汽车电子产品PCBA应力检测分析和仿真

【摘 要】针对汽车电子产品的PCB’A的应力损伤，运用KT的方法对生产过程进行了系统全面的分析，并结合FEA仿真和实际的过程验证最终得出了引起失效的根本原因。最终分别对生产过程和产品设计两方面进行改进，使PCB’A应力失效问题得到了彻底解决。

【关键词】应力；印刷电路板；有限元分析

引言

汽车电子产品在其生产过程中或多或少都会受到外界的机械外力而造成产品全部或局部的变形或翘曲，从而对产品的焊点或器件造成一定的机械损伤，但这种损伤有时并不一定立即造成产品失效，而是一种隐性的机械损伤。这种损伤我们通常根据器件的应变率来判断其它所受应力的大小。应力检测是反映一个物体的受力情况Stress σ_a=F/A，应变就是受力后产生的形变率Strain ε=？L/L，如图1所示。

通过测试应变就可以知道物体的受力和形变状况。每种材料，应力和应变的关系是线性的，也是有一定安全范围的。应力过大会引起物体的断裂、损伤以及不可恢复的形变，如图2[1]所示。

为此，业界通常采用电阻应变测量（简称电测法[2]）。 电测法是通过将应变转换为电信号进行测量的方法。基本原理是：将电阻应变片（简称应变片）粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，应变片随着构件一起变形，应变片的电阻值将发生相应的变化，其原理为将机械量转换成电量，再由电量转换成机械量。由理论推导和实验可知在一定范围内的电阻的相对应改变量？R/R与应变？L/L成正比，即：？R/R =K*？L/L =Kε，K为电阻应变片敏感系数。由此就可以实现非电量电测量。通过动态数据采集及分析系统，可测量出应变片中电阻值的变化，并换算成应变值，并根据需要对测量的应变值进行数据处理，得到所需要的应力或应变。

本文使用的测试工具是HBM-MGC plus AB22A[3]， 应变片是以Kyowa的三轴应变片以及Catman数据采集分析软件，具体如图3所示。下面将通过具体的实例来对产品在生产过程中的应力进行研究和分析。

一、案例背景

近期收到一例“雨刮常工作，启动后无法关闭”的客户抱怨。经对Front Wiper Park Sw信号输入电路原理图如下图3所示。

二、失效件分析

2.1 如图4所示，对失效件进行电路原理分析：

2.1.1 在BCM正常工作时（唤醒状态），将Front Wiper Park SW信号引脚悬空，测量引脚电压，发现电压为0V（正常为12V）。这说明雨刮park信号输入电路确实工作不正常。

2.1.2 测量上拉电阻R105两端电压。发现+12V_PΜM/M1端有12V电压，但是Front Wiper Park SW端电压持续为0V。

2.1.3 产品断电情况下，测量 Front Wiper Park SW引脚与地是否短路，发现没有短路。

2.1.4 产品断电情况下，测量R105两端电阻值，发现电阻值为214.5K（此电阻值为其它网络并联的电阻值）。

由以上测量结果，初步判断出是电阻R105阻值超标，造成的雨刮输入信号故障。

2.2 外观分析

依据电路原理分析的结果对R105进行外观分析并根据外观分析结果对R105进行了金相切片分析，具体如图5所示。

2.2.1 经对R105进行外观检查，器件本身外观和焊接外观无异常；

2.2.2 为了分析找出根本原因，决定对R105做金相切片分析，得到以下发现：

2.2.2.1 R105电阻左侧焊点和电阻层未见异常；

2.2.2.2 R105电阻右侧焊点顶部断裂且电阻层底部有坍塌现象；

基于R105的金相切片结果发现R105是受到外力而造成右侧焊点顶部断裂，导致电阻值超标从而引起电路工作异常，为了找出产生外力损伤的位置我们要进行下列的原因分析。

三、原因分析

基于以上分析结果并根据IPC/JEDEC-9704标准文件，典型制造的流程被分为：SMT（表面贴装技术）装配流程， 板子测试流程， 机械安装。其中SMT（表面贴装技术）装配流程包括以下方面：切板（直线切割和弧线切割）流程，所有的人工操作流程[4]，所有重做与返工返修流程，连线安装，部件安装；板子测试流程包括以下几个方面：电路板在线测试（ICT），电路板功能测试（FT）； 机械安装包括以下几个方面：散热片装配，板子支架装配，系统电路板组装或系统装配，部件互连（PCI）或子卡安装，双列直插内存模块（DIMM）。为此我们根据失效产品的生产流程图6，对可疑的工序进行标识并进行有针对性的验证，这样既缩小了调查范围也节省了调查时间。接下来将借助KT分析方法对可能造成产品损伤的工序用黄色标识出来，以便提高分析问题的效果和逻辑性。

3.1 是与不是

首先，我们运用KT的问题分析方法“是与不是”分别从什么、何处、何时以及程度等四个方面进行调查，并据此找出差异，从表1可以得出只有R105位置发生了失效，与R105器件一样的其它位置未发生失效而且其它规格的器件也未发生失效，详见表1。

3.2 差异及变化

根据表1所找出的差异，再来找出变化点在何处，从表1可以看出同样的PCB’A只是壳体不一样，失效只发生在A型号上而B型号上未发现此类失效，而且由于壳体厚度不一样，为了让产品共享同一测试工装，工程师对老的工装进行了改造，经调查追溯信息，失效产品就是在老的被改造后的工装上生产的，详见表2。

3.3 可能原因

综合表1和表2分析，再对可能的起因进行判断，原则是：不能解释的原因越小则越有可能是造成失效的原因，反之亦然。这样我们就以这个原则对不能解释的前三项可能原因进行验证，并根据实际验证结果及时更新可能原因列表中的内容。

四、可能原因验证

针对表3标出绿色的3、5、6项分别进行验证，这里我们就要对失效器件R105位置安装三轴应片，具体如图2所示，并根据应力检测标准分别对3、5、6项逐一进行应力检测，以便找出根本原因。

4.1 验证连接器处受外力导致焊点断裂

借用压力机对连接器分别加100N、500N、800N的力，R105处的应力值分别是1200μm/mm、2500μm/mm 和3200μm/mm，且发现PCB’A有明显的变形，经确认连接器底部附近无支撑，从而造成在连接受力时PCB’A R105位置变形，具体如表4所示。

4.2 验证FCT工装夹紧方式不良导致焊接损伤

把产品放入到测试工装内发现有很大的间隙，把产品靠边极限放置后测试插头正好压在连接器的边沿上，如表5、6所示，在此条件下夹紧工装模拟正常测试过程并进行应力检测，发现R105处应力值达到1300μm/mm>800μm/mm器件的标准值，为了进一步确认验证，把一个正常的产品靠边极限放置并进行功能测试，在夹紧过程中听见有异响，再对R105用万用表进行测试量发现阻值达到213K与失效投诉产品值一致，说明R105的焊点也同样发生了断裂。又按照作业员正常作业方式进行应力测试，应力值为500μm/mm

4.3 验证在客户端作业不良造成器件损伤的可能

通过售后工程师和结构工程师的现场亲自安装和插拔连接器线束，并带回线束经应力检测发现只有300μm/mm

综上三个可能原因分析基本确定发生问题的根本原因是：产品在测试时是通过连接器与测试端夹具上的探针相接触的，但当产品与夹具之间配合不良时就会出现如图7所示情形，在合理公差时由于工装不良使PCB受到瞬时的外力，又因为底壳上没有相应的支撑来抵消这个瞬时外力从而导致R105断裂。

五、根本原因验证及改善

为了从理论上进一步佐证R105器件的损伤是由于壳体在设计时未能考虑到生产过程中的实际情形，以及测试设备的异常导致产品损伤的原因，我们借助软件对该产品进行了有限元分析。

5.1 收集材料特性

由于产品所能承受的外力与产品本身的材料特性有密切的相关性，我们必须要有PCB、焊料以及R105电阻的材料特性，具体特性如表7所示。

5.2 对当前产品状态的有限元分析结果

根据当前的现状进行有限元分析发现，在假定给100N的作用力于靠近R105电阻的连接器上，如图8所示，除去壳体两侧的约束处的形变外，R105电阻的焊点两端有明显变形，其中A处由于PCB变形导致最大应变7.021E-03，在极端条件下会引起陶瓷电阻焊脚断裂，仿真结果如图9所示。

5.3 根据5.2的分析结果进行壳体的结构改进

在靠近R105位置的连接器的底部增加一根支撑点来抵消在连接器插入时受力，从而约束PCB’A的变形如图10所示，近而防止R105电阻的断裂，据此进行有限元分析，从图11可以看出，R105位置的形变得到了明显改善，A处最大应变为3.184E-03，相比没有增加支撑的壳体结构下降了120%，能够有效地预防陶瓷电阻焊脚开裂。

5.4 对改善后的有限元分析（具体如图11、表10 ）

六、最终验证

如表10所示，使用增加了支撑柱的底壳体后，使用同样的测试条件发现应力值得到大幅度的降低，完全满足电子器件的应力接受标准

七、结论

电子产品的机械应力损伤具有累积效应并且在损伤未能导致器件完全失效前，大多数通过常规的AOI、AXI、ICT和FCT是无法完全检出来。为此，我们产品设计和工艺开发之初，就要对产品在整个生产和使用过程中的应力损伤风险进行有效的评估和预防。FEA仿真和应变测试就是两个非常有效的方法。其实，FEA仿真和应变电测技术在机械、电子建筑、航天航空、国防等少数几个高端领域都得到了广泛应用。但在汽车电子行业应力检测和研究还只是少数几个国际汽车零部件巨头在应用，并依此做为其产品竞争的有力保证，但随着国内汽车电子产业的飞速发展和企业的竞争意识的增强，FEA仿真和应变检测也逐渐被国内汽车零部件厂商所重视和应用。