夾具法恒定加速度試驗(yàn)后電路漏氣的原因研究

劉慶川

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引 言

恒定加速度試驗(yàn)[1]是軍品元器件可靠性試驗(yàn)中常見(jiàn)的篩選考核步驟。通常的試驗(yàn)方法包括夾具法、磁貼法以及埋砂法[2-4]。這三種方法各具特點(diǎn)，適用于不同的電路和試驗(yàn)場(chǎng)合。其中，埋砂法可同時(shí)將多個(gè)器件放置在砂罐中進(jìn)行試驗(yàn)，可適用于X、Y、Z 三個(gè)方向，但是由于砂礫的易流動(dòng)性，對(duì)于加速度條件過(guò)高、蓋板尺寸較大的電路，可能會(huì)導(dǎo)致蓋板凹陷和損傷[5]，因此通常用于小尺寸蓋板電路。磁貼法是利用金屬蓋板的特性，借助磁貼磁力將電路貼合在恒定加速度容器壁上，開(kāi)發(fā)周期短，是一種較為經(jīng)濟(jì)的方法。在這種方法中蓋板可以與磁貼完全吸合，但是吸力的大小與蓋板尺寸成正比，因此對(duì)外殼的形狀有一定要求，除此之外，磁貼法也只適用于Y 方向。對(duì)于埋砂法和磁貼法，研究者們已經(jīng)對(duì)幾種試驗(yàn)方法的受力[6]做過(guò)一系列分析。

夾具法是用塑料或金屬材料按照被測(cè)電路外殼形狀定制專用模具夾持被測(cè)電路，完成恒定加速度試驗(yàn)。這種方法可以良好固定被測(cè)器件，不會(huì)在試驗(yàn)中發(fā)生碰撞或遷移。但是在實(shí)踐中夾具法也有自身的缺陷，易引入背離試驗(yàn)初衷的扭力和扭矩[7]，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和電路的氣密性產(chǎn)生不良影響，這種情況以前沒(méi)有系統(tǒng)的受力分析和應(yīng)對(duì)措施分析。

2 恒定加速度試驗(yàn)夾具及裝配情況

恒定加速度試驗(yàn)的夾具一般都是專用夾具，根據(jù)每種外殼形式量身定制，不具備通用性。圖1 為一款典型的DIP 電路管殼夾具，夾具上開(kāi)一個(gè)淺槽，以便容納蓋板。在放置外殼后，外殼陶瓷主體與塑料夾具貼合，外殼蓋板嵌入淺槽內(nèi)，形成良好裝配。

圖1 典型DIP 電路夾具示意圖

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于加工精度、組裝一致性等問(wèn)題，外殼與夾具的匹配很難做到完美貼合，通常會(huì)在夾具與陶瓷主體，或者夾具與金屬蓋板之間產(chǎn)生一個(gè)較小的縫隙，如圖2 所示。圖2(a)中的結(jié)合方式會(huì)使管殼在恒定加速試驗(yàn)中受到相當(dāng)大的沖擊，誘發(fā)管殼斷裂現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)盡量避免。實(shí)際使用中夾具通常和陶瓷管殼的主體部分貼合，如圖2(b)。

圖2 外殼與夾具匹配間隙示意圖

3 陶瓷管殼及蓋板受力分析

圖3 所示樣品所采用的即為典型的DIP28 式封裝，在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)生了電路漏氣的情況。以此為例，開(kāi)展電路在試驗(yàn)過(guò)程中的受力分析。由于電路的陶瓷主體部分與塑料夾具緊密接觸，在恒定加速度過(guò)程中所需的向心力f合由陶瓷主體與塑料夾具的接觸面提供，力的傳遞形式如圖4 所示。由于蓋板與塑料夾具未發(fā)生接觸，因此在試驗(yàn)中，不受夾具的作用力。

圖3 進(jìn)行受力分析的樣品實(shí)物圖

圖4 電路外殼恒加試驗(yàn)受力示意圖

進(jìn)一步分析被測(cè)電路的受力和形變。將陶瓷管殼與蓋板拆分成若干個(gè)小的部分（Part1～Part9），以便直觀分析和描述，如圖5 所示。其中，Part1～Part5是蓋板及蓋板下方的陶瓷主體，Part8、Part9 是陶瓷管殼主體與塑料夾具相接觸的部分，Part6、Part7 是夾具和電路之間的縫隙（夾具制作時(shí)預(yù)留的空間，考慮了夾具開(kāi)槽與蓋板尺寸的匹配）。

圖5 電路外殼等質(zhì)量體受力分析

在這種設(shè)定下，認(rèn)為Part2～Part9 質(zhì)量相等，均為δm，而Part1 作為較為特殊的部分，其質(zhì)量為2δm。在Part8～Part 9 兩側(cè)的其它質(zhì)量部分沒(méi)有畫出，暫時(shí)不參與受力分析。

質(zhì)量體受力分析及形變趨勢(shì)如圖6 所示。在30000g 恒定加速度試驗(yàn)條件下，Part1 受到的合力是30000g×2δm，由于Part1 未與塑料夾具發(fā)生力的相互作用，其所受合力完全由Part2～Part3 的物體間內(nèi)部作用力提供。Part2 右側(cè)對(duì)Part1 左側(cè)提供向下的內(nèi)力f2-1，數(shù)值為30000gδm，同理，Part3 左側(cè)對(duì)Part1 右側(cè)提供向下的內(nèi)力f3-1，數(shù)值為30000gδm，如圖6(a)所示。

進(jìn)而，根據(jù)受力分析，Part2 應(yīng)受到Part4 提供的向下的作用力f4-2，數(shù)值為60000gδm，以保持30000g恒定加速度運(yùn)動(dòng)，如圖6(b)所示。從圖中可以看出，Part2 左右兩端受力方向相反，可知在合力作用下，將產(chǎn)生形變趨勢(shì)。

圖6 質(zhì)量體受力分析及形變趨勢(shì)

依此類推，可知：

Part2 左側(cè)受力60000gδm，方向向下；右側(cè)受力30000gδm，方向向上。

Part4 左側(cè)受力90000gδm，方向向下；右側(cè)受力60000gδm，方向向上。

Part6 左側(cè)受力120000gδm，方向向下；右側(cè)受力90000gδm，方向向上。

從受力分析可以看出，越靠近蓋板邊緣的部分，左右兩端受到的扭力越大，發(fā)生的形變也越劇烈。電路在恒定加速度試驗(yàn)條件下，會(huì)發(fā)生弓形形變[8]，如圖7 所示。扭力的存在，易引發(fā)焊料撕裂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生蓋板脫落。

圖7 電路在恒加試驗(yàn)中的形變

結(jié)合實(shí)際，對(duì)恒定加速度試驗(yàn)結(jié)束后的電路進(jìn)行檢漏測(cè)試，采用粗檢漏的方式對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行定位和觀察，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)集中在蓋板邊緣的部分，與受力分析結(jié)果相吻合。蓋板越大，引入的扭矩越大，在同等試驗(yàn)條件下，發(fā)生漏氣的概率也越大。

4 應(yīng)對(duì)措施及試驗(yàn)結(jié)果

恒定加速度試驗(yàn)是一種非破壞性的試驗(yàn)，但試驗(yàn)中引入的扭力是非常規(guī)力，由夾具精度和裝配方式?jīng)Q定，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，應(yīng)盡量減小或避免。

較為理想的情況，是提高夾具制作精度和電路組裝一致性，使夾具與電路能夠良好配合，消除引入扭矩的可能性。通常情況下，不能保證每只電路都和夾具良好配合，這時(shí)，可采用柔性材料填充蓋板與夾具之間的縫隙。條件允許時(shí)，應(yīng)避免使用夾具法進(jìn)行試驗(yàn)。

一般情況下，填充柔性材料的是一個(gè)有效的辦法。可以控制柔性材料的厚度來(lái)最大限度地抵抗扭力，保護(hù)被測(cè)電路。采用填充材料方法后，管殼、蓋板、焊料、夾具的受力情況如圖8 所示。

圖8 在典型DIP 電路中填充柔性材料

柔性材料對(duì)蓋板表面的支撐力同樣按Part1～Part9 進(jìn)行分解，每個(gè)質(zhì)量體受到柔性材料提供的向心力依次為f1～f9。填充了柔性材料之后的Part1 和Part2 受力情況如圖9 所示。

圖9 填充柔性材料后的受力分析及形變趨勢(shì)

從圖9 可以看出，填充材料后質(zhì)量體受力情況發(fā)生了變化。Part1 填充前受力平衡如下式所示：

填充后受力平衡則變?yōu)椋?/p>

Part 2 填充前受力平衡如下式：

填充后受力平衡變?yōu)椋?/p>

通過(guò)對(duì)比可知，與不填充材料相比，柔性材料在恒定加速度試驗(yàn)中對(duì)蓋板上表面提供了一部分向心力。由于Part1 上方材料形變最大，所提供彈力f1也最大；Part4、Part5 上方材料形變最小，所提供的反彈力也最小，可以得出：0≤f4=f5≤f2=f3≤0.5f1≤30000gδm。f1～f5的大小隨材料形變量增加而增大，向30000gδm 趨近。

由公式(1)～(4)，可以推導(dǎo)出：

可知，填充柔性材料后，各質(zhì)量塊受到的扭力均大幅減小，蓋板邊緣受力也相應(yīng)減小。

采用上述方法，選用不同封裝形式的電路，在蓋板和夾具之間的縫隙中添加柔性材料，與不添加柔性材料的電路在同一試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 DIP28 封裝電路恒加后對(duì)比數(shù)據(jù)

表2 CQFP240D 電路恒加后對(duì)比數(shù)據(jù)

5 結(jié) 束 語(yǔ)

在多種恒定加速度試驗(yàn)方法中，以?shī)A具法為例，針對(duì)某型號(hào)電路恒定加速度試驗(yàn)后出現(xiàn)的電路漏氣問(wèn)題，采取系統(tǒng)的力學(xué)分析法，詳細(xì)討論電路在試驗(yàn)時(shí)的受力和應(yīng)變情況，通過(guò)計(jì)算分析找到了最大應(yīng)力位置，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合。在對(duì)尋求解決方案的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)柔性材料的填充會(huì)起來(lái)良好的效果。在研究過(guò)程中形成的分析思路與應(yīng)對(duì)措施，對(duì)解決電路封裝測(cè)試過(guò)程中可能出現(xiàn)的類似問(wèn)題，具有一定的參考價(jià)值。