空军航空大学初级飞行训练基地第四训练团 辽宁锦州 121000
摘要：基于惯性释放的准静态疲劳计算法简单快捷，因此在汽车领域得到广泛应用，但这种方法无法考虑动态响应造成的疲劳损伤，对门盖等易产生振动部件的疲劳损伤计算精度不高。针对某车型在整车耐久路试过程中发动机罩铰链加强板焊点开裂问题，采用模态瞬态法计算疲劳损伤，成功复现并最终解决发动机罩焊点开裂的问题。采用模态瞬态法进行疲劳计算，能较好地预测焊点振动疲劳开裂问题，为其他项目类似问题的解决提供参考，也为后续新项目的开发提供新的方法和思路。
关键词：模态瞬态法;准静态法;焊点;开裂;振动;疲劳
引言
电装工艺的优劣直接影响印制电路板组件的质量及可靠性，在电子器件或电子整机的所有故障原因中，约７０％以上为焊点失效造成，特别是，无铅元器件－有铅焊料的混装技术较为复杂，相比于传统有铅工艺，具有更高的焊接峰值温度和更窄的工艺窗口，此外，混合焊料较宽的熔点范围、较差的润湿能力和较高的弹性模量等特征也给混装工艺电子装备的质量和可靠性带来了隐患。由于混装工艺不当，可能会出现各种工艺缺陷，如虚焊、冷焊、枕头效应、低熔点合金相富集、桥连等。
1微观分析工具
在微观组织分析过程中，扫描电镜、能谱仪和透射电镜是进行材料分析不可缺少的工具。扫描电子显微镜是微米级、亚微米级尺度表面形貌观察的最常用工具，可以获得优秀的样品表面形貌像和成分像，能谱仪则用于定量定性分析晶相微观组织的元素组成和分布。透射电子显微镜可以实现纳米级分辨率，而位错是晶体材料内部常见的一种纳米级微观缺陷，利用透射电镜对材料进行位错研究，能够有效区分有位错存在的区域和正常晶相区域，形成优秀的衬度反差像，这是利用透射电镜观察位错、晶相等微观组织结构的基本原理。
2开裂原因分析
在汽车行驶过程中，各部件会受到交变载荷作用产生疲劳损伤。基于惯性释放的准静态疲劳计算方法具有简便快捷的优点，当激励载荷的频率与结构的最低阶模态固有频率相差较大时，结构应力与激励载荷之间是线性对应关系，因此基于惯性释放的准静态疲劳计算方法对于没有动态响应的车身耐久性能计算精度比较高。但是，当激励载荷的频率与结构的某阶模态固有频率比较接近时，结构会产生较强的共振，此时结构应力与激励载荷之间不再是线性对应关系，基于惯性释放的准静态疲劳计算方法无法考虑共振成分，因此计算精度降低。
3焊点失效分析技术
无损检测技术主要有光学显微镜、电子显微镜、x射线探测器、超频、激光全日制检测和红外传感器，既可用于电子封装，也可用于表面检测和内部误差检测。x射线技术将特性异常转化为钎焊形式，例如b.空洞、裂缝等。，有效地研究了二维x射线检测或三维分离层检测。超声下位识别可通过亮度表征钎焊接头裂纹的产生和扩展。激光全文检测是对任何形状和曲面的三维焊接面的非固有测量，它在开放焊接点处生成带有圆形干涉条纹或碰撞条纹的畸变位移图，并与声发射监测系统一起准确确定接缝点的位置。红外辐射无损检测具有较高的灵敏度，可用于焊缝质量检测。它适用于检测细裂纹、锈蚀和层切面。
3.1基于能量的焊缝疲劳强度预测模型
疲劳能量模型主要基于焊缝应力应变能计算应变能或每周期应变能密度，从而计算疲劳强度。有两种主要方法:使用经验方程进行直接预测。另一种方法是预测焊缝出现裂纹时的周期数，根据断裂力的内容计算裂纹扩展速度，确定裂纹超出整个焊缝点时发生的周期数，并最终将焊缝疲劳强度[33]相加。第一种方法是Akay模型，第二种方法是darveaux模型。这些模型考虑到应力和应变的影响，部分是对应变模型的补充和改进。特别是对于复杂的应力和延迟曲线，更容易确定累积损伤的大小。
3.2焊点疲劳寿命计算
为了计算加速寿命试验下的焊点寿命，至少应有５０％的焊点失效，但是，由于在温度循环加速试验过程中，ＢＧＡ焊点均未失效，故不能直接套用威布尔概率图的方法计算预测焊点的疲劳寿命。因此，寿命预计工作只能参考标准ＧＥＩＡ－ＳＴＤ－０００５－３—２００８《宇航级高可靠产品无铅焊点性能测试方法》［９］中加速因子的估算方法来进行预计，即加速因子仅与温度差和疲劳韧性指数ｃ有关系。温度差越大，加速因子越大。
3.3以断裂力学为基础的焊点疲劳寿命预测模型
根据断裂动力学估算熔接接合的疲劳强度，主要是根据透过计算裂纹的累积和延伸损伤来预测预期寿命的中断参数。常见的模型是巴黎模型和j集成模型。这些模型考虑了材料的电压降和结构损坏对疲劳强度的影响。但是，存在一些限制，因为必须假定裂纹存在于形成处，焊接接头的疲劳强度不包括裂纹形成前的寿命。
4优化方案
优化工艺后的寿命板的ＢＧＡ焊点（位号Ｕ４０１）在温度循环加速试验条件下的热疲劳寿命均＞１ ０００ｃｙｃｌｅｓ。２）根据电装行业相关寿命模型估算，优化工艺后的寿命板的ＢＧＡ焊点（位号Ｕ４０１）在实际使用条件下的热疲劳寿命均＞１ ０００ｃｙｃｌｅｓ。３）针对工艺优化后的印制板组件，参考ＩＰＣ９７０１Ａ—２００６标准中表面贴装电子产品分类以及最恶劣使用环境，按照军用级别中１年运行１００ｃｙｃｌｅｓ来进行测算，该印制板组件的焊点疲劳寿命为１０年，达到预先设定的ＩＰＣ－Ａ－６１０Ｅ电子组件的可接受中３级产品可靠性要求。
由于整车状态下模态瞬态法疲劳计算用时较长，而振动疲劳问题一般与部件某阶模态相关，因此先从模态应变能的角度初步优化铰链加强板结构和焊点分布，再用模态瞬态法疲劳计算方法在整车模型中对焊点疲劳损伤进行验证，以提高优化效率。采用模态瞬态法疲劳计算方法计算整车状态下发动机罩的焊点疲劳损伤，使用高性能服务器完成一轮计算需要5～6h，而以相同的计算资源计算发动机罩模态只需要10min左右，根据模态应变能的分布情况对结构进行迭代优化的方法可显著提高优化的工作效率。目前，对铰链加强板结构和焊点排布的优化主要是采用以经验为主、模态应变能为辅的方法，最终的优化方案并不一定是最优方案，也不是唯一方案，如何找到性价比最高的最优方案是下一步工作的重点。
用模态瞬态法疲劳计算方法验算发动机罩优化方案焊点的疲劳损伤。焊点最大疲劳损伤值为4．4×10－2，远小于焊点疲劳损伤目标值1，优化方案的焊点疲劳寿命约为优化前的250倍，因此可认为此优化方案的疲劳损伤安全系数较高，满足目标要求。
结束语
综上所述，由于焊点的应力应变难以测量，只能通过仿真计算的方式获得，且疲劳寿命的研究涉及到材料力学、热力学、振动力学、疲劳理论等多领域，无法准确描述实际疲劳寿命。对焊点可靠性预测的准确性取决于对材料特性、几何变量、焊点质量、膨胀失配和操作条件等不确定性的正确处理。一般可以通过实验结果校正模型或拟合参数来提高预测的准确度。此外，随着封装技术的发展，焊点的形态预测以三维为主，在建立形态模型时应充分考虑焊料自重及表面张力等的影响，使得假设条件更为合理。同时，无铅焊料的应用也使得焊点疲劳失效的高精度观测和寿命预测模型值得进行研究和探索。
参考文献
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