游　藩，李　本，王　強，陳　敏

（解放軍63981部隊，武漢　430311）

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DIP引腳應變分析

游藩，李本，王強，陳敏

（解放軍63981部隊，武漢430311）

摘要：為了研究雙列直插式元件在振動沖擊環(huán)境下的可靠性，首先通過建立其物理模型，利用莫爾積分方法對引腳的變形進行分析，可以得到引腳任意位置的變形量；而后建立元件的實體模型，利用有限元方法對其應力應變進行仿真分析，結果表明在外載荷作用下，引腳是元件的薄弱環(huán)節(jié)，尤其在引腳與其他部位連接位置處易出現(xiàn)應力集中使其應變量較大，導致可靠性降低；最后進行振動沖擊環(huán)境下的應變測量試驗，在30 g的沖擊載荷下，引腳的最大變形量可達66.47×10(-6)，在50 g的沖擊載荷下，引腳的最大變形量可達173.95×10(-6)，在掃頻過程中，當激振頻率為146.48 Hz時，引腳的變形量最大。

關鍵詞：DIP引腳，莫爾積分，有限元，應變

0　引言

DIP（Dual In-line Package）封裝即雙列直插式封裝技術，是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片。它是一種簡單快捷的封裝方式，在中小規(guī)模集成電路上應用比較廣泛，這種封裝由于受工藝的影響，引腳數(shù)目一般不會超過100［1］。

采用這種封裝方式的芯片有兩排引腳，可以直接焊接在有相同焊孔數(shù)的焊位中，承擔著電氣連接和機械連接的雙重重任，其特點是可以很方便地實現(xiàn)PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。但是，由于其封裝面積和厚度都比較大，并且引腳強度較低，很容易損壞，導致可靠性較差。引腳失效將導致整個器件的失效，因此，了解引腳的應變狀況顯得尤為重要［2］。

長期以來，國內(nèi)外學者對表面貼裝器件的三維形態(tài)預測、動態(tài)特性等方面做了大量的研究［3-4］。文獻［5-6］運用有限元和實驗相結合的方法研究了雙列直插式元件在焊接過程中的應力。但到目前為止，在振動條件下對DIP引腳的應變分布等方面的研究還很少。本文以40引腳的塑料包封結構式DIP為研究對象，對其引腳進行應變分析，可為其可靠性分析提供參考。

1物理模型的建立

當引腳焊接到電路板上時，它們的相對傾角不會隨電路板的上下振動而改變。引腳將始終與電路板保持垂直。而且，由于器件本體比引腳要硬得多，引腳在器件本體的引出點處，也將始終與器件本體保持垂直。因而，對DIP引腳建立如圖1（a）所示的簡化模型。其中a段是引腳與芯片主體相連漏至在外的有效長度，（b+c）段是引腳有效懸置長度，M為外部載荷，E為引腳材料的彈性模量，I1、I2、I3分別為三段（橫截面不同）引腳的橫截面對中性軸的慣性矩。

該模型為一個三次超靜定結構。首先解除固定端處的3個多余約束，并以3個多余未知力代替，得到如圖1（b）所示的相當系統(tǒng)。應用式（1）計算正則方程（2）中的3個常數(shù)項和9個系數(shù)。

圖1　DIP元件引腳簡化物理模型

將上述結果代入正則方程，

對于該DIP引腳，

求得，

其中負號表示與物理模型圖中假設的方向相反。該3個多余約束力也就是支座B處的反力。即，

由平衡方程，

得到，

求得支座A、B的支座反力，再利用莫爾積分方法即可求得任一位置的變形量。

2有限元仿真分析

依據(jù)分析對象的實際尺寸及材料參數(shù)，建立DIP芯片有限元［7］模型如圖2所示。其中，器件本體底面粘接到PCB板上，引腳插入焊孔并進行焊接固定。因此，對芯片的約束方式采用芯片本體底面豎直方向位移約束，引腳底部全方向約束，用于模擬引腳焊接固定的情況。

圖2　DIP芯片有限元模型

通過對芯片施加相應的激勵，得到如下應力、應變響應結果，分別如圖3和圖4所示。

圖3　應力分布云圖

圖4　應變分布云圖

從應力應變分布云圖可以看出，應力和應變較大的位置均出現(xiàn)在引腳與本體連接位置以及引腳焊接處，表明在外載荷作用下，引腳是DIP芯片的薄弱環(huán)節(jié)，尤其在引腳與其他部位連接位置處易出現(xiàn)應力集中，導致其可靠性降低。

3試驗分析

為了準確了解DIP引腳在振動沖擊環(huán)境下的應變變化情況，以便進一步了解其振動可靠性，對電路板上的DIP引腳進行應變測量試驗［8-9］。試驗系統(tǒng)示意圖如圖5所示。實物連接圖如圖6和下頁圖7所示。

圖5　應變測量試驗系統(tǒng)示意圖（以沖擊臺為例）

圖6　沖擊下應變測量試驗

圖7　掃頻振動下應變測量試驗

利用測試系統(tǒng)同時采集DIP芯片安裝位置附近PCB表面的動態(tài)應變（ε）以及元器件本體表面的動態(tài)應變（ε'）。將兩組動態(tài)應變響應信號進行濾波放大并求差（Δε=ε'-ε），以獲得元器件引腳的變形（Δε）。電路板上應變片粘貼位置如圖8所示。

圖8　應變片粘接位置局部圖

在沖擊試驗臺分別對激勵水平為30 g和50 g兩種工況進行沖擊試驗，測得DIP引腳的應變響應分別如圖9和圖10所示。

圖9　沖擊加速度為30 g時的應變響應曲線

圖10　沖擊加速度為50 g時的應變響應曲線

由圖可知，在沖擊載荷為30 g時，引腳的最大應變值為66.47×10-6，在沖擊載荷為50 g時，引腳的最大應變?yōu)?73.95×10-6。

在電動振動臺上進行掃頻試驗，振動臺掃頻條件的設置如表1所示，形成的目標譜如圖11所示。

圖11　目標譜

在該條件下，測得DIP引腳變形的時間歷程曲線如圖12所示，對其進行頻域分析后得到如圖13所示的頻譜分析曲線。

圖12　時間歷程曲線（局部）

圖13　頻譜分析曲線（局部）

由圖可知，盡管掃頻過程中的加速度峰值僅為10 g（實際偏?。?，引腳的動態(tài)應變響應峰值卻可達733.35×10-6，比在沖擊臺上激勵水平為50 g時的響應峰值還要高出4倍。另外，從頻譜分析曲線圖中發(fā)現(xiàn)，當激振頻率為146.48 Hz時，引腳應變響應最大。由此可知，盡管掃頻過程激勵幅值較小，但是當激振頻率達到與電路板固有頻率接近時（該約束條件下電路板固有頻率即約為146.48 Hz），電路板會發(fā)生共振導致較大的位移，從而引起芯片引腳較大

的應變。

4　結論

對于DIP引腳，在外載荷作用下，引腳易出現(xiàn)應力集中，是整個器件的薄弱環(huán)節(jié)；通過沖擊實驗發(fā)現(xiàn)，在30 g的沖擊載荷下，引腳的最大變形量可達66.47×10-6，在50 g的沖擊載荷下，引腳的最大變形量可達173.95×10-6；通過掃頻試驗發(fā)現(xiàn)，當激振頻率為146.48 Hz時，引腳的變形量最大，此時激振頻率與電路板固有頻率接近，導致電路板產(chǎn)生較大位移從而引起引腳較大應變。

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The Strain Analysis of The Dual In-line Package Pins

YOU Fan，LI Ben，WANG Qiang，CHEN Min
（Unit 63981 of PLA，Wuhan 430311，China）

Abstract：In order to study the reliability of the Dual In-line Package electronic components in vibration and shock environment.First of all，through the establishment of its physical model，by using the Moore integral method to analyze the deformation of the pins and the deformation at any position can be obtained.Then established the entity model of the electronic components and analyzed its stress and strain by using the finite element method，the results show that the pins is the weakest link element under the external load，especially the connecting position between the pins and the other parts which prone to stress concentration to make the deformation in a large value and reduced its reliability.Finally the strain measurement test of the pins under vibration and shock environment was done，the maximum deformation of the pins can up to 66.47×10(-6)in the impact load of 30 gravitational acceleration，the maximum deformation of the pins can up to 173.95×10(-6)in the impact load of 50 gravitational acceleration，when the excitation frequency is 146.48 Hz，the deformation of the pin has the maximum value in the sweep process.

Key words：dual In-line package pins，moore integral，finite element，strain

作者簡介：游藩（1977-），男，湖南新化人，工程師。研究方向：武器系統(tǒng)動力學。

收稿日期：2015-02-26修回日期：2015-04-25

文章編號：1002-0640（2016）03-0173-04

中圖分類號：TN603

文獻標識碼：A