鄧傳錦，鄧銳

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

集成電路振動試驗夾具的設(shè)計與測試方法綜述

鄧傳錦，鄧銳

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

院詳細地介紹了集成電路振動試驗夾具的設(shè)計和測試方法，包括母夾具的結(jié)構(gòu)類型，夾具的總重量堯大小堯材料和結(jié)構(gòu)等夾具設(shè)計的原則，以及測試夾具性能的方法遙

院集成電路曰振動試驗曰夾具設(shè)計曰夾具測試

0 引言

在振動試驗中，夾具是一種非常重要的試驗設(shè)備，其不僅要固定產(chǎn)品，還要將振動和能量不失真地傳遞到試件上，因此，要求其傳遞特性堯共振頻率等參數(shù)均必須滿足試驗要求，夾具的好壞往往決定著試驗的準(zhǔn)確性遙一般而言，一套好的適用于集成電路振動試驗的夾具應(yīng)具備以下條件[1]:1）夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于試驗最高頻率，以避免發(fā)生夾具與試驗臺共振耦合的現(xiàn)象曰2）夾具與受試產(chǎn)品連接面上各個連接點的響應(yīng)要盡量地一致，以確保試驗時輸入激勵的均勻性曰3）夾具與產(chǎn)品應(yīng)盡量地保持剛性接觸曰4）夾具橫向運動（指垂直于激振方向的運動）的最大幅值要小，對于元器件產(chǎn)品而言，一般其夾具橫向運動的幅值應(yīng)不大于25%曰5）波形失真小，具體的指標(biāo)為夾具的振動頻率小于第一階固有頻率時，波形失真度不大于25%，大于第一階固有頻率時，波形失真度不大于60%遙

1 夾具的設(shè)計

設(shè)計夾具前，要確定的設(shè)計目標(biāo)主要有:母夾具的結(jié)構(gòu)類型，以及夾具的總重量堯大小堯材料和結(jié)構(gòu)等遙

1.1 母夾具的結(jié)構(gòu)類型

對于簡單的一個方向的試驗，只需采用最簡單的板狀轉(zhuǎn)接板夾具即可曰對于需要對多個方向進行考核的試驗，則要求夾具能夠高效地完成試驗方向的轉(zhuǎn)換，這類試驗往往采用子母夾具組合的方式，常見的母夾具的結(jié)構(gòu)有以下幾種類型[2]遙

a）板狀夾具

這是一種最簡單的夾具，其形狀可以是圓形（直徑與臺面等大或略大）或矩形遙

b）立方體夾具

其主要用于小型零部件的振動試驗，其特點是5個面都可以安裝試件遙

c）半球形夾具

從重量/頻率的角度來看，這是一種相當(dāng)有效的夾具遙由于球面難以通過機械加工而成，因此，這種夾具通常都是鑄造而成的遙此類夾具一般可以用于相對于振動臺3個方向的振動試驗遙沿著夾具周圍環(huán)形盤上的孔與振動臺面上按圓周分布的螺孔相匹配遙

d）錐形夾具

錐形夾具通常是鑄件，其錐形截面和寬度的筋形成合適的剛度重量比，它的自振頻率通?？梢赃_到2 000 Hz或者更高遙大多數(shù)的錐形夾具也可以做成多用途的工具，通過轉(zhuǎn)接板可以得到各個軸向的運動遙

e）封閉的盒式夾具

盒式夾具通常采用5塊金屬板焊接或螺接而成，頂蓋（第六塊板）通常用螺接，試件可安裝到4個垂直板的外邊，也可以與頂蓋的某一邊相連遙

f）圓筒式夾具

圓筒式夾具比封閉形盒式夾具有所改進，從材料的使用角度來講，它比封閉形盒式夾具更為有效，其一階諧振在相當(dāng)高的頻段上遙試件被裝在蓋板里面，在試驗的那個軸上遙把圓筒的一端固定到振動臺上，蓋板的運動方向垂直于自身平面遙在做其他方向的試驗時，圓筒壁上的平底支撐面與振動臺相連遙

g）L形夾具

L形夾具可以通過將各個部分采用螺接堯粘接或焊接方式結(jié)合而成，也可將整塊料通過機械加工而成遙這種夾具的結(jié)構(gòu)簡單堯經(jīng)濟性好，但垂直平板在某些頻率上容易產(chǎn)生共振遙

h）T形夾具

該類夾具除了將垂直平板裝在中心位置外，其他方面和L形夾具類似遙

1.2 夾具的總重量

設(shè)計夾具前需要根據(jù)現(xiàn)有的試驗設(shè)備能力對夾具的重量進行粗略的估算，以免因夾具設(shè)計得過重而超出現(xiàn)有試驗設(shè)備的試驗?zāi)芰b

式（1）中:F要要要試驗推力，N曰

a要要要加速度，m/s2曰

Ma要要要振動臺動圈質(zhì)量，kg曰

Mb要要要夾具質(zhì)量，kg曰

Mc要要要被試件質(zhì)量，kg遙

試驗推力應(yīng)小于等于振動臺的額定推力，這是對被試件進行振動試驗的必要條件遙因此，設(shè)計前應(yīng)該根據(jù)式（1）反推出夾具所允許的最大重量遙

1.3 夾具的尺寸大小

夾具尺寸的大小應(yīng)由以下兩個方面的因素共同決定:

1）安裝夾具的振動臺體的臺面尺寸，即臺面上的固定孔的尺寸和它們之間的間距大小曰

2）產(chǎn)品本身的尺寸大小遙

在滿足以上兩個條件的基礎(chǔ)上，要求夾具的尺寸控制到越小越好遙

1.4 夾具的材料

從選材上看，由于直接控制固有頻率的因素是材料的彈性模量（E）與材料密度（P）之比，E/P的值會影響其共振頻率，因此，所選材料的E/P的值應(yīng)越大越好曰從性能的角度看，材料應(yīng)具有較小的密度堯較大的剛度和較高的阻尼曰從加工的角度看，材料應(yīng)易以加工曰從經(jīng)濟角度看，則要求材料的價格要相對便宜遙

1.5 夾具的結(jié)構(gòu)[3]

a）與臺面的連接

這是夾具設(shè)計時應(yīng)該最先考慮的問題，一般試驗都是多個方向的，夾具設(shè)計要考慮各個方向的安裝，在多數(shù)情況下要考慮垂臺堯滑臺等多個狀態(tài)的安裝問題遙同時，應(yīng)該注意不同振動臺的規(guī)格尺寸，有些振動臺的尺寸是英制的，有些振動臺的尺寸是公制的，這些都是設(shè)計者要考慮的事項遙

b）傳感器的粘貼

夾具設(shè)計時應(yīng)該考慮傳感器安裝的方便性，否則很有可能出現(xiàn)夾具設(shè)計好后無法粘貼傳感器的問題，從而影響試驗的順利進行遙

c）安裝方便

夾具的設(shè)計，不僅要考慮夾具與產(chǎn)品的連接問題，而且要考慮夾具與振動臺的連接問題遙

d）確保與振動臺動圈的緊密連接

振動夾具與動圈的連接應(yīng)使用盡量多的螺釘，應(yīng)盡量地控制兩者的連接面的外徑尺寸，不能超過動圈的最大外徑遙

1.6 夾具建模與有限元分析

SolidWorks軟件是當(dāng)今應(yīng)用得最為廣泛的大型CAD/CAE/CAM集成化軟件之一，具有很強的實體建模堯曲面建模和裝配等功能，廣泛地應(yīng)用于航空堯航天堯汽車堯造船堯機械和電子設(shè)計等領(lǐng)域的產(chǎn)品的加工制造中遙SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)，其提供了單一屏幕解決方案來進行應(yīng)力分析堯頻率分析堯扭曲分析堯熱分析和優(yōu)化分析，用戶可以使用SolidWorks進行一站式設(shè)計和分析遙

夾具分析計算流程如圖1所示，具體的流程為:采用SolidWorks建立夾具的三維模型，在Simulation有限元軟件中分析，若分析結(jié)果不符合設(shè)計要求，則根據(jù)分析結(jié)果在SolidWorks中進行修改，直到符合要求為止遙

1.7 夾具測試

a）布置監(jiān)控點

取夾具與臺面的固定點為監(jiān)控點，監(jiān)控點的數(shù)量根據(jù)夾具與振動臺面固定點的數(shù)量來確定，一般監(jiān)控點數(shù)與固定點數(shù)相等（至少大于4個），取監(jiān)控點的多點平均值作為基準(zhǔn)點遙

由于測試通道數(shù)量的限制，取單點作為監(jiān)控點，對夾具與振動臺固定點的一致性進行測試遙通過比較，發(fā)現(xiàn)夾具底座的一致性較好，因而取夾具底座中心為監(jiān)控點曰振動的方向為夾具垂直方向遙

b）布置響應(yīng)點

取夾具與試驗件的安裝點作為響應(yīng)點，安裝三軸向加速度傳感器，包括主軸向和與之正交的另外兩個軸向遙

c）設(shè)置試驗參數(shù)[4]

用正弦掃頻方法進行夾具測試時，參數(shù)設(shè)置為:掃描率為1 oct/min，定加速度為1 g，掃描范圍為10～2 000 Hz遙

若正弦掃頻無法掃描下去，可用寬帶隨機方法進行測試時，則參數(shù)設(shè)置為:平直譜型，功率譜密度為0.005 g2/Hz遙

d）計算傳遞率[5]

夾具傳遞率為各個檢測點響應(yīng)加速度幅值的均方根值與基波幅值之比，即傳遞率為:

圖1 夾具分析計算流程圖

式（4）中:f0要要要具有最大幅值響應(yīng)的共振頻率曰

f2堯f1要要最大幅值的2個半功率點所對應(yīng)的頻率遙

e）有頻率共振時的品質(zhì)因數(shù)Q

品質(zhì)因數(shù)Q的計算公式為[2]:

f）橫向振動

夾具橫向振動的大小為橫向響應(yīng)加速度與激振方向加速度的比值，即TSR=即以此值檢查夾具橫向振動的大小遙

3 示例

3.1 夾具設(shè)計

以某型號OEM板為例，設(shè)計其振動夾具，為方便其轉(zhuǎn)換試驗方向，選擇子母夾具組合方式，母夾具選擇六面體型夾具，負責(zé)連接子夾具與振動臺和把振動量值傳遞給子夾具，子夾具負責(zé)固定試樣遙按圖1的設(shè)計流程進行建模設(shè)計，子母夾具裝配體模型如圖2所示遙

圖2 子母夾具裝配體模型

3.2 模態(tài)仿真分析

用SolidWorks的Simulation對夾具裝配體進行模態(tài)仿真分析，所得的結(jié)果如表1所示，前四階模態(tài)如圖2-5所示遙

表1 模態(tài)仿真分析結(jié)果

圖2 一階模態(tài)

圖3 二階模態(tài)

圖4 三階模態(tài)

圖5 四階模態(tài)

加工好夾具后，為了保證夾具的性能符合試驗要求，用正弦掃頻方法對夾具進行測試，參數(shù)設(shè)置為:掃描率為1 oct/min，定加速度為1 g，掃頻范圍為10～2 000 Hz遙

利用夾具上6個檢測點的響應(yīng)波形和振動臺的控制波形數(shù)據(jù)進行計算，則夾具的傳遞率為:

在夾具上選擇1個檢測點安裝1個3軸加速度傳感器來檢測夾具的橫向振動，將采集到的數(shù)據(jù)代入計算可得夾具橫向振動的大小TSR=

由此可見，測試夾具的性能均符合本文總結(jié)的夾具要求遙

4 結(jié)束語

本文詳細地介紹了集成電路的振動夾具的主要設(shè)計方法和測試方法，希望能夠為相關(guān)工作人員提供一定的參考遙

院

[1]金玫，林峰，李德峰，等.振動試驗夾具在可靠性試驗中的應(yīng)用[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2004（5）:39-43.

[2]吳瑞軒.振動夾具的測試方法研究[J].裝備環(huán)境工程，2010，7（6）:252-254.

[3]計恩榮，陳闖.振動試驗夾具設(shè)計要求及驗證方法[J].混合微電子技術(shù)，2009，20（3）:43-46.

[4]唐德效，邵兆申.一種通用振動夾具的設(shè)計[J].空間電子技術(shù)，2009（2）:95-99.

[5]胡波，何林.振動試驗夾具的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2005，23（3）:45-48.

Design and Test Method of Vibration Test Fixture for Integrated Circuit

DENG Chuanjin，DENG Rui
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The design and test methods of the vibration test fixture of integrated circuit including the design principle of the structure type of mother fixture and the total weight，size，material and structure of fixture as well as the test method of fixture performance are introduced in detail.

integrated circuit曰vibration test曰fixture design，fixture test

院TG 759

院A

院1672-5468（2017）03-0064-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.03.013

院2016-09-22

院2016-11-30

院鄧傳錦（1986-），男，廣西貴港人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件檢測中心工程師，碩士，主要從事元器件可靠性壽命及環(huán)境試驗方法的研究工作。