某機載VPX模塊故障分析、改進設計及驗證

尤 浩，李鵬程

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，電子設備已經廣泛應用于各個行業(yè)。通常情況下，電子設備是由大量電子元器件通過印制電路、接插件以及焊接點以一定的方式連接而成的。如果元器件出現故障，或者它們間的連接被破壞，都會造成整個設備的故障。而電子設備在運輸、使用過程中不可避免地會受到振動、沖擊等環(huán)境應力的作用，這對電子設備的可靠性是嚴峻的考驗[1-2]。

電子設備在各種應力的作用下可能會受到電子部件的隱形損傷，這種隱形損傷會對電子產品的可靠性產生較大影響。電子設備所受到的應力無法直接測量，只能通過由應力產生的應變進行測量、分析。通過測量、分析，控制應力產生的環(huán)節(jié)，以此來降低電子設備因為受到過大應力而失效的風險[3-5]。

當電子設備由于受到過大應力而發(fā)生故障時，一方面需要有手段對電子設備的損傷進行探測，另一方面需要對電子設備所受到的應變進行測量。

在探測隱形損傷方面，目前常用的手段有計算機斷層掃描(CT)、金相切片等。CT對印制電路板(PCB)進行三維成像，能夠在三維空間上以μm級的分辨率把PCB的內部結構展現出來，可以對內部缺陷信息包括裂紋、殘缺、虛焊等進行三維無損檢測[6]。金相切片分析就是通過取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察等一系列手段和步驟獲得焊點、PCB橫截面結構的過程。通過切片分析可以得到反映焊點或者PCB(通孔、鍍層等)質量的微觀結構的豐富信息，為下一步的質量改進提供很好的依據[7]。金相切片檢測為有損探測。

在應變測量的各種方法中，基于電阻應變片的測量是應用最廣泛的方法。其工作原理是：當有外力作用在應變片上導致其產生變形時，應變片的阻值發(fā)生變化，且電阻變化與應變片表面應變成比例，通過測量電路輸出應變片電阻變化信號，經計算轉化成應變值，得到應變片的應變數據[8]。測量時將應變片粘貼到測量點，即可得到該點處的應變數據。

某機載模塊是基于VATA48標準設計的VPX模塊，該模塊在進行振動試驗時出現功能故障。本文采用金相切片、應變測試等技術對該模塊進行故障分析，并對改進后的設計進行驗證。

1 故障現象與分析

1.1 故障現象

某機載模塊在進行功能振動試驗5 min后出現功能故障，經排查發(fā)現模塊內PCB上連接器附近位號為N3的某器件電源輸出異常。模塊示意圖如圖1所示。

圖1 某機載模塊示意圖

經排查分析，發(fā)現該批次生產的其他模塊也有N3器件接觸不良的現象。

1.2 故障分析

為了排查故障原因，對故障模塊和未經過振動的同一批次模塊進行金相切片檢測，檢測位置為靠近連接器的4個BGA封裝器件，位號分別為N1、N2、N3和D2，如圖2所示。

金相切片檢測結果表明：故障模塊N1、N2、N3和D2的器件均有不同程度的開裂(如圖3所示)，裂縫主要在PCB焊盤和焊料之間，N3器件焊點開裂最為嚴重；未經過振動試驗的模塊N1、N2、N3和D2的器件邊角位置有開裂(如圖4所示)，裂縫主要在PCB焊盤和焊料之間，N3器件焊點開裂最為嚴重。

圖3 故障模塊開裂焊點分布圖

圖4 未經過振動試驗模塊開裂焊點分布圖

由金相切片檢測可知，故障模塊在振動試驗前已有部分器件焊點開裂，但較為輕微，不影響模塊功能，振動試驗加劇了開裂情況，導致模塊功能故障。初步認定焊點開裂與振動試驗無關。

2 故障定位

器件焊點開裂必然由于受到超過設計之外的應力造成，故障模塊從生產到功能振動前主要會受到的應力情況有以下幾方面：

(1) 裝配階段：模塊所用的連接器為VPX連接器，連接器的安裝在所有器件焊接完成之后，且為壓接安裝，不規(guī)范的裝配方式可能對PCB板及其上的器件產生破壞；

(2) 調試階段：在調試階段，需要將模塊安裝在機箱內，模塊為盲插式結構，VPX連接器內部簧片較多，插拔力較大，若模塊設計不合理，多次插拔可能導致應力PCB板變形過大，進而引起器件焊點開裂。

對以上各個階段分別進行排查，對故障進行定位。若上述2個階段的排查無問題，再對故障模塊進行功能振動的分析與測試。

2.1 裝配階段

應力測試時需要在被測點處粘貼應變片，考慮到壓接過程中應變測試難以進行，待PCB板完成主要器件焊接、連接器完成壓接后，對N1、N2、N3和D2的器件進行金相切片檢測，結果顯示焊點正常，如圖5所示。

圖5 裝配完成后模塊焊點情況分布圖

2.2 調試階段

調試階段主要進行的是模塊插拔時的應力測試。對模塊PCB板卡粘貼應變片，應變片的分布如圖6所示。

圖6 故障模塊PCB板應變片分布圖

粘貼完應變片的板卡裝配完成后，將其插入到機箱內，處于自然松弛狀態(tài)，此為測試“零點”，此時應變?yōu)?。

將模塊通過起拔器完全插入機箱，將鎖緊條鎖死，然后松開鎖緊條，再通過起拔器將模塊拔出，處于自然松弛狀態(tài)。記錄上述過程的應變變化情況，各個測試點插拔過程應變情況如圖7所示，各個測試點的絕對最大應變如表1所示。

圖7 各個測試點插拔過程應變變化情況

表1 各個測試點的絕對值最大應變

由表 1可以看出，測試點7為應變最大處，查看其插拔過程應變情況如圖8所示。

圖8 測試點7插拔過程應變變化情況

在IPC/JEDEC-9704A《印制電路組件應變測試指南》中提示，PCB板的最大允許的應變值和應變率與板厚存在一定關聯，其參考曲線如圖9所示，測量值在相應的曲線下方則小于最大許用應變，反之則大于最大許用應變[9]。故障模塊的PCB板板厚為1.86 mm，按圖9可知其最大許用應變在1 100～1 340之間，小于實測的最大應變1 518。因此，調試階段的反復插拔會導致模塊故障。

圖9 最大允許應變值與應變率和板厚關系

3 機理分析

模塊插入機箱時受力情況如圖10所示。

圖10 模塊插入機箱時受力示意圖

模塊插入機箱時，VPX連接器一端會受到來自插座的阻力，殼體上的起拔器一端會受到來自起拔器的推力。上述相反的作用力最終作用到PCB板上，導致PCB板以靠近連接器附近的安裝點為支點產生翹曲變形，使這些安裝點附近的器件焊盤受到較大的應力。模塊鎖緊安裝后，應力并未釋放。調試過程的反復插拔最終導致焊盤開裂。

PCB板在焊盤開裂，受到較大安裝應力的情況下進行振動試驗，會加劇焊盤開裂的程度，最終導致故障現象的發(fā)生。

4 改進措施

根據故障原因和機理分析，對PCB板和模塊結構件進行改進設計。PCB板的改進主要包括以下幾方面：

(1) PCB板厚度從1.86 mm增至2.3 mm；

(2) PCB板重新布局，調整各個器件距安裝孔的距離，增大器件和VPX連接器之間的距離，增加PCB板的安裝孔數量。

模塊結構件的改進設計主要有：

(1) 將殼體的壁厚由1.5 mm增至2 mm；

(2) 增加加強筋和安裝孔的數量，所有安裝孔通過加強筋連接起來，增強安裝孔處的強度；

(3) 殼體深度方向尺寸增大，使殼體和連接器的間隙減小至0.2 mm；

(4) 在蓋板上增加加強筋。

改進前后模塊對比如圖11所示。

圖11 改進前后模塊對比示意

5 驗 證

對改進后的模塊進行插拔應變測試，以驗證改進是否有效。對改進后的PCB板粘貼應變片，如圖12所示。

圖12 改進后PCB板應變片分布情況

模塊裝配完成后，進行插拔應力測試，各個測試點應變變化情況如圖13所示。各個測試點的絕對最大應變如表2所示。

圖13 改進后各個測試點插拔過程應變變化情況

表2 改進后各個測試點的絕對最大應變

由表2可以看出，測試點1為應變最大處，查看其插拔過程應變情況如圖14所示。

由圖13和圖14可以看出，在模塊插入機箱的過程中，應變一直較小，最大應變出現在模塊拔出時，其為瞬時應變。由圖 9可知，模塊最大許用應變?yōu)? 100，大于實測的應變最大值，改進設計可行。

圖14 測試點1插拔過程應變變化情況

6 結束語

通過金相切片檢測技術和應變測試技術對某機載模塊進行故障分析與定位，快速找出了設計不足，對改進后的模塊進行應變測試，驗證了改進方案的可行性。后續(xù)可開展相關仿真工作，通過仿真與實測數據的對比，驗證仿真準確性，并通過不斷修正仿真邊界條件，提升仿真準確性，使前期仿真工作更加準確，在對類似模塊進行設計時，能更加準確地模擬實際情況。