某電子設(shè)備隨機振動故障分析

王崇哲，劉杰，程皓月

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的使用環(huán)境日益嚴峻，為保證產(chǎn)品的可靠性，需要早期對電子設(shè)備開展環(huán)境應(yīng)力篩選試驗，及時篩選剔除質(zhì)量不合格的產(chǎn)品。振動應(yīng)力作為環(huán)境篩選試驗主要應(yīng)力之一[1-2]，外部的振動環(huán)境很容易導(dǎo)致元器件發(fā)生失效破壞，如電子線路的短路或斷路、接插件松動等。據(jù)統(tǒng)計，軍用彈載電子設(shè)備中，由振動環(huán)境引起的設(shè)備失效約占29%，因此產(chǎn)品早期一般進行低量級的振動篩選試驗，排除早期故障。根據(jù)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的固有特性，錯誤的振動夾具設(shè)計選取，將會導(dǎo)致振動試驗中某些頻段出現(xiàn)過應(yīng)力考核，從而導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障[3-4]。

對于電子設(shè)備，小尺寸的試驗件可以采用壓板或連接孔直接和振動臺相連接；中等尺寸的電子設(shè)備，一般需要設(shè)計振動夾具，通過轉(zhuǎn)接方式固定到振動臺上[5-6]；對于較大的電子設(shè)備，由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)和振動夾具的固有頻率接近，往往會導(dǎo)致振動應(yīng)力篩選試驗中出現(xiàn)問題[7-11]。吳瓊瑤等[12]詳細分析了設(shè)備失效機理，提出應(yīng)力篩選試驗?zāi)転樵O(shè)備的可靠性提供重要保證。魏英魁等[13]則針對振動試驗問題開展了研究，并以某具體設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選故障為例，分析總結(jié)了不同解決方法的優(yōu)缺點。魏威等[14]同樣從某設(shè)備振動故障失效著手分析，深入探討了常見的3種故障情況，分別給出合理的修改建議，使振動試驗風險得到有效降低。在振動環(huán)境試驗中，往往出現(xiàn)由于振動夾具設(shè)計不當，造成電子設(shè)備所受振動量級過大，從而發(fā)生失效。有學(xué)者認為，通過合理地布置控制點，采取關(guān)鍵部位安裝傳感器監(jiān)測等方法，可以有效地避免試驗件過考核和欠考核等現(xiàn)象發(fā)生[15-17]。在此基礎(chǔ)上，司中柱等[18]還考慮了傳感器安裝方法對振動試驗造成的影響，同時分析得出電子模塊產(chǎn)品在振動試驗過程中，最少需要布置3個控制點方能保證試驗的精度。

文中所介紹的某電子設(shè)備在z方向（垂直設(shè)備平面方向）隨機振動環(huán)境篩選試驗過程中，5套產(chǎn)品發(fā)生故障，無信號輸出，故障定位于電路印制板上焊盤損傷脫落，從而使得信號輸出異常。文中以此為研究對象，開展隨機振動有限元仿真，對故障失效機理進行定位分析，給出設(shè)備失效的原因：即振動夾具與電子設(shè)備共振，造成設(shè)備出現(xiàn)過考核，從而發(fā)生失效破壞。在此基礎(chǔ)上，使用設(shè)備真實所受振動量級為輸入，通過有限元仿真得到失效模式，并開展故障復(fù)現(xiàn)試驗，進一步驗證失效機理分析的正確性，最后改進振動試驗夾具，并提出相應(yīng)的改進措施，避免類似故障再次發(fā)生，為后續(xù)的振動環(huán)境應(yīng)力篩選試驗提供一定的借鑒參考。

1 機理分析

1.1 初步分析

對發(fā)生故障的印制板進行初步分析，螺釘固定點較多，如圖1中圓點所示。從其他型號設(shè)備（印制板面積、螺釘數(shù)量及安裝位置相似）的成功設(shè)計經(jīng)驗判斷，該結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，無明顯薄弱部位。分析其試驗夾具（如圖2所示），認為存在如下幾點問題： 該試驗夾具為螺接式結(jié)構(gòu)，相比較平時采用的焊接式結(jié)構(gòu)，整體剛度較低；在試驗過程中，振動夾具采用壓板方式與試驗臺連接，且緊固螺桿高度較高，無法完全有效固定；振動試驗控制點布置在振動臺面上，振動夾具較高，且受試設(shè)備固定位置也較高，有可能產(chǎn)生振動放大問題。

圖1 螺釘位置 Fig.1 The position of screws

圖2 振動試驗夾具 Fig.2 The fixture for vibration test

初步分析認為螺釘布置合理，在環(huán)境篩選試驗相對較低的振動量級下，電子設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)失效破壞，同時發(fā)現(xiàn)振動夾具存在設(shè)計缺陷，可能導(dǎo)致電子設(shè)備在振動過程中受到過量級考核。因此接下來一方面對設(shè)備進行有限元仿真，計算設(shè)備的固有頻率及在理想功率譜密度譜線下的振動激勵響應(yīng)；另一方面，測試振動夾具實際輸出的功率譜密度譜線，了解夾具的動力學(xué)特性，與有限元仿真對比分析，查找故障出現(xiàn)的原因。

1.2 有限元仿真分析

綜合考慮仿真計算效率及模型準確度等因素，對電子設(shè)備進行部分簡化，僅保留腔體、印制電路板（PCB）和5個芯片，考慮有限元網(wǎng)格劃分問題，對模型圓角部分均進行適當簡化處理，簡化后的有限元模型如圖3所示。坐標系設(shè)置z方向為垂直模型平面方向。PCB通過電路板表面螺釘孔固定到腔體上，芯片內(nèi)集成電路引出焊腳，通過焊接方式與PCB連接固定，整個模型由四周螺釘完全固定，模型邊界條件設(shè)置為腔體對外安裝螺釘點采用固支約束，PCB與腔體使用MPC約束模擬螺栓連接，芯片與PCB通過Tie綁定。在模型簡化的基礎(chǔ)上，采用適應(yīng)性較好的六面體單元C3D8R對模型進行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格總量為133 169個，節(jié)點數(shù)為216 242個。各部件材料的力學(xué)性能見表1。

表1 各部件材料的力學(xué)性能 Tab.1 The material mechanical properties of each part

圖3 簡化模型 Fig.3 The diagram of simplified model

1.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和對應(yīng)的基本變形模式，可用于評估系統(tǒng)的振動特性，其計算結(jié)果是其他動態(tài)分析的基礎(chǔ)。使用Frequency模態(tài)分析模塊，獲取模型前十階模態(tài)，取最主要的前兩階 模態(tài)變形情況（如圖4所示），固有頻率分別為853 Hz和1047 Hz?？梢钥吹剑O(shè)備無整體變形，主要表現(xiàn)為PCB局部變形，且變形較大部位位于螺釘布置點稀疏的區(qū)域。這是由于此處PCB受約束較弱，變形相應(yīng)較大?？梢娔Ｐ驼w剛度性能較好，無明顯薄弱環(huán)節(jié)。

圖4 前兩階模態(tài)變形云圖 Fig.4 Deformation of the first and second modes: a) first mode; b) second mode

1.4 振動分析

針對模型開展z向隨機振動分析，邊界條件為模型四周螺釘安裝孔固支，使用Random response模塊?；谀Ｐ颓笆A模態(tài)，阻尼系數(shù)取0.02，對模型沿z方向施加隨機振動，隨機振動頻率范圍為20～ 2000 Hz，功率譜密度譜如圖5所示。

圖5 隨機振動功率譜密度譜 Fig.5 The PSD of random vibration

由圖6a仿真結(jié)果可看出，z方向隨機振動激勵下，設(shè)備最大均方根（RMISES）應(yīng)力為7.3 MPa，3Sigma應(yīng)力取均方根應(yīng)力的3倍，即為22 MPa，小于焊接強度40 MPa，滿足結(jié)構(gòu)承載需求。從圖6b也 可以看到，最大變形位于PCB螺釘布置稀疏區(qū)域，模型整體無較大變形，最大變形為0.05 mm，在結(jié)構(gòu)設(shè)計容許變形的范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。綜上分析，在該振動量級下設(shè)備不會發(fā)生失效破壞。

圖6 均方根應(yīng)力及位移變形情況 Fig.6 The deformation of RMISES stress and displacement: a) the deformation of RMISES stress; b) the deformation of displacement

2 過考核失效分析

2.1 夾具振動響應(yīng)測試

為了進一步驗證設(shè)備在振動過程中所處的真實力學(xué)環(huán)境，分別對夾具上設(shè)備固定孔處的響應(yīng)進行測 試，4個安裝點位置如圖7所示。測試得到P1—P4測點各階模態(tài)頻率，取前三階模態(tài)匯總于圖8?？梢钥吹?，設(shè)備前兩階固有頻率分別為853 Hz和1047 Hz，與振動夾具的2、3階頻率相近（如圖8中兩條豎線所示），導(dǎo)致共振現(xiàn)象發(fā)生[19]，使設(shè)備所受振動激勵被放大。由圖8中還可以看出，測點受到的能量輸入遠高于理論輸入值，表明設(shè)備在試驗過程中遭受了過考核，因此導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生失效破壞。

圖8 P1—P4測點頻率 Fig.8 The frequency of the measuring point P1—P4

綜上所述，由試驗夾具振動響應(yīng)測試可以看到，試驗夾具2、3階固有頻率與設(shè)備的前兩階頻率重頻，共振現(xiàn)象導(dǎo)致隨機振動激勵被放大，對設(shè)備造成過考核，從而引起設(shè)備失效。

2.2 設(shè)備過考核有限元仿真

根據(jù)2.1節(jié)試驗夾具振動響應(yīng)測試，得到設(shè)備實際所受振動激勵如圖9通道3譜線所示，通道1和通道2為振動臺控制點，僅作對比參考。由通道3的譜線可明顯看到，輸出量級遠遠超過輸入容差范圍，電子設(shè)備所受振動考核完全超過理想考核量級標準。

圖9 實際測得PSD曲線 Fig.9 The actual measured curve of PSD

以通道3譜線為輸入，開展設(shè)備有限元仿真分析，仿真得到設(shè)備應(yīng)力變化情況如圖10所示。由圖10中橢圓框部分可以看到，芯片左上角區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為17.3 MPa，3Sigma應(yīng)力為 52 MPa。由于此處通過焊接方式固定，焊接強度僅為40 MPa，因此模型應(yīng)力水平超過了焊接強度承載極限，導(dǎo)致焊點處強度不夠，焊盤脫落發(fā)生失效。

圖10 模型應(yīng)力分布云圖 Fig.10 The stress distribution of model

3 故障復(fù)現(xiàn)

取同一批次完好電子設(shè)備，安裝在原試驗夾具上進行z向隨機振動試驗。試驗夾具由壓板固定在試驗臺上，試驗臺輸出振動應(yīng)力傳遞至試驗夾具，設(shè)備腔體通過四周螺釘固定在夾具上，振動應(yīng)力經(jīng)腔體傳遞至PCB。由于共振導(dǎo)致振動應(yīng)力放大，實際作用于PCB的振動應(yīng)力已遠超試驗臺輸出應(yīng)力水平。記錄振動過程中響應(yīng)譜，設(shè)備中間部位和安裝點處的均方根加速度分別為26.13g和9.73g，超出試驗允差。試驗完畢后，測試發(fā)現(xiàn)設(shè)備信號異常，解焊器件檢查印制板，焊點情況如圖11所示。對比正常焊點，可以明 顯看到，失效焊點焊盤脫落，電子設(shè)備發(fā)生故障。

圖11 電子設(shè)備焊點失效情況 Fig.11 The failure point of electronic equipment

為進一步驗證是由于振動夾具與設(shè)備共振，使設(shè)備過考核發(fā)生破壞，改進設(shè)計了一套新的振動夾具如圖12所示。夾具采用焊接成形，相比較之前螺接夾具，剛度得到有效提高，其一階頻率超過受試設(shè)備的一階固有頻率3倍，確保不會發(fā)生共振[20-21]。受試設(shè)備通過螺釘固定在夾具側(cè)板上，試驗夾具與振動臺通過5個螺釘固定，連接更為可靠緊固，振動應(yīng)力能有效傳遞給受試設(shè)備。此外，受試設(shè)備上布置控制點，通過反饋控制設(shè)備所受振動量級，其振動載荷不會被過度放大。

圖12 改進后振動試驗夾具 Fig.12 The improved fixture of vibration test

取同一批次完好設(shè)備，固定在改進后夾具上開展z向隨機振動試驗，記錄振動時的響應(yīng)譜，均方根加速度為5.81g，功率譜密度在低頻擬合較好，符合試驗允差要求。設(shè)備經(jīng)隨機振動試驗測試后，未出現(xiàn)故障，檢查印制板，未發(fā)現(xiàn)焊盤、印制線損傷或裂紋現(xiàn)象，與有限元仿真結(jié)論保持一致。綜上所述，由于試驗夾具設(shè)計不合理，振動量級放大，導(dǎo)致設(shè)備焊點脫落，故障得以復(fù)現(xiàn)。在改進試驗夾具后，設(shè)備在隨機振動載荷下未發(fā)生故障，進一步證明故障是由于試驗夾具與設(shè)備共振造成的。

4 整改措施

通過試驗對比驗證，改進后的振動試驗夾具設(shè)計合理可靠，對完成早期篩選剔除前提下的設(shè)備元器件、焊點等沒有損傷。因此后續(xù)產(chǎn)品采用改進夾具進行隨機振動環(huán)境篩選試驗，并將該要求在產(chǎn)品規(guī)范中進行明確。

后續(xù)振動試驗夾具設(shè)計過程中，須提前開展有限元仿真試驗，分析力學(xué)薄弱點，確定固有頻率范圍，保證設(shè)備環(huán)境篩選試驗振動響應(yīng)低于設(shè)計極限值。

5 結(jié)論

文中以某電子設(shè)備隨機振動環(huán)境篩選試驗故障為研究對象，開展了失效機理分析，采用Abaqus有限元仿真擬合得到了設(shè)備的模態(tài)及應(yīng)力分布，驗證了設(shè)備本身設(shè)計無缺陷。通過與振動夾具的固有頻率對比分析，定位故障原因為夾具和電子設(shè)備發(fā)生共振導(dǎo)致應(yīng)力過考核，并采用有限元仿真驗證過考核條件下設(shè)備焊點達到承載極限。后續(xù)開展故障復(fù)現(xiàn)試驗，再現(xiàn)了焊點脫落的失效模式，并針對夾具設(shè)計缺陷進行了改進。改進后，順利完成了電子設(shè)備的振動應(yīng)力篩選試驗。整個研究過程條理清晰，完成了故障機理分析與整改，該研究成果對隨機振動環(huán)境篩選試驗夾具的設(shè)計具有一定的參考價值。