PCBA可靠性测试|振动应力筛选条件的确定

　“振动测试”占据着PCBA可靠性工程的重要地位，本文RASEM小编将从振动频率、轴向、时间定义等方面阐述振动测试对PCBA产品应力的影响规律。

　一、随机振动应力筛选条件

　为了使产品中要重点加以筛选的元部件受到强应力筛选，而又使对振动敏感的关键元部件或响应过大的部位不产生损坏，PCBA加工厂家可适当调整输入振动谱型和量值。要做到这一点，必须事先对产品进行详细的振动调查。　

　即使产品实际使用中不经受任何振动，随机振动一般也是适用的。这是因为环境应力筛选重点考虑的是其把缺陷变成故障的能力，而不管实际使用寿命中这些缺陷如何变成故障。　

　1、随机振动激发出的主要故障模式　

　由随机振动激发出的主要故障模式或影响如下：

　1）结构部件、引线或元件接头产生疲劳；　

　2）电缆磨损、引线脱开、密封破坏及虚焊点脱开；　

　3）螺钉松驰；

　4）安装不当的元器件引线断裂；　

　5）钎焊接头受到高应力，引起钎接薄弱点故障；

　6）元器件引线因没有充分消除应力而造成损坏；

　7）已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。　

　表征随机振动筛选应力的基本参数是频率范围、加速度功率谱密度（PSD）、振动时间和振动轴向。　

　2、筛选强度

　随机振动的筛选强度可按公式计算：　

　SS—筛选强度；

　Grms—实测的振动加速度均方根值，g；　

　t—振动时间，min。

　图1表明了不同振动量值的筛选强度，从图1可以看出，加速度量值越大，筛选效果越好。图中曲线也表明，筛选时间越长，筛选效果越好，随机振动效果相当显著，一般在15min～30min内就能产生最理想的效果。过分延长随机振动时间，不仅不会增加筛选效果，反而可能会引起损伤，一般认为产品经受0.04g2/Hz的随机振动（按图2的谱形），并将振动时间控制在30min以内，不会产生疲劳损伤。当用此谱形按其他量值振动时，其等效时间可按公式计算。　

　t0—等效时间，min；　

　W0—基准振动量值，0.04g2/Hz；　

　W1—实际振动量值，g2/Hz。　

　加速度均方根值、功率谱密度和等效时间的一些对应数值见表1。

　3、随机振动谱　

　典型的随机振动谱见图2，表示在不同频率上的振动量值大小，常常也用频谱的加速度总均方根值来表示随机振动的强度，加速度总均方根值按公式计算求出。　

　式中：

　Grms—加速度总均方根值，g；

　Ai—谱型下各部分面积，i=1，2，3，g2。

　考虑振动频谱和量值时，重的信号应是宽带的，频率范围至少为100Hz~1000Hz左右，以保证在所有时间在连续频率上都施加振动且达到适当的振动谱量值，连续振动时，仅需规定和控制所要求的振动谱量值，但需达到满意的总均方根量值。　

　GJBl032和GJB／Z34中均建议采用图2所示的振动谱或与其等效的随机或合成随机振动作为筛选输入，实践证明，将这些条件作用于单元这一组装等级的电子产品一般都能获得满意的结果，因此可将其作为这类产品的基线振动方案。但图2的谱可能不适用于结构复杂的产品，特别是包含有光电和机电装置的产品。因此，应当设法根据产品特性确定振动应力条件，由于筛选要根据所析出的缺陷类型和数量以及受筛产品交付后现场故障情况进行调整，振动应力有时需要反复进行确定。应当指出，尽管用“输入”来描述筛选应力和控制振动激励，但把缺陷析出的却是受筛产品的内部响应。因此，筛选过程中有必要测量受筛产品内部响应。

　4、持续时间　

　在有关振动筛选持续时间方面，可得到的数据是很少的。典型的筛选是进行10min，而且一些筛选是在产品断电不工作状态下进行的。在这些条件下，不可能确定缺陷何时已发展成故障，间歇故障也将无法找出。

　经验表明，寻找缺陷至少需要5min振动时间，而且基本所有缺陷都是在激励的第一分钟内出现的，这些经验是在使单元在较高（而不是破坏性的）激励量值下工作时获得的，这种现象说明加速激发将能快速地析出缺陷，只要正确确定振动筛选方案，每轴向l0min的随机振动就足以析出大多数缺陷。　

　5、试验轴向　

　原则上，筛选时随机振动一般应在产品的三个轴向上进行，具体进行几个轴向的振动，可依据具体情况按以下方法确定：

　1）如果足够的数据能证明在其他轴向发现的缺陷极少，则可以仅在单一振动轴向上进行有效的振动筛选。把振动限于单一轴向比在各轴依次筛选所需的筛选工作量和安装时间少。然而，任意将筛选限于某一单一轴向（一般是在垂直于电路板平面的方向）可能会限制整个筛选发现缺陷的有效性。决定单轴向激励时，要在三个互相垂直的轴间进行振动调查，确定产品关键部位的响应，以找出最有效轴向，这是保证单轴筛选有效性的重要步骤；　

　2）增加到在两个轴向依次进行筛选将明显提高发现缺陷的能力。然而，任意指定在某两个轴向进行筛选，可能会限制发现缺陷的能力，应当通过振动分析、调查或经验数据来确定这两个轴向。当电路板的布置使其必须在两个轴向振动，以便保证在垂直于特定组件中每个电路板平面的方向上都进行筛选时，选择两轴向筛选是合理的。用振动调查来确定轴向，则是保证二轴向筛选有效性的重要步骤；　

　3）通常情况下，三轴向筛选在发现缺陷方面最为有效，筛选的有效性取决于单元或系统对振动激励的响应。在每一轴向随意施加一个固定的输入会导致过应力或欠应力，因此，理想的筛选是在每一轴向施加根据前述方法导出的每一轴向特有的输入量值，这就能保证在每个轴向的优势频率处有足够的能量去发现大多数预期的缺陷。

　在两个或三个轴向同时激励产品的振动筛选可以满足激励主要响应轴的要求，同时还增加了旋转激励。很明显，其优点是可大大减少筛选时间和安装费用。不过，应对被筛产品进行全面的振动调查，以确定多轴向同时激励是合适的。

　二、正弦振动应力筛选条件　

　正弦振动应力筛选是对受筛产品施加一定频率和幅值的正弦振动，以便PCBA加工厂家发现产品的薄弱环节，按照振动信号的类型，又可分为正弦扫频振动和正弦定频振动。正弦扫频振动中，能依次用一定的时间对产品内要重点加以筛选的元部件的共振频率进行激励，产生共振，但由于不是同时激励，作用时间较短，其筛选效果较随机振动低，存在的问题是不易避开敏感元器件的共振频率。正弦定频振动中，正弦振动的频率和幅值保持不变。

　正弦振动所激发的故障模式与随机振动相同，但激发故障的速度要比随机振动低很多。

　表征正弦振动筛选应力的基本参数为振动频率、加速度峰值、振动时间、振动轴向和扫频速度。

　　1、筛选强度　

　正弦扫频振动筛选强度按公式计算。　

　式中：

　　SS—筛选强度；

　G—单峰加速度量值，g；　

　t—振动时间，min。

　图3为正弦扫频振动应力筛选的筛选强度曲线，将图3中的曲线与图1对比，可以看出用相同时间达到同一筛选强度，正弦扫频振动所需加速度量值要比随机振动大得多，用同样的振动量值达到同一筛选强度，正弦扫频振动所花的时间比随机振动长得多。

　2、应力确定方法

　正弦振动应力的确定方法与随机振动筛选应力的确定方法相类似。