УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01M7/00 H01L21/66 

Изобретение относится к испытательной технике, применяемой при прочностных испытаниях (в частности, к испытаниям на прочность электронных плат (ЭП) при изготовлении).

При эксплуатации приборов в составе различных машин и оборудования (например, космических аппаратов) ЭП с электрорадиоэлементами подвергаются различного вида внешним воздействующим факторам: механическим, климатическим, ионизационному излучению и т.д. К механическим воздействиям относят: статические, вибрационные, линейные, ударные нагрузки и акустический шум. Изделия, предназначенные для функционирования в условиях воздействия механических нагрузок, должны быть прочными и устойчивыми при воздействии этих факторов. Эта способность проверяется в процессе проведения испытаний на механические воздействия как на этапе отработки приборов, так и на этапе изготовления входящих в состав приборов ЭП.

Одним из рекомендуемых способов испытаний ЭП является метод испытаний монотонным изгибом (Стандарт IEC-PAS 62137-3. Технология электронного монтажа. Методы тестирования надежности паяных соединений. Приложение D). Для испытаний ЭП ее устанавливают на две опоры поверхностью с монтажом вниз и при помощи индентора (наконечника) производят на нее давление сверху для создания необходимого уровня нагружения ЭП. Имеются различные модификации такого способа испытаний. Для реализации такой технологии требуется нагрузочное устройство. В настоящее время для проведения испытаний имеются различные устройства нагружения: патент РФ №1582063 [1], патент РФ №1663497 [2], патент РФ №1748007 [3], патент РФ №2416084 [4], патент РФ №2453823 [5]. Предлагаемые решения содержат силовую раму с размещенным на ней устройством для нагружения объекта испытаний, опорные элементы для размещения на них объекта испытаний, средства контроля перемещений объекта испытаний.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство, представленное в патенте РФ №2453823 (прототип). Недостатком предлагаемых устройств является их громоздкость, невозможность точного позиционирования индентора, необходимого для нагружения небольших ЭП с учетом высокой плотности электронных компонент на платах, и, как следствие, использовать такие устройства для испытаний.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания ЭП для различной аппаратуры.

Техническим результатом заявленного изобретения является разработка простого нагрузочного устройства для испытаний на механические воздействия ЭП.

Технический результат достигается тем, что разработано устройство для испытаний ЭП на механические воздействия, которое содержит силовой каркас, включающий крепления для установки ЭП и опорные стойки, на которых фиксируется нажимной механизм, измерительный щуп и индикатор. Силовой каркас выполнен из четырех опорных стоек, соединенных стержнями по периметру, причем к двум противоположным стержням крепятся поперечины с установленными на них креплениями для ЭП, с возможностью перемещения ЭП вдоль параллельных стержней и вдоль поперечен. Над ЭП на опорные стойки размещен кондуктор, выполненный из кольца с верхней и нижней сетками, в ячейки которых установлены инденторы до упора в поверхность платы, причем над кондуктором на опорные стойки закреплен нажимной механизм, состоящий из крестовины с плитой, а измерительный щуп и индикатор зафиксированы в подвесной узел на поперечинах под ЭП, при этом количество точек установки инденторов определяется по формулам:

где δ_j(x_i,y_i) - перемещение в j точке под влиянием нагрузки, приложенной в i точке; P_i(x_i,y_j) - нагрузка, приложенная в точке i;

G - коэффициент пропорциональности связывающий перемещение с нагрузкой и цилиндрической жесткостью ЭП;

- цилиндрическая жесткость ЭП, (Е - модуль упругости материала ЭП,

h - толщина ЭП, ν - коэффициент Пуассона материала ЭП), δ_max(x_j,y_j) - максимальное перемещение в точке j;

- суммарное перемещение в j точке;

N - количество точек приложения нагрузки (N≥1);

j - номер точки с максимальным перемещением;

i - номер текущей точки с перемещением;

Δ - погрешность задания перемещения.

Кондуктор и нажимной механизм крепятся к опорным стойкам с помощью гаек.

Сущность изобретения поясняется фигурами.

Фиг. 1-3 - конструкция испытательного устройства.

На Фиг. 1 показано нагрузочное устройство, состоящее из четырех стоек 1, соединенных стержнями 2 и винтами 3, к стержням 2 опорами 4 и винтами 3 крепятся поперечины 5, опоры 4 свободно перемещаются по стержням 2 и фиксируются винтами 6, на поперечинах установлены опоры 7 и подвески 8, они свободно перемещаются по поперечине 5 и фиксируются винтами 6. Подвески 8, перекладина 9, хомутик 10 и винт 11 образуют крепление для измерительного щупа 36 и индикатора 12.

Над ЭП 13 устанавливается кондуктор 14 с прикрепленными к нему сетками 15 с помощью колец 16 и болтов 17 и фиксируется гайками 18 на стойках.

Выше устанавливается нажимной механизм (Фиг. 2), состоящий из крестовины 19 с втулками для направляющих 20, которая крепиться на стойках стенда гайками 21. К крестовине присоединяется стакан 22 с помощью четырех винтов 23, направляющая колонка 24 винтами 25 прикрепляется к плите 26, диск 27 винтами 28 - к стакану 22. Гайка 29 с четырьмя рукоятками 30 и плита 26 объединяют составные части механизма в единое целое. В кондуктор, до упора в поверхность платы устанавливаем инденторы 31, за счет них осуществляется прогиб ЭП (их может быть один или более, в зависимости от того какой нужно воссоздать прогиб поверхности ЭП).

Под ЭП на крепежном механизме фиксируется прибор с измерительным щупом 36 и индикатором 12 с кронштейном 32 (Фиг. 3), который болтами 33 крепится к пластинке 35 и болтом 34 к корпусу прибора 12. Измерительный щуп 36 подводится к поверхности ЭП 13 в точке максимального прогиба. Шкала индикатора 12 зануляется. Под нагрузкой ЭП будет прогибаться, и индикатор 12 будет отображать величину прогиба.

На фигурах продемонстрирован способ установки ЭП на опорах устройства, поясняющий возможность подведения с четырех сторон соединительных кабелей (аналоговых или цифровых сигналов) специализированной аппаратуры для проверки работоспособности ЭП при нагружении.

Фиг. 4,а - конечно-элементная модель блока управления одного из космических аппаратов (ЭП в составе блока показана стрелкой); б) - конечно-элементная модель ЭП из этого блока управления;

Фиг.5 - поля перемещений, полученные при расчете блока с ЭП на квазистатические (а), вибрационные (б) и ударные нагрузки (в) [в качестве примера приведены перемещения в центре ЭП: ось Y - протяженность платы по ширине, ось X -величина прогиба поверхности ЭП под нагрузкой];

Фиг. 6 - графическое изображение огибающей максимальных перемещений поверхности ЭП при ударной нагрузке (а - без нагрузки, 6 - под нагрузкой);

Фиг. 7 - схема расчета предлагаемого метода: точки 1,2,3,4 с координатами (x_i,y_i) - это точки локального нагружения, точка 5 с координатами (x_j,y_j) - точка максимальных перемещений (максимального прогиба).

Пример практического исполнения

Применение рассмотренной выше технологии демонстрируется следующим образом. Разрабатывается конечно-элементная модель блока управления одного из космических аппаратов, пример блока управления представлен на Фиг. 4,а. В состав блока входит несколько ЭП. Габариты рассматриваемой ЭП составляют 292×150×30 мм (Фиг. 4,б). ЭП рассчитывается на квазистатические, вибрационные и ударные нагрузки. Результатами расчета являются поля перемещений поверхности ЭП под нагрузкой (Фиг. 5). Максимальными перемещениями по всей ЭП стали перемещения при ударных воздействиях и составляют 2,36 мм. Точка максимального прогиба имеет следующие координаты (0.135,0.146). Используя формулу (1), определяется необходимая нагрузка для осуществления прогиба данной величины (то есть точка i и j совпадают) P_i=221,2 Н, при этом напряжения, возникающие в точке приложения нагрузки, равны σ=P/S=70,45 МПа, где S - площадь поперечного сечения индентора, которым осуществляется нагрузка. Предельные напряжения для материала защитного слоя ЭП σ_пр=20 МПа. Таким образом, если воздействовать одним индентором на поверхность ЭП в точке максимальных перемещений для создания нужного прогиба, повредиться защитный слой, потому что σ>σ_пр. Поэтому чтобы не повредить защитный слой, нагрузка распределяется на n точек, количество которых регулируется величиной нагрузки и свободными от монтажа местами на плате.

Для получения полей перемещений при испытаниях ЭП нагрузка осуществляется в n=4 точках с координатами: 1(0.125,0.136), 2(0.125,0.146), 3(0.130,0.156), 4(0.132,0.130) (Фиг. 7). Используя формулы (1) и (2), рассчитываются величины нагрузок, необходимые для прогиба поверхности ЭП, как при ударных нагрузках. Величина прогиба под приложенными нагрузками составила δ_общ(x_i,y_i)=Σδ_j(x_i,y_i)=2.358 мм.

Координаты точек приложения и величина нагрузки определены. ЭП фиксируется на опорах разработанного устройства таким образом, чтобы центральная ось симметрии устройства проходила через точку максимального прогиба ЭП. Инденторы устанавливаются в кондуктор на рассчитанные точки. Фиксируется нажимной механизм. Под ЭП устанавливается измерительный щуп и индикатор. Измерительный щуп подводится к нижней стороне ЭП, индикатор зануляется. Вращая рукоятку, плита давит на инденторы, ЭП прогибается и индикатор отображает величину прогиба. При этом к ЭП подсоединено тестирующее электрические и логические цепи устройство. Тестирующее устройство моделирует реальную работу ЭП в составе аппаратуры. На ЭП, подключенную к тестирующему устройству, подано питающее напряжение и снимаются соответствующие электрические показатели. В процессе нагружения (прогиба) не прекращается регистрация электрических показателей, подтверждающих работоспособность ЭП при данной нагрузке.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного объекта.

Изобретение относится к испытательной технике, применяемой при прочностных испытаниях (в частности, к испытаниям на прочность электронных плат (ЭП) при изготовлении). Устройство содержит силовой каркас, включающий крепления для установки ЭП и опорные стойки, на которых фиксируется нажимной механизм, измерительный щуп и индикатор. Силовой каркас выполнен из четырех опорных стоек, соединенных стержнями по периметру, причем к двум противоположным стержням крепятся поперечины с установленными на них креплениями для ЭП, с возможностью перемещения ЭП вдоль параллельных стержней и вдоль поперечен. Над ЭП на опорные стойки размещен кондуктор, выполненный из кольца с верхней и нижней сетками, в ячейки которых установлены инденторы до упора в поверхность платы. Над кондуктором на опорные стойки закреплен нажимной механизм, состоящий из крестовины с плитой, а измерительный щуп и индикатор зафиксированы в подвесной узел на поперечинах под ЭП. Количество точек установки инденторов определяется по формулам. Технический результат: разработка простого нагрузочного устройства для испытаний на механические воздействия ЭП. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для испытаний электронных плат (ЭП) на механические воздействия, содержащее силовой каркас, включающий крепления для установки ЭП и опорные стойки, на которых фиксируется нажимной механизм, измерительный щуп и индикатор, отличающееся тем, что силовой каркас выполнен из четырех опорных стоек, соединенных стержнями по периметру, причем к двум противоположным стержням крепятся поперечины с установленными на них креплениями для ЭП, с возможностью перемещения ЭП вдоль параллельных стержней и вдоль поперечен, при этом над ЭП на опорные стойки размещен кондуктор, выполненный из кольца с верхней и нижней сетками, в ячейки которых установлены инденторы до упора в поверхность платы, причем над кондуктором на опорные стойки закреплен нажимной механизм, состоящий из крестовины с плитой, а измерительный щуп и индикатор зафиксированы в подвесной узел на поперечинах под ЭП, при этом количество точек установки инденторов определяется по формулам:

где δ_j(x_i,y_i) - перемещение в j точке под влиянием нагрузки, приложенной в i точке;
P_i(x_iy_j) - нагрузка , приложенная в точке i;
G - коэффициент пропорциональности, связывающий перемещение с нагрузкой и цилиндрической жесткостью ЭП;
- цилиндрическая жесткость ЭП (Е - модуль упругости материала ЭП, h - толщина ЭП, ν - коэффициент Пуассона материала ЭП), δ_max(x_j,y_j) - максимальное перемещение в точке j;
- суммарное перемещение в j точке;
N - количество точек приложения нагрузки (N≥1);
j - номер точки с максимальным перемещением;
i - номер текущей точки с перемещением;
Δ - погрешность задания перемещения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кондуктор и нажимной механизм крепятся к опорным стойкам с помощью гаек.