某车载通信设备的抗振优化设计

李崧，黄巍，刘平，张云

(中国电子科技集团第三十研究所，四川成都，610041)

某车载通信设备的抗振优化设计

李崧，黄巍，刘平，张云

(中国电子科技集团第三十研究所，四川成都，610041)

本文通过金相切片分析法查找到印制板线路的物理断裂处，从振动仿真和机理分析得出印制板线路断裂是由于其在使用环境中受到交变应力的长期作用产生的疲劳破坏。对该车载通信设备进行加速度测试试验，表明故障印制板存在共振放大的现象，并从抑制共振放大量级的角度提出了两种优化设计方案，最后通过依靠仿真和试验验证了方案的可行性，电路板共振放大量级大幅衰减，效果显著。

BGA封装；印制线断裂；可靠性；疲劳破坏；振动放大；结构优化

0 引言

某装甲车载通讯设备在整机无减振措施的情况下，通过位于外壳四角处的四颗固定螺栓将设备直接安装于履带式装甲车的车舱内壁，经过长时间高频次的随车训练行驶后，个别设备内部某印制板上BGA芯片焊盘处的印制板线出现了断裂的情况，导致设备工作故障。

通过机理分析、仿真分析以及试验验证等手段对印制板线断裂的原因进行了深入分析，再从技术措施角度提出了两种具体的优化设计方案，并通过仿真分析和试验验证分别得出实施两种方案后的优化效果。

1 故障现象与故障定位

设备设计人员根据故障树对各个可能的故障原因进行了逐一排查，最终将故障原因定位于设备内部某印制板上BGA芯片的功能异常所致。通过采用立体显微镜和金相显微镜对BGA芯片各管脚相连的印制板线进行金相切片分析，发现BGA芯片A2焊盘与印制板通孔相连的印制线出现了裂缝，该裂缝由焊料根部逐渐向下延伸至下方印制线，最终造成印制线贯穿性断裂。裂缝情况如图1、图2所示。印制板线开裂的形成原因疑似与裂缝所在区域在设备的使用过程中受到了较大应力有关。

图1 印制线与焊料的断裂处（垂直视图）

图2 印制线与焊料的断裂处（水平视图）

2 振动环境仿真与故障机理

2.1 振动环境仿真模拟

根据设备的整机结构设计方案，利用力学分析软件Ansys建立了整机的三维几何模型，并按照GJB1032环境应力筛选试验条件，对设备进行振动仿真模拟计算，通过计算结果得出研究目标的最大位移（振幅）和应力值，了解印制板线断裂区域在振动试验频域内（20Hz～2000Hz）的详细振动情况（仅显示机内目标印制板卡的计算结果分布图，后同）。

图3 设备内各印制板最大位移分布图

图4 故障印制板的应力分布图

图5 BGA芯片应力分布图

仿真模拟计算结果显示：

（1）印制板线断裂位置处于故障印制板的位移（振幅）放大区域，如图3。

（2）BGA芯片的A2焊盘位置也处于故障印制板上应力较为集中的区域，如图4。

（3）BGA芯片上的最大应力值发生在A2焊盘的附近位置，应力值为14.6MPa，如图5。

根据仿真计算结果可知，印制线断裂处与A2焊盘均处于振幅放大和应力集中区域，且A2焊盘是BGA芯片上应力最大的位置。另外，A2焊盘处的最大应力值为14.6MPa,小于BGA封装无铅焊料的屈服强度（54Mpa），也远小于印制线材料纯铜的屈服强度（187Mpa）[1]，从理论上分析，瞬态应力不会对焊盘或印制线造成破坏，疲劳破坏的可能性更大。

2.2 断裂机理

装甲车辆在训练行驶时，车内装载的电子设备会持续处于复杂的振动环境之中，此时由车辆振动产生的外界能量激励通过机壳传递到印制板，印制板会在振动激励的方向上发生相应的往复运动，此时印制板本身和印制板上的电装器件都会承受不同程度的交变应力（也称循环应力）。根据材料力学理论可知，任何材料在受到多次重复的交变应力（循环应力）作用后，即便使是应力值低于材料的屈服极限，经过一段时间的作用后，最终也会导致疲劳破坏，交变应力下材料的累积塑性变形是疲劳破坏的主要原因。

由交变应力引起的疲劳失效与静应力引发的强度失效有两个明显区别。

（1）疲劳破坏是材料在工作应力在远低于强度极限甚至低于屈服极限的情况下突然发生的断裂，往往具有突发性。

（2）即使是塑性性能很好的材料在疲劳破坏时也成脆性断裂，断裂前可能无明显的塑性变形。

从振动仿真计算和金相切片分析得知，焊点是在所受交变应力低于无铅焊料屈服强度情况下发生了断裂现象；其次，采用纯铜这种塑性性能很好的金属材料制造的印制线也发生了断裂现象。以上两点都很符合疲劳破坏的两个特征，印证了故障板卡的物理断裂是由于疲劳破坏引起的。另外从振动仿真结果来看，故障板卡的振幅放大区域疑似有共振现象产生（后文将通过实测故障区域的加速度值确定是否存在共振现象）。如果板卡在振动中产生了共振现象，共振区的振幅、应力、加速度等物理参数都会产生数倍甚至一个数量级以上的放大。由于BGA芯片最外围拐角处的A2焊点的等效应力最大，本身即为危险焊点，在交变应力放大后的反复作用下，A2焊点和相连印制线产生疲劳破坏的过程将会加快，更易造成板卡的物理失效。

2.3 加速度实测试验

为了进一步分析故障板卡是否存在共振现象，我们对印制线断裂区域进行了加速度实测试验，根据输入的振动激励加速度值和加速度传感器测得的加速度值进行对比确认。小型加速度传感器固定于A2脚附近的印制板板面，如图6所示。

图6 加速度传感器在故障印制板上的布置图

参考装甲车行驶的典型振动频率（50Hz～500Hz），本次振动试验的测试频域设定为更宽的50Hz～1000Hz，采用正弦扫频的振动方式。振动输入的基准加速度设定为2g。测试结果如图7所示。

图7 加速度实测曲线图

根据加速度曲线图可知，从300Hz加速度开始呈现逐渐放大的趋势，到440.40Hz时达到峰值19.68g，此频率点的加速度值放大了接近10倍，证明故障板卡在装甲车行驶振动频率范围内确实存在共振现象，加剧了交变应力对印制线的疲劳破坏程度。

3 优化改进方案

由于在现实工程设计中，振动激励1:1传递的理想刚性连接是几乎不存在的。因此，我们结合故障机理提出一种优化改进的思路，即通过简单易行的设计方案大幅减小故障板卡在振动环境中的共振放大量级，使故障区域印制线和焊盘受到的交变应力、加速度和振幅都同步明显减弱，从而达到提高故障区域印制线疲劳寿命的目的。

结合该设备的机内结构设计方案和在装甲车内的实际安装情况，我们分别采用了两种具体的改进方案以达到减小共振放大程度的目的。

方案一：在故障板卡共振较严重的区域内增加一个固定约束孔，提高该区域的刚度，减小焊点动态变形量，对共振放大程度起到一定的抑制作用。

方案二：在设备外壳的四只安装耳上分别增加一副橡胶减振垫，提升设备整体的阻尼比值，起到缓冲隔振作用。如图8。

图8 优化方案二改进示意图

4 优化改进效果验证

4.1 振动仿真计算结果

我们根据两种优化方案分别对几何模型进行了修改调整，并重新进行了仿真计算。

采用优化方案一的仿真验证结果：

图9 故障印制板的应力分布图（方案一）

图10 BGA芯片应力分布图（方案一）

采用优化方案二的仿真验证结果：

图11 故障印制板的应力分布图（方案二）

图12 BGA芯片应力分布图（方案二）

仿真计算结果显示，采用两种优化方案BGA芯片的最大应力值（即芯片A2脚处）都有明显的大幅下降，详见表1。

表1 采用优化方案后的仿真计算结果

4.2 加速度实测验证

我们根据两种优化方案分别对两台测试样机进行了设计整改，在达到优化方案的要求后重新做了加速度实测试验。

采用优化方案一的加速度实测结果：

图13 加速度实测曲线图（方案一）

采用优化方案二的加速度实测结果：

图14 加速度实测曲线图（方案二）

加速度实测结果显示，采用两种优化方案后BGA芯片A2脚附近区域的加速度峰值也有了显著降低（详见表2），说明共振放大的程度得到了有效的抑制。

表2 采用优化方案后的加速度实测结果

5 结论

通过采用振动仿真计算和试验测试两种技术手段证明，两种优化改进方案均对故障印制板在使用环境中产生的共振放大起到了显著的抑制效果，但在对故障处疲劳寿命延长的量化评估上还需进一步研究验证。对于处于恶劣振动环境中使用的装甲车载设备，应该在设计方案完成初期引入振动的模态分析、仿真计算等辅助设计手段，了解产品在振动可靠性方面是否存在薄弱环节，再进行有针对性的优化改进。比如，对于印制板在实际使用环境中的参考振动频率范围内存在共振的情况，可以通过增加印制板厚度，优化固定安装孔数量、间距等提高印制板整体刚度的方法，将其固有频率提升到振动参考频率范围以外，最大程度的避免共振的产生。也可以在易于实施的前提下，对设备整体或者对局部进行设计减振设计，降低在共振发生时产生的应力放大程度，延长振动薄弱处的疲劳寿命。另外，考虑到BGA这类微电子封装器件在振动可靠性方面的先天不足，从生产工艺的角度也应采取相应的处理办法。如在BGA芯片完成贴装后选择适合的固化胶沿四周灌封加固，降低焊点所受应力延长疲劳寿命。

[1]邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]王健石.工业材料实用手册[M].北京：中国标准出版社，2003.

[3]严焕斌，吴兆华.随机振动载荷下混装组件焊点的可靠性分析[J].机械工程与自动化，2014,187（6），142-144.

Anti-vibration Optimization Design of a Vehicle Communication Equipment

Li Song，Huang Wei，Liu Ping，Zhang Yun
（The 30th Research Institute of CETC,Chengdu Sichuan,610041）

In this paper, the physical fracture of the printed circuit board is found by the micro-section inspection method From the vibration simulation and the mechanism analysis, the fracture of the printed circuit board is due to the fatigue failure caused by the long-term effect of alternating stress in the environment. The acceleration experiment of the vehicle communication equipment shows that there is resonance amplification phenomenon in the faulty printed circuit board And two optimized design schemes are proposed from the viewpoint of suppressing the magnitude of resonance amplification Finally, the feasibility of the schemes is verified by the simulations and experiments Simulation and experimental results indicate that the resonant amplification of the printed circuit board is greatly attenuated, and the effect is significant

Ball grid array package；PCB line break; Reliability；Fatigue damage；Vibration amplification；Structure optimizing

李崧（1980—），男，工程师，主要研究方向为军用电子装备结构设计。

黄巍（1982—），男，工程师，主要研究方向为军用电子装备结构设计。

刘平 （1981-），男，工程师，主要研究方向为军用电子装备结构设计。

张云（1975-），男，高级工程师，主要研究方向为结构力学仿真设计。