姜 健，醋強一，張豐華，田 灃，劉治虎

(西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

不同種類、材料的電子元器件通過表面貼裝、通孔安裝等方式安裝到印制電路板(PCB)上。在工作過程中，大多數(shù)的電子線路故障是由于元器件引線或焊點發(fā)生機械故障造成的。近年來，經(jīng)過大量工程試驗和案例已經(jīng)表明：大約有20%的電子線路故障是由于振動和沖擊造成的[1]。因此為了提高電子設備的可靠性，需要對電子設備進行振動分析，以便于更好地指導產(chǎn)品的設計工作。

研究表明，在部分情況下，振動沖擊所引起的疲勞失效甚至會成為焊點的主要失效原因，為了解決這一問題，可采用點膠的方式對芯片進行加固，已達到減小焊點上的應力，提高焊點的可靠性的目的[2]。通過Workbench仿真軟件，針對表貼芯片建立三維模型，在隨機振動條件下，分析其長膠、短膠(中間)、短膠(四角)和無膠四種不同點膠方式對元器件焊腿可靠性的影響。為隨機振動條件下表貼芯片的點膠方式提供理論指導。

1 電子設備結(jié)構形式和有限元模型建模

1.1 電子設備結(jié)構形式

以某機載電子設備中的印制板為例，使用Workbench有限元軟件對典型表貼器件在隨機振動條件下的力學行為進行模擬分析。表貼器件通過管腿與印制板相連接，為保證仿真精度，芯片采用完整模型進行仿真建模，對印制板上的六個安裝孔設置全約束，結(jié)構形式如圖1所示。仿真加載條件為20～2 000 Hz的隨機振動，量值為0.1 g2/Hz。

圖1 電子設備結(jié)構形式

1.2 有限元模型建模

由于該結(jié)構的復雜性，考慮到仿真計算速度的問題，需要對該模型進行合理化的簡化，以保證仿真的高效性和可操作性。簡化操作包括：①忽略印制板上的次要器件，建立主要考核器件模型；②忽略相關結(jié)構件，約束直接施加在螺紋孔內(nèi)壁；③忽略器件上的小圓角等不會對計算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響的特征。按上述原則進行建模，對于四種不同的點膠方式，其模型示意圖見表1所示。

在模型建立過程中，表貼芯片采用陶瓷封裝形式，其彈性模量為370 GPa，泊松比為0.23，密度為2 300 kg/m3；管腿材料為可伐合金，其彈性模量為137 GPa，泊松比為0.35，密度為8 000 kg/m3；點膠材料為環(huán)氧灰膠，其彈性模量為3 GPa，泊松比為0.3，密度為2 000 kg/m3；印制板材料采用FR4，其彈性模量為15 GPa，泊松比為0.28，密度為3 000 kg/m3。

表1四種不同點膠方式示意圖

2 電子設備結(jié)構隨機振動分析

2.1 模態(tài)分析

首先對整體模型的固有頻率進行分析，提取長膠、短膠(中間)、短膠(四角)和無膠四種不同點膠模式下的模型固有頻率，其一階固有頻率依次分別為453 Hz、492 Hz、443 Hz和460 Hz。四種情況下的振型云圖如表2所示。

從結(jié)果中可以看出，不同點膠方式對頻率及振型是存在影響的。在短膠(中間)的情況下，最大變形產(chǎn)生的位置更靠近印制板的幾何中心，而其他三種情況下的最大變形位置則會靠近印制板的左側(cè)。分析固有頻率的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在點長膠和短膠(四角)兩種情況下，印制板整體的一階固有頻率相比于無膠情況下會有輕微的下降(2%左右)。根據(jù)公式:

式中:k為系統(tǒng)剛度，m為組成該系統(tǒng)的質(zhì)量[5]。

從公式中可以看出，在系統(tǒng)質(zhì)量一定的情況下，系統(tǒng)的固有頻率與結(jié)構的剛度成正比。結(jié)合仿真結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)盲目的點膠并不一定能增加系統(tǒng)的剛度，在長膠和短膠(四角)兩種情況下反而會產(chǎn)生相反的效果。

表2四種不同點膠方式振型示意圖

2.2 隨機振動分析

選擇印制板上位置1處的芯片進行應力分析，在長膠、短膠(中間)、短膠(四角)和無膠四種不同點膠模式下，芯片管腿上的最大應力分別為：14.9 MPa、29.3 MPa、13.3 MPa以及13.9 MPa。從結(jié)果中可以看出，芯片的管腿在短膠(中間)的加固方式下，管腿上的應力發(fā)生了成倍的增加。在其余三種加固方式下，管腿上的應力相差不大，差值在1 MPa左右，其中以短膠(四角)這種加固方式最優(yōu)。

2.3 仿真結(jié)果分析

從模態(tài)仿真結(jié)果中可以看出，對印制板上的芯片采用點膠處理，會對印制板的一階固有頻率產(chǎn)生5%

左右的影響。其中，短膠(中間)這種加固方式對結(jié)構的剛度影響最大，其振型與其他三種方式不同，最大形變位置更靠近印制板的幾何中心位置。文中選取了位置1處的芯片最為主要考核對象，從隨機振動的結(jié)果中可以看出，短膠(中間)情況下芯片管腿上的應力最大，這可能是由于位置1處的芯片離印制板上最大變形處的距離較近，較大的變形導致了管腿上的應力變大。其他三種情況下，位置1處的芯片離印制板最大變形位置較遠，因此管腿上的應力較小。

3 結(jié) 論

以某機載電子設備中的印制板為例，分析了印制板上芯片在不同點膠情況下管腿上應力的大小。盲目的對芯片進行點膠加固是不科學的，例如文中位置1處(印制板幾何中心偏上)的芯片在短膠(中間)這種情況下，管腿上的應力遠大于無膠的情況。對于位置1處的芯片，采用短膠(四角)這種方式明顯更好。因此，在芯片的點膠加固設計中，需要結(jié)合芯片在印制板上的具體位置，進行初步分析之后，再選擇相應的點膠工藝，從而真正起到對芯片的加固效果，提高芯片的可靠性。

參考文獻:

[1] Steinberg D S. Vibration analysis for electronic equipment[M].New York: John Wiley & Sons，Inc，2000.

[2] Meyyappan K, Mcallister A, Kochanowski M, et al. Effects of Glue on the Bend Performance of Flip Chip Packages[J]. IEEE Transactions on Components & Packaging Technologies, 2008, 31(3):670-677.

[3] 郭建平，任 康，楊 龍，等.基于MSC. Fatigue 的電子設備隨機振動疲勞分析[J].航空計算技術，2008，38(4):48-50.

[4] 梁震濤，徐德好，李玉峰，等.直升機載設備安裝架的隨機振動分析[J].電子機械工程，2009，25(5):21-24.

[5] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結(jié)構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2005.