Выпуск #3/2013
В.Ланин, В.Парковский
Конструкции электронных модулей. Оценка устойчивости к механическим воздействиям
Конструкции электронных модулей. Оценка устойчивости к механическим воздействиям
Просмотры: 2200
Применение в современных электронных модулях крупногабаритных выводных компонентов большой массы (электролитических конденсаторов, дросселей, силовых электронных узлов) снижает надежность изделия из-за появления разрушительных для компонентов низкочастотных резонансов. Ускоренные технологические испытания на электродинамических стендах позволяют своевременно выявлять слабые места конструкции электронного модуля и принять меры к повышению надежности устройств.
Теги: electronic modules reliability testings vibration strength вибропрочность испытания надежность электронных модулей
В процессе эксплуатации радиоэлектронная аппаратура и ее составные части – электронные модули подвергаются воздействию механических нагрузок, в частности, вибрационным воздействиям. Под действием веса установленных крупногабаритных компонентов печатные платы (ПП, несущие элементы модулей) прогибаются. При выполнении операций сборки в платах могут также накапливаться остаточные механические напряжения. В этих случаях физическое состояние конструкции несущего элемента определяется его статическими характеристиками: жесткостью, прочностью и уровнем статических деформаций.
В отличие от статических, динамические характеристики конструкции проявляются только в процессе испытаний. К ним обычно относят собственную частоту элементов конструкции, их механическую добротность, амплитуду перемещений, скорость и ускорение составных элементов конструкции и т.д. Для оценки параметров механических воздействий применяют измерители перемещения, скорости и ускорения. Современные вибростенды позволяют измерять все эти параметры одновременно. В современных электронных модулях кроме поверхностно-монтируемых компонентов (SMD) все еще используются крупногабаритные выводные компоненты – электролитические конденсаторы, мощные дроссели, импульсные источники питания, трансформаторы и т.д. Применение компонентов, обладающих существенной массой, усложняет процесс проектирования электронных модулей, поскольку необходимо избежать резонансов конструктивных элементов в диапазоне низких частот.
Причинами отказов и нарушений функционирования аппаратуры из-за механических воздействий могут быть обрывы проводников и межсоединений в ПП, нарушение паяных, клеевых и сварных соединений, отрывы элементов и т. д. Как правило, в момент возникновения резонанса амплитуда вибрации и ускорения в определенной области ПП увеличивается в десятки раз по сравнению с амплитудой в точках крепления. Наряду с резонансами несущих конструкций могут наблюдаться резонансы отдельных элементов. Однако чаще всего под воздействие резонансных частот попадают именно несущие конструкции (ПП и массивные электронные узлы), поскольку масса электронных компонентов мала и их собственные резонансные частоты лежат за пределами частотных диапазонов вибраций, воздействующих на аппаратуру.
Основная причина возникновения механических повреждений – напряжения, возникающие в области монтажа компонента и непосредственно на его выводах. Максимальное механическое напряжение в корпусе SMD-компонента при изгибе платы (рис. 1) можно определить как [1]:
, (1)
где EК – модуль упругости компонента;
hК – толщина компонента;
R'К – эквивалентный радиус изгиба системы корпус SMD–плата.
, (2)
где J – момент инерции;
МК – изгибающий момент компонента; (EJ)∑ – суммарная жесткость SMD и паяного соединения:
, (3)
где (EJ)К – жесткость корпуса;
(EJ)П – жесткость паяного соединения.
Момент инерции для конструктивного элемента прямоугольного сечения равен:
, (4)
где b – ширина элемента; h – высота.
Поскольку компонент монтируется непосредственно на поверхность ПП и жестко крепится к ней с двух сторон припоем, можно предположить, что изгибающий момент в области пайки равен изгибающему моменту платы (MПЛ ≈ МЭ).
, (5)
где RПЛ – радиус аппроксимированной окружностью формы изгиба:
, (6)
где a – длина изгибающегося участка платы; ξ – стрела прогиба (амплитуда колебаний платы).
Механическое напряжение, возникающее в выводном компоненте (рис. 2), определяется как [1]:
, (7)
где МИ – изгибающий момент; W – момент сопротивления изгибу поперечного сечения электродного вывода:
, (8)
где d – диаметр вывода компонента.
Переменная сила, приложенная к элементу равна:
, (9)
где Fm = ma; m – масса компонента; a – вибрационное ускорение.
В точках А и Б сечения, максимально удаленных от нейтральной оси в материале электродного вывода, возникают знакопеременные растягивающие и сжимающие механические напряжения. Используя выражение (7), определим механическое напряжение, возникающее в сечении АБ вывода компонента:
, (10)
где l – длина вывода компонента.
Учитывая значение момента сопротивления изгибу, получим:
. (11)
Опыт показывает, что при значительных переменных напряжениях после определенного числа циклов нагружения может наступить поломка электродного вывода. Таким образом, для поверхностно монтируемых компонентов на величину возникающих напряжений влияет прогиб платы в области пайки, а для выводных компонентов – ускорение знакопеременного механического воздействия.
В современной инженерной практике широко распространены специализированные комплексы, использующие конечно-элементные и конечно-разностные алгоритмы для анализа конструкций и решения прикладных задач механики. Один из таких комплексов – SolidWorks simulation (приложение программы SolidWorks), позволяющий моделировать механические воздействия на конструкцию электронных модулей.
В техническом задании на плату источника питания (рис.3а), предназначенного для преобразования напряжения 28 В в 5 В с максимальным током 10 А, было задано необходимое условие стойкости модуля к воздействию вибрации в диапазоне частот от 50 до 700 Гц при перегрузке 6g в течение 24 ч.
Поэтому на стадии проектирования по стандарту PC-104 для анализа реакции конструктива на механические воздействия была создана его модель в пакете SolidWorks (рис.3б), которая позволила рассчитать резонансные частоты в заданном диапазоне и оценить амплитуды воздействующих вибраций. В результате анализа были выявлены четыре резонансные частоты, возникающие в различных областях ПП.
Наиболее критичной была резонансная частота 182 Гц, поскольку на ней возбуждается область платы, на которой установлены поверхностно-монтируемые компоненты и силовые дроссели, выход из строя которых приведет к прекращению подачи питания потребителю.
Для увеличения жесткости модуля и смещения резонансной частоты в более высокую область была спроектирована армирующая рама (рис.4).
Ее применение позволило добиться снижения амплитуды вибрации ПП до 0,2 мм и повышения резонансной частоты до 400 Гц. После завершения цикла проектирования электронный модуль прошел испытания на вибропрочность по методикам, изложенным в [3, 4] (рис.5).
В процессе испытаний были определены резонансные частоты. Наиболее критичной была частота 250 Гц, резонансная область которой совпала с областью, полученной в процессе моделирования. Перемещения в данной области составили 1,5 мм, а перегрузка 210g (рис.6).
В момент проявления резонанса на частоте 250 Гц перегрузка в резонансной области достигала 200g, что в 33 раза выше заданного значения. В процессе испытаний методом качающейся частоты через 3 ч оборвались выводные силовые дроссели, а через 7 ч – выводной электролитический и поверхностно-монтируемый танталовый конденсаторы, находящиеся в области воздействия резонансной частоты. Таким образом, после завершения проведения испытаний модуль не прошел функциональный контроль.
По номограмме на рис. 7 [2] можно рассчитать количество циклов, которые могли выдержать выводные силовые дроссели. Учитывая, что масса дросселя составляет 10 г, длина выводов 10 мм, диаметр 1 мм, а материал выводов – медь, по формуле (11) получили допустимое механическое напряжение, равное 61 МПа. Из номограммы следует, что при этом напряжении количество циклов, которое может выдержать вывод дросселя до разрушения, равно 3∙107.
Помимо явных неполадок и дефектов также были обнаружены трещины паяных соединений поверхностно-монтируемых силовых дросселей, которые привели к нарушению электрического контакта с ПП (рис. 8).
По формуле (1) было рассчитано механическое напряжение, возникающее в выводах танталового конденсатора, установленного в области воздействия резонансной частоты. Поскольку толщина компонента при его жесткости много больше толщины и жесткости припоя, можно сделать вывод, что основное напряжение, возникающее в процессе деформации платы, концентрируется в области монтажа, а не в самом компоненте.
Рассчитанное напряжение 480 МПа намного больше предела текучести припоя ПОС 61, что объясняет причину разрушения паяного соединения поверхностно-монтируемого компонента в области воздействия резонансной частоты.
При повторных испытаниях модуля с армирующей рамой дефекты не были обнаружены, и электронный модуль прошел функциональный контроль. Амплитуда колебаний в момент возникновения резонанса снизилась до 0,2 мм, перегрузка до 100g, а резонансная частота повысилась до 450 Гц (рис. 9).
Таким образом, с помощью моделирования воздействия переменной механической нагрузки на электронный модуль на этапе разработки были определены слабые места модуля. Жесткость конструкции была увеличена с помощью армирующей рамы, за счет чего повысилась резонансная частота и снизилась амплитуда перемещения ПП в момент резонанса.
Литература
Каленкович Н.И., Фастовец Е.П., Шамгин Ю.В. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств. – Минск: Выш. шк., 1989.
Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник, ч.1. – Киев : Наукова Думка, 1987.
Ланин В.Л., Парковский В.В. Оценка вибропрочности монтажных соединений в электронных модулях. – Технологии в электронной промышленности, 2013, №2, с.30–32.
Межгосударственный стандарт ОСТ 30630.1.2-99. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие вибрации.
Алямовский А.А., Одинцов Е.В., Собачкин А.А. SolidWorks 2007-2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. – С.-Петербург, 2008.
В отличие от статических, динамические характеристики конструкции проявляются только в процессе испытаний. К ним обычно относят собственную частоту элементов конструкции, их механическую добротность, амплитуду перемещений, скорость и ускорение составных элементов конструкции и т.д. Для оценки параметров механических воздействий применяют измерители перемещения, скорости и ускорения. Современные вибростенды позволяют измерять все эти параметры одновременно. В современных электронных модулях кроме поверхностно-монтируемых компонентов (SMD) все еще используются крупногабаритные выводные компоненты – электролитические конденсаторы, мощные дроссели, импульсные источники питания, трансформаторы и т.д. Применение компонентов, обладающих существенной массой, усложняет процесс проектирования электронных модулей, поскольку необходимо избежать резонансов конструктивных элементов в диапазоне низких частот.
Причинами отказов и нарушений функционирования аппаратуры из-за механических воздействий могут быть обрывы проводников и межсоединений в ПП, нарушение паяных, клеевых и сварных соединений, отрывы элементов и т. д. Как правило, в момент возникновения резонанса амплитуда вибрации и ускорения в определенной области ПП увеличивается в десятки раз по сравнению с амплитудой в точках крепления. Наряду с резонансами несущих конструкций могут наблюдаться резонансы отдельных элементов. Однако чаще всего под воздействие резонансных частот попадают именно несущие конструкции (ПП и массивные электронные узлы), поскольку масса электронных компонентов мала и их собственные резонансные частоты лежат за пределами частотных диапазонов вибраций, воздействующих на аппаратуру.
Основная причина возникновения механических повреждений – напряжения, возникающие в области монтажа компонента и непосредственно на его выводах. Максимальное механическое напряжение в корпусе SMD-компонента при изгибе платы (рис. 1) можно определить как [1]:
, (1)
где EК – модуль упругости компонента;
hК – толщина компонента;
R'К – эквивалентный радиус изгиба системы корпус SMD–плата.
, (2)
где J – момент инерции;
МК – изгибающий момент компонента; (EJ)∑ – суммарная жесткость SMD и паяного соединения:
, (3)
где (EJ)К – жесткость корпуса;
(EJ)П – жесткость паяного соединения.
Момент инерции для конструктивного элемента прямоугольного сечения равен:
, (4)
где b – ширина элемента; h – высота.
Поскольку компонент монтируется непосредственно на поверхность ПП и жестко крепится к ней с двух сторон припоем, можно предположить, что изгибающий момент в области пайки равен изгибающему моменту платы (MПЛ ≈ МЭ).
, (5)
где RПЛ – радиус аппроксимированной окружностью формы изгиба:
, (6)
где a – длина изгибающегося участка платы; ξ – стрела прогиба (амплитуда колебаний платы).
Механическое напряжение, возникающее в выводном компоненте (рис. 2), определяется как [1]:
, (7)
где МИ – изгибающий момент; W – момент сопротивления изгибу поперечного сечения электродного вывода:
, (8)
где d – диаметр вывода компонента.
Переменная сила, приложенная к элементу равна:
, (9)
где Fm = ma; m – масса компонента; a – вибрационное ускорение.
В точках А и Б сечения, максимально удаленных от нейтральной оси в материале электродного вывода, возникают знакопеременные растягивающие и сжимающие механические напряжения. Используя выражение (7), определим механическое напряжение, возникающее в сечении АБ вывода компонента:
, (10)
где l – длина вывода компонента.
Учитывая значение момента сопротивления изгибу, получим:
. (11)
Опыт показывает, что при значительных переменных напряжениях после определенного числа циклов нагружения может наступить поломка электродного вывода. Таким образом, для поверхностно монтируемых компонентов на величину возникающих напряжений влияет прогиб платы в области пайки, а для выводных компонентов – ускорение знакопеременного механического воздействия.
В современной инженерной практике широко распространены специализированные комплексы, использующие конечно-элементные и конечно-разностные алгоритмы для анализа конструкций и решения прикладных задач механики. Один из таких комплексов – SolidWorks simulation (приложение программы SolidWorks), позволяющий моделировать механические воздействия на конструкцию электронных модулей.
В техническом задании на плату источника питания (рис.3а), предназначенного для преобразования напряжения 28 В в 5 В с максимальным током 10 А, было задано необходимое условие стойкости модуля к воздействию вибрации в диапазоне частот от 50 до 700 Гц при перегрузке 6g в течение 24 ч.
Поэтому на стадии проектирования по стандарту PC-104 для анализа реакции конструктива на механические воздействия была создана его модель в пакете SolidWorks (рис.3б), которая позволила рассчитать резонансные частоты в заданном диапазоне и оценить амплитуды воздействующих вибраций. В результате анализа были выявлены четыре резонансные частоты, возникающие в различных областях ПП.
Наиболее критичной была резонансная частота 182 Гц, поскольку на ней возбуждается область платы, на которой установлены поверхностно-монтируемые компоненты и силовые дроссели, выход из строя которых приведет к прекращению подачи питания потребителю.
Для увеличения жесткости модуля и смещения резонансной частоты в более высокую область была спроектирована армирующая рама (рис.4).
Ее применение позволило добиться снижения амплитуды вибрации ПП до 0,2 мм и повышения резонансной частоты до 400 Гц. После завершения цикла проектирования электронный модуль прошел испытания на вибропрочность по методикам, изложенным в [3, 4] (рис.5).
В процессе испытаний были определены резонансные частоты. Наиболее критичной была частота 250 Гц, резонансная область которой совпала с областью, полученной в процессе моделирования. Перемещения в данной области составили 1,5 мм, а перегрузка 210g (рис.6).
В момент проявления резонанса на частоте 250 Гц перегрузка в резонансной области достигала 200g, что в 33 раза выше заданного значения. В процессе испытаний методом качающейся частоты через 3 ч оборвались выводные силовые дроссели, а через 7 ч – выводной электролитический и поверхностно-монтируемый танталовый конденсаторы, находящиеся в области воздействия резонансной частоты. Таким образом, после завершения проведения испытаний модуль не прошел функциональный контроль.
По номограмме на рис. 7 [2] можно рассчитать количество циклов, которые могли выдержать выводные силовые дроссели. Учитывая, что масса дросселя составляет 10 г, длина выводов 10 мм, диаметр 1 мм, а материал выводов – медь, по формуле (11) получили допустимое механическое напряжение, равное 61 МПа. Из номограммы следует, что при этом напряжении количество циклов, которое может выдержать вывод дросселя до разрушения, равно 3∙107.
Помимо явных неполадок и дефектов также были обнаружены трещины паяных соединений поверхностно-монтируемых силовых дросселей, которые привели к нарушению электрического контакта с ПП (рис. 8).
По формуле (1) было рассчитано механическое напряжение, возникающее в выводах танталового конденсатора, установленного в области воздействия резонансной частоты. Поскольку толщина компонента при его жесткости много больше толщины и жесткости припоя, можно сделать вывод, что основное напряжение, возникающее в процессе деформации платы, концентрируется в области монтажа, а не в самом компоненте.
Рассчитанное напряжение 480 МПа намного больше предела текучести припоя ПОС 61, что объясняет причину разрушения паяного соединения поверхностно-монтируемого компонента в области воздействия резонансной частоты.
При повторных испытаниях модуля с армирующей рамой дефекты не были обнаружены, и электронный модуль прошел функциональный контроль. Амплитуда колебаний в момент возникновения резонанса снизилась до 0,2 мм, перегрузка до 100g, а резонансная частота повысилась до 450 Гц (рис. 9).
Таким образом, с помощью моделирования воздействия переменной механической нагрузки на электронный модуль на этапе разработки были определены слабые места модуля. Жесткость конструкции была увеличена с помощью армирующей рамы, за счет чего повысилась резонансная частота и снизилась амплитуда перемещения ПП в момент резонанса.
Литература
Каленкович Н.И., Фастовец Е.П., Шамгин Ю.В. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств. – Минск: Выш. шк., 1989.
Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник, ч.1. – Киев : Наукова Думка, 1987.
Ланин В.Л., Парковский В.В. Оценка вибропрочности монтажных соединений в электронных модулях. – Технологии в электронной промышленности, 2013, №2, с.30–32.
Межгосударственный стандарт ОСТ 30630.1.2-99. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие вибрации.
Алямовский А.А., Одинцов Е.В., Собачкин А.А. SolidWorks 2007-2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. – С.-Петербург, 2008.
Отзывы читателей
