CN111665009A - 一种元器件焊接耐振动寿命计算方法 - Google Patents

一种元器件焊接耐振动寿命计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种元器件焊接耐振动寿命计算方法，解决现有元器件焊接耐振动寿命方法存在一定局限性的问题，该方法可以更加全面并高效的计算各种约束印制板上不同封装器件的焊接振动寿命。该方法包括：步骤一、获取印制板许用正应变对应的振动次数N1；步骤二、计算印制板许用正应变；步骤三、获取印制板的振动应变；步骤四、获取器件的焊接振动寿命。

Description

一种元器件焊接耐振动寿命计算方法
技术领域
本发明属于电子设备机械结构领域，具体涉及一种元器件焊接耐振动寿命计算方法。
背景技术
如图1所示，现有的元器件耐振动评估方法如下：在随机振动条件下，当周边支撑印制板关注器件部位的最大3σ单振幅动态位移Z受公式(3)限制时，可以预期元器件能在随机振动环境中达到大约2x107次应力交变疲劳寿命；在正弦振动条件下，当周边支撑印制板关注器件部位的最大单振幅动态位移Z受公式(3)限制时，可以预期元器件能在正弦振动环境中达到大约1x107次应力交变疲劳寿命；
Figure BDA0002504386090000011
式中：
B1-平行于器件的印制板边长，mm；
L-元器件长度，mm；
h-PCB厚度，mm；
C-元器件封装常数，见表2；
r-元器件在PCB上的相对位置因子，见表3；
表2不同类型器件的常数C
Figure BDA0002504386090000012
Figure BDA0002504386090000021
表3器件位置因子r
r 器件位置
1.0 器件处在PCB中心(1/2X和1/2Y点)
0.707 器件处在四边支撑PCB的1/2X和1/4Y点
0.5 器件处在四边支撑PCB的1/4X和1/4Y点
该方法通过各种封装器件的焊接振动试验数据得到印制板振动允许最大位移经验公式，通过元器件在印制板位置的耐振动位移计算元器件振动寿命。但是，此方法有以下不足：其一，此方法只适用四边固定的安装方式，对于三边固定印制板或中间有安装点的印制板不适用；其二，此方法无法识别约束孔附近振动位移小但有应力集中的问题；其三，此方法对BGA器件只有一种经验常数，但不同封装材料BGA器件的耐振动能力有差异。因此，该方法使用有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是解决现有元器件焊接耐振动寿命方法存在一定局限性的问题，提供一种元器件焊接耐振动寿命计算方法，该方法可以更加全面并高效的计算各种约束印制板上不同封装器件的焊接振动寿命。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：
一种元器件焊接耐振动寿命计算方法，包括以下步骤：
步骤一、获取印制板许用正应变对应的振动次数N1；
在随机振动条件和正弦振动条件下，通过封装元器件的焊接振动试验数据，得到印制板许用正应变对应的振动次数N1；
步骤二、计算印制板许用正应变；
Figure BDA0002504386090000031
式中：
ε1-印制板许用正应变；
B2-平行于器件的印制板安装孔间距，mm；
L-元器件长度，mm；
C-元器件封装常数；
步骤三、获取印制板的振动应变；
通过有限元仿真分析方法，计算印制板在实际安装环境的振动应变，获取关注元器件安装区域内的最大3σ正应变ε2；
步骤四、获取元器件的焊接振动寿命；
根据步骤三获取的正应变ε2，通过公式(2)计算正应变ε2对应的元器件振动次数N2，该元器件振动次数N2即为元器件的焊接振动寿命；
Figure BDA0002504386090000032
式中，N1-印制板许用正应变对应的振动次数。
进一步地，步骤一中，在随机振动条件下，N1为2x107，在正弦振动条件下，N1为1x107。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
本发明提供一种元器件焊接耐振动寿命计算方法，该方法采用印制板的振动正应变判断元器件振动寿命，该方法可以识别印制板上约束位置附近应力集中对器件的影响，可以识别各种约束边界条件对器件振动寿命的影响，补充完善了各种封装BGA器件的经验常数，提高了器件耐振动评估的全面性和效率。
附图说明
图1为现有元器件耐振动评估方法示意图；
图2为印制板约束点间距与印制板振动变形的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明在已有元器件焊接耐振动位移经验公式基础上，发现其公式局限性，从而得到一种依靠印制板振动应变计算各种封装元器件焊接振动寿命的方法，此方法可以计算常见封装元器件焊接在印制板上不同部位的耐振动寿命情况。
本发明元器件焊接耐振动寿命计算方法可以在不引入器件详细模型的条件下，通过计算印制板振动应变，判断印制板上不同部位各种封装器件的振动寿命，此方法可以识别印制板上安装孔应力集中对器件的影响、可以识别各种约束边界条件对器件振动寿命的影响，补充完善了各种封装BGA器件的经验常数，提高了器件耐振动评估的全面性和效率。
本发明方法包括元器件焊接耐振动应变判据、印制板振动应变的计算和器件焊接振动寿命估。该方法通过元器件焊接耐振动应变判据，得到关注器件在一定振动交变次数下的最大应变水平；通过印制板实际安装环境的振动应变，得到关注器件区域的实际应变数据；通过元器件焊接振动寿命计算公式得到关注器件实际应变水平对应的振动交变疲劳寿命。
本发明提元器件焊接耐振动寿命计算方法具体包括以下步骤：
步骤一、获取印制板许用正应变对应的振动次数N1；
元器件焊接耐振动应变判据，在随机振动条件下，当印制板关注器件部位的最大3σ正应变受公式(1)限制时，可以预期元器件能在随机振动环境中达到大约2x107次应力交变疲劳寿命；在正弦振动条件下，当印制板关注器件部位的最大正应变受公式(1)限制时，可以预期元器件能在正弦振动环境中达到大约1x107次应力交变疲劳寿命；
步骤二、计算印制板许用正应变；
Figure BDA0002504386090000051
式中：
ε1-印制板许用正应变；
B2-平行于器件的印制板安装孔间距，mm；
L-元器件长度，mm；
C-元器件封装常数，见表1；
表1不同类型器件的常数C
C 封装类型
0.75 适用于轴向引线的通孔或表贴器件
0.75 适用于四角固定的小间距表贴器件
1.0 适用于标准双列直插式封装(DIP)
1.0 适用于底面引线阵列通孔器件PGA
1.26 适用于任何底部两排平行引线的器件
1.26 适用于有旁焊引线的双列直插式封装(DIP)
1.26 适用于表贴陶瓷封装飞翼引线或J型引线器件
2.25 适用于无引线陶瓷芯片载体(LCCC)
1.1 适用于塑料封装球栅阵列(PBGA)
1.75 适用于陶瓷封装球栅阵列(CBGA)
1.75 适用于陶瓷封装植柱阵列(CCGA)
步骤三、印制板振动应变的计算方法，；
通过有限元仿真分析方法，计算印制板在实际安装环境的振动应变，获取关注元器件安装区域内的最大3σ正应变ε2；
步骤四、器件焊接振动寿命估方法；
根据步骤三获取的正应变ε2，通过公式(2)计算正应变ε2对应的元器件振动次数N2，该元器件振动次数N2即为元器件的焊接振动寿命；
Figure BDA0002504386090000061
式中：
ε1-印制板许用正应变；
N1-印制板许用正应变ε1对应振动次数，随机振动为2x107，正弦振动为1x107。
现有位移公式适用印制板四边约束条件，靠近印制板中心振动位移最大的部位，元器件振动寿命最低，不适用其他约束方式，如四点约束、三边约束等。当元器件靠近安装孔时，振动位移接近0，从位移公式分析元器件寿命应该很大，但安装孔附近应力集中对元器件会产生损伤。
本发明通过计算印制板振动应变，判断印制板上不同部位各种封装器件的振动寿命，可以识别印制板上安装孔应力集中对器件的影响、可以识别各种约束边界条件对器件振动寿命的影响。如图2所示，印制板振动对元器件的影响原理为：印制板弓曲使得元器件焊点受到外力作用，而印制板曲率半径ρ与弯曲正应变的关系为
Figure BDA0002504386090000062
h为印制板厚度，而
Figure BDA0002504386090000063
B为印制板约束点间距，Z为印制板振动变形。
本发明方法建立正应变ε和振动变形Z之间的关系，结合公式3，即可通过印制板的弯曲正应变ε来判断对元器件的损伤，弯曲正应变可以识别各种约束条件的振动变形和安装孔应力集中问题。
本发明方法还补充完善了各种封装BGA器件的经验常数：BGA器件有陶瓷封装(CBGA)、塑料封装(PBGA)，焊点有低铅、高铅、无铅、植柱等差异，其各自的耐振动表现均不相同，不能用同一个经验系数来计算其振动寿命，通过仿真试验，修正完善了各种其他封装BGA器件的经验系数。

Claims (2)

1.一种元器件焊接耐振动寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取印制板许用正应变对应的振动次数N1；
在随机振动条件和正弦振动条件下，通过封装元器件的焊接振动试验数据，得到印制板许用正应变对应的振动次数N1；
步骤二、计算印制板许用正应变；
Figure FDA0002504386080000011
式中：
ε1-印制板许用正应变；
B2-平行于器件的印制板安装孔间距，mm；
L-元器件长度，mm；
C-元器件封装常数；
步骤三、获取印制板的振动应变；
通过有限元仿真分析方法，计算印制板在实际安装环境的振动应变，获取关注元器件安装区域内的最大3σ正应变ε2；
步骤四、获取元器件的焊接振动寿命；
根据步骤三获取的正应变ε2，通过公式(2)计算正应变ε2对应的元器件振动次数N2，该元器件振动次数N2即为元器件的焊接振动寿命；
Figure FDA0002504386080000012
式中，N1-印制板许用正应变对应的振动次数。
2.根据权利要求1所述的元器件焊接耐振动寿命计算方法，其特征在于：步骤一中，在随机振动条件下，N1为2x107，在正弦振动条件下，N1为1x107。
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