电子元件振动夹具设计与制造的研究

电子元件振动夹具设计与制造的研究

发表时间：2018-10-23T15:25:12.637Z 来源：《防护工程》2018年第12期作者：梁满基杜泽伟林尚谋陈明杰[导读] 本文对振动试验夹具设计与制作过程的关键点，分别从振动夹具的功用、振动夹具设计的要求、振动夹具的形式以及振动夹具对螺栓的要求四个方面进行了探讨与研究。

梁满基杜泽伟林尚谋陈明杰

广东风华高新科技股份有限公司广东肇庆 526020

摘要：振动试验夹具作为试验样品与振动台连接的桥梁，其重要作用无容置疑。本文对振动试验夹具设计与制作过程的关键点，分别从振动夹具的功用、振动夹具设计的要求、振动夹具的形式以及振动夹具对螺栓的要求四个方面进行了探讨与研究。关键词：夹具设计；电子元件；可靠性；振动试验

Abstract：There is no doubt that the important role of the fixture for vibration test, as a bridge connecting to the vibration table and the test samples. Aiming at the key point of the design and manufacturing for fixture applying in vibration test field, this thesis has discussed and researched the topic about the requirements of the function, the design requirement, theshape, the requirements for bolt of the fixture for vibration test. Key words：Fixture design Electronic components Reliability Vibration test

1引言

随着可靠性技术的推广与应用，越来越多的行业纷纷进入了可靠性试验认证的行列。由于以往对机械应力的忽略，现今振动试验便成为了可靠性试验中必不可少的试验之一。但随之引申出来的便是配套的夹具设计了，特别是以毫米级别定义的电子元件，如何使其与比它大千万倍的振动台相匹配振动呢？

根据《GB/T 2423.10-2008电工电子产品环境试验第2部分: 试验方法试验Fc: 振动(正弦)》《GJB 150.16A-2009 军用装备实验室环境试验方法第16部分振动试验》《AEC-Q200 REV D 2010无源组件应力测试认证规范》《GB/T 19405.1-2003 表面安装技术第1部分：表面安装元器件规范的标准方法》等电子元件的标准里面都只推荐了振动试验的试验条件，而对如何固定却没有明确指出。为响应国家中国制造2025，中国汽车电子认证，对电子元件的振动夹具设计与制造做了专项研究。

对夹具各个部分作出合理的逐步分析后，就能够完成夹具的设计。夹具振动的误差通常是允许的。精度提得越高，需要花费的时间和努力就越大。这便是夹具设计者与需求者需要权衡投入产出比的问题了。

对于夹具设计者，除了机械制造与电子电工的基础外，实战的工程经验，以及机加工的经验，都是为制造出一款成功的夹具的必要前提。因而，一个成功的夹具设计，部分靠运气，部分凭经验。

2振动夹具的功用

试验样品的安装有二种：一种是传统的方式，直接安装在振动台的动圈上，另一种是通过过渡装置进行安装，这种过渡装置称为夹具。其主要功能就是将振动台产生能量通过机械连接不失真、不放大地传递传给试验样品，从而保证试验样品经受到所规定的试验应力，当然这是忽略了各种能量损耗理想状态了。

而为了让振动台的产生的能量不失真地通过夹具传递给试验样品，设计好夹具和动圈之间的刚性连接就至关重要了。 3振动夹具的设计要求

振动夹具常用铝合金或镁合金焊接或铸造而成，一般情况下，夹具的刚度随材质的密度增加，硬度增大，重量减小而加大。在电子元器件试验用的振动夹具设计中，共振因素是个需要首先考虑的问题。实际试验中，由于夹具而引起振动系统及元器件的共振，不仅影响到试验样品试验后判据结论的正确性，而且可能发生损坏试验样品及试验装置等难以预料的情况。[1] 振动台动圈有其固有共振频率，其共振频率取决于动圈尺寸的大小。空载条件下时，大型振动台的共振频率可达1.3kHz以上，小型振动台的共振频率也能达到5kHz（或以上）。夹具设计者应与振动台的设计工程师一样，以求刚性最大，重量最小为目标，但若要权衡成本与收益的最大化的话，最低验收标准要保证所涉及的夹具在使用的试验频率范围内不允许产生共振现象。如与很多环境试验标标准里推荐的试验条件相似，《AEC-Q200 REV D 2010》对无源元件规定的振动试验条件的频率范围为10～2000Hz，因而所设计的夹具与振动台动圈所构成的整体，其最低共振点须在2000Hz以上。

振动夹具的重量需在振动台额定推力的范围内。影响因子主要是振动台的承载重量M和试验峰值加速度a（或arms）。当正弦或随机振动试验的峰值加速度为a（或arms）时，振动台正弦或随机的推力F不能小于a*M（或arms * M）。其中，M= m1 + m2 + m3（m1：样品重量，m2：夹具重量，m3：动圈重量）。

另外，设计用来支撑试验样品的夹具，试验样品的尺寸和形状应是重点关注的，因为一旦改变了夹具整体的尺寸，形状和重量，其重心位置就随之变动。只要让夹具的重量远大于试验样品，就比较容易使夹具与试验样品的组合重心与振动台的轴线落在振动台的中心线上。

除此以外，温度对夹具的性能也是有影响的，当一夹具要用于温度振动试验时，就要注意这一点，高温可使金属产生塑性屈服，低温可使材料冷脆。

一款成功的振动夹具应达到以下的条件：

（1）在整个试验频率范围内，夹具的频响特性要平坦，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合。

（2）夹具与产品连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验时激励输入的均匀性。（3）夹具的刚度质量比要足够大。

（4）夹具的阻尼要大，夹具共振时（第一阶固有频率），其品质（放大）因数Q不应大于4。（5）夹具的质量最好是试验样品的2～4倍。通常在估算振动台需要的推力的时，用此比值就行。（6）振动夹具横向运动（指垂直于激振方向）要尽量小。