我们需使用微型夏比冲击设备进行跌落试验，并测量水平跌落和垂直跌落时的Δt。为此，主要的改变是将标准跌落试验中的大型印制电路板的弯曲振动转移到夏比冲击设备上梁或臂的弯曲振动。进行测试的一种方式是使用具有相同构造的另一个臂来替换刚性墙，即具有摆锤和加速度传感器的臂。图11.15台式跌落设备图11.16将刚性墙更换为另一个臂的跌落设备因此，冲击试验是自由下落的相反过程。......
2023-06-20
跌落试验标准JESD22-B111详解
【摘要】：我们在这里简要讨论工业界广泛采用的JEDEC制定的标准JESD22-B111，其发布于2003年7月。测试样品是面积约为13 cm×8 cm的印制电路板，将其倒放在跌落台上的四个支座上，如图11.11所示。图11.11试验机和试样的示意当桌子撞击减振垫时，印制电路板会弯曲和振动。在撞击地面时，跌落台和印制电路板的速度将从v变为零。在标准跌落试验中使用的印制电路板比在手持尺寸电子设备中使用的大多数模块或基板大得多，但是振动需要大板。
我们在这里简要讨论工业界广泛采用的JEDEC制定的标准JESD22-B111（板级手持电子产品部件的跌落测试方法），其发布于2003年7月。试验机和试样的示意如图11.11所示。测试样品是面积约为13 cm×8 cm的印制电路板，将其倒放在跌落台上的四个支座上，如图11.11所示。在板上，通常有5×3面阵列的15个组件或封装模块。板的四个角通过螺钉固定在支座上。跌落台的自由下落沿两个导向杆从0.82 m的高度坠下直至撞击减振垫，该减振垫通常是石头或水泥块，但是其表面被改性以用于减振。
图11.11 试验机和试样的示意
当桌子撞击减振垫时，印制电路板会弯曲和振动。桌子上和板上分别安装了加速度计来记录跌落台撞击到减震垫时的“输入加速度”和“输出加速度”。输出加速度的典型振荡曲线如图11.12所示，图中显示在第一个减速（加速度）衰减周期内，即在0.5 ms的半正弦脉冲的一半处已达到1 500g的加速度。这是跌落测试中的关键规格——必须在0.5 ms的半正弦脉冲的一半的周期内实现1 500g的加速度。由于力是在很短的时间内通过动量变化测得的，0.5 ms是冲击中发生动量变化的周期，因此它是跌落试验中用于定义作用在焊点上的力的关键参数[8-10]。
图11.12 跌落试验中输出加速度的典型振荡曲线
在从高度h的地方自由下落的过程中，若假定到达地面或减振垫的速度是v，则可根据能量守恒得到
式中，重力常数g是9.8m/s2。在自由下落过程中，速度v与质量m无关。当自由下落高度为0.816 m时，速度为4 m/s。
在撞击地面时，跌落台和印制电路板的速度将从v变为零。假设冲击是弹性的，特别是板的冲击，则它将具有速度的反向改变，即从零到-v。令Δt为从v到-v速度变化的过渡时间，-a为冲击中的减速度。若假设Δt是0.5 ms，如图11.11所示，则有
式中，g＝9.8 m/s2。因此，我们注意到a与重力加速度无关，但与冲击中速度的变化速率有关。如果考虑到变化中的反向速度，则它可以在跌落试验中达到1 600g的值。试验中，可通过测量图11.12所示的第一峰下的面积得到Δv。前提是不存在较高次谐波振动的干扰。
0.5 ms来自哪里？它来自安装在跌落台上板的固有振动频率[11-13]。冲击的动量变化是Δ（mv），其中m是工作台的质量。由于工作台和板之间的耦合，动量变化将引起承载封装体的板的振动或弯曲。假设矩形板的基本振动模式频率为f＝1 kHz或1 000 s-1，一个周期则为1ms，半正弦脉冲为0.5ms，这正如图11.12所示。正如我们所提到的，力是通过测量很短时间内动量的变化得到的，因此振动的时间或频率是焊料接头跌落测试中的关键参数。在诸如板的四点弯曲试验等低频测试中，就不会产生跌落过程中遇到的力。
我们可通过将板中的声速除以板的长度来计算频率，如式（11.4）所示。板中的声速与（Y/ρ）1/2成比例，其中Y和ρ分别是板的杨氏模量和密度，l是长度。
举例来说，若取聚乙烯的杨氏模量和密度分别为0.011×1011 dyn/cm2和1 g/cm3，且取梁的长度为0.41μm，则可发现频率约为1 kHz[14]。为计算简便，我们认为声音在空气中的速度为5×104 cm/s，则声音在空气中行进0.5 m的时间为1×10-3 s，因此频率即时间的倒数则为1 kHz。由于声音在固体中的传播速度比在空气中更快，因此表明上述讨论和计算是正确的。
除振动频率外，板的振动或弯曲的幅度对于使焊料接头变形而言是十分关键的。振幅由跌落台和板之间的机械耦合决定。假设使用梁模型或板模型，则可模拟弯曲量。
在跌落试验中，减振垫通常是100 kg的石头，其表面可通过用覆盖布作为软地面来吸收冲击。冲击时板的振荡可通过型号为8704B5000的Kistler加速度计测量。如果加速度传感器放置在跌落台上，则可以测量输入加速度。输入加速度主要依赖于减振垫的表面硬度。如果我们在它上面放一块布，输入加速度将大大降低。当跌落高度为1.3 m（大约4 ft）时（这大约是衬衫上的胸口口袋的高度），在板上测量的输出加速度可以达到2 000g，且击中地面时的速度大约为5 m/s。当跌落高度为0.82 m（接近3 ft）（即桌子高度）时，测量的输出加速度降至1 500g。振动是否引起焊料接头失效可通过测量焊料接头互连的电阻值是否超过某一阈值来确定，如是否超过1 000Ω。
在标准跌落试验中使用的印制电路板比在手持尺寸电子设备中使用的大多数模块或基板大得多，但是振动需要大板。虽然水平布置测试板使我们能够测量由冲击引起的振动效应，但是无法衡量当板垂直冲击地面时扭矩对焊料接头的影响。我们需要搭建一个新的跌落试验机，与此同时，新机器必须具有与上述标准跌落试验机相同的特性，如0.5ms和1 500g。这样，我们就能通过跌落测试来测量BGA焊料接头上的扭矩。
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