正确使用恒定加速度试验夹具提高试验的可靠性

一、概述

恒定加速度试验是用来确定恒定加速度对微电子器件的影响,目的是显示在冲击试验和振动试验时不一定能检测出的结构和机械类型的缺陷。也是通过高应力来测定微电子器件封装、内部金属化和引线系统、芯片或基板的焊接以及器件其他部件的机械强度极限值,检测并剔除其结构部件中的机械强度低于标称值的器件。

恒定加速度试验设备目前有两种常见类型,一种是转盘式,一种是转臂式,适用于电子元件及微电子器件恒定加速度试验的是转盘式。

恒定加速度试验夹具是试验设备中用来固定电子元件或微电子器件在离心机转盘上进行试验的一个装置。不同的试验夹具对应不同的试验器件。正确使用试验夹具对保证试验的准确性和提高试验的可靠性至关重要。

二、恒定加速度试验夹具的种类

常用的转盘式恒定加速度试验夹具有专用夹具、磁性夹具和埋砂盒三个种类。

专用夹具就是指夹具上的每个固定器件的槽孔都是按指定的封装规格设计加工的,这类夹具的特点是使用方便、可靠性高,但通用性差。

专用夹具有两种式样,一种是夹具就是一个转盘,几十个固定器件的槽孔均匀分布在这个转盘上。另一种是夹具由母夹具(转碗)和子夹具(子盒子)两部分组成,子夹具固定在转碗上,试验器件固定在子夹具上,一个转碗配8个子夹具。

磁性夹具就是利用磁性固定试验器件,一般用于体积较大的DC/DC模块、滤波器等。

埋砂盒是用石英砂固定试验器件在一个密闭的盒子里,除了器件的大小受埋砂盒腔体限制外,封装形式几乎不受限制。

三、恒定加速度试验夹具的使用方法

1.专用夹具

如果夹具上固定器件的槽孔是垂直于器件受力面的,在放入器件时应使槽孔与水平成∠30左右夹角,轻轻地将器件推入固定槽孔,然后将夹具缓缓地竖起,使器件顺势地、无冲撞地滑至槽底。每个槽孔里试验器件都不能放满,至少离夹具上端口2㎝,这是防止离心机运行在最大共振点(3000G～4000G左右)时把器件甩出槽孔。

对于转盘式恒定加速度试验,试验器件要以轴对称方式放入夹具,对称位上试验器件的品种和数量要相同。若试验数量为单数,则要补上大小相同重量相同的样品管。如果对称位上“不对称”,则试验设备会因为转子摆动过大报警停机。若转子摆动大大于设备自我保护能力,设备的转轴会被偏差的应力折弯,严重的或被折断。

试验器件应该均匀分布在夹具的圆周上。如果是母子式的夹具,若试验器件的数量少于子夹具数,为了防止转盘上受力不均匀,造成转碗变形,没有器件的小盒子也要放入转盘,转盘上不能有空位。

有些看上去封装相同的器件也会有差别,比如DIP封装的器件管脚分N型管脚和D型管脚两种(见下图),两者夹具不能选错,否则器件管腿很容易受损。

用专用夹具做恒定加速度试验要特别注意试验器件受力面的封装材料,是陶瓷的还是金属的,或是陶瓷金、属两部分组成的。

如果器件受力面是陶瓷封装,则器件受力面与金属夹具之间要有皮质或胶质的软性护垫,防止试验时陶瓷与金属夹具 “硬碰硬”而碎裂。

如果器件受力面是金属盖板,其受力面上则不能有软性护垫,否则受力面上的软性护垫会在向心力的牵引下挤压金属盖板使其向内凹陷,使器件可靠性降低。如果软性护垫是粘合在金属夹具上的,则可以用强度相应的金属挡板(用0.3mm铜箔)衬垫在试验器件与软性护垫之间。

当受力面是金属与陶瓷两种材质组成的盖板,这类封装它的金属盖板往往突出于陶瓷盖板0.3㎜左右,所以必须先在陶瓷面上衬上厚度相应的铜箔,使两个盖板在一个平面上,然后再衬垫金属挡板,否则试验应力会折断悬空的陶瓷部分。

2、磁性夹具

磁性夹具一般用于DC/DC模块、滤波器等一些体积较大的金属封装的混合集成电路。

使用方法是将模块的受力面居中对着夹具的磁性面吸住,模块两边用厚度为2㎜左右的软性磁条挡住,防止模块移动。

按国家标准混合集成电路的恒定加速度试验应力是在3000G～5000G之间,由于DC/DC模块、滤波器功率较大,它的管脚的直径一般都超过0.5㎜,所以无论试验模块的管脚是垂直还是平行于应力方向,试验应力都不会使其发生弯曲。如果试验应力超过5000G,则就不能简单地用这种的方法进行试验。

为了解决实际生产中专用夹具的有限性,磁性夹具在增加了一些辅助手段以后也能解决一部分器件的恒定加速度试验。但它有两个必要条件①试验器件的受力面必须有水平的含铁的金属面②试验器件与磁性面间不能有空隙,如管脚、散热板等,空隙或悬空部分一定能要用厚度相应的软性磁条衬垫。

一个磁性夹具上有8个磁性面,试验器件要以轴对称的方式均匀分布在8个磁性面上。如果单个磁性面上的试验器件数在两个或两个以上,器件由下至上排列,除一个磁性面只能摆一个的大体积模块,试验器件要放在离夹具上端口2㎝以下。如试验数量为单数则要用份量相等的样品管补上空位。

3、埋砂盒

使用埋砂盒做恒定加速度试验首先要注意几点:

(1)每个埋砂盒盒子和盒盖上都有一一对应的编号,因为这些夹具在生产制作过程中都进行了动平衡的配平试验,所以不能张冠李戴。

(2)试验前的埋砂、配平以及试验后将器件从砂盒里取出的过程要在一个相对独立的小环境里进行,以免石英砂四处散落。

(3)试验结束后一定将黏附在器件上的石英砂用防静电刷清理干净,不然会影响下一个“颗粒噪声”试验的准确性,尤其是QFP、BGA这类封装的器件。

(4)试验器件要埋放在砂盒中心的位置,按恒定加速度试验应力 中定义,半径r是指从转子轴心到试验器件位置的距离,如果试验器件放离轴心远了,试验就是过应力,放近了则是欠应力。国际标准规定恒定加速度试验应力的允许误差是0～+10%,因此我们指定埋砂盒的中心位置为试验器件的位置,根据已知的半径和半径误差来控制转速的允许误差。

埋砂盒的正确使用方法:

①打开埋砂盒盒盖,灌入石英砂至腔体2/3处,将试验器件放入盒内,器件下端不能触碰到砂盒底面,上端至少要距离砂盒口1cm左右,受力面对着埋砂盒上有数字编号的一面。

②用石英砂填埋器件,同时用小木槌轻敲埋砂盒四周敦实盒内石英砂,填砂至盒口0.5cm左右。

③盖上盒盖(盒盖与砂盒上的数字要相同,数字面方向要一致),拧紧盒盖四角上的螺栓 。

④打开盒盖中间的螺栓 。

⑤用漏斗向螺孔中慢慢灌入石英砂,同时用小木槌轻敲埋砂盒四周,直至石英砂溢至盒盖底部 。

⑥拧上并拧紧盒盖中间的螺栓。

通常一个12寸转碗中配置六个3寸埋砂盒,以一个埋砂盒为基准,称量其他五个埋砂盒,使六个埋砂盒的重量相等(误差<0.1克)。

如果试验器件的数量少于6个,没有器件的砂盒也一定要与其它有器件的砂盒一样称平放入转碗,转碗上不能有空位。除此还有几点要注意:

(1)在试验器件数量较多时,双列直插20pin以下的器件一个埋砂盒里可以放两个(并列摆放)或三个(品字型摆放),但器件与器件之间、器件与埋砂盒内壁之间至少要有1㎝左右的间距。

(2)埋砂盒在用于金属封装(F1和F2除外)、特别是平行缝焊、或受力面是金属盖板的器件时,其受力面要加盖金属挡板,防止石英砂在向心力的作用下挤压器件的金属盖板,使其向内凹陷。但要注意:

①加盖挡板前先要用防静电布或防静电刷将金属挡板和器件表面擦拭干净,使器件受力面 与金属挡板间没有任何异物。

②加盖金属挡板后,用美纹纸将金属挡板与器件受力面间的缝隙封住,防止沙粒嵌入使器件盖板上出现凹坑。

(3)埋砂盒在用于体积非常小的微波二极管、三极管、放大器等微型器件时,要先把试验器件固定在一个较大的平面上(可选用厚度为1㎜左右的铝合金板),然后一起埋入砂盒中。这样,试验器件就不会在埋砂的过程中移位,保证了试验的准确性、可靠性。

以上是我们对多年恒定加速度试验工作的总结,希望我们的总结对大家工作有帮助,同时也欢迎同行批评指教。 □