电子元器件恒定加速度试验及夹具使用的研究

电子元器件恒定加速度试验及夹具使用的研究
邓传锦;唐莎
【摘要】根据恒定加速度试验的特点,分析了影响恒定加速度试验的因素,并介绍了常用的转盘式恒定加速度试验夹具,总结了各种夹具的使用方法及使用这些夹具时需要注意的事项.
【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》
【年(卷),期】2015(033)005
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】恒定加速度;夹具;使用方法
【作者】邓传锦;唐莎
【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610
【正文语种】中文
【中图分类】TG75;TB114.35
GJB 548B-2005中规定，恒定加速度试验是为了确定恒定加速度对微电子器件的影响而开展的试验，可以显示出冲击试验和振动试验不一定能检测出的结构和机械类缺陷。

同时，它也可以用作高应力试验来测定微电子器件封装、内部金属化和引线系统、芯片或基板的焊接，以及器件其他部件的机械强度的极限值。

1.1 器件的取向
器件的取向对试验结果可以产生重大的影响，尤其是对于一些只要求进行Y1方向
的恒定加速度试验的集成电路芯片而言。

GJB 548B-2005中规定，Y1方向是指施加的力使芯片脱离基板或内引线脱离芯片的方向。

器件的取向和施力方向应符合图1-2的规定。

1.2 切线加速度
在离心机启动的过程中，离心机上的试验样品除了要承受法向加速度an外，还要承受切向加速度aτ。

离心机减速时也同样如此，试验机上的试验样品除了要承受
法向加速度an外，还要承受与转速增加时的切向加速度的方向相反的切向加速度
aτ，如图3-4所示。

在离心机加速或减速的过程中，如果切向加速度较大，则会产生对试验的再现性不利的因素。

例如：1）合成加速度的方向严重偏离要考核的方向。

2）合成加速度
的值可能大于规定的试验加速度的值。

试验设备本身的作用机理导致了试验过程中必须有转速的增加和减少两个阶段，这样试验中就不可避免地会出现aτ。

但是，
由于aτ是试验中不需要的加速度，因而，为了减少aτ的影响，希望aτ愈小愈好。

但考虑到试验的时间不能过长，因此有些标准中规定增减速的时间不得小于15 s，也有此标准规定
2.3 旋转半径
用离心机作恒加速度试验时，由于产生的恒加速度与试验样品上各部分到旋转轴中心的距离成正比，所以有：
式（3）中：an——恒加速度，单位：m/s2；
R——安装计算半径，单位：m；
W——主轴回转速度，单位：r/min。

由于试验样品不是单纯的一个点，而是具有一定几何尺寸的物件，因此，实际试验时试验样品上各点到旋转轴中心间的距离是不同的，所以试验时试验样品上各点所承受的加速度的大小也不同。

如果让试验样品上距旋转轴中心最远的点所承受的加速度的大小正好等于标称加速度值，则其余部分所承受的加速度均会小于标称加速度；如果以试验样品上距旋转轴中心最近的点为基准，则其余部分所承受的加速度的大小均会大于标称加速度。

因此，试验过程中通常以试验样品的重心、几何中心或最敏感的部位作为基准点。

以试验样品的重心可以方便地计算出离心机的载荷，因此当试验样品的质量及其所承受的加速度均较大时，通常以试验样品的重点作为安装基准点；以几何中心作为安装基准点可以使试验样品上欠试验部分与过试验部分基本均等，以及过试验、欠试验的加速度量值也基本均等；以试验样品上对恒加速度敏感的部分作为安装基准点时，由于基准是控制转速、保证其恒加速度数值的点，因而此时试验的环境条件的误差较小，所以，试验结果的再现性会较好[2]。

恒定加速度试验夹具的作用是将电子元器件固定在离心机的转盘上。

不同的试验夹具对应不同的试验样品。

正确使用试验夹具对保证试验的准确性至关重要。

目前，恒定加速度试验的设备主要有两种常见的类型，即：1）转盘式；2）转臂式。

适用于电子元件及微电子器件恒定加速度试验的是转盘式夹具。

常用的转盘式恒定加速度试验夹具有专用夹具、磁性夹具和埋砂盒3种。

3.1 专用夹具
专用夹具就是指夹具上的每个固定器件的槽孔都是按指定的封装规格设计加工的夹具，这类夹具的特点是使用方便、可靠性高，但通用性差。

专用夹具有2种式样：1）夹具就是一个转盘，几十个固定器件的槽孔均匀地分布在这个转盘上；2）夹
具由母夹具（转碗）和子夹具（子盒子）2部分组成，子夹具固定在转碗上，试
验器件固定在子夹具上，一个转碗配8个子夹具。

用专用夹具做恒定加速度试验时要特别注意试验器件受力面的封装材料的类型。

如果器件受力面是陶瓷盖板，则器件受力面与金属夹具之间要有皮质或胶质的软性护垫，以防止试验时陶瓷因与金属夹具“硬碰硬”而碎裂；如果器件受力面是金属
盖板，则其受力面上不能有软性护垫，否则受力面上的软性护垫会在向心力的牵引下挤压金属盖板，使金属盖板向内凹陷，使器件的可靠性降低，如果软性护垫是粘合在金属夹具上的，则可以在试验器件与软性护垫之间加上强度相应的金属挡板补垫；如果受力面是金属与陶瓷两种材质组成的盖板，这类盖板往往突出于陶瓷盖板0.3 mm左右，所以必须先在陶瓷面上衬上厚度相应的铜箔，使两个盖板在同一个平面上，然后再衬垫金属挡板，否则试验应力会折断悬空的陶瓷部分。

试验器件要以轴对称的方式放在试验夹具上，对称位上的试验器件的品种和数量要相同。

若试验样品的数量为单数，则要补上大小和重量均相同的陪试样品。

如果对称位上“不对称”，则试验设备就会因为转子摆动过大而报警停机，严重时设备的转轴会被折弯或被折断。

试验器件应该均匀地分布在夹具的圆周上。

如果是母子式的夹具，若试验器件的数量少于子夹具的数量，为了防止转盘上受力不均匀，则没有器件的小盒子也要被放入转盘，转盘上不能有空位。

3.2 磁性夹具
在恒定加速度试验中，磁性夹具也是一种应用地非常广泛的转盘式夹具。

磁性夹具一般用于受力面为金属盖板的集成电路、DC/DC模块和滤波器等一些金属封装的混合集成电路的恒定加速度试验中。

由于制作专用夹具费时费力，为每一款产品都制作相应的专用夹具也不太现实。

为了解决这一问题，我们在磁性夹具上增加了一些辅助手段，从而使得其也能用于一部分受力面有水平含铁的金属面的器件的恒定加速度试验。

但是，如果试验器件管脚与磁性面间有空隙，则应该应用厚度相应的软性磁条来衬垫，当样品的管脚很短时，可以先用几个陪试样品进行试验，试验后若陪试样品管脚无异常，则再对陪试样品进行密封检漏，以确认磁性面是否会对样品的外壳造成损伤，若一切正常，则可直接将样品贴在磁性面上进行试验。

当样品的受力面是金属与陶瓷两种材质组成
的盖板时，这类盖板往往突出于陶瓷盖板0.3 mm左右，所以必须先在陶瓷面上衬上厚度相应的铜箔，使两个盖板在同一个平面上，否则试验应力会折断悬空的陶瓷部分。

一个磁性夹具上有 8个磁性面，试验器件要以轴对称的方式均匀地分布在这 8个磁性面上。

如果单个磁性面上的试验器件的数量在2个或2个以上，则器件应由下至上排列，试验器件要放在离夹具上端口2 cm以下，为了防止样品移动，模块两边应用厚度为2mm左右的软性磁条挡住。

如试验样品的数量为单数，则要用份量相等的陪试样品补上空位。

3.3 埋砂盒
埋砂盒的正确使用方法如下所述。

a）打开埋砂盒盒盖，灌入石英砂至埋砂盆腔体的2/3处，将试验器件放入盒内，器件的下端不能触碰到砂盒底面，上端至少要距离砂盒口1 cm左右，受力面对着埋砂盒上有数字编号的一面。

b）用石英砂填埋器件，同时用小木槌轻敲埋砂盒四周敦实盒内的石英砂，填砂至盒口 0.5 cm左右。

c）盖上盒盖（盒盖与砂盒上的数字要相同，数字面方向要一致），拧紧盒盖四角上的螺栓。

d）打开盒盖中间的螺栓。

e）用漏斗向螺孔中慢慢灌入石英砂，同时用小木槌轻敲埋砂盒四周，直至石英砂溢至盒盖底部。

f）拧上并拧紧盒盖中间的螺栓。

通常1个0.36 cm转碗中配置6个0.09 cm埋砂盒，以1个埋砂盒为基准，称量其他5个埋砂盒，使6个埋砂盒的重量相等（误差＜0.1 g）。

使用埋砂盒做恒定加速度试验需要注意以下几点。

a）由于这些夹具在生产制作过程中都进行了动平衡的配平试验，且每个埋砂盒的盒子和盒盖上都有一一对应的编号，因此，试验时盒子与盒盖应该要一一对应。

b）如果试验器件的数量少于6个，则没有器件的砂盒也一定要与其他有器件的砂盒一样称平放入转碗中，转碗上不能有空位。

c）当试验器件的数量较多时，一个埋砂盒里可以放2个（并列摆放）或3个（品字型摆放）双列直插20 pin以下的器件，但器件与器件之间、器件与埋砂盒内壁之间至少要有 1 cm左右的间距。

d）埋砂盒在用于金属封装（F1和F2除外）、特别是平行缝焊或受力面是金属盖板的器件时，其受力面要加盖金属挡板，并用胶纸将其与器件的受力面间的缝隙封住，以防止石英砂在向心力的作用下挤压器件的金属盖板，使其向内凹陷。

e）当埋砂盒被用于体积非常小的微波二极管、三极管和放大器等微型器件的恒定加速试验中时，要先把试验器件固定在一个较大的平面上（可选用厚度为1 mm 左右的铝合金板），然后将这些试验器件一起埋入砂盒中。

这样，试验器件就不会在埋砂的过程中移位，从而保证了试验的准确性。

f）试验器件要埋放在砂盒的中心位置，标准规定恒定加速度试验应力的允许误差是±10%，因此，我们指定埋砂盒的中心位置为放置试验器件的位置，根据已知的半径和半径误差来控制转速的允许误差。

g）为了避免影响下一个“颗粒噪声”试验的准确性，试验结束后一定要将黏附在器件上的石英砂用防静电刷清理干净。

首先，笔者根据恒定加速度试验的特点，对影响恒定加速试验的因素进行了总结；然后，介绍了常用的几种转盘式恒定加速度试验夹具，并对几种夹具的使用方法以及使用这些夹具时需要注意的问题进行了总结，希望能够为相关工作人员提供一定的指导。

[1]GJB 548B-2005，微电子器件试验方法和程序 [S].
[2] 《计量测试技术手册》编辑委员会.计量测试技术手册第五卷力学 [M].北京：中国计量出版社，1997.
[3]GB-T 2423.15-1995，电工电子产品环境试验第二部分：试验方法试验Ga和导则：稳太加速度 [S].
[4] 《力学环境试验技术》编著委员会.力学环境试验技术[M].西安：西北工业大学出版社，2003.
[5]郁南，马贵贤.离心式恒加速度试验系统基本参数研究[J].飞机设计，2009，29（1）：64-67.
[6]於苹，徐导进.正确使用恒定加速度试验夹具提高试验的可靠性 [J].现代企业教育，2010（5）：130-131.
最近，世界最大的粒子加速器在升级后的一次测试运行中打破了纪录。

欧洲核子研究中心（CERN）在不久前发布的一份声明中宣称：“昨天夜里，大型强子对撞机（LHC）内的粒子碰撞能量创下新纪录，第一次达到了13 TeV（万亿电子伏特）。

”
此前LHC的最高撞击能量纪录是2012年创下的8 TeV。

2015年4月，LHC在
经历了两年多的翻修设计和升级改造后重新启动，欧核中心称它有潜力达到14 TeV。

此次碰撞发生在瑞士和法国边境下一段周长为27 km的环形隧道内的巨大实验室中，是即将启动的、更加雄心勃勃的实验的一部分。

欧核中心称：“这些测试碰撞是要建立起对撞机各机器部件及探测器的保护系统，避免它们受到偏离光束粒子的非正常轰击。

”
LHC能让包含数十亿质子的质子束以99.9%光速的速度与相反方向的质子束对撞。

强大的磁场能够弯曲质子束，安装在隧道中的4个探测器会对碰撞过程进行监测
并收集数据。

为了探索新型粒子以及维系它们的力，对撞出的亚原子碎片会接受一
系列检测。

欧核中心在其官方网站上的科普文章称，1 TeV大概相当于一只飞蚊的动能，但是在LHC内部，能量被挤压到非常小的空间中——小到大概只有蚊子的百万分之一，只有这样的强度才能让粒子彼此分开。

对撞实验的目标，是通过研究构成所有物质的基本粒子以及控制它们的力，来寻找“宇宙从何而来”的答案。

2012年LHC发现了赋予物质质量的希格斯玻色子，
预言这个粒子存在的两位科学家因此被授予诺贝尔物理学奖。