王瑞曾，张静，舒礼邦，杨建

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 210016）

0 引言

恒定加速度试验不仅仅能够用于模拟电子产品实际的使用条件，还能够用于考核其性能和结构完整性。此外，其还能够检查出冲击和振动试验不能检查出的产品缺陷，并能有效地检验产品内部金属化、引线系统、芯片烧结、可伐或陶瓷帽封焊等工艺，以及陶瓷或玻璃绝缘子结构强度所存在的缺陷，在产品预研、优化工艺方面起着重要的作用。另外，恒定加速度试验作为工艺筛选技术，可在早期剔除某些存在缺陷的产品，从而有效地提高产品的可靠性[1]。国内GJB 548、GJB 360、GJB 150和GB/T 2423.15，国外美军标MIL-STD-810F、MILSTD-202F等标准将恒定加速度试验作为主要的微电路机械结构可靠性试验方法之一。

目前，不同尺寸和形状的产品越来越多地应用于军品/民品项目中，其恒定加速度试验方法工艺论证、选择和夹具设计研究逐渐地成为了该试验方法发展的方向。

1 恒定加速度试验原理

恒定加速度试验的过程，本质上是模拟产品承受离心力的过程。离心力是一种惯性力，任何物体在做圆周运动或曲线运动时都会受到离心力的影响。而相应的离心加速度是由切向加速度|和法向加速度|合成，并且两者相互垂直，即:

an=Rω2

at=Rα

其中:R——曲率半径（单位:m）；

α——角加速度（单位:rad/s2）。

而加减速阶段的合成离心加速度值也大于或小于当前试验值[2]。按照国军标规定，其加速度梯度不应大于10%。

图1 恒定加速原理示意图

2 恒定加速度试验的形式

恒定加速度试验分为部件离心和产品离心两种形式。部件离心主要是针对组件/部件级别的产品，一般来说产品的外形尺寸较大。某型部件离心机如图2所示，其试验应力量级范围为1～100 g。而器件离心主要针对各种器件、各种封装管壳等，一般器件外形尺寸较小。某型器件离心机如图3所示，试验应力量级范围可达30 000～50 000 g。

图2 部件离心机

图3 器件离心机

3 导致恒定加速度试验失效的因素

试验证明，导致恒定加速试验失效的主要因素有5点:1）产品设计和生产缺陷导致结构薄弱；2）产品封装工艺缺陷导致检漏测试不合格；3）试验方法选择不当造成产品外观、气密性不合格；4）试验人员技术水平和经验不够；5）离心应力量级选择不当造成产品损坏[3]。其中，因素1）-2）为产品自身可靠性缺陷，是恒定加速度试验需要暴露出的问题；而因素3）-5）均是试验方法的科学论证和试验技术经验问题。

为了避免3）-5）中的情况发生，应针对不同的产品制定科学、合理、可行的恒定加速度试验方法工艺。离心夹具的设计和使用，是准确地激发产品自身工艺缺陷的关键。夹具必须准确地传递恒定加速度试验应力，以科学正确的装夹方式，为产品随后的批量生产、定量化分析工艺缺陷提供准确、可靠的试验数据支撑。

4 恒定加速度夹具的分类

恒定加速度试验夹具是用于固定部件、电子元件和微电子产品，将所需的离心力准确地传递到产品的敏感部位，并确保产品在试验过程中，不产生额外附加应力的一种装置。主要包括部件离心夹具和器件离心夹具两大类。

4.1 部件离心夹具

悬臂式离心机常用于部件离心，为了在悬臂上实现3个或6个方向的离心试验，需要制作固定产品的工装，厂家一般提供平板型或L型通用工装夹具，如图4所示。

图4 部件离心L型通用夹具

此类工装大而笨重，并且采用钢质压条直接固定产品。假设钢压条尺寸为345 mm×80 mm×25 mm，则压条在100 g试验应力下需承受5 314 N的巨大离心力，一旦固定压条的螺钉强度不够，或试验人员装配不紧固，则试验过程中压条会瞬间折断螺钉使产品飞出而导致产品损坏，从而导致试验失效，带来经济上的巨大损失。同时，对试验人员的人身安全也存在极大的威胁。部件离心夹具也可以根据客户的需要定制成盒型工装，如图5所示。

图5 部件离心盒型夹具

该工装由4个M24的高强度钢螺杆固定在离心机上。其优点是可根据产品设计各种专用子夹具，便于在夹具的盒体中摆放出三轴六向。只要工装盒在离心机上安装紧固，盒盖装配完好，就不会有产品被甩出的隐患，为人员和设备的安全提供了保障。工装材质选用一般淬火工艺处理后的高强度钢即可保证结构强度。

4.2 器件离心夹具

各种外形和封装形式的微电子产品常用转盘式装配方法。转盘式装配方法可以分为3类:专用夹具装配、磁吸装配和埋砂装配。

专用夹具是为了形状各异、封装不同的产品而量身定做的夹具，其安装方式科学合理，精确度高，但通用性差，使用受限。

磁吸装配则利用自带平整磁吸表面，将产品逐一地吸附在磁面上进行试验，磁吸夹具只能针对磁性材料 （如:铁、钴、镍），非磁性材料封装不能使用磁吸法，并且磁吸法一般只能做Y1方向的试验，该方法方便高效，但是产品材质、尺寸、质量和试验方向都受限制，尤其是试验过程中应特别重视磁面的保护。

埋砂装配即是在一个盒体中装满金刚砂。埋砂盒的装配和配平繁琐，不过，对于产品的三轴六向安装简单，但试验后表面所沾的细砂都难以清理，并且应充分地考虑此方法对产品的封帽及引线所产生的影响。

5 大尺寸微波管离心试验技术的难点

5.1 可伐盖板凸台及其加工误差

大尺寸的微波外壳，配套的平行封焊金属盖板通常需做成凸台状，为了满足平行封焊的工艺要求，而中心厚度通常为0.40 mm，以提高外壳的抗气压能力。本管壳封帽时盖板的凸台向外是为了避开金属框架的加强筋，从而保证外壳的气密性。微波管盖板长边为 （35.20±0.05）mm，短边为（31.20±0.05）mm，盖板尺寸比常规盖板大。盖板上有长边为 （31.60±0.05）mm、短边为 （29.00±0.05）mm、高为0.3 mm的凸台，管壳总体厚度为6 mm，实物如图6所示。

图6 大尺寸微波管壳实物图

夹具对管壳的向心力的作用点选择在0.1 mm的边缘区。平行封焊时，盖板边缘发生材料的局部熔化，在滚轮的压力作用下发生轻微的塌边，加上盖板与底座之间装配时，X和Y两个方向上有正常的装误差，使得向心力的有效作用区域减少，在夹具设计时，必须将此不利因素考虑在内，这样便增大了夹具的设计难度。

5.2 管壳气密性封装要求

管壳采用平行封焊方式封装，工作原理是用两个圆锥形滚轮电极与金属盖板接触形成闭合回路，整个回路的高阻点在电极与盖板接触处，电流在接触处产生大量的热量，使盖板与焊框上的镀层形成一系列熔融状态的焊点[4]，一系列焊点构成了平行封焊的连续焊缝。虽然平行封焊技术成熟能保证气密性，但对于如此大尺寸盖板的平行缝焊来说，对离心试验方案要求更严苛，稍有偏差就会造成产品外观微变形，最终导致气密性满足不了小于5×10-9Pa·m3/s （He） 的要求。

因此，必须针对这两个技术难点设计合理、科学的离心试验方法。

6 大尺寸微波管磁吸法可行性论证

磁吸法是否可行需要考虑5个方面:1）产品是否会在加速、减速过程中滑动或者从磁面上掉落；2）试验后产品表面是否完好；3）受产品上离心力的影响，磁面是否会发生形变；4）产品安装是否满足试验条件所要求的方向；5）在试验过程中是否对产品的引线造成影响。

6.1 磁面上产品横向受力

如果产品在磁面上的切向离心力f切小于产品最大静摩擦力f静max，则产品不会在试验中滑动，受力分析公式如下:

其中:fn——法向离心力；

μ——盖板和磁面之间的静摩擦系数。

在加速过程中满足f切＜f静max才不会发生移动。

f静max得0.058 57 kg， f磁=4 N， μ=0.36， R=0.114 3 m，20 000 g对应转速 n=12 510 rmp，求得 Δt＞0.002 1 s，不同离心量级所设定的上升时间如表1所示。

表1 不同离心量级所需上升时间

而依据标准，达到所需量级的上升时间要大于20 s，因此，所设定的离心机加速上升时间必定远大于0.002 1 s，故该种材质的产品不会发生横向偏移。

6.2 磁面上产品纵向受力

管壳与磁面之间的静摩擦系数为μ，则最大静摩擦力 f静max=f磁μ=1.2 N。 只要 G＜f静max， 产品在重力方向 （纵向）就不会掉落，而G=0.59 N，故产品不会掉落。虽然，这里的f静max随着加速过程是在逐渐地变大的，但是，只要G小于f静max的最小值，产品就不会掉落。

6.3 磁面损伤受力分析

该型号管壳质量为58.57 g，封帽面积以面积计算为916.4 mm2，则试验中施加到磁面的压强为12.78 MPa，这样大的压强作用在磁面上必然会损坏磁面。

最终吸磁法是否可行所需要考虑的5个因素得到了解答:1）产品不会在加速、减速过程中滑动或者从磁面上掉落；2）试验后产品的表面会发生凹陷；3）产品在试验中会损伤磁面；4）该方法只能做Y1向，不能按照条件要求做出其余方向的加速试验；5）0.11 mm厚度的引线在此离心力的作用下，必然会发生弯曲变形。因此，证明了吸磁法不合适。

7 大尺寸微波管埋沙法可行性论证

埋砂法将产品直接埋入砂盒中，这里只考虑产品封盖和热沉底座面所接触的砂，对应示意图如图7所示。

图7 埋砂盒内产品和砂位置示意图

扇形面积为:

产品一半的底面积为:

故砂2的底面积为:

由此算得砂2的体积为:

对应的质量为:

理论上，产品封盖面的砂1与底座面的砂2的质量一致，即m砂1=m砂2。

在离心试验时，产品承受砂2对产品底板的挤压力f砂2和砂1对盖板的挤压力f砂1，这两个力的合力提供产品的向心力，而砂2仅仅受到产品底板对其的支撑力作为向心力，其大小为|f砂2|但方向相反。故先利用向心力公式求解出f砂2的大小，再利用向心力公式求解出f砂1，从而可求得盖板和底板所受的作用力。

产品质点距离离心机轴的长度R为114.3 mm，由几何关系知道砂2的质点距离离心机轴的长度R砂2为95.3 mm。

可见盖板受力是底板的近3倍，而由于盖板的面积为35.2 mm×31.2 mm，因此盖板所受压强为18.687 MPa，如此大的压强将导致盖板凹陷，产品失效[5-7]，由此验证了埋砂法不可行。

8 大尺寸微波管组合离心法可行性论证

根据产品的外观和20 000 g 3个方向的试验要求，笔者创造性地设计了一种组合试验方法，该方法先将产品固定在专用子夹具中，再将子夹具埋入砂盒，从而达到了安全、准确地完成试验的目的。

8.1 夹具设计的难点

夹具设计的难点主要体现在以下两个方面。

a）由于盖板上有凸台，在为产品设计Y1方向夹具受力面形状时，应考虑如何避免凸台因被夹具挤压而发生形变造成漏气的问题；同时也要考虑避免由于夹具设计尺寸公差过大而导致凸台鼓起，发生形变造成漏气的问题。

b）夹具采用拼装形式，同时又要保证产品在3个方向上，受力面位置准确、可靠，夹具腔体尺寸设计合理、精确。使产品在各个方向上均不会发生形变。

8.2 夹具设计原则

一个合格的夹具，必须使产品正确地受到试验应力的传递，同时保证产品在试验结束后外观不会发生形变。因此设计夹具时必须考虑6个因素:1）夹具材质的选择；2）夹具受力面设计 （或产品受力点选择）；3）夹具公差的设计考量；4）夹具的合理装配；5）夹具重复使用时的可靠性；6）夹具对工作效率的影响。

8.2.1 夹具材质的选择

夹具材质的选择应考虑选择接近产品材质弹性模量的材料，一些常见的材质的弹性模量值如表2所示。

表2 各种常见的材料的弹性模量

弹性模量大的材质，刚度高、韧性差。如果夹具材质的刚度大于产品材质，则产品易磨损，受力后外观可能受损；弹性模量小的材质，刚度低、柔性好，可以保护产品的外观，但若夹具材质与产品材质的弹性模量差距太大，则弹性模量值小的材质会受力不稳定，且损耗较大，故夹具的材质选择其弹性模量与产品的接近且稍小的为宜。

8.2.2 夹具受力面及公差设计

分析出产品薄弱结构可以帮助选择出合适的产品受力点；而找出产品在试验中合理的受力点是产品不发生形变的关键，这样才能准确地设计出合理的夹具受力面，产品薄弱结构位置如图8所示。

图8 产品3处薄弱结构位置图

产品第一处结构薄弱的位置是盖板，其只有四周侧墙支撑，中间空腔，稍微受力就有可能凹陷；第二处是引线位置，引线不能受力弯折扭曲，否则会造成陶瓷破损漏气；第三处是产品侧墙，其壁厚为0.7 mm，由于侧墙较长，中间部分强度较低，若侧墙在垂直方向上受力，则易发生形变。

8.2.2.1 Y1向受力面和公差设计

产品在做恒定加速度试验时，应避免外壳的薄弱位置受到较大的应力，这就需要合理地设计试验夹具受力面的形状，将整个外壳受到的向心力均匀地分布在外壳的某个合理的作用面上，而设计不合理的夹具受力面会将离心力作用在产品薄弱处或承受使管壳某部位发生弯折趋势的应力。

夹具受力面的设计过程往往是从简单到复杂，假设Y1方向上的夹具受力面为平面，受力如图9所示。

图9 Y1向平面受力面示意图

如果凸台不存在，则离心压力由管壳侧墙支撑，等于1/2F，且无力矩；凸台存在，压力仍由侧墙支撑，等于1/2F。两者的不同之处是形成了以凸台边缘O为原点的一个旋转力矩M=1/2F×L，实际情况是压力将由四边侧墙承受，并将凸台距离边框的最短距离定为L，则力矩为M=1/4F×L，该力矩只有小于盖板弯曲强度时盖板才不会弯曲，当加速度一定时，该值远大于材料的弯曲强度，最终导致平行封焊处的焊缝受力过大，造成漏气[8]。因此Y1方向上，约束盖板夹具的受力面，设计成在平面受力面基础上开一深0.4 mm的凹槽，确保0.3 mm凸台能沉入其中，让支撑力均匀且仅仅作用在管壳侧墙，如图10所示。

图10 Y1向夹具受力面示意图

管壳侧墙上的均匀受力分布如图11所示。

图11 Y1向管壳侧墙受力分布图

由于大盖板采用可伐材料，其加工误差较大，因此加工的凸台到盖板边缘的误差不一致；其次，平行封焊在盖板定位和预焊工艺中也有微小误差，所以盖板凸台不能每次都准确地放进凹槽内，夹具在装配过程中，会误碰到凸台造成试验后管壳变形漏气。图10夹具中盖板上的台阶取消，改为加工0.5 mm厚可伐框黏贴在盖板上的方式，使应力能够准确地加载在管壳侧墙上。Y1方向的实际受力面如图12所示。

图12 Y1方向的实际受力面设计图

盖板凸台只有0.3 mm厚，与0.5 mm可伐框之间有0.2 mm空隙，此空隙使凸台在离心力下沿着Y1方向有微量移动，最终会导致凸台鼓起变形，如图13所示。

图13 盖板鼓起形变示意图

为了填充0.2 mm的间隙，巧妙地将图13中约束盖板夹具体内壁设计成10 mm×10 mm×0.1 mm台阶。此0.1 mm的台阶对盖板凸台的鼓起形变起阻挡作用，如图14所示。

图14 Y1向夹具最终受力面

8.2.2.2 X和Z向受力面和公差

热沉为实心结构的金属件，在均匀面力作用下，外壳不会发生显著的形变，所以约束底座热沉的夹具体X和Z向上的受力面直接设计为平面，如图15所示。

图15 X和Z向夹具最终受力面

上下两夹具是通过螺钉装配成一体的，不能保证两夹具齐平安装无误差。另外，在X和Z方向上的离心试验中由于两个夹具体位于离心机腔体的位置存在一定差异，这种差异在20 000 g量级的应力作用下会进一步地增加两夹具之间的装配误差，而约束底座热沉和管壳盖板的两夹具腔体尺寸对这种误差尤其敏感，一旦两夹具体腔体尺寸设计不合理，在该误差影响下夹具X、Z向受力面位置就将发生变化，甚至造成试验后产品严重损坏，图16所示即为两夹具腔体尺寸设计不合理，试验过程中改变了原先设计的X或Z向受力面。

图16 不良公差受力面图

这里给出确保Z或X向受力面位置在试验过程中始终准确的公差设计。

产品底座到下夹具腔内壁的公差应该小于产品侧墙到上夹具腔体内壁的公差，这样设计就可以保证X、Z方向上底板受力而非侧壁受力，正确的受力面如图17所示。

形成错误受力面的产品损坏实物图18所示。

图17 合理公差受力面图

图18 X、Z向错误受力面产品损坏实物图

夹具Y1、X、Z向受力面设计成功地解决了该产品夹具设计的两个难点。

8.2.3 夹具合理装配设计

整套夹具为了保护管壳引出端，在约束盖板夹具体加工出一子腔体，以确保整体装配后不会压到引线，实现保护引线的功能，具体的结构如图19所示。

图19 夹具装配设计

8.3 试验方法装配流程

试验方法装配主要由夹具装配和砂盒装配组成。夹具装配如图20所示，其实际的装配如图21所示。

图20 夹具装配图

图21 夹具装配实物图

夹具装完再埋入砂盒进行试验，砂盒装配实物图如图22所示。

图22 砂盒装配实物图

组合恒定加速试验方法中的具体装配流程为夹具装配、砂盒装配、配平和试验。其中，砂盒装配环节应避免夹具缝隙进砂，并检查夹具螺钉是否紧固到位。

经过反复试验发现，试验过程中产品不变形、不漏气，从而证实了该试验方法实用、可靠。

9 结束语

本文针对存在高凸台的大尺寸可伐封帽气密性封装产品设计了一套拼装式专用夹具，并制定了专用夹具结合埋砂盒的创新试验方法工艺，讨论了夹具设计中需要考虑的6大因素，另外利用材料力学相关知识论证了埋砂法、吸磁法不适用的原因[9]。其重要意义在于:为设计大尺寸且盖板有凸台结构的封装产品的离心夹具和试验方法提供了较好的指导。