基于有限元分析的彈載二次電源高加速壽命試驗(yàn)仿真模擬

張 鑫, 韓建立, 李永強(qiáng), 王 瑤

(1.海軍航空大學(xué), 山東 煙臺(tái) 264001; 2.中國(guó)人民解放軍91614部隊(duì), 遼寧 大連 116044)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元分析因?yàn)槠湓诮Y(jié)構(gòu)和溫度分析領(lǐng)域較好的適應(yīng)性,成為一種應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的仿真試驗(yàn)分析方法,廣泛應(yīng)用于各類(lèi)可靠性試驗(yàn)的仿真模擬中。其中,溫度場(chǎng)建模和振動(dòng)場(chǎng)建模是基于有限元分析的可靠性仿真試驗(yàn)主要內(nèi)容[1-2],Wang等[3]通過(guò)建立三維模型,細(xì)化單元網(wǎng)格,采取命令流的方式對(duì)有限元模型施加溫度和振動(dòng)載荷,獲得了溫度場(chǎng)和振動(dòng)場(chǎng)分布,對(duì)產(chǎn)品缺陷和應(yīng)力影響進(jìn)行了分析,構(gòu)建了基于有限元分析的高加速應(yīng)力篩選剖面。陳星等[4]設(shè)計(jì)了基于用有限元分析的溫度仿真試驗(yàn),通過(guò)測(cè)量碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器雙層結(jié)構(gòu)熱失配產(chǎn)生的低溫?fù)隙刃巫冎?結(jié)合撓度形變的理論公式,計(jì)算出材料的平均熱膨脹系數(shù)、彈性模量等值,建立器件低溫溫度場(chǎng)分析有限元模型,分析比較了某兩種型號(hào)紅外焦平面探測(cè)器溫度仿真試驗(yàn)過(guò)程中的形變程度和熱應(yīng)力分布情況。彭勃[5]以航空電子設(shè)備中常用的傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器為對(duì)象,利用ANSYS 建立有限元模型,計(jì)算分析在-55～125 ℃加速溫度應(yīng)力條件下激光器巴條互連界面的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力,通過(guò)計(jì)算溫度場(chǎng),并將得到的溫度條件作為熱載荷進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算,得到熱應(yīng)力溫度場(chǎng),以此對(duì)研究對(duì)象熱失效行為進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)。此外,通過(guò)基于有限元的溫度場(chǎng)和振動(dòng)場(chǎng)建模分析與可靠性理論的結(jié)合,田彤輝[6]、張弦[7]、徐文正[8]、楊強(qiáng)[9]等開(kāi)展了溫度或振動(dòng)應(yīng)力作用下的疲勞壽命可靠性仿真試驗(yàn),對(duì)研究對(duì)象的壽命等可靠性指標(biāo)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)估。

以上研究成果較好總結(jié)了有限元分析在可靠性仿真試驗(yàn)中的應(yīng)用方法,顯示了有限元仿真分析在解決模擬研究對(duì)象在溫度、振動(dòng)應(yīng)力作用下的狀態(tài)變化等問(wèn)題上的實(shí)用性和有效性,但總體來(lái)看,在目前基于有限元分析的可靠性仿真試驗(yàn)中,多數(shù)學(xué)者通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壽命指標(biāo)及可靠性評(píng)估等問(wèn)題的定量分析,而與定性的高加速壽命試驗(yàn)理論相結(jié)合,開(kāi)展針對(duì)性的工作極限范圍的研究較少,本文通過(guò)分析二次電源組件結(jié)構(gòu)組成,在掌握其主要失效機(jī)理前提下,參考有限元分析的一般方法,建立三維模型,設(shè)計(jì)針對(duì)性的高加速壽命試驗(yàn)(high accelerated life test, HALT)仿真試驗(yàn)方案,開(kāi)展二次電源組件的HALT仿真模擬,獲得組件溫度工作極限范圍,從而為開(kāi)展導(dǎo)彈延壽工作中的加速老化試驗(yàn)確定合理的溫度應(yīng)力,提高試驗(yàn)效率。

1 HALT應(yīng)用背景

導(dǎo)引頭二次電源是導(dǎo)彈彈上的一個(gè)典型電子部件,也是制約導(dǎo)彈貯存和使用時(shí)間的關(guān)鍵設(shè)備,其壽命主要通過(guò)加速老化試驗(yàn)確定。研究表明,彈載電子設(shè)備在任務(wù)壽命周期間主要受溫度和濕度應(yīng)力的影響[10-11],并且針對(duì)彈上電子設(shè)備的加速老化試驗(yàn)主要以溫度應(yīng)力試驗(yàn)為主[12-14],在保持產(chǎn)品失效模式與失效機(jī)理不變的前提下,根據(jù)其溫度工作極限范圍適當(dāng)提高溫度應(yīng)力水平,加速老化試驗(yàn)效率往往可以成倍提高[15-16]。目前加速老化試驗(yàn)中,一般采用的加速摸底試驗(yàn)或憑借工程經(jīng)驗(yàn)直接確定加速應(yīng)力水平,憑工程經(jīng)驗(yàn)確定的方法一般是從業(yè)人員參考同類(lèi)型的裝備的貯存應(yīng)力范圍(例如電子產(chǎn)品加速老化試驗(yàn)的71 ℃法),而加速摸底試驗(yàn)則更多是對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)驗(yàn)證,但不論哪種方法,兩者都很難真正接近研究對(duì)象的工作極限。HALT主要應(yīng)用于產(chǎn)品的研制階段,可以高效激發(fā)產(chǎn)品潛在的薄弱環(huán)節(jié),并且獲得產(chǎn)品在各種應(yīng)力條件下的工作極限[17]。然而,某型導(dǎo)彈于21世紀(jì)初從國(guó)外引進(jìn),研制階段并未在國(guó)內(nèi)進(jìn)行,我們對(duì)部件在各類(lèi)應(yīng)力下的工作極限并不掌握。

經(jīng)過(guò)歷年延壽工作中與軍工部門(mén)的合作交流,可以確定二次電源組件采用的單個(gè)電子元器件工作溫度范圍滿足軍工級(jí)元器件性能標(biāo)準(zhǔn)(-55～150 ℃)。然而，電子產(chǎn)品的溫度工作極限范圍不止取決于元器件質(zhì)量,也受限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝。因此,對(duì)于部件級(jí)產(chǎn)品的二次電源,其在溫度應(yīng)力下的工作極限不能以器件級(jí)和材料級(jí)的工作極限去簡(jiǎn)單推算。目前,HALT技術(shù)在美國(guó)軍工生產(chǎn)、航空航天、電子通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,但受試驗(yàn)設(shè)備及工程經(jīng)驗(yàn)的制約,國(guó)內(nèi)目前僅有國(guó)防科大、北京航空航天大學(xué)、華為等少數(shù)單位具備開(kāi)展HALT的能力。HALT開(kāi)展通常依靠專(zhuān)用的HALT裝備[18],根據(jù)GB/T 29309-2012《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗(yàn)規(guī)程高加速壽命試驗(yàn)導(dǎo)則》[19]對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求,進(jìn)行HALT的設(shè)備要求具有足夠快速升降溫的能力,最大溫度變化速率不小于60 ℃/min,提供試驗(yàn)溫度能力范圍要求不小于-80～170 ℃,溫差控制在±3 ℃之間,為追求激發(fā)效率,需要施加高應(yīng)力快速使產(chǎn)品失效,產(chǎn)品經(jīng)過(guò)HALT一般會(huì)破壞失效。總結(jié)而言,導(dǎo)彈作為一種造價(jià)昂貴、制造精密的裝備,目前針對(duì)導(dǎo)彈部件的HALT方案,設(shè)備要求高,開(kāi)展難度大,而對(duì)現(xiàn)役裝備的破壞失效也會(huì)造成試驗(yàn)成本的增加。因此,設(shè)計(jì)面向貯存延壽的HALT方案并探索利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)代替實(shí)際試驗(yàn),不僅能擺脫對(duì)高水平試驗(yàn)設(shè)備的依賴(lài),還能降低成本,避免人力、物力的過(guò)度浪費(fèi)。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)與失效分析

二次電源是某型導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的重要組成部分,主體材料為PCB板,主要裝有的元器件包括某型號(hào)電阻、電壓分配器、電壓電流轉(zhuǎn)換器、某型號(hào)二極管等,元器件安裝的典型工藝以焊接為主,表面粘貼為輔,屬于典型的軍品特征。

前期對(duì)彈載電子設(shè)備的失效研究發(fā)現(xiàn),二次電源組件可靠性主要受溫度的影響,并且二次電源在持續(xù)通電工作過(guò)程中各類(lèi)電子元器件會(huì)產(chǎn)熱,最終仍以溫度的形式體現(xiàn)出來(lái)。在溫度應(yīng)力作用下的失效機(jī)理主要有3種:①溫度應(yīng)力會(huì)引發(fā)元器件突發(fā)失效和因?yàn)槠诜e累導(dǎo)致的元器件性能退化失效;②高溫會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)蠕變特征甚至熔化造成二次電源失效;③材料由于熱脹冷縮產(chǎn)生相對(duì)形變和位移,產(chǎn)生較大應(yīng)力造成元器件連接處破裂引發(fā)失效。

2.2 建立三維模型

首先基于soliderworks軟件,建立二次電源三維模型。通過(guò)觀察,該部件模塊化程度較高,不管是實(shí)現(xiàn)部分功能的結(jié)構(gòu)單元還是單個(gè)電子元器件,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)重疊裝配或交錯(cuò)搭配的現(xiàn)象,元器件與元器件之間相對(duì)獨(dú)立程度較高,空間較大,這種設(shè)計(jì)可有效避免元器件之間工作狀態(tài)下的互相影響,進(jìn)行三維建模時(shí)可以對(duì)組件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,刪減了受溫度影響較小的元器件,并減少材料結(jié)構(gòu)相似卻互不影響的焊點(diǎn)管腳數(shù)量,提高了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率。

根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行1∶1建模,建立外形尺寸為78 mm×45 mm×1.0 mm的組件主體模型,板載元器件主要包括1個(gè)通孔安裝電阻,一個(gè)通孔安裝二極管和一個(gè)表面粘貼芯片,以及若干互聯(lián)焊點(diǎn)及管腳,固定安裝孔尺寸為Ф3.5,四角倒半徑為5mm的圓。最終的CAD模型如圖1所示,通過(guò)接口將三維模型導(dǎo)入Ansys軟件中。

圖1 二次電源組件三維模型

2.3 定義材料屬性參數(shù)

通過(guò)對(duì)二次電源結(jié)構(gòu)組成分析,參考《金屬材料手冊(cè)》和相關(guān)文獻(xiàn)[20-26],二次電源組件三維模型主要材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分及邊界條件

利用Ansys軟件進(jìn)行有限元建模和之后的仿真分析,采用映射網(wǎng)格劃分方式,電阻、芯片和二極管及其管腳、焊點(diǎn)采用六面體網(wǎng)格,其余部分采用四面體網(wǎng)格,文中重點(diǎn)研究不同材料受熱產(chǎn)生的應(yīng)變情況,故對(duì)焊點(diǎn)、管腳進(jìn)行了手動(dòng)細(xì)化,得到有限元模型如圖2和圖3所示。模型的總節(jié)點(diǎn)數(shù) 292 457,網(wǎng)格數(shù)為277 127,在電路板底部施加Frictionless Support以模擬試件固定在試驗(yàn)箱平臺(tái)上的約束情況。

圖2 模型網(wǎng)格劃分(正面)

圖3 模型網(wǎng)格劃分(背面)

3 面向貯存延壽的HALT仿真試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)方案分析

現(xiàn)有的HALT方案通常包括高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)等項(xiàng)目,主要通過(guò)施加高應(yīng)力使產(chǎn)品快速失效并暴露產(chǎn)品在各種應(yīng)力下的潛在故障模式,獲得的產(chǎn)品極限以破壞極限為主,依照現(xiàn)有方案試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)HALT將破壞失效。而設(shè)計(jì)面向貯存延壽的HALT方案主要目的為通過(guò)HALT確定二次電源組件在溫度應(yīng)力下的工作極限范圍,指導(dǎo)延壽中加速老化試驗(yàn)應(yīng)力選擇。因此，將以產(chǎn)品工作極限為研究對(duì)象,主要技術(shù)措施為基于HALT的一般原理和普遍做法,在掌握產(chǎn)品主要敏感應(yīng)力和正常貯存失效機(jī)理的基礎(chǔ)上,針對(duì)性開(kāi)展HALT項(xiàng)目,并通過(guò)載荷參數(shù)設(shè)置,避免產(chǎn)品破壞失效,完成對(duì)工作極限的獲取和推導(dǎo)。

彈載電子設(shè)備主要受溫度的影響,因此面向貯存延壽的HALT試驗(yàn)項(xiàng)目包括低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。二次電源的失效機(jī)理也即制約其工作極限的主要因素,根據(jù)第2.1節(jié)中二次電源在溫度應(yīng)力作用下主要的3種失效機(jī)理,元器件性能失效參照軍工級(jí)電子元器件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)在一定范圍內(nèi)可以不予考慮。因此，仿真試驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)模型模擬實(shí)際試驗(yàn)方案施加溫度載荷及邊界條件,完成對(duì)試驗(yàn)件溫度時(shí)間歷程的分析,模擬其在HALT試驗(yàn)條件下的應(yīng)變情況,研究二次電源材料生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)工作極限的影響,從而結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成對(duì)工作極限的獲取與推導(dǎo)。

3.2 溫度載荷施加條件

在實(shí)際的HALT中,試驗(yàn)件將被放置在試驗(yàn)箱中,通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)箱溫度,將溫度應(yīng)力施加在試驗(yàn)件表面。由于試驗(yàn)箱要改變箱中和試件表面的溫度需要一定時(shí)間,因此借助計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的仿真試驗(yàn)要比實(shí)際高加速壽命試驗(yàn)中溫度變化時(shí)間短,試驗(yàn)效率高,能擺脫試驗(yàn)設(shè)備性能的制約。參照GB/T 29309-2012《電工電子產(chǎn)品加速應(yīng)力試驗(yàn)規(guī)程高加速壽命試驗(yàn)導(dǎo)則》中關(guān)于步階、步長(zhǎng)、應(yīng)力施加順序和溫變速率的具體要求,以獲取溫度工作極限為目標(biāo)。結(jié)合某型導(dǎo)彈技術(shù)文件資料給出洞庫(kù)貯存溫度為-5～35 ℃,工作規(guī)范溫度為-10～70 ℃,最終設(shè)計(jì)面向貯存延壽的HALT仿真試驗(yàn)方案中,在先進(jìn)行的低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中,達(dá)到-10 ℃之前步階為10 ℃,之后為5 ℃,后進(jìn)行的高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)起始溫度為35 ℃,低溫起始溫度為0 ℃,達(dá)到70 ℃之前步階為10 ℃,之后為5 ℃,全程溫度變化速率60 ℃/min,步階10 min。最后,由于面向貯存延壽的HALT方案主要研究產(chǎn)品的工作極限而非破壞極限。因此，根據(jù)軍工級(jí)電子產(chǎn)品溫度工作范圍,設(shè)定試驗(yàn)溫度載荷施加上限為150 ℃,下限為-55 ℃。定義有限元分析類(lèi)型為穩(wěn)態(tài)分析,對(duì)三維模型表面所有節(jié)點(diǎn)施加全約束,并采用命令流的方式設(shè)置載荷步,溫度應(yīng)力施加曲線如圖4和圖5所示。

圖4 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)溫度曲線

圖5 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)溫度曲線

3.3 溫度分析理論基礎(chǔ)

3.3.1 熱分析理論

由于需要通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)件的工作狀態(tài)以此來(lái)獲取其工作極限,因此試驗(yàn)件在實(shí)際試驗(yàn)中需要通電工作,需要模擬工作狀態(tài)下施加環(huán)境溫度載荷,完成試驗(yàn)件的熱電耦合仿真分析,就需要用到熱分析理論。熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù),如溫度分布、熱量的增加或損失、熱梯度和熱流密度等,對(duì)于彈載電子設(shè)備來(lái)說(shuō),合理的熱分析能幫助其在復(fù)雜環(huán)境中更加安全、穩(wěn)定地工作。熱分析遵循能量守恒定律,包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射這3種傳熱方式[27]。由于試驗(yàn)臺(tái)在每個(gè)溫度臺(tái)階上都會(huì)保持10 min,直到系統(tǒng)穩(wěn)定,故整個(gè)分析過(guò)程可以看成穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析。在穩(wěn)態(tài)傳熱分析中,流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量,即任一節(jié)點(diǎn)的溫度都不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為

KT=Q

(1)

式中,K為傳導(dǎo)矩陣,包括導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)、輻射率和形狀系數(shù);T為節(jié)點(diǎn)溫度向量;Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包含熱生成。在Ansys中利用模型集合參數(shù)、材料熱性能參數(shù)及所施加的邊界條件,生成K、T和Q。

3.3.2 熱力學(xué)理論

熱應(yīng)力是由元器件材料之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不同而產(chǎn)生的,當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)元器件之間由于膨脹不均勻發(fā)生結(jié)構(gòu)變形會(huì)受到內(nèi)部約束,由此產(chǎn)生應(yīng)力被稱(chēng)為溫度應(yīng)力[28]。根據(jù)熱應(yīng)力理論,一定范圍內(nèi)的溫度變化時(shí),溫度應(yīng)變與外力應(yīng)變之和為微原體產(chǎn)生的總應(yīng)變,可推導(dǎo)出對(duì)二次電源組件進(jìn)行熱應(yīng)力有限元分析的方程,其中均勻各向同性體的[16]導(dǎo)熱微分方程為

(2)

式中,x,y,z分別為PCB導(dǎo)熱系數(shù)的主軸;T、a、ρ、H和c分別為溫度場(chǎng)、熱擴(kuò)散系數(shù)、密度、生熱率和比熱容。

4 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 溫度梯度仿真分析

基于熱分析理論進(jìn)行的溫度梯度分析,得到因二次電源組件不同材料導(dǎo)熱系數(shù)不一致造成的溫度梯度分布。根據(jù)熱分析理論,通過(guò)對(duì)二次電源組件進(jìn)行熱分析,根據(jù)式(1)和式(2),利用Ansys軟件,借助于Icepak軟件模塊,通過(guò)設(shè)置環(huán)境溫度及元器件熱耗散,完成對(duì)于試驗(yàn)箱的仿真模擬,并使得溫度載荷隨時(shí)間變化,完成熱電耦合狀態(tài)下二次電源仿真分析。施加溫度載荷為65 ℃時(shí),二次電源溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 二次電源組件溫度分布云圖

由溫度梯度分布云圖可知,在PCB板上二極管附近位置,溫度梯度最大,說(shuō)明此處不同材料之間在溫度應(yīng)力作用下更容易產(chǎn)生形變或相對(duì)位移,因此元器件管腳及相應(yīng)焊點(diǎn)的應(yīng)力情況需要重點(diǎn)考慮。

4.2 等效應(yīng)力仿真分析

仿真試驗(yàn)過(guò)程顯示,隨著溫度升高,由于熱膨脹系數(shù)不一導(dǎo)致元器件之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移,這種位移的作用可用等效應(yīng)力表示。通過(guò)不斷修改Icepak參數(shù),獲取不同環(huán)境溫度下二次電源組件溫度分布,并將其作為基礎(chǔ)條件,傳輸至Static Structural模塊,以求解由于熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的熱應(yīng)力。高溫65 ℃時(shí)二次電源組件整體總體形變及關(guān)鍵焊點(diǎn)等效應(yīng)力分布云圖如圖7和圖8所示。

圖7 二次電源總體形變分布云圖

圖8 關(guān)鍵焊點(diǎn)等效應(yīng)力分布云圖

從云圖可以看出,由于元器件工作狀態(tài)下產(chǎn)生相應(yīng)的熱耗散,以及環(huán)境溫度載荷的影響,致使各電子元器件溫度高于周?chē)h(huán)境溫度,造成的最大等效應(yīng)力恰好集中在固定組件、元器件管腳、焊點(diǎn)處,尤其以電阻總體形變最大。查閱資料得到固定組件、電子元器件、PCB板及鍍錫管腳抗拉強(qiáng)度均超過(guò)270 MPa,等效應(yīng)力分布云圖顯示最大等效應(yīng)力都遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度,焊點(diǎn)的鉛錫焊料抗拉強(qiáng)度為51.5 MPa。由于各材料熱膨脹系數(shù)的不同,在溫度載荷作用下,元器件熱脹冷縮產(chǎn)生相對(duì)位移,等效應(yīng)力集中作用于元器件焊點(diǎn)處,致使其為局部最大形變處,又由于焊料抗拉強(qiáng)度相對(duì)偏低,故元器件與電路板連接處往往成為二次電源功能性失效的主要位置,電阻處焊點(diǎn)為關(guān)鍵失效部位。

按照第3.1節(jié)溫度梯度的分析結(jié)果,選取溫度梯度分布較大的焊點(diǎn)為研究對(duì)象,導(dǎo)出其在高低溫試驗(yàn)不同溫度量級(jí)下的最大等效應(yīng)力結(jié)果,如表2所示。

表2 仿真試驗(yàn)等效應(yīng)力結(jié)果

由仿真試驗(yàn)結(jié)果可知,低溫下二極管管腳及周?chē)更c(diǎn)處等效應(yīng)力均低于抗拉極限,高溫135 ℃時(shí)二極管處焊點(diǎn)等效應(yīng)力為51.2 MPa,參照焊點(diǎn)抗拉極限值51.5 MPa,焊點(diǎn)不會(huì)發(fā)生斷裂脫落,進(jìn)一步施加溫度應(yīng)力,至140 ℃量級(jí)時(shí)顯示等效應(yīng)力為52 MPa,超過(guò)抗拉極限,等效應(yīng)力結(jié)果顯示焊點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生破裂脫落。高溫下二極管管腳處等效應(yīng)力一直未超過(guò)其抗拉強(qiáng)度,不會(huì)斷裂失效。

4.3 結(jié)果分析

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,在高溫135 ℃量級(jí)時(shí),二次電源組件會(huì)因?yàn)椴煌牧现g的熱膨脹系數(shù)不一造成焊點(diǎn)脫落而失效。二次電源焊點(diǎn)選用材料為軍品級(jí)的錫鉛焊料60SnPbSbA,其熔點(diǎn)為183 ℃左右[29]。研究表明,錫鉛焊料一般在熔點(diǎn)的 30%～40%左右溫度變形開(kāi)始體現(xiàn)蠕變特征,因而在仿真選擇的步進(jìn)應(yīng)力量級(jí)中,溫度范圍超出-40～120 ℃就需考慮蠕變問(wèn)題。因此，在HALT過(guò)程中,除了考慮焊點(diǎn)受所受等效應(yīng)力作用外,還應(yīng)該考慮溫度應(yīng)力作用下由于粘塑性變形產(chǎn)生疲勞失效。錫鉛焊料的蠕變動(dòng)力學(xué)特性一般表現(xiàn)為粘塑性,相關(guān)的學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究[30-31],其中國(guó)防科大的學(xué)者褚衛(wèi)華[32-33]對(duì)該類(lèi)型焊料在溫度下的粘塑性變化進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作為我們對(duì)焊點(diǎn)溫度應(yīng)力下失效分析研究的參考:他們?yōu)樘剿骱更c(diǎn)受力和塑性應(yīng)變情況進(jìn)行了高溫分別為 95 ℃、110 ℃、125 ℃、140 ℃、155 ℃和低溫0 ℃、-10 ℃、-25 ℃、-40 ℃、-55 ℃、-70 ℃、-85 ℃的溫度試驗(yàn),通過(guò)他們對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的記錄數(shù)據(jù),表明高溫135 ℃和低溫-55 ℃左右焊點(diǎn)在10 min的保溫階段不會(huì)產(chǎn)生破壞失效。

已知二次電源選用電子元器件工作溫度范圍滿足軍工級(jí)元器件性能標(biāo)準(zhǔn)(-55～150 ℃),而在高加速壽命試驗(yàn)條件下,溫度步進(jìn)應(yīng)力的步階一般在5～10 min之間,電子元器件在此期間的性能退化可以忽略不計(jì)。當(dāng)溫度范圍在-55～150 ℃之間時(shí),可以不考慮溫度應(yīng)力引發(fā)的元器件突發(fā)失效和因?yàn)槠诜e累導(dǎo)致的元器件性能退化。因此，結(jié)合第2.1節(jié)中二次電源的3種主要失效機(jī)理,在-55～150 ℃之間電子元器件生產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)保證了其在較短溫度試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生突發(fā)失效,而焊點(diǎn)的蠕變效應(yīng)也可以證明不會(huì)對(duì)二次電源工作狀態(tài)產(chǎn)生破壞性影響,所以二次電源工作極限在此范圍內(nèi)主要受生產(chǎn)工藝即仿真試驗(yàn)主要研究的不同材料之間等效應(yīng)力作用的制約?？梢酝茰y(cè),部件的高溫工作極限為135 ℃,低溫工作極限不小于-55 ℃。

5 結(jié) 論

論文設(shè)計(jì)了一種面向貯存延壽的彈載電子設(shè)備二次電源組件HALT仿真模擬方法,解決了高加速壽命試驗(yàn)開(kāi)展難度大、設(shè)備要求高的困難?；谟邢拊碚?開(kāi)展了二次電源組件在高加速壽命試驗(yàn)溫度應(yīng)力下仿真試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在元器件焊點(diǎn)處等效應(yīng)力最大,確定高溫135 ℃時(shí)二次電源會(huì)因?yàn)楹更c(diǎn)脫落而破壞失效。

仿真試驗(yàn)表明,有限元仿真試驗(yàn)可有效模擬二次電源組件結(jié)構(gòu)隨溫度變化的應(yīng)變響應(yīng),發(fā)現(xiàn)因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝帶來(lái)的缺陷,但無(wú)法模擬二次電源組件整體工作狀態(tài)和電子元器件內(nèi)部性能變化。因此，當(dāng)考慮元器件失效的情況時(shí),由于無(wú)法一一驗(yàn)證單個(gè)元器件的確切工作極限,結(jié)合前人對(duì)焊點(diǎn)材料溫度試驗(yàn)成果,推導(dǎo)二次電源高溫工作極限為135 ℃,低溫工作極限不小于-55 ℃。

在開(kāi)展二次電源加速老化試驗(yàn)過(guò)程中,參考溫度范圍-55～135 ℃的溫度應(yīng)力水平,在留有一定裕度的前提下選擇加速老化試驗(yàn)應(yīng)力是安全合理的,不會(huì)改變?cè)惺C(jī)理,這個(gè)應(yīng)力水平比以往按照71 ℃法確定應(yīng)力水平要高。