確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法

2023-07-22 08:36:26 1

專利名稱：確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法
技術領域：
本發明涉及一種確定動載下印製板組件中易損元件的封裝方法，尤其是振動載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法。
背景技術：
電子產品已經廣泛服務於航空、航天、航海以及交通、通訊、導航、工業電子、機器人技術等人們生活的方方面面。這些電子產品可能會承受多種不同形式的寬頻帶、多加速度水平的振動載荷作用。例如，手機、導航儀、PDA等手持式日常消費電子產品可能從使用者手中滑落。當這些手持設備跌落或發生碰撞時，它們內部的印製板組件就開始振動，由於集成電路(IC)元件並不像印製板那樣「柔軟」，最終將導致焊點的失效。又如，航空、航天電子設備在使用過程中必定要受到來自載體發動機、外圍空氣等激勵源所導致的正弦振動、隨機振動和瞬態衝擊振動的作用。在上述這些多種形式和加速度水平的振動作用下，電子 設備內部的印製板組件將產生柔性變形，並可能導致電子設備多種形式的失效，甚至破壞。可見，振動是導致電子設備失效的一個重要因素。尤其是在電子設備不斷地向小型化和多樣化發展的今天，印製板組件的結構更加細小，布線密度越來越大，層數越來越多，振動因素對它們的影響已變得更加突出。在電子產品設計過程中對其印製板組件進行疲勞耐久性分析是提高電子產品可靠性、降低失效率的有效方法。但是印製板組件上裝配有數量眾多、大小各異的IC元件，顯然如果不加選擇地對每個IC元件的振動疲勞耐久性進行分析是極不經濟的。為了提高分析的效率，必須從印製板組件上眾多元件中K選出對振動載荷敏感、容易出現損壞的元件來分析其振動疲勞耐久性。當前，確定這些易損元件的途徑主要有兩個一個是，D. S. Steinberg在上世紀80年代提出的以邊長大於25. 4mm (I英寸)作為確定印製板組件中振動易損元件的標準的方法；另一個是，根據已有的類似產品的經驗，利用類比的方法確定新的印製板組件中的振動易損元件。利用D. S. Steinberg的方法確定印製板組件中振動易損兀件，在《Vibration Analysis for Electronic Equipment)) 一書中指出當兀件的尺寸小於25. 4mm (I英寸)時很少會因為振動作用而損壞；當元件的尺寸大於25. 4mm時振動開始引起元件的損壞，但還要依據振動量級和印製板的類型；當元件的尺寸大於50. 8mm(2英寸)時，振動導致的元件損壞將很嚴重。可見，D. S. Steinberg將元件尺寸25. 4mm作為易損元件的閥值。該方法雖然提供了一個確定印製板組件中易損元件的途徑，但是該方法具有以下3個缺陷(I)遺漏了高度尺寸和重量較大的元件。該方法以元件尺寸25. 4mm為判斷易損元件的閥值，但是諸如變壓器等元件的尺寸一般為15_左右明顯小於這個閥值。利用該方法這類元件將不會被劃為易損元件，但是大量的工程實踐表明由於變壓器類元件的質量較大，如不採取加固措施，它很容易由于振動而產生損壞。例如圖3所示的實際應用中印製板組件上在動載作用下發生損壞的元件，該元件的外形尺寸為15_X6_X4mm,顯然現有方法將把圖示元件排除在易損元件之外。
(2)忽略了印製板形狀、固定方式對元件易損性的影響。振動載荷作用下，不同的印製板形狀和固定方式會使印製板組件具有不同的剛度，顯然安裝在不同剛度的印製板上的同一元件對振動載荷的耐受能力也是不同的。該方法僅以尺寸來確定易損元件，顯然是不全面的。(3)忽略了元件在印製板上的位置對元件易損性的影響。由於印製板局部剛度不同，同一元件安裝在同一印製板不同的位置時其振動敏感性也是有所不同的。如果僅用元件的尺寸來判斷其在振動載荷作用下的易損性，顯然也是片面的。利用經驗類比法確定印製板組件中振動易損元件，實際是將新產品與老產品作比較，尋找其共同點，來確定新產品中的易損元件。該方法不足之處在於(I)極大地依賴個人經驗積累，無法對全新的元件做出判斷。
一般情況下，主要依賴經驗來判斷印製板組件中元件振動易損性的方法，會確定幾個可能因振動而損壞的元件，這樣會大幅增加後續分析計算的工作量。此外，如果使用全新的元件，則無法判斷其振動易損性。(2)經驗大都靠個人積累，難以有效地傳承。該方法依賴的經驗大都由個人在工作中積累，個體差別大，難以作為穩定的技術傳承，極易隨著人才流動而流失。現有方法沒有明確地評價標準，只能大致確定印製板組件中可能的幾個甚至更多的易損元件，也不能對這些元件的易損性進行排序。當元件位於印製板上不同的位置時，它是否被模態節線穿過以及被穿過的次數都是不同的。模態節線是結構模態中與平衡位置相比位移為零的點構成的線，在模態節線附近印製板的曲率會發生急劇的變化。曲率的急劇變化將會導致處在該區域的元件承受較大的機械應力的作用，更容易發生損壞。印製板組件的模態節線的分布受到其形狀、固定方式等多種因素的影響，如圖4所示不同形狀、固定方式的印製板組件其模態節線分布不同。

發明內容
為了克服現有技術不能全面考慮影響元件振動易損性因素的缺點，提供一種能夠減少遺漏、有效地擺脫經驗依賴，可以兼顧不同印製板固定方式、不同位置的元件易損性，並對多個元件的易損性進行排序，可以更準確地確定易損元件，利用特徵尺寸閥值與主導模態節線相結合來確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法。為了實現上述目的，本發明提供了一種確定動態載荷作用下印製板組件上易損組件的封裝方法，其特徵在於包括如下步驟(I)利用元件的特徵尺寸閥值粗略確定印製板組件中易損元件的範圍，檢查所確定範圍內各個元件被印製板組件主導模態的節線穿過的次數，引入元件易損性指數P值來評價元件易損性，利用這些數據來分別計算各個元件的易損性指數P，P值最大者為該印製板組件中的振動易損元件；(2)然後，將被封裝元件的長度、寬度和高度3個外形尺寸中數值最大的一個定義為該元件的特徵尺寸L，並且規定該數值最大的特徵尺寸L的閥值為10mm，將L ^ IOmm作為確定易損兀件粗略範圍的依據；
(3)用式(I)基於元件被主導模態節線穿越的次數來計算P值，
Σ P = V
λ ⑴式中，N為主導模態數叫為表明元件是否被主要模態節線穿越的標誌，取值為O或1，0表示未穿越，I表示穿越。本發明與現有技術相比具有以下有益效果本發明利用元件特徵尺寸閥值及其被印製板組件主導模態節線穿越的次數，綜合判斷印製板組件中元件的振動易損性。採用元件的特徵尺寸閥值來粗略確定印製板組件中 易損元件的範圍，檢查所確定範圍內各個元件被印製板組件主導模態的節線穿過的次數，引入元件易損性指數P值來評價元件易損性，綜合考慮了印製板形狀、印製板固定方式和元件的位置等多種因素對元件易損性的影響，較現有技術可以更全面地確定易損元件。本發明以模態節線作為確定元件易損性的主要技術數據，利用元件是否被模態節線穿過來判斷其易損性兼顧了不同位置的元件易損性表現不同的現象。充分考慮了不同形狀、固定方式的印製板組件，模態節線分布不同的情況。本發明引入了元件易損性指數P，並明確了 P值的計算公式，以此來量化確定易損元件。元件易損性指數P的引入為元件的易損性評價明確了具體技術指標，P值計算公式的定義為P值的具體計算提供了方法。與現有方法比較可以更準確地確定易損元件。P擁有具體的數值，通過比較P值可以確定印製板組件中的最易損的元件，使之集中於某一個元件，並且可以對多個元件的易損性進行排序。而現有方法沒有明確的評價標準，也不能進行易損性排序。本發明定義了元件的特徵尺寸L，並且將L ^ IOmm作為確定易損元件粗略範圍的依據，與現有方法技術比較，可以在很大程度上減少遺漏。本發明將元件的長度、寬度和高度3個外形尺寸中數值最大的一個定義為該元件的特徵尺寸L，可以更全面地考慮到元件的3維形狀對其易損性的影響。而現有方法中並沒有特徵尺寸這一定義，其中涉及的形狀尺寸僅包括元件平行於印製板板面的長度和寬度。另外，本發明中以IOmm作為閥值，較現有方法中的25. 4mm具有更寬的範圍，可以在很大程度上減少遺漏易損元件。例如圖2所示在動載作用下發生損壞的元件，現有方法將把圖示元件排除在易損元件之外，而利用本發明方法可以確定該元件的特徵尺寸L = 15mm,將被包含在易損元件之內。使用本發明獲得的益處還在於首先，使用本發明的技術可以準確地確定一個印製板組件上的易損元件，為其耐久壽命分析圈定對象。本發明基於印製板主導模態的節線來定量地計算元件易損性指數P的大小，通過比較P的大小可以準確地將印製板組件中的最易損元件鎖定在某個元件上。這樣在進行印製板組件的耐久性壽命分析時，就只需要針對這個最易損的元件來進行。其次，使用本發明的技術可以極大地節約分析計算工作量，減少對人力和計算資源的佔用。由於本發明以特徵尺寸IOmm作為閥值，並且可以將印製板組件的最易損元件鎖定在某個元件上，大大收窄分析對象的範圍。利用本發明可以大幅度減少印製板組件分析建模的工作量，同時由於分析對象的單一化還可以降低模型的複雜程度，從而減少計算規模、降低對計算硬體資源的要求，減少計算資源和計算時間的消耗，提高效率、節約成本。利用本發明還可以有效地擺脫對人員經驗的依賴，更有利於知識的傳承。本發明引入了元件易損性指數P，並定義了 P值的計算公式，使易損元件的判斷實現了量化。利用計算公式可以方便地確定元件的P值，進而確定易損元件。這就有效地降低了對人員經驗的要求，更有利於知識的傳承。本發明可應用於印製板組件的振動疲勞耐久性的分析和計算。


下面，結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I是本發明基於實驗模態數據的第一個實施例的流程圖。圖2是本發明基於仿真模態數據的第二個實施例的流程圖。圖3是現有技術實際中發生損傷的元件狀態示意圖。
圖4是現有技術不同形狀和固定方式的印製板組件的模態節線圖。
具體實施例方式在以下描述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法實施例中，根據本發明，首先利用元件特徵尺寸閥值及其被印製板組件主導模態節點穿越的次數，綜合判斷印製板組件中元件的振動易損性。利用元件的特徵尺寸閥值來粗略確定印製板組件中易損元件的範圍，進而檢查所確定範圍內各個元件被印製板組件主導模態的節線穿過的次數，然後引入元件易損性指數P值來評價元件易損性。利用主導模態的節線穿過的這些數據來分別計算各個元件的易損性指數P，P值最大者即為該印製板組件中的振動易損元件。元件易損性由印製板組件的主導模態控制。印製板組件的主導模態是指在垂直印製板板面方向上的對印製板組件的響應起主要作用的模態。主導模態的判斷可以通過比較各階模態在垂直印製板板面方向上的模態參與係數來確定。主導模態確定後，就可以畫出主導模態的節線圖，並確定各個元件被其穿越的次數。具體地，用式(I)基於元件被主導模態節線穿越的次數來計算P值。這是本發明不可缺少的技術特徵之一。P =
N(I)式中，N為主導模態數；ai為表明元件是否被主要模態節線穿越的標誌，取值為O或1，0表示未穿越,I表示穿越；印製板組件的模態可以由實驗模態分析方法或仿真模態分析的方法獲得。當採用仿真模態分析獲得印製板組件得模態時，可以將L〈10_的元件忽略。在圖I所示實施例中，基於實驗模態數據來確定易損元件的具體步驟如下基於實驗模態數據來確定易損元件的具體步驟如下(1)實驗模態分析的必要準備工作，如工裝夾具的準備、實驗用到的儀器和設備的校準等；(2)在對印製板組件進行實驗模態分析中，獲得其固有頻率值和模態，利用粗略的仿真計算各模態在垂直板面方向上的參與係數；
(3)用上述仿真獲得的各種模態參與係數確定出主導模態；(4)依據確定的主導模態，畫出主導模態的模態節線圖；(5)同時確定出印製板組件上元件的特徵尺寸L ;(6)將L ^ IOmm的元件劃入易損元件的粗略範圍,把L〈10mm的範圍內的元件忽略；(7)然後結合上述主導模態節線，計算劃入粗略範圍內各元件的P值；(8)對各元件的P值進行比較排序；(9)確定印製板組件中最易損傷的兀件；(10)結束
在圖2所示的另一個實施例中，基於仿真模態數據來確定易損元件的具體步驟包括(I)完成必要的準備工作(2)確定印製板組件中各元件的特徵尺寸L ; (3)將L彡IOmm的元件劃入易損元件的粗略範圍，同時把L〈10_的元件忽略；(4)依據劃入粗略範圍內的易損元件，建立印製板組件的詳細仿真模型；(5)用有限元分析程序計算並獲得印製板組件模態數據；(6)根據模態參與係數確定主導模態；(7)畫出主導模態的模態節線圖；(8)結合主導模態節線計算粗略範圍內各元件的P值；(9)對各元件的P值進行比較排序；(10)確定印製板組件中最易損傷的元件；(11)結束。所述的印製板組件模態數據，包括模態、垂直印製板板面方向的參與係數等。·
權利要求
1.一種確定動態載荷作用下印製板組件上易損組件的封裝方法，其特徵在於包括如下步驟 (1)利用元件的特徵尺寸閥值粗略確定印製板組件中易損元件的範圍，檢查所確定範圍內各個元件被印製板組件主導模態的節線穿過的次數，引入元件易損性指數P值來評價元件易損性，利用這些數據來分別計算各個元件的易損性指數P，P值最大者為該印製板組件中的振動易損元件； (2)然後，將被封裝元件的長度、寬度和高度3個外形尺寸中數值最大的一個定義為該元件的特徵尺寸L，並且規定該數值最大的特徵尺寸L的閥值為10mm，將L ^ IOmm作為確定易損元件粗略範圍的依據； (3)用式(I)基於元件被主導模態節線穿越的次數來計算P值，
2.如權利要求I所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，印製板組件的元件易損性由印製板組件的主導模態控制。
3.如權利要求I所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，印製板組件的主導模態是指在垂直印製板板面方向上的對印製板組件的響應起主要作用的模態。
4.如權利要求I所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，主導模態的判斷通過比較各階模態在垂直印製板板面方向上的模態參與係數來確定。
5.如權利要求4所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，主導模態確定後，就可以畫出主導模態的節線圖，並確定各個元件被模態節線穿越的次數。
6.如權利要求I所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，印製板組件的模態可以由實驗模態分析方法或有限元模態分析的方法獲得。
7.如權利要求6所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，當採用有限元模態分析獲得印製板組件模態時，可以將L〈10_的元件忽略。
8.如權利要求I所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，基於實驗模態數據來確定易損元件的具體步驟包括(1)對印製板組件進行實驗模態分析，獲得其固有頻率值和模態；(2)通過粗略的仿真來計算各模態在垂直板面方向上的參與係數；(3)依據參與係數確定主導模態，畫出主導模態的模態節線圖，確定出印製板組件上元件的特徵尺寸L,將L彡IOmm的元件劃入易損元件的粗略範圍；(4)結合主導模態節線計算範圍內元件的P值，對各元件的P值進行排序；(5)確定印製板組件中最易損傷的元件。
9.如權利要求I所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，基於仿真模態數據來確定易損元件的具體步驟包括(1)確定印製板組件上元件的特徵尺寸L,將L > IOmm的元件劃入易損元件的粗略範圍,依據該範圍建立印製板組件的仿真模型；(3)用有限元分析程序計算印製板組件模態數據，依據參與係數確定主導模態，畫出主導模態的模態節線圖；(4)結合主導模態節線計算範圍內各元件的P值，對各元件的P值進行排序；(5)確定印製板組件中最易損傷的元件。
10.如權利要求9所述的確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，其特徵在於，所述的印製板組件模態數據，包括模態、垂直印製板板面方向的參與係數。
全文摘要
本發明提出的一種確定動態載荷作用下印製板組件中易損元件的封裝方法，旨在提供一種能夠減少遺漏、有效地擺脫經驗依賴，可以兼顧不同位置元件易損性，對多個元件的易損性進行排序，可以更準確地確定易損元件的方法。本發明可以通過以下措施來達到利用元件的特徵尺寸閥值粗略確定印製板組件中易損元件的範圍，檢查所確定範圍內各個元件被印製板組件主導模態的節線穿過的次數，利用這些數據來分別計算各個元件的易損性指數P，P值最大者即為該印製板組件中的振動易損元件；然後，將元件的特徵尺寸L定義為元件的長度、寬度和高度3個外形尺寸中數值最大的一個，規定該特徵尺寸L的閥值為10mm，將L≥10mm作為確定易損元件粗略範圍的依據；基於元件被主導模態節線穿越的次數來計算P值。
文檔編號G06F17/50GK102890738SQ201210374739
公開日2013年1月23日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者任建峰 申請人:中國電子科技集團公司第十研究所