Исследование состояния микросборок РЭС при тепловых воздействиях

специальных шайб, компенсирующих возможное вы-ступание сепаратора. Реализация данной конструкторской меры незначительно увеличило временные затраты на сборку инерционных включателей.

Внедренное в конструкцию подшипника его разработчиком улучшение, не оговоренное в доступной предприятию-потребителю документации, привело к дополнительным временным и финансовым затратам потребителя.

4 Для определенности углового положения устройства ручного взведения в приборе использовалась фиксирующая плоская пружина, жесткость которой, как в последствие выяснилось, оказалась недостаточной. При ошибочных действиях исполнителя, не ознакомившегося в требуемом объеме с документацией, при выполнении ручного срабатывания и взведения, существовала вероятность установки устройство ручного взведения в угловое положение, смещенное от номинального. Проведенные изменения формы плоской пружины увеличили ее жесткость, в результате чего значительно улучшилась фиксация устройства взведения в исходном угловом положении. Внедрением указанных конструктивны:': мер, отмеченная проблема была

Рисунок 3

успешно решена. Вероятность ошибок исполнителя при ручном срабатывании и взведении прибора практически исключается.

Выявленные в процессе изготовления и опытной отработки инерционного включателя проблемные вопросы, а также пути и особенности их эффективного решения, приведенные в настоящей статье, могут быть полезны разработчикам подобных электромеханических приборов в их работе.

Эффективное решение вопросов, возникающих при изготовлении инерционных включателей, свидетельствует о том, что творческая часть разработки приборов не завершается после выпуска конструкторской документации. Оптимизация конструкции прибора сопровождает весь ход ОКР, то есть работа разработчика является творческой от разработки технического задания до изготовления партии приборов для зачетных испытаний, (в нашем случае испытаний на надежность), а иногда вплоть до передачи конструкторской документации серийному конструкторскому бюро и серийного освоения.

Фотографии опытных образцов инерционных включателей, разработанных при выполнении ОКР, приведены на рис.3 и 4.

I /11 /1 М|II111111111111111111111111111

70 79 ЕО с? 7

Рисунок 4

Таким образом, в ходе проводимой предприятием ОКР созданы технологичные при изготовлении, надежные при применении инерционные включатели, работоспособные при жестких внешних воздейству-

ющих факторах, безопасные - сохраняющие с требуемой вероятностью исходное состояние контактов контактной системы, при аварийных ситуациях в составе объекта использования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Инерционный включатель. Патент РФ №25210 0 0 от 27. . 07. 2012, Н01Н 35/14, опубликовано

06 .2014.

2. Инерционный включатель. Патент РФ №252 05 9 6 от 24. . 05. 2012, Н01Н 35/14, опубликовано

06 .2014.

3. Инерционный включатель. Патент РФ №2542336 от 09. . 07. 2013, Н01Н 35/14, опубликовано

02 .2015.

4. Инерционный включатель. Патент РФ №2562057 от 30, . 12, 2013, Н01Н 35/14, опубликовано

10.09.2015.

5. Китаев В.Н., Китаева Е.Н., Бабушкин В.И., Клитеник О.В. Оптимизация индукционного демпфера инерционного включателя. Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ПГУ, 2016. - 1 т. - 326 с., с. 111-113.

6. Китаев В.Н., Китаева Е.Н. Совершенствование базовых конструкций - эффективный путь разработки новых электромеханических приборов системы автоматики. НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО - 2013: тр. Международного симпозиума: в 2 т.\ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - 2 т. - 418 с., с. 126-128.

УДК 621.396.6.001:004.4

Литвинов1 А.Н., Юрков1 Н.К., Хади2 О.Ш.

гФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

2Багдадский технологический университет, Багдад, Ирак

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ МИКРОСБОРОК РЭС ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Целью работы является повышение надежности и обеспечение требуемых тактико-технических характеристик радиоэлектронных средств (РЭС) конструкторско-технологическими способами. Рассмотрена замкнутая микросборка прямоугольного типа, содержащая слоистые гетерогенные структуры и находящаяся под действием эксплуатационного теплового режима. Предложены кон-структорско-технологические способы по снижению термомеханических напряжений и повышению надежности конструкции. Предложенные модель и комплекс программ позволяют на ранних этапах проектирования микросборок теоретически моделировать их состояние при действии тепловых нагрузок и научно обоснованно принимать конструкторско-технологические решения по обеспечению их надежности в эксплуатационных режимах. Это позволяет существенно сократить сроки и экономические затраты на разработку современных изделий РЭС

Ключевые слова:

микросборка, многослойная плата, прямоугольный корпус, тепловое воздействие, напряженно-деформированное состояние

Введение

Системный анализ различных конструкций РЭС и приборных устройств показывает, что большинство изделий, блоков и их элементов являются гетерогенными структурами, подверженными внешними воздействиями. За счет изменения их напряженно-деформированного состояния (НДС) происходит изменение основных электропараметров устройств, ухудшение метрологических характеристик, снижение их надежности, а в ряде случаев их частичный или полный отказ в результате разрушения отдельных элементов. При этом основными являются динамические и температурные воздействия, возникающие в ходе выполнения различных технологических операций в производстве, при испытаниях и в процессе эксплуатации РЭС в широком диапазоне тепловых и вибрационных нагрузок [1, 2, 3].

Проведенные исследования для различных конструктивных элементов и блоков показали, что при тепловых воздействиях в элементах РЭС возникают термомеханические напряжения, распределение которых существенно зависит от конструктивных особенностей изделий [4]. Установлено, что при тепловых воздействиях на изделия РЭС происходит их коробление, ухудшение метрологических и тактико-технических характеристик [5, 6]. Это связано с тем, что большинство конструкций, в том числе и

микросборки [2], являются статически неопределимыми слоистыми гетерогенными структурами. Существующие математические модели для исследования полей термомеханических напряжений в гетерогенных слоистых структурах изделий РЭС, как правило, являются достаточно простыми [2] и не учитывают конструктивных особенностей изделий, что часто приводит к грубым оценкам НДС гетерогенных структур РЭС при тепловых технологических и эксплуатационных воздействиях.

1. Модель для исследования

Рассмотрим конструкцию микросборки прямоугольного типа, для которой в работе [7] исследовалось НДС при действии вибрации в широком частотном диапазоне. Типовая конструкция микросборки показана на рис.1. Микросборка крепится к изделию винтами в четырех точках и имеет габаритные размеры корпуса по осям х,у,г соответственно ахЬхЯ,где ахЬ- размеры в плане; Я-высота корпуса. На основании корпуса (рис.1б) расположена плата,имеющая толщину Ъ и размеры в плане аП*ЪП. Плата крепится к основанию паяным или клеевым швом толщиной Ъш. Материал платы характеризуется модулем Еп и коэффициентом Пуссона а материал шва модулем сдвига 0ш и коэффициентом Пуссона vш.

а) б)

Рисунок 1 - Микросборка а - обший вид; б - основание с платой; 1 - основание, 2 - шов, 3 - плата

В общем случае считается, что грани корпуса микросборки изготовлены из различных материалов, механические свойства которых характеризуются модулями упругости Еj и имеют толщины Ъ^, где ] = 1,2, ..., 6 - номер грани. Для определённости будем считать, что j = 6 соответствует крышке корпуса, j = 1 - основанию с платой, j = 2...5

- боковым стенкам корпуса.

Микросборка подвергается стационарному тепловому воздействию в температурном диапазоне Т=

- 60о С ... +125о С. В качестве адекватной модели, позволяющей моделировать НДС при тепловом воздействии, используем пространственную модель микросборки в виде слоистой гетерогенной структуры с использованием метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в программном комплексе ДЫБУБ аналогично [7]. Такая модель позволяет учитывать взаимное влияние граней корпуса, реальные размеры плат и их места расположения на гранях, а также влияние физико-механических характеристик применяемых материалов плат, шва и граней корпуса. Модель позволяет учитывать наличие внутри корпуса нескольких многослойных плат, в том числе расположенных на разных гранях корпуса, что может приводить к отсутствию симметрии в конструкции микросборки и усложнению ее НДС. Предложенная модель является пространственной и наиболее общей по сравнению с моделями, рассмотренными в работе [2].

2. Результаты моделирования НДС

В качестве примера приведем некоторые результаты численного моделирования НДС для микросборки, имеющей следующие размеры: ах Ьх Я=(36х24х5) мм. Плата расположена в центре основания и крепится к нему клеем ВК -9. Корпус изготовлен из сплава 29НК (Е^=1,4.105 МПа, Vj=0,3 при j=1,2,. ..,6) ; плата -из ситалла (Еп=9, 693.105 МПа, Vп=0,25),а свойства шва характеризуется модулем сдвига 9ш=1000МПа. Толщины элементов микросборки приняты следующими: Ъj= 0,4мм

(при j=1,2,..,6); Ъ =0,6мм; Ъш=0,1мм.

Рассмотрены три варианта микросборки: -I вариант: плата имеет размеры ап*Ьп =

мм;

размеры

a„xbn

-II вариант: плата име = (15x10) мм;

-III вариант: на основании расположены две одинаковые платы, каждая из которых имеет размеры ап*Ьп =(15x20) мм, расстояние между платами равно 1мм. Разбиение элементов микросборки на конечные элементы выполнялось автоматически. Так как напряженное состояние всех элементов гетерогенной структуры микросборки (крышка, стенка, плата, основания, шов) является сложным, то эквивалентные напряжения О во всех элементах вычислялись по критерию Мизеса.

Проведенное численное математическое моделирование НДС гетерогенной статически неопределимой структуры микросборки показало, что воздействие стационарного температурного поля приводит

к изгибу граней корпуса и платы, а также короблению всего корпуса. Это вызывает появление дополнительных термомеханических напряжений во всех элементах микросборки, в том числе и в платах, на которых, как правило, расположены тен-зорезистивные или иные элементы, определяющие метрологические характеристики микросборок [2, 7]. Установлено, что для рассматриваемых типоразмеров микросборок термомеханические напряжения в боковых стенках корпуса являются малыми, так как эти стенки достаточно жесткие в своих плоскостях. Наиболее чувствительными к воздействию температуры оказываются основание, плата и

На рисунке 2 показано деформированное состояние рассматриваемых вариантов микросборок при Т= 125 о С. Для удобства анализа НДС элементов микросборок боковые стенки корпуса условно не показаны. Флажками указаны точки, где прогиб И достигает максимальных значений. Аналогичные результаты получены для распределения прогибов и эквивалентных напряжений во всем исследуемом температурном диапазоне.

В таблице 1 представлены значения максимальных эквивалентных напряжений для наиболее нагруженных элементов микросборок в исследуемом температурном диапазоне.

шов, крепящий плату к основанию.

Значения максимальных напряжений в элементах микросборки

Таблица 1

Вариант микросборки Т, оС тах Оэкв , МПа

крышка плата основание шов

I -60 14,68 60,10 347,49 2,57

-20 6,83 33,39 177,62 1,40

0 3,92 3,93 91,94 0,65

80 10,29 46,20 244,70 1,97

125 18,32 85,07 435,07 3,49

II -60 13,46 37,27 312,20 2,70

-20 6,79 19,10 160,03 1,46

0 3,41 9,71 84,13 0,58

80 8,9 25,04 222,91 1,92

125 13,28 44,31 394,11 3,55

III -60 13,89 24,43 327,27 18,56

-20 6,33 12,48 165,91 9,28

0 3,43 6,51 87,53 4,96

80 5,72 17,34 230,62 11,69

125 16,22 29,92 411,04 21,01

Вариант

микросборк

и

Распределение для микросборки

Рисунок 2 - Распределение прогибов W (мм) при Т= 125о С

Анализ представленных результатов математического моделирования НДС элементов микросборки показывает, что прогибы и напряжения в элементах существенно зависят от конструкторско-техноло-гических особенностей микросборок. В частности замена одной платы (вариант I) на две (вариант III), при сохранении полезной площади плат, приводит к уменьшению максимального прогиба плат с 0,021 мм до 0,017 мм (рисунок 2) и уменьшению максимальных эквивалентных напряжений 0"экв на плате с 85,07 МПа до 29,92 МПа, т.е. в 2,8 раза (таблица 1). Это приводит к существенному повышению прочности платы конструктивными методами. Так как предел прочности для материала платы (ситалл СТ 50-1) составляет ав = 200 МПа, то разрушения платы не происходит.

Существенной особенностью анализа НДС шва, с помощью которого плата крепиться к основанию, является то, что наиболее нагруженными точками шва являются его угловые точки, в которых возможно появление скрытых технологических дефектов типа непропая (непроклея) на технологической операции пайки (проклеивания) платы к основанию.

Отметим, что во всех вариантах конструктивного исполнения микросборки в исследуемом температурном диапазоне термомеханические напряжения в крышке и боковых стенках корпуса микросборки не превышает 20 МПа, что существенно ниже допускаемых напряжений для этих элементов корпуса.

Наиболее нагруженными участками основания являются зоны, расположенные возле проушин, через отверстия в которых микросборка крепится к основному блоку (таблица 1). Это связано с короблением корпуса и изгибом основания микросборки. Для материала основания (сплав 29 НК) предел прочности составляет ав >350 МПа, а максимальные эквивалентные напряжения в зависимости от конструктивных особенностей микросборки равны (таблица 1): тахоэ,кв = (394,11 ...435,07) МПа. Таким образом, в зоне проушин возможно появление микротрещин при действии температуры Т= 125о С.

Проведенный раннее анализ НДС рассчитываемых типов микросборок при их динамическом нагружении [7] также показал, что наиболее нагруженными являются зоны возле проушин микросборки, т.е. совместное действие вибрации и температуры способствует развитию трещин и может приводить к разрушению или образованию недопустимых пластических деформаций основания.

Выводы

Проведенное математическое моделирование состояния микросборок при тепловом воздействии показало:

1. Различное конструктивное расположение плат на основании и их размеры существенно влияют на НДС элементов микросборки.

2. Наиболее нагруженными элементами являются плата, шов и основание в зоне расположения проушин для крепления платы к основному блоку. В зонах проушины возможно появление микротрещин.

3. В паяных (клеевых) швах наиболее нагруженными элементами являются угловые зоны, в которых возможно появление латентных дефектов в виде микротрещин и непропоев (непроклеев).

4. При производстве микросборок на операциях сборки необходимо вводить дополнительный технологический контроль толщины и качества швов, состояния поверхности проушины корпуса микросборки на отсутствие микротрещин и пластической деформации.

5. Предложенную модель и разработанную программу для математического моделирования НДС элементов микросборок, находящихся в замкнутых корпусах и содержащих гетерогенные структуры, при тепловом воздействии рекомендуется применять на ранних этапах их проектирования или модернизации. Это позволяет обеспечить требуемый уровень их надежности в эксплуатационных режимах, а также сократить сроки разработки и экономические затраты на проведение опытно-конструкторских работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Юрков, Н.К. Технология производства электронных средств: учебник/ Н.К. Юрков. - СПб: Изд-во Лань, 2014. - 480 с.

2. Сергеев, В.С. Напряжения и деформации в элементах микросхем /В.С. Сергеев, О.А. Кузнецов и др. М.: Радио и связь, 1987. - 90 с.

3. Хади, О.Ш. Конструкторско-техногические аспекты проектирования микросборок, работающих при динамическом нагружении /О.Ш. Хади, А.Н. Литвинов, Н.К. Юрков// Надежность и качество сложных систем. - 2016. - №3.- С.41-48.

4. Хади, О.Ш. Моделирование состояния гетерогенных структур для повышения безотказности сложных технических в процессе их жизненного цикла/ О.Ш. Хади, А.Н. Литвинов // Надежность и качество сложных систем. - 2014. -№3. - С.8-15.

5. Литвинов, А.Н. Исследование состояния плат РЭС при тепловых воздействиях / А.Н. Литвинов, О.Ш. Хади, Н.К. Юрков// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2015. - №2. - С.182- 191.

6. Rana Gh. Faysal. Analysis of thermal fields of printed circuit assemblies/ R. Gh. Faysal, A.Sh. Hadi, A.N. Litvinov, V.Y. Bannov/International Sci. Journal Theoretical and Applied Science. - 2016. - v.34.- P.58-65.

7. Юрков, Н.К. Моделирование напряженно-деформированного состояния микросборок РЭС при динамическом воздействии / Н.К. Юрков, А.Н. Литвинов//Радиовысотометрия. - 2016: Сб. тр. V Всеросс. научн. - техн. конф., ноябрь 2016, Екатеринбург, Изд-во Форт Диалог Исеть, 2016. - С.156- 161.