某型通信控制設(shè)備印制板線斷裂原因分析*

董 陽，吳 華，李 崧，孫超山

（1.中國人民解放軍陸軍裝甲兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都 610041；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

某型通信控制設(shè)備印制板線斷裂原因分析*

董 陽1，吳 華2，李 崧2，孫超山2

（1.中國人民解放軍陸軍裝甲兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都 610041；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

針對某型通信控制設(shè)備印制板線斷裂問題，首先從斷裂機(jī)理和疲勞壽命估算兩方面分析了印制板線斷裂的原因，接著采用仿真分析的方法找出印制板具有振動放大的薄弱環(huán)節(jié)，然后通過振動疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了由于振動產(chǎn)生了放大的交變應(yīng)力，而其進(jìn)一步導(dǎo)致印制板線形成了疲勞破壞而斷裂，最后從質(zhì)量管理的角度提出了改進(jìn)建議，以期能夠?yàn)橥ㄐ趴刂圃O(shè)備的維護(hù)與檢修積累經(jīng)驗(yàn)。

印制線斷裂；振動放大；疲勞破壞；質(zhì)量管理

0 引 言

某型通信控制設(shè)備通過螺栓直接安裝到履帶裝甲車輛內(nèi)壁，在沒有減震措施的情況下，經(jīng)過長時(shí)間隨車訓(xùn)練行駛后，設(shè)備內(nèi)部某印制板上BGA芯片焊盤處的印制板線有出現(xiàn)斷裂的情況，斷裂方向與印制板線垂直。

通過理論分析﹑仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證等手段對印制板線斷裂的原因進(jìn)行了深入分析，并從質(zhì)量管理的角度提出了改進(jìn)建議。

1 斷裂處微觀現(xiàn)象

該印制板的基材為FR4，印制板走線銅厚為?OZ，印制板材料各項(xiàng)性能指標(biāo)及加工符合相關(guān)技術(shù)要求。通過顯微鏡觀察到BGA芯片A2管腳焊點(diǎn)與印制板通孔相連的印制線開裂，裂縫為貫穿性裂縫，開裂紋路為不規(guī)則的鋸齒狀，疑似與BGA芯片A2管腳焊點(diǎn)所在區(qū)域受到較大外力作用有關(guān)。裂縫情況如圖1﹑圖2所示。

圖1 印制線斷裂點(diǎn)（垂直面）

圖2 印制線斷裂點(diǎn)（水平面）

2 斷裂原因理論分析

2.1 斷裂機(jī)理

當(dāng)裝甲車輛在訓(xùn)練時(shí)，車內(nèi)的設(shè)備會一直處在持續(xù)的振動環(huán)境中[1]。當(dāng)設(shè)備處于振動環(huán)境時(shí)，由外界振動產(chǎn)生的能量激勵(lì)通過機(jī)殼傳遞到印制板，印制板將在激勵(lì)的方向上發(fā)生往復(fù)運(yùn)動。在往復(fù)運(yùn)動過程中，印制板以及板載器件都會承受不同程度的交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。從材料力學(xué)可知，任何材料在受到多次重復(fù)的交變應(yīng)力作用后，即使是交變應(yīng)力低于材料的屈服極限，經(jīng)過一段時(shí)間的工作后，最后也會導(dǎo)致疲勞破壞。交變應(yīng)力下材料的累積塑性變形，是疲勞破壞的主要原因。

從故障印制板結(jié)構(gòu)受力情況分析可知，BGA芯片的A1腳區(qū)域緊挨印制板上的共振區(qū)域（如圖3所示），BGA芯片四角區(qū)域的焊點(diǎn)是應(yīng)力最為集中的位置（如圖4所示）。當(dāng)印制板發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，共振區(qū)的振幅﹑應(yīng)力﹑加速度等物理參數(shù)都會產(chǎn)生數(shù)倍的放大。受此影響，芯片A1腳及周圍緊鄰的焊點(diǎn)在此時(shí)承受的交變應(yīng)力會加大，印制板在往復(fù)運(yùn)動中的形變程度也會加劇，緊鄰焊點(diǎn)處的印制線承受的交變應(yīng)力和產(chǎn)生的形變幅度也都同步放大。由于印制線橫截面的物理尺寸非常小，在放大了的交變應(yīng)力的長時(shí)間反復(fù)作用下，最終會產(chǎn)生疲勞破壞現(xiàn)象，形成斷裂。

從芯片A1腳處往遠(yuǎn)離共振區(qū)方向上排布的其他焊點(diǎn)，由于受到共振放大影響的程度越來越小，承受交變應(yīng)力的大小也隨之同步減弱。因此，這些焊點(diǎn)的疲勞壽命都大于A1腳及其周圍緊鄰位置的焊點(diǎn)。這也是所有故障板卡的故障位置都產(chǎn)生在A1腳附近A2腳處（附近只有A2腳有印制線引出）的原因。

圖3 芯片在印制板上位置示意

圖4 焊球應(yīng)力集中區(qū)域示意

2.2 疲勞壽命估算

在隨機(jī)振動分析領(lǐng)域，管腳焊點(diǎn)部位的壽命評估，通常采用Steinberg提出的基于Gaussian分布和Miner線性累計(jì)損傷定律的三區(qū)間法進(jìn)行疲勞評估[2]。

基于Gaussian分布和Miner線性累計(jì)損傷定律的三區(qū)間法進(jìn)行疲勞評估的計(jì)算公式如下：

式中：N1σ﹑N2σ﹑N3σ為應(yīng)力水平1σ﹑2σ﹑3σ下對應(yīng)的疲勞壽命；通常根據(jù)S-N疲勞曲線，依據(jù)實(shí)際應(yīng)力水平數(shù)據(jù)查得。n1σ﹑n2σ﹑n3σ分別為應(yīng)力水平1σ﹑2σ﹑3σ對應(yīng)的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。根據(jù)Gaussian分布的概率密度可得：n1σ=0.683v+T，n2σ= 0.27v+T、n3σ=0.043v+T，其中v+為平均振動頻率，T為振動壽命。

根據(jù)Miner定律總體損傷公式，當(dāng)D＝1時(shí)，焊點(diǎn)處疲勞失效，可以反算求出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命：

從式（2）可見，最關(guān)鍵的計(jì)算數(shù)據(jù)為N1σ﹑N2σ﹑N3σ數(shù)值的計(jì)算，需要相關(guān)的材料試驗(yàn)參數(shù)。

焊點(diǎn)疲勞通常以最薄弱的材料部分為研究對象，焊錫的釬料疲勞破壞伴隨著焊點(diǎn)其他部位的破壞最終可以導(dǎo)致印制板上器件﹑線路損壞。此印制板BGA貼裝采用的錫焊材料為Sn63Pb37，有相關(guān)的研究及公式可以借用[3]：

根據(jù)裝甲車輛隨機(jī)振動的頻率范圍，若按GJB150則最大頻率為500 Hz[4]，若按GJB1032，最大頻率為2 000 Hz[5]。因此，極限條件下，可取v+=500（或v+=2 000）。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在共振應(yīng)力放大的情況下，芯片邊角上應(yīng)力極值σ約為13.9 MPa，代入式（3），得出N的具體數(shù)值代入式（2），則可計(jì)算壽命時(shí)間T。

若取v+=500，由計(jì)算可得，T1=1.026 8e5 s約為38個(gè)小時(shí)；若取v+=2 000，由計(jì)算可得，T1=2.567 0e4 s，約為7個(gè)小時(shí)。由此可見，通過理論估算，在共振應(yīng)力放大的情況下連續(xù)最大頻率振動，故障區(qū)域焊點(diǎn)印制線的疲勞壽命不大于38個(gè)小時(shí)。

3 軟件仿真分析

根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用Ansys力學(xué)分析軟件，按照GJB1032環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)條件，對設(shè)備進(jìn)行振動仿真分析，計(jì)算出疑似故障區(qū)域的各項(xiàng)振動數(shù)據(jù)，從而分析印制板疑似故障區(qū)域的振幅﹑應(yīng)力﹑加速度等物理參數(shù)是否存在嚴(yán)重的振動放大情況。具體的仿真過程及分析結(jié)果如下。

仿真幾何模型簡化了實(shí)物模型中的局部細(xì)微特征，如圓角﹑倒棱﹑細(xì)微小孔及印制板上細(xì)微器件﹑焊腳等。主要支撐及接插件聯(lián)接﹑螺紋固定等均考慮進(jìn)簡化模型。為降低模型規(guī)模，取消了與分析主要部位無太大關(guān)系的前面板結(jié)構(gòu)，不作詳細(xì)考慮。于是，具體仿真模型如圖5所示。

圖5 設(shè)備內(nèi)部組件幾何模型

主要導(dǎo)熱墊﹑印制板板材力學(xué)性能參數(shù)﹑質(zhì)量較大器件及接插件材料參數(shù)，根據(jù)實(shí)際使用材料的材料參數(shù)進(jìn)行模擬。

按設(shè)備實(shí)際安裝固定方式，在四個(gè)腳施加固定約束；外部載荷（激勵(lì)）也由此引入。

根據(jù)GJB1032標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)條件，即分析20～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)設(shè)備的隨機(jī)振動特性。仿真分析最大位移﹑速度﹑加速度﹑應(yīng)力等結(jié)果數(shù)據(jù)依次如圖6﹑圖7﹑圖8﹑圖9所示。

由圖6可見，相對被固定的設(shè)備的四個(gè)支撐部位，印制板上存在位移放大的情況，最大位移位置正是理論分析中板卡的共振區(qū)域，與印制板故障區(qū)域位置相近。

圖6 隨機(jī)振動位移分布

由圖7可見，速度的分布情況與位移分布圖類似。

圖7 隨機(jī)振動速度分布

由圖8可見，加速度的分布情況與位移分布圖類似。

圖9則為隨機(jī)振動應(yīng)力的分布情況。

圖8 隨機(jī)振動加速度分布

圖9 隨機(jī)振動應(yīng)力分布

綜上可見，故障印制板無論是考核位移﹑變形﹑還是速度﹑加速度﹑應(yīng)力都存在振動放大的情況，最大放大位置與理論分析中板卡的共振區(qū)域一致。同時(shí)，根據(jù)上列圖形所示，故障印制板上BGA芯片最有可能受影響的區(qū)域位于印制板外緣中部的一角上，跟實(shí)際故障區(qū)域吻合。

4 振動疲勞試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述理論分析﹑仿真分析的正確性，對設(shè)備實(shí)物進(jìn)行了振動疲勞試驗(yàn)。振動疲勞試驗(yàn)是將新印制板放入整機(jī)運(yùn)行振動試驗(yàn)考核，考察印制板的受力和抗疲勞能力，驗(yàn)證設(shè)備故障是否與振動疲勞破壞產(chǎn)生的失效有關(guān)?？紤]到實(shí)際使用環(huán)境，采用GJB1032環(huán)境應(yīng)力篩選的試驗(yàn)條件延長試驗(yàn)時(shí)間來驗(yàn)證印制板的抗疲勞能力。

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣件從新生產(chǎn)的印制板中隨機(jī)選擇兩件（1號板﹑2號板）裝入整機(jī)，按水平方向安裝在振動臺上。

振動條件設(shè)置為：

（1）振動類型：隨機(jī)振動。

（2）振動功率譜：如圖10所示。

圖10 機(jī)會時(shí)隙傳輸

（3）振動軸向：分別在產(chǎn)品的Y軸（側(cè)掛安裝）﹑Z軸（水平安裝）兩個(gè)方向上施加振動應(yīng)力。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

其中，1號板在兩個(gè)軸向方向上累積振動了25小時(shí)后出現(xiàn)相同故障。該結(jié)果驗(yàn)證了板卡BGA芯片管腳焊盤和印制線連接處在較長時(shí)間振動環(huán)境下，可能會出現(xiàn)疲勞破壞的問題，而此問題是導(dǎo)致故障的主要原因。

5 結(jié)語及啟示

通過理論分析﹑仿真分析和實(shí)測試驗(yàn)可知，此型設(shè)備中，部分板卡在裝甲車輛工作振動環(huán)境中存在一定程度的共振放大現(xiàn)象。如果長時(shí)間在共振狀態(tài)下工作，放大的交變應(yīng)力將會使共振區(qū)域中BGA芯片管腳處的疲勞累計(jì)加速產(chǎn)生，印制線在比正常疲勞壽命更短的時(shí)間內(nèi)形成了疲勞破壞，最終導(dǎo)致了橫向斷裂。

5.1 過程管理需進(jìn)一步改進(jìn)提高

在裝甲裝備信息化改造過程中，隨著信息化設(shè)備裝備量的不斷增加，企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍越來越快，產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性風(fēng)險(xiǎn)也同時(shí)相對增大，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)﹑生產(chǎn)制造等方面缺乏及時(shí)有效﹑快捷的監(jiān)管。

特別是環(huán)境適應(yīng)上，企業(yè)往往對裝甲車內(nèi)實(shí)際環(huán)境的認(rèn)知和理解一直偏重于國軍標(biāo)層面，對持續(xù)振動特性﹑安裝方式等理解不夠全面深入，造成在產(chǎn)品設(shè)計(jì)﹑生產(chǎn)制造過程中經(jīng)驗(yàn)主義偏多，理論分析不夠，難以做到有的放矢和準(zhǔn)確判斷。

因此，軍事代表室作為監(jiān)管機(jī)構(gòu)必須加強(qiáng)軍工產(chǎn)品研制各個(gè)階段的質(zhì)量監(jiān)控。首先，要加強(qiáng)對軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造階段的質(zhì)量監(jiān)管，督促企業(yè)深入研究實(shí)際使用需求，加強(qiáng)理論分析，做好可靠性設(shè)計(jì)。其次，在產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)加強(qiáng)可靠性測試，盡量模擬實(shí)際使用環(huán)境，通過深入全面的測試試驗(yàn)，確保為部隊(duì)提供可靠的產(chǎn)品。

5.2 關(guān)鍵部位關(guān)注不夠

關(guān)鍵件及關(guān)鍵部位是根據(jù)產(chǎn)品部件﹑組件﹑零件及器件的不同精度和復(fù)雜程度﹑功能特性和技術(shù)難度﹑以及失效后對產(chǎn)品性能的影響，把它們劃分為關(guān)鍵件﹑重要件和一般件[6]。高密度管腳的BGA封裝器件應(yīng)納入關(guān)鍵件進(jìn)行管理控制，對其設(shè)計(jì)參數(shù)和制造工藝要嚴(yán)格審查，要進(jìn)行重點(diǎn)質(zhì)量控制。今后針對應(yīng)用于惡劣環(huán)境的產(chǎn)品，應(yīng)著重關(guān)注其加固工藝，加強(qiáng)檢查，消除隱患。

[1] 高潮,楊暉,蘇艷等.裝甲車內(nèi)振動信號的采集與分析[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(04):37-39.

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SHI Zhi-kang.Research On The Quality Of Military Products[J].Industrial Technology,2013,(11):56-57.

Analysis on PCB Line Fracture of Certain Communication Control Equipment

DONG Yang1, WU Hua2, LI Song2, SUN Chao-shan2

(1.PLA Armored Force Representative Office in Chengdu, Chengdu Sichuan 610041, China; 2.No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

Aiming at the problem of PCB Line Fracture of certain communication control equipment, theoretical analysis is firstly done from fracture mechanisMand estimation of fatigue life, then simulation analysis adopted to find the weak link of vibration amplification for PCB, and then via vibration fatigue test, the amplified alternating stress produced by the vibration is verified, and this very stress leads to PCB line forming the fatigue failure and fracture. Finally from the perspective of quality management, the suggestions for improvement are proposed, with a purpose to accumulate some experience for overhaul and maintenance of the communication control equipment.

PCB line fracture; vibration amplification; fatigue failure; quality assurance

TN803.5

A

1002-0802(2016)-11-1562-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.028

董 陽（1973—），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)檠b甲通信裝備質(zhì)量管理；

吳 華（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信技術(shù)；

李 崧（1980—），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ叛b備結(jié)構(gòu)與工藝；

孫超山（1983—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信技術(shù)。

2016-07-14；

2016-10-23 Received date:2016-07-14;Revised date:2016-10-23