高鐵用視頻監(jiān)控服務(wù)器機(jī)箱印制電路板組裝翹曲分析

孫海標(biāo) 許豐磊 杜振振

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266109）

曾志衛(wèi)

（深圳市美信咨詢有限公司，廣東 深圳 518108）

0 引言

高鐵用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要部件為智能球攝像機(jī)和服務(wù)器機(jī)箱兩大部分，具有全方位監(jiān)控、無人值守、警報等功能，是重要的安全監(jiān)控設(shè)施。其核心部件為PCB卡，PCB卡上安裝有電容、電阻元器件等應(yīng)力敏感器件，它們的可靠性很大程度上決定了產(chǎn)品可靠性。對于應(yīng)力敏感器件而言，應(yīng)力來源主要有裝配應(yīng)力和列車運行過程中產(chǎn)生的振動應(yīng)力。相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明[1]，在電子組件中看到的大多數(shù)故障都與電容器或PCB有關(guān)，電容的失效比例達(dá)到30%[1]。

本次分析的機(jī)箱，主要承擔(dān)信號傳輸和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，為方便安裝和拆卸，PCB直接通過連接器插接加面板鎖螺釘?shù)姆绞竭M(jìn)行安裝，共有6塊PCB來實現(xiàn)不同功能模塊，每塊PCB上面都分布了大量元器件，包含較多的陶瓷電容。在產(chǎn)品歷史失效數(shù)據(jù)中，電容開裂是最常見的失效形式，通過數(shù)據(jù)分析懷疑面板的翹曲是一個關(guān)鍵因素，因此引入模擬仿真針對面板的翹曲形式、翹曲值大小對電容的可靠性影響進(jìn)行仿真分析，重點考察了面板的裝配過程，并同時對機(jī)箱在使用過程中承受動態(tài)載荷的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，從機(jī)理上說明了面板翹曲是影響電容可靠性的原因，提出了面板翹曲控制標(biāo)準(zhǔn)，制定了面板進(jìn)料標(biāo)準(zhǔn)，為機(jī)箱的可靠性控制提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)說明

機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，總共有六塊PCB，其中一塊為電源PCB，其他五塊為功能模塊PCB；有兩種形式的面板，一種兩顆螺釘固定，一種四顆螺釘固定。為研究方便，選取了三種不同結(jié)構(gòu)形式的PCB進(jìn)行分析；PCBA1為三層疊板，主板上連接了兩塊小板，重量為318 g；PCBA2僅有小器件，元器件均勻分布，重量為206 g；PCBA3上有控制芯片，為幫助芯片散熱安裝了散熱器，重量為564 g。

2 測試標(biāo)準(zhǔn)與分析方法

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要討論兩種測試條件：（1）靜態(tài)分析。PCB卡通過連接器連接到電源PCB后，以0.1 N·m的螺栓鎖緊力，將面板裝配到機(jī)箱上；（2）動態(tài)分析按條件（1）裝配完成的狀態(tài)下繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)振動測試。

隨機(jī)振動測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國標(biāo)“GB/T 21563-2018 軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗 標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的測試條件，選擇1類B級車體安裝ASD頻譜作為測試標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量小于500 kg），試驗?zāi)Ｊ揭罁?jù)標(biāo)準(zhǔn)中模擬長壽命振動試驗，加速度比系數(shù)選7.83，具體參數(shù)見表1。

為確定最危險的振動方向，對PCB板進(jìn)行了模態(tài)分析，計算結(jié)果表明第一階陣型為PCB板面外方向，基頻為165.07 Hz，見圖2。根據(jù)機(jī)箱安裝位置，垂向為PCB面方向，也是變形量最大的方向，故本文只對垂向進(jìn)行分析。

為確定面板翹曲容許值，本次選取陶瓷電容的應(yīng)變值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，即通過仿真軟件獲取裝配過程及隨機(jī)振動測試的電容應(yīng)變值，如果電容應(yīng)變超過容許閥值，則判定面板翹曲值過大。因此必須計算得出裝配過程和隨機(jī)振動過程的電容應(yīng)變時域值，軟件輸入的隨機(jī)振動曲線通過振動試驗臺按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563-2018空跑實測獲得。

表1 1類-B級車體安裝ASD頻譜

圖2 PCB板第一階振型圖

圖3 隨機(jī)振動加速度實測曲線

在有限元計算中，隨機(jī)振動為頻域計算，為獲取時域值需要進(jìn)行反傅里葉計算，整個計算過程數(shù)據(jù)量龐大、處理復(fù)雜，為簡化計算過程，將實測的隨機(jī)振動加速度曲線作為輸入條件對機(jī)箱進(jìn)行動態(tài)沖擊測試，選取最大加速度值進(jìn)行動態(tài)沖擊，如圖3為實測的隨機(jī)振動加速度曲線，仿真計算中選取最大加速為25 m/s2，通過測量曲線確定沖擊時間為0.08 s。

另外，根據(jù)模態(tài)分析數(shù)據(jù)，剛度最低的光板組件在裝配約束條件下，第一階模態(tài)為165.07 Hz，超出了標(biāo)準(zhǔn)中振動測試頻率，PCB不會發(fā)生共振，主要承受強(qiáng)迫振動，采用時域動態(tài)沖擊模擬符合實際情況。

3 分析與討論

3.1 陶瓷電容彎曲載荷下應(yīng)變?nèi)菰S閾值的確定

主要討論1206電容及0805電容。有文獻(xiàn)[2]-[3]研究了不同尺寸的電容在三點彎曲測試中的原始故障率與PCB彎曲值的關(guān)系。N.Blattau在文獻(xiàn)[4]中研究了電容在不同焊料條件下的可靠性，文中通過應(yīng)力值來校核電容在不同焊料下的故障率，表2給出了不同焊料對應(yīng)故障率時的PCB變形量。從表2可見無鉛焊料計算值比較接近，如果要計算焊料為SAC305時的變形，可以引用表2中Sn-4.0 Ag-0.5 Cu的數(shù)據(jù)。表3為機(jī)箱材料相關(guān)物理性能參數(shù)，在計算機(jī)過程中作為基礎(chǔ)參數(shù)輸入。

“GOST IEC 384-14-1995 Fixed capacitors for use in electronic equipment.Part 14.Sectional spesification.Fixed capacitors for electromagnetic interferencesuppression and connection to the supply mains”標(biāo)準(zhǔn)和其他類似文件定義了電容承受彎曲測試的實驗方法，典型的電容彎曲測試方法如圖4所示?！癐PC-9701A表面貼裝錫焊件性能測試方法與鑒定要求”標(biāo)準(zhǔn)中定義了測試電容應(yīng)變的方法，如圖5。

表2 0805電容三點彎曲不同焊料下的仿真測試數(shù)據(jù)[4]

圖4 標(biāo)準(zhǔn)電容彎曲測試[5]

表3 關(guān)鍵部件材料參數(shù)

圖5 IPC9701A中對電容產(chǎn)品的應(yīng)變測試標(biāo)準(zhǔn)定義

3.2 仿真模型及基本參數(shù)設(shè)定

分析應(yīng)用環(huán)境應(yīng)力條件，以及相比PCB，機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)剛度很高，機(jī)箱外殼變形困難，對PCB的影響非常小，所以仿真分析只考慮支撐梁和PCB組件，如圖6所示。整個計算過程包括兩個載荷步，第一個載荷步計算螺釘裝配過程；第二個載荷步計算動態(tài)沖擊，采用加速度載荷等效法[6][7]。

圖6 整體裝配及約束模型

為詳細(xì)考察陶瓷電容的應(yīng)變，按照經(jīng)驗預(yù)選了部分電容作為考察對象，并對PCBA組件進(jìn)行詳細(xì)建模，圖7所示PCBA1的模型。

圖7 PCBA1仿真模型

3.3 仿真測試結(jié)果分析與討論

（1）組件結(jié)構(gòu)特性的影響

圖8～圖10給出了不同PCB組件關(guān)鍵電容在整個分析過程的應(yīng)變-時間曲線，1s前為面板組裝過程，后面的0.08 s為動態(tài)沖擊過程。由圖9～圖11可以得出，雙邊翹曲對陶瓷電容（型號1206）的應(yīng)變影響要遠(yuǎn)大于單邊翹曲，因此控制來料質(zhì)量時要特別注意雙邊翹曲的不良。

另外，發(fā)現(xiàn)PCBA1的應(yīng)變值要大于其他兩個PCB，這是因為高風(fēng)險電容位于多層疊板與面板組件連接處，見圖8，該處形成一個結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)，導(dǎo)致組裝面板時PCB變形主要位于這個區(qū)域。

PCBA2上元器件尺寸小，且為單層PCB結(jié)構(gòu)；PCBA3也是單層PCB，但是封裝了控制芯片，并且裝配了散熱器，散熱器質(zhì)量較大，從重量上看，PCBA3比PCBA1多了358 g，所以動態(tài)沖擊過程中，PCBA3承受較大的動力載荷疊加效應(yīng)，由于振動引起的陶瓷電容應(yīng)變增加量也遠(yuǎn)大于PCBA1，見圖11。

（2）確定來料面板翹曲控制值

圖12和圖13為PCBA1上1206電容的不同翹曲方式和翹曲值對電容應(yīng)變的影響曲線，單邊翹曲和雙邊翹曲的規(guī)律是一致的，隨著翹曲值增大而應(yīng)變增大，初期應(yīng)變急劇增大，到達(dá)最大值后趨于平穩(wěn)。

表4給出了PCBA1上1206電容及0805電容不同面板翹曲取值對應(yīng)的應(yīng)變值，根據(jù)翹曲取值-應(yīng)變曲線可以得到翹曲控制方程；求解控制方程，令Y等于陶瓷電容應(yīng)變控制閥值則計算得到面板進(jìn)料翹曲控制值。

從表中亦可發(fā)現(xiàn)，在PCBA1中0805電容應(yīng)變水平很低，因為PCBA1的0805電容位于連接器中間，連接器對它有保護(hù)作用，面板裝配過程對0805電容影響很小，見圖8。

依照同樣的方法，可以得到PCBA2及PCBA3的面板進(jìn)料翹曲控制值，統(tǒng)計見表5。

圖8 PCBA1-1206電容應(yīng)變-時間曲線

圖9 PCBA2-1206電容應(yīng)變-時間曲線

圖10 PCBA3-1206電容應(yīng)變-時間曲線

圖11 1206電容動態(tài)沖擊應(yīng)變-時間曲線

圖12 PCBA1-1206電容單邊翹曲不同翹曲值影響

圖13 PCBA1-1206電容雙邊翹曲不同翹曲值影響

4 結(jié)論

本文針對機(jī)箱整體可靠性進(jìn)行分析，并通過歷史失效數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，確定了陶瓷電容可靠性為機(jī)箱最薄弱部件。采用仿真分析對鎖緊螺釘及動態(tài)沖擊過程進(jìn)行仿真分析，獲取大量工程數(shù)據(jù)，歸納得出結(jié)論如下：

（1）面板來料翹曲是導(dǎo)致陶瓷電容失效的關(guān)鍵因子。面板翹曲會引起裝配過程中PCB的彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致電容承受彎曲載荷，從而失效；

（2）面板雙邊翹曲對陶瓷電容失效的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單邊翹曲；在來料檢測中要特別關(guān)注雙邊翹曲現(xiàn)象；

（3）不同結(jié)構(gòu)特性會直接影響陶瓷電容的可靠性；具體問題應(yīng)該具體分析，對面板可應(yīng)考慮依照翹曲值水平來分等級管理，對于PCBA1應(yīng)該選用翹曲值最低的面板。

表4 PCBA1面板翹曲影響統(tǒng)計

表5 各PCB組件面板進(jìn)料翹曲控制值