Технологии в электронной промышленности №3'2010

Ускоренные вибрационные испытания

Марат Кашапов

Сложность и ответственность задач, решаемых с помощью современной аппаратуры, заставляют предъявлять к ее надежности весьма высокие требования. Наблюдается тенденция к увеличению времени работы аппаратуры с определенным заданным показателем надежности. Постоянное ужесточение требований к изделиям приводит к увеличению вероятности безотказной работы при длительном времени работы.

Для определения соответствия изделий подобным высоким требованиям необходимо проведение длительных испытаний для больших объемов выборок.

Для подавляющего большинства изделий длительность такого рода испытаний составляет несколько тысяч часов.

В современных условиях такой подход может оказаться совершенно неприемлемым, во-первых, с точки зрения достижения нужного результата:

  • При большой длительности не обеспечивается необходимая оперативность контроля надежности изделий.
  • При большой заданной вероятности безотказной работы не обеспечивается необходимая достоверность контроля и испытаний.

А во-вторых, с точки зрения издержек при организации производства:

  • резкое увеличение себестоимости из-за издержек по потреблению электроэнергии и обслуживанию испытательного оборудования;
  • резкое увеличение срока выпуска изделий (в несколько раз).

Кроме того, любое отключение камеры, вибростенда или гидропульсатора по разным причинам (аварийное отключение электроэнергии, паспортная необходимость отключать оборудование и пр.) внесет недопустимые изменения в процесс.

В результате стоимость и сроки разработки и изготовления изделия становятся неоправданно большими при отсутствии прогнозируемого результата.

Современные исследования ученых в области надежности направлены на сокращение подобных издержек. Такие методы носят название ускоренных испытаний.

Ускоренные испытания - вид испытаний, позволяющих оценить надежность изделия, сократив время испытаний и увеличив интенсивность нагрузки.

Такие методики уже были разработаны по отношению к температурным воздействиям. Это методики HASS (Highly Accelerated Stress Screens) и HALT (Highly Accelerated Life Test). Они позволяют довести изделие до «нужного места» кривой отказов (рис. 1).

Кривая отказов для электронных модулей

Рис. 1. Кривая отказов для электронных модулей

Моделирование и описание температурных процессов основывается на положениях, выдвинутых в свое время Аррениусом.

Энергия активации - это минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе, чтобы произошла реакция. Термин введен Сванте Августом Аррениусом в 1889 году. Типичное обозначение энергии реакции - Ea.

Для начала процесса, к которому можно отнести и инициацию скрытого дефекта, области образца с дефектом необходимо передать энергию, превышающую порог энергий, который активирует процесс выявления дефекта.

Режимы испытаний, основанные да данном методе, приведены во многих стандартах (таблица).

Таблица. Режимы испытаний

Наименование режима испытаний Стандарт
Термоудар IEC-60068-2-14 Na JIS C 0025 Na DIN EN 60068-2-14 Na MIL-202G Method 107 G MIL-883F Method 1010.8 EIAJ ED-7407 EIAJ ED-2531A JASO D001
Температура - влажность - давление (Highly Accelerated Stress Test — HAST) EIAJED 4701 JEDEC, EIA/JESD22-A110-A IEC60068-2-66

Некоторые ученые [2] экстраполируют применение методик, основанных на увеличении энергии активации, и на случаи с приложением механической нагрузки.

Подробнее о них мы поговорим в следующей статье.

Существует альтернативный способ оценки коэффициента ускорения при виброиспытаниях.

Под давлением все увеличивающихся требований к изделиям, которые подвергаются воздействию механических динамических нагрузок в течение жизненного цикла, появляются все более новые и усовершенствованные методики определения и прогнозирования вибростойкости и вибропрочности.

Моделирование разрушения от динамических факторов может быть описано с помощью относительно молодой области науки о надежности - механики разрушения. Это раздел механики, в котором изучаются конструкционные материалы и их способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил при наличии усталостных трещин и различных технологических и эксплуатационных дефектов. При решении задач в механике разрушения используется комплексный подход к проблеме разрушения, основанный на сочетании методов механики сплошных сред с методами экспериментальной и теоретической физики и химического металловедения, математической теории упругости и строительной механики. При этом задачами механики разрушений являются оценка скорости роста усталостной трещины и определение остаточной прочности, то есть определение разрушающей нагрузки для конструкции, поврежденной трещиной.

Механика разрушения, базирующаяся на результатах строгого математического анализа упругих напряжений и деформаций вблизи вершины трещины в случаях хрупкого и квазихрупкого разрушений, называется линейной механикой разрушения. Основной параметр, используемый в линейной механике разрушения, - коэффициент интенсивности напряжений K, который является параметром аналитических выражений, описывающих напряженно-деформированное состояние вблизи вершины трещины.

При устойчивом росте трещин в случае действия переменных нагрузок скорость роста усталостных трещин оказывается достаточно хорошо коррелированной с амплитудой K. Параметры зависимости скорости роста трещин от K и количества циклов нагружения являются характеристикой материала.

В настоящее время наиболее вероятной динамической моделью разрушения считается усталостное разрушение. При воздействии определенного количества циклов нагружения в материале вокруг характерных образований (граница зерна, микродефект и пр.) накапливаются дислокации, которые в дальнейшем проявляются в виде макродефектов: так зарождается трещина усталости. Вершина трещины представляет собой концентратор напряжения: в результате поле напряжений в образце перераспределяется в окрестности вершины трещи-ны. Для многих материалов трещины усталости растут равновесно до характерного размера определенного для каждого материала и вектора параметров нагружения, после чего наступает мгновенный рост трещины и изделие разрушается. Такой размер трещины называется критической длиной трещины. Скорость роста трещины зависит:

  • от свойств материала (модуль упругости, предел упругости, предел пластичности, предел ползучести, предел прочности, структура материала, состав);
  • от характера прилагаемой нагрузки (значение постоянной и динамической составляющей, их соотношения, периодичность, особенности приложения нагрузки);
  • от внешних условий (температура, влажность, давление, наличие химически активных веществ).

Все указанные факторы практически невозможно оценить аналитически, поэтому для каждого материала и вида нагрузки строятся эмпирические кривые усталости. Они аппроксимируются формулой Пэриса - это эмпирическая формула роста трещины усталости:

где σ - напряжение в материале, МПа; l -длина трещины; N - количество циклов; C, m - эмпирические коэффициенты.

При интегрировании с граничными условиями достижения длины трещины критического значения l = l0 получаем зависимости числа циклов от напряжений. По этим уравнениям строятся усталостные диаграммы материала, которые носят название кривых усталости (рис. 2).

Кривая усталости

Рис. 2. Кривая усталости

Эти кривые описывают зависимость нагружающего фактора от временного фактора. Кривые усталости строятся на логарифмической шкале. На кривой усталости видно, сколько циклов нагружения потребуется для материала до его разрушения при заданном значении напряжения в материале.

Существует уровень нагружающего воздействия, при котором время приложения нагрузки неограниченно. Этот уровень нагружения называется пределом усталостной прочности. Для разных материалов и для разных условий нагружения он разный. Предел усталостной прочности обозначается σ_1 (рис. 3) [1].

Усталостное разрушение: а) поле деформаций печатной платы при воздействии синусоидальной вибрации (способ закрепления — заделка по коротким сторонам); б) при воздействии ШСВ 9,8-28g (СКЗ) в диапазоне частот 20-2000 Гц

Рис. 3. Усталостное разрушение: а) поле деформаций печатной платы при воздействии синусоидальной вибрации (способ закрепления — заделка по коротким сторонам); б) при воздействии ШСВ 9,8-28g (СКЗ) в диапазоне частот 20-2000 Гц

В этой области было проведено много исследований, и практически для всех материалов построены кривые усталости.

Тезис, используемый при ускорении выявления дефекта, основан на принципе ускорения испытаний с помощью увеличения нагрузки на образец. Но вместо положений Аррениуса здесь используются положения механики разрушения: чем больше напряжения в материале, тем меньше количество циклов до его разрушения.

При воздействии синусоидальной вибрации с постоянной амплитудой нагружающим фактором будет среднеквадратическое значение ускорения, временным фактором - количество циклов нагружения. При воздействии широкополосной случайной вибрации (ШСВ) нагружающим фактором будет сред-неквадратическое значение (СКЗ) ускорения, временным фактором будет время действия случайной вибрации. Интересно отметить, что форма кривых усталости практически не зависит от распределения спектральной плотности мощности. (При увеличении интенсивности нагрузки рекомендуется соблюдать конгруэнтность базового и усиленного профилей.)

Форма кривых усталости существенно отличается при воздействии широкополосной случайной вибрации и синусоидальной вибрации.

Данные основные положения позволяют оценить зависимость между нагрузкой и временем нагружения. Далее показаны допущения и выкладки, которые позволяют численно определить коэффициент ускорения.

  • Разрушение изделий проходит по механизму линейного роста трещины усталости. Следовательно, формула, описывающая рост трещины усталости, может с заданной точностью определить время до разрушения.
  • Материал не имеет предела усталости. Поэтому кривая усталости описывается уравнением:

    N = C·σ-m,

    где N - количество циклов до разрушения при напряжении в материале σ; σ - напряжение в материале, МПа; С, m - эмпирические коэффициенты для материала и способа нагружения.

  • Так как трещина усталости растет линейно, запас прочности изделия можно оценивать как:

    n/N = σmn/С,

    где n - текущее количество циклов; N -количество циклов до разрушения при напряжении в материале σ; σ - напряжение в материале, МПа; С, m - эмпирические коэффициенты для материала и способа нагружения.

  • Напряжение в материале σ линейно зависит от прилагаемой нагрузки θ (например, среднеквадратического значения ускорения при воздействии синусоидальной вибрации или ШСВ, м/с2):

    σ ~ θ.

    Из этого можно сделать вывод: прилагаемая нагрузка пропорциональна запасу живучести прочности и количеству циклов нагружения:

    n/N = σmn/С ~ θmn/С.

  • Количество циклов нагружения при имитации соответствует количеству циклов при воздействии реальной нагрузки при эксплуатации, транспортировке и пр. Отсюда можно сделать вывод, что количество циклов n нагружения при воздействии реальной нагрузки пропорционально времени на-гружения Г(с):

n/N ~ θmT/С.

При анализе последней зависимости видно, что одинаковые запасы живучести n/N можно получить при различных значениях Ti и θi:

T1/T2 = (θ2/θ1)m.

Например, испытания на действие ШСВ. Если распределение спектральной плотности мощности PSD при реальном воздействии и при проведении испытаний совпадает и если спектры имеют одинаковое распределение амплитуд, то можно принять, что спектральная плотность мощности пропорциональна квадрату прилагаемой нагрузки:

θ2 ~ PSD.

И, соответственно,

T1/T2 = (PSD2/PSD1)m/2.

Допустим, что есть материал или изделие с параметром m = 8. Синусоидальные испытания будут проводиться с той же частотой воздействия, что и реальная эксплуатация, но с увеличенным в 2 раза среднеквадратиче-ским значением ускорения:

θ1/θ2 = 2.

Соответственно, время, необходимое для того, чтобы довести материал до разрушения при увеличенной нагрузке, будет меньше времени эксплуатации в реальных условиях:

T1 = T2/256.

Испытания действием ШСВ при идентичной форме распределения спектральной плотности мощности и при увеличении спектральной плотности мощности в 2 раза по каждому частотному отрезку Δfi, на котором задано индивидуальное ее значение, приводят к ускорению:

T1 = T2/16

При этом следует учитывать следующее:

  1. Данный способ не пригоден для оценки ускорения испытаний, если характерные процессы разрушения изделия проходят не по усталостному механизму.
  2. Изделие может состоять из разных материалов, которые имеют разные усталостные характеристики (m, C) (рис. 4).
  3. Для одного и того же материала усталостные характеристики могут изменяться в зависимости от внешних условий или могут быть некорректно определены.
  4. Время и характер воздействия не всегда точно могут быть воспроизведены на испытательном стенде.
  5. Напряжения, возникающие в материале изделия, могут иметь нелинейную зависимость от внешних воздействий.
  6. Для стали уровень напряжений при тесте может оказаться выше предела усталостной прочности, в то время как реальное воздействие будет ниже.
  7. Распределение амплитуд в спектре может отличаться при эксплуатации и испытании на стендах. Например, вибростенд может выдавать гауссово распределение амплитуд, а реальная вибрация будет произвольной формы.

Различия кривых усталости для материала (М) и конструкции образца (К) для металлических корпусов

Рис. 4. Различия кривых усталости для материала (М) и конструкции образца (К) для металлических корпусов

Пункты 1-3 являются основными препятствиями для универсального применения данного метода ускоренных вибрационных испытаний. Для разных конструкционных материалов усталостная характеристика m варьируется от 5 до 25. Американский военный стандарт MIL-STD-810E рекомендует значение m = 6 для испытаний на воздействие синусоидальной вибрации и m = 8 (М = m/2 = 4) -для воздействия ШСВ. Для конструкционных материалов, применяемых в изделиях средней сложности, такие значения коэффициента приводят к удовлетворительной корреляции результатов, но при применении данного метода к более сложно структурированным изделиям результат может быть неточным.

В таких случаях испытания могут выявить дефекты, которые никогда бы не возникли при реальном воздействии нагрузки (рис. 5). И наоборот, испытания не способны выявить дефекты, которые будут иметь место в реальных условиях.

Усталостное разрушение пайки выводов компонентов TSOP по границе припой/вывод

Рис. 5. Усталостное разрушение пайки выводов компонентов TSOP по границе припой/вывод

Для носителей и их компонентов и систем воздействие динамических факторов носит в высшей степени нестационарный характер: очень интенсивные нагрузки в течение коротких промежутков времени, остальное время -работа при относительно небольших и средних уровнях воздействия.

В данном случае возможные ошибки заключаются в том, что при моделировании кратковременная интенсивная нагрузка не увеличивается (это позволяет «сэкономить» на типоразмере вибростенда, гидропульсатора), а средние и малые нагрузки увеличиваются немного больше, чем нужно, чтобы скомпенсировать отсутствие усиления пиковых интенсивных нагрузок. Такой необоснованный подход может привести к сильному искажению результатов, особенно при испытаниях конструктивно сложных изделий [2].

При сложном профиле внешней нагрузки, когда его очень трудно точно аппроксимировать обычными средствами системы управления вибростенда, рекомендуется воспроизводить «записанный» с помощью специальных виброметров профиль на борту носителя. Степень «усиления» профиля с целью получения нужного коэффициента ускорения считается автоматически и численно, по специальному алгоритму, предусмотренному компанией-разработчиком в системе управления.

При условии, указанном в пункте 2, необходимо выяснить с помощью стимулирующих испытаний звено, «ответственное» за ранние отказы, и проводить испытания по коэффициентам для этого звена.

Данная методика основана на механизме усталостного разрушения материалов при воздействии внешней нагрузки. В качестве аппарата, описывающего данное явление, используются зависимости, взятые из нового направления оценки длительной прочности изделий - механики разрушения. При выполнении определенных условий данная методика позволяет существенно сократить время испытаний образцов при механических испытаниях. При этом существует оборудование, которое позволяет максимально приблизить модель к реальным условиям и по заданному алгоритму численно увеличить нагрузку, тем самым снизить время испытаний. 

Литература

  1. lCAA/lG-PP No-Lead Solder Project: Vibration Testing Tom Woodrow Boeing Phantom Works Seattle // WA IPC/lEDEC 8th International Conference on Lead-Free Electronic Components and Assemblies. San lose, CA. 18 April 2005.
  2. Hobbs G. HALT & HASS the accepted quality and reliability paradigm. 19 May 2008.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Протяжка кабеля
Устройство закладки кабеля (протяжка) в наличии на складе. Сравните цены
techelectro.ru
Ремонт шубы
Пошив шуб и пр. Ремонт и перекрой одежды
atelie-runo.ru