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童子军王彭伊·黄金·郑元庆宗
（北京力量环境研究所）
概括：
为了对典型的仪器和设备结构进行压力分析和生活评估研究，使用工程算法和有限元分析方法在公共包装管和壳的热环境中进行压力分析，而微观的数字图像相关技术是用于完成焊接接头的热应变。场测量验证了计算模型的准确性和准确性。最后，使用了蠕变应变寿命评估模型和剪切应变寿命评估模型来评估焊料关节寿命，并且设计了CQFP68包装管和壳的温度周期测试，以验证是否已经实现了计算方法的可行性以及在热环境下针对板级仪器和设备的相对完整的生活评估和测试验证技术。
0简介
武器系统的实际和信息化与工具和设备的环境适应性和可靠性密切相关。仪器和设备采用了传统的环境设计方法。与强度设计方法不同，它更多地取决于统计概率的概念，而不论故障模式和故障机制如何。随着计算力学，测量方法和方法的发展，在复杂系统（例如仪器和设备）的建模和测量技术方面取得了长足进展。基于强度的设计方法已用于外国仪器和设备的开发。 。例如，基于失败的物理学，大量研究工作是在国外进行的。在1990年代，美国罗马实验室的可靠性手册为电路板的固定接触提供了各种故障模型，并开始研究工具和设备的有限元建模方法。在此基础上，印刷板的有限元建模在1992年总结了五种解决方案。在21世纪初期，分析了各种负载环境中电子组件的响应。在实验方面，外国在1980年代对包装电子板的微型信息研究采用了光学方法，主要分析了热力学可靠性问题。在1990年代初期，开始使用阴影云模式方法来测量电子包装（BGA，PCB，TBGA等）的热变形。
本文首先在电路板的热环境下介绍了电路板的应力分析方法钢结构寿命，然后使用工程算法和有限元分析方法来评估公共包装管和壳的焊接关节寿命。最后，CQFP68包装管和管的温度周期测试旨在验证计算方法的可行性。已经形成了一套相对完整的板级仪器设备的生活评估和测试验证技术，并且最初是在热环境中的故障物理模式预测，压力寿命评估和测试验证能力配备了。
1压力分析技术在热负荷环境下
1.1工程算法
包装结构的应力水平主要源自变形配位方程和平衡方程。包结构的典型变形图如图1所示。
设备的位移是由变形的两个部分的叠加产生的，第一部分是由设备本身的热膨胀引起的，第二部分是由连接到其连接的焊料的力引起的。当PCB的热膨胀系数大于设备的热膨胀系数时，会发生拉动变形，反之亦然，会产生压力变形。根据平衡方程，可以获得焊点的力：
其中αP，LG，AP和EP分别是PCB的热膨胀系数，长度，横截面区域和弹性模量； P S是焊接关节的剪切力； HS是焊接关节的高度； A是焊接区域； G s是焊接接头的剪切模量； αC是设备的热膨胀系数； E C是设备的弹性模量； C是设备的横截面区域； ΔT是温度变化。
获得力后，进一步获得了焊料关节的应力，并根据SN曲线对寿命进行评估。
1.2有限元计算分析方法
以典型的CQFP68软件包为例，计算模型如图2所示。结构具有对称性，并且在有限元模型中应用了两个对称边界条件。施加的温度循环载荷为-60〜150℃，升高和冷却速率为10℃/min，高温绝缘时间为30分钟，低温绝缘时间为30分钟。
由于每个组件的线性膨胀能力不同钢结构寿命，它会导致不一致的变形，这会导致结构的锡铅焊料在温度循环负载的作用下产生大的非弹性应变（主要是蠕变应变），并且最大的非弹性应变出现在上面边圆角焊接接头。随着锡铅焊料的温度周期的增加，结构应力水平将逐渐增加，应变会累积蠕变。
2在热负荷环境下用于焊接关节应变的全场测量技术
2.1基于微观数字图像相关性（Micro-DIC）的焊料关节热应变的全场测量技术
数字图像相关性（DIC）是一种非接触，无损，全场位移和应变测量方法。基于图像相关的原理，将斑点表面的斑点场用作变形载体，以跟踪同一斑点变形前后的位置变化，并获得点的位移信息。通过计算所有斑点，如图3所示，获得了斑点表面的完整场位移，可以从位移测量值得出DIC应变测量值。
使用与数字图像相关的测量技术实现了微尺度的变形测量，并分为两个部分进行测试：
a）微纳米斑点产生：首先，在测试片上测试的区域表面上涂上黑色颜料（可以在测试后擦掉）进行抗反射处理；同时，在要测试的零件的测量区域中，使用微纳米高温氧化钴和二氧化锆颗粒是均匀的微力吸附剂，而微纳米斑点的产生和抗反射治疗是完全的。
b）测试设备：考虑到测试件很小，CCD摄像头用于在加热测试件之前和之后获取斑点图像。测试件的加热是通过用高精度微滤光点仪表修饰的小加热炉完成的。测试设备如图4所示。
2.2焊接关节应变的全场测量技术
为了验证有限元模型计算的准确性，使用Micro-Nano Speckle技术测量焊接接头处的热应变。在测量过程中，在20°C以下的室温下收集样品的表面图像作为参考图像。将温度升至150°C，并在每10°C每10°C收集样品表面图像作为变形图像。当温度为80°C时，焊接接头处X方向的应变云图如图5所示。通过计算和测试在不同温度下在焊接接头处获得的拉伸和压缩应变曲线如图6所示。从图6中，计算和实验规则基本相同，并且验证了计算模型的正确性和准确性。
3焊料联合生活评估模型
提出的焊料关节疲劳的主要模型可以分为：基于压力的疲劳模型，基于塑料应变的疲劳模型，基于蠕变应变的疲劳模型，基于能量的疲劳模型，基于损害的疲劳模型基于断裂力学等的疲劳模型和疲劳模型。以上模型反映了一定范围内的焊料关节疲劳定律。在本文中，根据故障模式和焊接接头的变形特性选择了两个常用的生命评估模型。
a）根据蠕变应变寿命模型：
b）根据剪切应变模型：
4热疲劳测试和电子显微镜观察结果的焊料关节损伤和损坏的结果
为了验证理论分析的正确性，本文形成的仿真计算和本构模型，设计了典型的CQFP封装电路板结构并进行了热疲劳测试。将电路板在恒温器中循环一段时间后，将其从恒温器中取出并观察到电子显微镜下的裂纹。图7显示了40个循环在-60〜150℃的温度环境下40个循环后，在CQFP68软件包中的电路板的检测结果。从图7中可以看出，当地的皱纹已经开始出现，拐角处的焊缝将破裂，并且该位置的焊缝中间是完整的。图8a显示了50个周期后的结果，裂缝已经出现在一些销钉上，中间位置仍然完好无损。因此，可以判断在温度周期载荷-60〜150°C下，陶瓷管壳的寿命约为50倍。图8b显示了在-45〜75℃温度环境下220个周期后，CQFP68包中电路板的检测结果。从图8b来看，销钉中有裂缝，角落的大多数销钉都皱了皱。
5。电路板的热疲劳寿命评估和测试验证结果的统计分析
表1显示了不同包装形式的环境负载下CQFP的寿命统计数据。从表1可以看出，通过理论分析方法预测的典型董事会级设备的寿命和有限元仿真分析方法具有良好的一致性测试结果。由于测试和计算是所选的典型包装结构，并且PCB板上只有一个组件，因此结构相对简单，因此计算精度相对较高。同时，通过实验和计算模拟的负载环境都是关于底部疲劳的，并且寿命分散相对较小。可以在随后的工作中进一步验证这些方法在文本中的实际工程中的应用。
6结论
本文使用分析方法和有限元模拟数值方法来对典型仪器和设备结构进行压力分析和生活评估研究。使用平衡方程，几何方程，组成型方程和变形配位方程进行理论推导，并获得了焊接接头的热应力，并根据SN曲线评估结构寿命。有限元方法用于分析和研究温度循环载荷对各种包装形式的作用下的应力。响应难以收集微型图像的问题，难以产生具有高对比度和高粘附性的显微镜斑点，并且难以抑制半球形焊接接头的反射，本文开发了适用于微功能的微型装置测量和预防。反射微观斑点的生产技术。通过在要通过测试件测试的区域中创建高对比度的抗反射微尺度斑点，使用显微镜DIC测试系统与显微镜结合来测量电路板焊接接头附近的微米尺度区域的变形，验证计算模型性别和准确性的正确性。最后，列出了两个常用的疲劳寿命模型，并评估了典型包装电路板的疲劳寿命。通过实验检查和检测方法验证了上述分析方法。最后，我们掌握了典型仪器和设备结构的热环境中的疲劳寿命评估和测试验证技术方法。它已经实现了在典型仪器和设备的热环境中进行生活评估和测试验证的能力。
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