[发明专利]一种基于雨流法的元器件焊点随机振动疲劳寿命分布预测方法

说明书

本发明提供了一种基于雨流法的元器件焊点随机振动疲劳寿命分布预测方法。首先采用有限元仿真技术获得随机振动环境作用下元器件焊点的局部功率谱密度(PSD)响应曲线，之后运用蒙特卡罗方法与时域模拟方法(逆傅里叶逆变换法、三角级数法等)将功率谱密度(PSD)响应曲线转换为时域内多条不同的应力‑时间响应曲线，进而运用雨流法计算元器件焊点的疲劳寿命分布。本发明将有限元仿真分析结果高效转化为时域内的应力‑时间响应曲线，避免了长时间响应信号的记录过程，减少了疲劳寿命的计算工作量，并为有限元仿真技术提供时域分析的接口。同时，本发明提供了元器件焊点随机振动疲劳寿命分布的预测方法，提高了疲劳寿命预测结果的置信度。

技术领域

本发明涉及电子元器件可靠性技术领域，具体涉及一种针对元器件焊点的随机振动疲劳寿命分布的预测方法。首先采用有限元仿真技术获得随机振动环境作用下元器件焊点的局部功率谱密度(PSD)响应曲线，之后运用蒙特卡罗方法与时域模拟方法(逆傅里叶逆变换法、三角级数法等)将功率谱密度(PSD)响应曲线转换为时域内的应力-时间响应曲线，进而运用雨流法预测元器件焊点的疲劳寿命分布。

背景技术

当电子产品工作环境恶劣，或产品内部器件互连复杂时，随机振动往往会成为导致电子产品发生故障的主要原因。随机振动会使产品内部有缺陷的元器件加速失效，造成灾难性故障。同时，随机振动会在元器件的引脚、胶柱、焊点等部位产生疲劳损伤，当疲劳损伤积累到一定程度时，该部位将发生松动或断裂，导致元器件接触不良或封装互连失效。如何准确预测随机振动载荷下元器件的疲劳寿命，引起了工程界越来越多的关注。

在随机振动疲劳寿命预测问题上，工程上常用的求解方法有两种：时域分析法和频域分析法。时域分析法的基础是对时域内随机振动响应信号的记录，在拥有足够长的时间历程数据后，可运用合适的循环计数方法将时域响应信号转化为一系列循环次数已知的应力幅值和应力均值，并计算不同幅值、均值下的等效应力。最后，选用合适的累积损伤理论，结合材料S-N曲线参数计算结构在一定时间内的累积损伤值，进而对结构的疲劳寿命进行预测。频域分析法则直接使用结构的功率谱密度(PSD)响应曲线进行计算，通过合适的疲劳寿命模型计算出结构响应应力的概率密度函数(CDF)，再代入材料的S-N曲线参数、选择合适的累积损伤理论计算出结构单位时间内的累积损伤值，进而对结构的疲劳寿命进行预测。

现有的时域分析法需要记录足够长时间的随机振动响应信号，记录方式复杂、试验周期长，且难以与工程上常用的有限元分析方法结合，工程适用性较差。现有的频域分析法预测结果精度不足，在面对不同应力幅比、不同带宽的随机振动载荷时结果差异较大。虽然频域分析法与有限元仿真分析联系紧密，但单纯地通过频域分析法，一次仿真实验只能获得一个疲劳寿命预测结果，无法得到预测疲劳寿命的合理分布，结果的确信度较低。本发明基于上述背景，在有限元仿真、三角级数法、雨流计数法的基础上，运用蒙特卡罗方法获取元器件焊点的疲劳寿命分布。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应工程需要，提供一种基于雨流法的元器件焊点随机振动疲劳寿命分布预测方法。

本发明采用如下技术方案：一种基于雨流法的元器件焊点随机振动疲劳寿命分布预测方法，包括如下步骤：

步骤1：通过查阅元器件设计手册、实际测量等手段，获取本方法必要的各项元器件仿真参数，包括元器件的封装类型、引脚数量、固封工艺、尺寸参数以及元器件所涉及的各材料的力学性能参数以及随机振动环境载荷参数。其中，元器件的尺寸参数具体为：元器件整体封装的尺寸、元器件整体封装的厚度、引脚宽度、引脚厚度、引脚间距、芯片尺寸、焊接钎料高度、焊接钎料爬升高度、焊接钎料宽度、湿润角。各材料的力学性能参数具体为：材料弹性模量、材料密度、材料泊松比。随机疲劳环境载荷参数具体为：分段频率、分频斜率和加速度频谱密度值。

步骤2：分析元器件的几何结构与封装特点，运用Solidworks、Catia、ProE中的任一款软件，构建元器件及焊接钎料的CAD模型，并导出为*.iges格式以便于后续有限元模型的建立。