為此對不同焊錫高度進(jìn)行對比仿真(圖6～圖8)，并驗(yàn)證芯片底部增加陶瓷柱輔助支撐的可行性。

圖6 焊錫高度為0.1 mm時焊點(diǎn)1σ應(yīng)力

圖7 焊錫高度為0.35 mm時焊點(diǎn)1σ應(yīng)力

圖8 焊錫高度0.35 mm+支撐時焊點(diǎn)1σ應(yīng)力

CPU芯片3種焊接形式的1σ振動應(yīng)力結(jié)果見表3。由表可知，3種錫焊形式的CPU焊點(diǎn)振動應(yīng)力相差不大，最大3σ應(yīng)力為21 MPa，低于焊料常溫屈服應(yīng)力(35 MPa)。

表3 CPU芯片焊點(diǎn)振動應(yīng)力仿真結(jié)果

(3)CPU芯片焊點(diǎn)熱應(yīng)力分析

對于CPU芯片的3種錫焊形式，在60 ℃溫差時的熱應(yīng)力結(jié)果見圖9～圖11和表4。

圖9 焊錫高度為0.1 mm時焊點(diǎn)熱應(yīng)力

圖10 焊錫高度為0.35 mm時焊點(diǎn)熱應(yīng)力

圖11 焊錫高度0.35 mm+支撐時焊點(diǎn)熱應(yīng)力

表4 CPU芯片焊點(diǎn)熱應(yīng)力仿真結(jié)果

由表可知，錫焊高度為0.1 mm時焊點(diǎn)的熱應(yīng)力為64.7 MPa，已經(jīng)超過錫焊的強(qiáng)度極限(60 MPa)，提高錫焊高度可以有效降低焊點(diǎn)的熱應(yīng)力；錫焊高度為0.35 mm時焊點(diǎn)的熱應(yīng)力小于錫焊的屈服應(yīng)力(35 MPa)；在CPU芯片下增加陶瓷柱輔助支撐對焊點(diǎn)的熱應(yīng)力影響不大。

3 伺服控制板CPU芯片設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)歐航局(ESA)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對金屬陶瓷基底電子器件采用表面貼裝工藝和手工堆積焊接時，焊錫推薦厚度為0.1～0.4 mm，焊料堆積高度過低會導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，焊料堆積高度過高會帶來振動響應(yīng)相關(guān)問題。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，芯片尺寸超過20 mm × 20 mm時建議采用帶引腳器件。綜合以上仿真結(jié)果，將CPU芯片替換為帶引腳芯片并重新校核，結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 CPU芯片引腳熱應(yīng)力

圖13 CPU芯片過載應(yīng)力

圖14 CPU芯片振動應(yīng)力

表5所示為CPU芯片引腳在各種工況下的應(yīng)力分布。由表可知，CPU芯片改為帶引腳設(shè)計(jì)后溫度循環(huán)工況下熱應(yīng)力為52 MPa，振動1σ應(yīng)力為181 MPa，均低于引腳材料可罰合金的破壞強(qiáng)度(550 MPa)。由于引腳能夠有效釋放溫度循環(huán)試驗(yàn)時材料熱不匹配導(dǎo)致的變形，振動工況對帶引腳芯片的影響起主導(dǎo)作用。

表5 CPU芯片引腳應(yīng)力匯總

4 結(jié)束語

通過對伺服控制板CPU芯片焊點(diǎn)的力學(xué)分析，優(yōu)化金屬陶瓷芯片表面貼裝工藝參數(shù)，并建議更換帶引腳器件，有如下結(jié)論：

1)整機(jī)隨機(jī)振動時，伺服控制板內(nèi)外圈8點(diǎn)平均控制加速度響應(yīng)放大1.78倍；

2)金屬陶瓷芯片采用表面貼裝工藝時，芯片尺寸盡量不要超過20 mm × 20 mm，焊料高度控制在0.1～0.4 mm；3)金屬陶瓷芯片采用表面貼裝工藝時對熱應(yīng)力比較敏感，容易導(dǎo)致焊料脫落；采用引腳器件堆焊工藝時對振動工況比較敏感，容易引起引腳斷裂，在芯片與印制板之間增加點(diǎn)膠有助于降低振動對引腳的影響。

[1] 李金龍, 熊化兵, 羅俊, 等. 氣密性陶瓷封裝內(nèi)熱應(yīng)力的ANSYS分析[J]. 微電子學(xué), 2012, 42(1): 130-133.

[2] 林健, 雷永平, 趙海燕, 等. 板級封裝焊點(diǎn)中熱疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展過程[J]. 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(1): 15-18.

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程 林(1979-)，男，碩士，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真工作。

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Fault Analysis of Servo-control Solder Joint for Missile-borne SAR

CHENG Lin

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Based on the fault of solder joint falling off in servo-control board for missile-borne SAR, the failure causes are found through the analysis of acceleration response for complete machine stochastic vibration including the analyses of stochastic vibration stress and thermal stress for printed board, the process parameters optimization and design improvement are proposed according to simulation results. Simulation results show that the acceleration response of servo-control board is 1.78 times base excitation; the ceramic-metal chip when usingsurface mount technology is sensitive to thermal stress, increasing solder thickness avails decreasing thermal stress; the chip with pins when using surfacing technology is sensitive to vibration stress, dispensing between chip and printed board avails decreasing vibration stress.

fault; thermal stress; stochastic vibration; surface mount

2015-10-15

TH165；TP391.9

A

1008-5300(2015)06-0011-04