元器件恒定加速度試驗工裝分析與改進

［摘 要］在軍事工業領域，多數環境中都有恒定加速度的存在。為了確定離心力對器件的影響，評估元器件是否存在結構或機械缺陷，軍工單位在元器件可靠性篩選環節中加入了恒定加速度試驗。由于器件內部結構復雜，芯片、引線、襯底、封裝殼體等十分緊湊，如何設計合適的恒定加速度試驗固定夾具，保證篩選過程中既能發現結構缺陷又不損傷元器件，已經成為夾具設計中的重要考慮因素。文章針對恒定加速度試驗中幾種固定方式存在的問題，通過優化夾具設計和試驗驗證，提出了一種新型的恒定加速度試驗工裝系統，該工裝能有效提升檢測效率，并保證了試驗過程中產品外觀不受影響。

［關鍵詞］篩選試驗；恒定加速度；夾具法；元器件

［中圖分類號］TP212 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0058–03

恒定加速度試驗又稱為離心加速度試驗，器件圍繞軸心高速旋轉時會承受離心力作用，該離心力對鍵合內引線、芯片燒結質量有缺陷的器件起到篩選作用。通常的試驗方法包括夾具法、磁貼法及埋砂法。這3種方法各具特點，適用于不同的電路和試驗場合。

其中，埋砂法通過將器件埋入裝滿細砂的檢測罐內，檢測罐在轉盤內通過高速旋轉對器件施加離心力的作用。由于砂礫的易流動性，該方法通常用于小尺寸蓋板電路，對于大尺寸的封裝產品容易造成殼體損壞。磁貼法適用于使用金屬蓋板的封裝管殼，通過磁力將外殼貼附在恒定加速度容器壁上。磁貼法所使用的工裝開發周期短且成本低廉，但是試驗過程中容易因吸附力差發生掉落或滑移。夾具法是根據被試樣品的封裝外形，通過設計專用的工裝來完成恒定加速度試驗，通常滿足多個方向的恒定加速度試驗。使用夾具法可以保證器件在試驗過程中不受碰撞和遷移，降低加速過程或減速過程中的切向加速度作用，減少外觀損傷。

1 行業現狀

目前離心機廠家提供的工裝通常是通用型號，針對特殊的封裝外形并不適用。

例如，埋砂法由于使用的氧化鋯細珠具有流動性，試驗過程中存在受力不均的現象。且器件樣品在試驗過程中容易發生斷裂，試驗后可能會影響PIND（顆粒噪聲檢測）檢測結果。常規的磁貼法僅適用于y 方向的試驗，并且容易發生掉落或者移位情況。夾具法需要根據不同的封裝形式進行特殊設計，在設計過程中應當考慮到夾具的材質、裝配效果、接觸面的尺寸公差控制、表面粗糙度等多重因素。因為恒定加速度的作用，即使器件與安裝夾具之間存在極小的間隙，都有可能導致產品試驗過程中發生變形或斷裂等情況。此外，在大批量的篩選試驗中，由于夾具法受限于單次的安裝數量，以及夾具裝配的便捷性等，在試驗過程中效率也會大打折扣。

行業內恒定加速度試驗的夾具現存在如下問題。

1.1 夾具設計問題

恒定加速度要求轉盤兩側的重量公差需要控制在±0.1g 以內，而一般的夾具因為長時間使用會造成磨損，導致兩側重量超差，從而造成設備主軸磨損。在設計過程中，需要保證器件殼體和引線的剛性固定，否則極易引起殼體損壞或者引線歪斜。另外，一般的夾具設計僅適用于y 方向上的試驗。

1.2 夾具材質問題

離心機轉盤和恒定加速度夾具一般使用超硬航空鋁合金制作，主要為了保證足夠的結構強度，其在試驗過程中承受較大的離心力作用。篩選試驗中的恒定加速度試驗為非破壞性試驗，需要確保元器件試驗后不受損壞。作為元器件封裝外殼的薄弱部分，封裝的蓋板及標識在試驗中應得到適當保護，因此在材質方面需要慎重考慮，既要保證夾具批量試驗后磨損較小，又要保證批量試驗中元器件的外觀不受損傷。

使用夾具法可以保證器件在試驗過程中保持剛性固定。但是在實踐中夾具法也有自身的缺陷，其易引入背離試驗初衷的扭力和扭矩，在夾具制作中需要進行相應的表面處理，并引入多種材料進行驗證。

1.3 轉盤設計問題

離心機轉盤在設計階段需保證其具備較高的機械強度，并且為均質材料。在設計過程中還需要考慮到轉盤的減重，過重會導致皮帶摩擦力增大，在長期試驗后皮帶易存在過熱的現象，輕則引起設備報警，重則造成傳動系統損壞。目前，行業現有的轉盤單次測試通常只能安裝8 個測試夾具。由于單次試驗的產品數量受限于夾具數量，在進行大批量的元件篩選試驗時，使用現有的方法產能有限。

2 改進方案

2.1 離心機試驗夾具優化

依據常見的TO-254 封裝，進行夾具改進設計。夾具分為上下兩部分，將元器件固定在下模型腔內部，上下模通過金屬銷進行定位。合模后的夾具外形為正方體，具有多個安裝角度，從而滿足多個方向的試驗。合模效果如圖1（a）所示，型腔內部結構如圖1（b）所示。

2.2 夾具材質優化

針對恒定加速度試驗容易出現的劃傷、凹坑、斷裂等問題，夾具的主體材料選用超硬鋁合金材質，并對表面進行陽極氧化發黑處理，在器件與夾具面采用了邵氏硬度90A 的橡膠材料，該材料可以支撐封裝體且有一定變形能力，這種設計結構的各方應力均比采用純鋁合金夾具時的應力低。陽極氧化后夾具有一定的表面硬度，可以降低使用磨損情況。在接觸面使用硬質橡膠材質既可以防止蓋板發生碎裂，又可以有效避免金屬蓋飯試驗時因向心力導致的凹陷，提升篩選過程的外觀合格率。硬質橡膠的使用情況如圖2、圖3 所示。

2.3 轉盤設計優化

針對現有的轉盤設計，提出一種新型的雙層轉盤。該轉盤內部有8 個型腔，每個型腔可以上下放置兩層試驗夾具，單次可以放置16 個子夾具，單次測試效率可提升1 倍。在型腔背部設計錐形減重孔，用于降低整體工裝的質量，該轉盤滿足多種封裝共同試驗的特點，如上層夾具安裝SMD 貼片封裝產品，下層安裝TO-254 產品。轉盤設計效果如圖4（a）和圖4（b）所示。

3 改進后效果驗證

3.1 夾具裝配效果

經重新設計制作后，測試人員將器件安裝到夾具型腔內部，然后通過上下夾具合模的方式將封裝殼體和引線進行剛性固定，該夾具可以減小切向加速度的作用導致的外觀損傷。在裝配到離心轉盤時，通過使用專用的夾鉗，可以提升操作的便捷性。改進前后的裝配效果如圖5（a）和圖5（b）所示。

使用夾具法可以在相同的測試時間內將單次測試數量提升1 倍，同時省去了埋砂法需要稱重配平的環節，測試效率大幅提升。雙層轉盤的結構設計，可以同時滿足8 個不同類型封裝夾具的試驗，因夾具合模后為正方體設計，通過旋轉夾具的安裝方向來滿足x、y、z 多個方向的恒定加速度試驗。

3.2 改善前后樣品外觀良率統計

為驗證夾具改良后的外觀提升效果，在試驗后由質量檢測人員使用體式顯微鏡在放大30 倍的情況下對元件進行外觀檢驗，同時統計了2022 年與2023 年下半年的恒定加速度外觀良率情況。對比結果顯示，夾具改進后試驗過程中引入的劃傷、凹陷、斷裂等外觀不良比例明顯下降。統計結果如圖6 所示。

4 結束語

在多種恒定加速度試驗方法中，夾具法因其可以提供良好的剛性固定效果及試驗方向具有多樣性，對于高等級軍用元器件的篩選試驗十分適用。通過對夾具法的外形設計、材質選用及設備轉盤的優化，設計并制作出了一種高效且符合標準的恒定加速度試驗夾具。該工裝可以同時適用于陶瓷封裝、金屬封裝及塑料封裝等多種封裝類型，對于行業內元器件篩選試驗過程中產生的類似問題，具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 於蘋，徐導進. 正確使用恒定加速度試驗夾具提高試驗的可靠性[J]. 現代企業教育，2010（14）：130-131.

[2] 鄧傳錦，唐莎. 電子元器件恒定加速度試驗及夾具使用的研究[J]. 電子產品可靠性與環境試驗，2015，33（5）：51-55.

[3] 半導體分立器件試驗方法：GJB 128B—2021[S].

[4] 柏小娟. 電子元器件可靠性篩選方案設計[D]. 西安：西安電子科技大學，2019.