基于正交試驗(yàn)的分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)

陳田海，周德儉,2，吳兆華

CHEN Tian-hai1, ZHOU De-jian1.2, WU Zhao-hua1

（1. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004；2. 廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，柳州 545006）

基于正交試驗(yàn)的分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)

Vibration reliability design of the interconnection structure of Separated motherboard based on orthogonal test

陳田海1，周德儉1,2，吳兆華1

CHEN Tian-hai1, ZHOU De-jian1.2, WU Zhao-hua1

（1. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004；2. 廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，柳州 545006）

利用有限元分析軟件ANSYS建立了分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)的有限元模型。選取分離母板的長(zhǎng)度、厚度及緊固螺釘?shù)侥赴暹叾说木嚯x3個(gè)參數(shù)作為關(guān)鍵因素，安排正交試驗(yàn)。進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的可靠性分析，基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和方差分析。結(jié)果表明：板厚H和板長(zhǎng)L對(duì)分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可靠性影響較大，螺釘?shù)侥赴暹叾说木嚯xM影響較小。獲得振動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)的較優(yōu)方案組合為H1L1M1。

分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)；可靠性；正交試驗(yàn)

0 引言

分離母板是一種為了擴(kuò)展插件接口數(shù)量、便于電路模塊插拔，滿足模塊化設(shè)計(jì)要求的新型母板結(jié)構(gòu)。分離母板互聯(lián)技術(shù)是指母板結(jié)構(gòu)及母板接縫處采用的互聯(lián)技術(shù)，如圖1所示（略去其中一塊分離母板），采用的是微型連接器互聯(lián)技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)快速、平整、可靠的互聯(lián)，達(dá)到模塊接口擴(kuò)展目的。它是母板上信號(hào)傳輸連續(xù)性和可靠性的保障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在引起電子設(shè)備失效的環(huán)境因素中，振動(dòng)因素約占27%[1]。因此，采用合理的設(shè)計(jì)方法對(duì)其尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)，提高分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可靠性，對(duì)保證電子設(shè)備的正常運(yùn)行具有重大意義。

筆者以某研究所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于惡劣環(huán)境的分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用ANSYS建立了分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)的有限元模型。基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，以研究結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)參數(shù)與振動(dòng)可靠性之間的關(guān)系為目的，對(duì)三個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和方差分析，確定了各參數(shù)對(duì)振動(dòng)可靠性的影響程度和影響規(guī)律，給出了可供實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)作參考的分析結(jié)果。

圖1 分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型

1 隨機(jī)振動(dòng)分析理論

隨機(jī)振動(dòng)的數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)上是譜分析的一種。譜分析是將模態(tài)分析結(jié)果與一個(gè)已知譜聯(lián)系起來(lái)對(duì)模型進(jìn)行位移和應(yīng)力計(jì)算的一種分析技術(shù)，主要用于確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)載荷或隨時(shí)間變化載荷，如地震、風(fēng)載、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等的動(dòng)力響應(yīng)情況。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是基于一定的規(guī)則設(shè)計(jì)正交表，確保以最小數(shù)目的實(shí)驗(yàn)獲得全因子實(shí)驗(yàn)中影響性能參數(shù)的全部信息[2,3]。利用正交試驗(yàn)安排分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可靠性分析，可減少計(jì)算量和分析時(shí)間，只需在所有可能的分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)組合中挑選一小部分因子組合進(jìn)行計(jì)算分析，即可以獲得全部試驗(yàn)中的全部信息。

2.2 分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由母板、微型連接器和緊固螺釘組成。因該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于惡劣環(huán)境，所以要對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)，目的是提高其振動(dòng)可靠性。研究表明，影響母板振動(dòng)可靠性的主要因素有：母板厚度、母板面積、固定方式、元器件布局等[4]。結(jié)合實(shí)際需要考慮，本文選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：母板厚度H、母板長(zhǎng)度L（因?qū)嶋H應(yīng)用中要求寬度為定值，所以用長(zhǎng)度表征面積）、螺釘距母板邊端的距離M。選取以上3個(gè)關(guān)鍵因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

采用正交表 安排正交試驗(yàn)，如表2所示。

表2 正交表與試驗(yàn)結(jié)果

3 分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性分析

3.1 隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)耐久實(shí)驗(yàn)的要求，對(duì)模型施加指定加速度功率譜后，對(duì)各組合下的分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了X、Y、Z方向激勵(lì)下的隨機(jī)振動(dòng)分析后，顯示載荷步3的VONMISES應(yīng)力分布。結(jié)果顯示，所有組合在Y向激勵(lì)下的應(yīng)力明顯高于其他兩個(gè)方向。所以只需比較各組合在Y向激勵(lì)下產(chǎn)生的應(yīng)力即可衡量在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下各組合振動(dòng)可靠性的優(yōu)劣。計(jì)算Y向激勵(lì)下的VONMISES應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2最后一列。

3.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)表2中各組試驗(yàn)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得到第1組在Y向激勵(lì)下產(chǎn)生的應(yīng)力最小，為11537Pa。應(yīng)力越小，產(chǎn)生屈服變形的概率也就越小，可靠性越高。 縱觀表2最后一列的結(jié)果可知，通過(guò)參數(shù)組合設(shè)計(jì)可以較好地減小隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)力。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 極差分析

利用極差分析方法計(jì)算表2，極差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，極差大小順序?yàn)镠>L>M。即板厚對(duì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力的影響最大，其次是板長(zhǎng)，螺釘?shù)竭叾说木嚯x影響最小。根據(jù)極差分析結(jié)果，進(jìn)行因素指標(biāo)分析，得到各因素的主效應(yīng)曲線，見(jiàn)圖2。從圖2中可以得知,從產(chǎn)生應(yīng)力最小化考慮，其振動(dòng)可靠性最優(yōu)組合是:H1=3，L1=70，M1=2.5。該組合在Y向激勵(lì)下產(chǎn)生的應(yīng)力值僅為11537Pa。經(jīng)過(guò)上述分析可知，優(yōu)方案為H1L1M1。

圖2 影響應(yīng)力的主效應(yīng)曲線

4.2 方差分析

通過(guò)以上的極差分析可以判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的相對(duì)大小，但是無(wú)法確定每個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響是否顯著。而方差分析可以明確各因素對(duì)結(jié)果的影響是否顯著。因此，對(duì)分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，板厚對(duì)分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)下產(chǎn)生的應(yīng)力影響顯著，三個(gè)因素的顯著性排序?yàn)椋篐>L>M，與上述極差分析結(jié)果一致。

綜合以上分析，在分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中，應(yīng)該選擇小尺寸母板，緊固螺釘位置可根據(jù)實(shí)際情況盡量靠近連接器。這樣可以保證分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)有較高的振動(dòng)可靠性。

5 結(jié)論

1）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)成功應(yīng)用于分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)中，減少了試驗(yàn)次數(shù)和時(shí)間。

表3 應(yīng)用數(shù)據(jù)極差分析與方差分析

2）極差分析表明：板厚H和板長(zhǎng)L對(duì)分離母板互聯(lián)結(jié)構(gòu)振動(dòng)可靠性影響較大，螺釘?shù)侥赴暹叾说木嚯xM影響最小。獲得優(yōu)方案組合為H1L1M1。

3）方差分析表明：在顯著水平a=0.1時(shí)，因素H對(duì)在隨機(jī)振動(dòng)下產(chǎn)生的應(yīng)力影響顯著，三個(gè)因素的顯著性排序?yàn)椋篐>L>M，與極差分析結(jié)果一致。

[1] 李朝旭.電子設(shè)備的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程, 2002,18(1):51-53.

[2] 劉緒磊,周德儉,黃春躍,等.基于正交試驗(yàn)的板級(jí)電路模塊熱分析[J]. 電子元件與材料,2009,28(5):43-46.

[3] 黃春躍,周德儉,吳兆華.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的塑封球柵陣列器件焊點(diǎn)工藝參數(shù)與可靠性關(guān)系研究[J].電子學(xué)報(bào),2005,33(5):788-792.

[4] 戴芳菊,程國(guó)輝.印制板抗振設(shè)計(jì)[J].通信對(duì)抗,2004,(3):56-58.

TN406

A

1009-0134(2010)10(上)-0150-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).48

2009-12-21

廣西自然科學(xué)基金（桂科自0832242)； 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金（0842006_016_Z）

陳田海（1983 -），男，山西大同人，碩士，主要從事微電子制造可靠性研究。