摘要
随着科学技术的急速发展，电子设备的应用范围也更加广泛，除了日常生活使用到的手机、电脑以及移动硬盘等便携电子产品外，在各类车辆中使用的电子设备也越来越多。在生产与使用过程中电子设备会承受高温、振动等不同环境载荷。掌握PCB组件的动态特性可以更好地改善提高电子设备的可靠性，因此研究电子设备在不同环境载荷下的动态特性非常关键。 本文选取车载电子设备中常用的PCB组件为研究对象，以探究PCB组件在不同边界条件下以及不同载荷下的可靠性为研究内容，以寻找随机振动载荷及热循环载荷下焊点的失效规律并进行寿命预测为研究目标，开展了模态实验与理论数值模拟研究，主要研究工作与结论如下： （1）开展了PCB组件的模态实验并建立有效的三维有限元模型。首先采用锤击法对试件进行了三种不同边界条件下（自由状态、短边固定、四角螺栓固定）的模态实验。接着利用ABAQUS软件对试件进行有限元建模并开展模态分析。根据模态实验的结果包括振型与频率校验所建立的有限元模型，对比实验与仿真的结果校核有限元模型，最终建立有效的三维有限元模型，为后续开展PCB组件在随机振动载荷以及热循环载荷下的数值模拟分析奠定基础。基于模态实验和有限元模态分析均发现：三种边界条件下四角螺栓固定的一阶固有频率最高，其前四阶振型以垂直PCB板面的z轴正弯曲为主，z轴方向上的位移和弯曲很大，固定的边界节点约束位置无明显弯曲变形。模态振型随着阶数提高趋于复杂，呈现出弯扭状态。 （2）开展了PCB组件在随机振动载荷下的有限元数值模拟分析。采用基础激励的方法，按GJB150的陆地随机振动试验条件设置加速度功率谱。通过观察四角螺栓固定边界条件下PCB组件的1σ应力应变响应云图，发现危险焊点位于靠近PCB长边且远离边界约束的拐角位置。随机振动过程中危险焊点内的应力应变分布是不均匀的。探究危险焊点的应力应变响应规律，发现薄弱环节位于危险焊点与PCB的接合面部分。基于Steinberg模型预测危险焊点的振动疲劳寿命。数值模拟结果与寿命预测为PCB组件在随机振动作用下的可靠性设计提供了理论依据。 （3）开展了PCB组件在热循环载荷下的有限元数值模拟分析。选取Anand粘塑性本构方程描述焊点在模拟过程中的蠕变特性，热循环温度按美国军用标准ML-STD-883E选定。通过观察PCB组件的应力应变响应云图，发现危险焊点位于BGA封装靠近中心的对角线上。探究危险焊点的应力应变响应规律，发现最大等效应力、最大等效应变均位于危险焊点与芯片的交界处，但不是发生在同一时刻，应力应变的变化情况呈现出迟滞状态。-55℃保温结束后的最大等效应力大于125℃保温结束后的最大等效应力。-55℃保温结束后焊点的等效应变几乎没有变化，125℃保温结束后焊点的等效应变增加。选择修正后的Coffin-Manson模型来预测危险焊点的热疲劳寿命。数值模拟结果与寿命预测为PCB组件在热循坏作用下的结构设计奠定了理论基础。
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