1、插拔冲击载荷下的印刷电路板插拔冲击载荷下的印刷电路板全场应变预示方法全场应变预示方法张君1，董宇辉1，李沂乘2，焦安超1，顾菲1，高海洋1，于丹1（1.北京卫星环境工程研究所；2.中国空间技术研究院：北京100094）摘要：针对某产品印刷电路板受插拔冲击载荷导致的焊脚损伤失效案例，研究根据插拔端施力预示电路板全场受力位置及响应的有效方法。首先将预制的整体应变计粘贴于电路板狭窄空间，获取印刷线路板上各关键测点位置的应变数据；然后基于克里金代理模型拟合出各测点在非工作状态插拔工况下整张电路板的全场应变分布情况；进而建立施力端应变数据与受力端应变数据的关系模型。实测与预示结果的误差在 10%以内，验
2、证了该方法的有效性。该方法可为该类印刷电路板全场应力分析、失效分析及测点剪裁提供参考。关键词：印刷电路板；冲击载荷；应变测试；全场应变预示；克里金代理模型中图分类号：V416.2;TH823+.3;O241.3 文献标志码：A 文章编号：1673-1379(2023)01-0074-06DOI:10.12126/see.2022082Method for full-field strain prediction of printed circuit board underimpact load of insertion-extractionZHANGJun1,DONGYuhui1,LIYich
3、eng2,JIAOAnchao1,GUFei1,GAOHaiyang1,YUDan1(1.BeijingInstituteofSpacecraftEnvironmentEngineering;2.ChinaAcademyofSpaceTechnology:Beijing100094,China)Abstract:Inviewofthefailurecaseofweldlegdamageontheprintedcircuitboard(PCB)ofaproductinducedbytheimpactloadofinsertion-extraction,aneffectivemethodtopre
4、dictthefull-fieldforcepositionandresponseofthecircuitboardaccordingtotheforceappliedtotheinsertion-extractionendwasstudied.First,theprefabricatedintegralstraingaugewaspastedontothenarrowspaceofthecircuitboardtoobtainthestraindataofeachkeypointonthePCB.Then,thefull-fieldstraindistributionsonthewholeo
5、ut-of-serviceboardunderinsertion-extractionconditionswerefittedbasedontheKrigingsurrogatemodel.Furthermore,themodelofstraindatarelationshipbetweenthepullinglocationandtheslotswasestablished.Theerrorbetweenmeasuredandpredictedresultsiswithin10%,whichverifiestheeffectivenessoftheproposedmethod.Thismet
6、hodmayprovideareferenceforfull-fieldstrainanalysis,failureanalysisandmeasurementpointtailoringofPCB.Keywords:printed circuit board;impact load;strain measurement;full-field strain prediction;Krigingsurrogatemodel收稿日期：2022-08-17；修回日期：2023-01-17基金项目：装备发展部基础研究项目“仪器设备冲击载荷传递规律及损伤寿命评估方法研究”（编号：514010504-20
7、2）引用格式：张君,董宇辉,李沂乘,等.插拔冲击载荷下的印刷电路板全场应变预示方法J.航天器环境工程,2023,40(1):74-79ZHANG J,DONG Y H,et al.Method for full-field strain prediction of printed circuit board under impact load of insertion-extractionJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):74-79Vol.40,No.1航天器环境工程第40卷第1期74SPACECRAFTENVIRONMENTENG
8、INEERING2023年2月http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言航天器在装配、运输、发射和在轨运行时会受到外力的作用。而航天器及其有效载荷上安装有数量庞大的印刷电路板（以下简称“电路板”），在冲击载荷作用下，电路板上元器件的插针、焊点或引线位置会产生较大应力，经过多次冲击载荷作用，会逐渐产生疲劳裂纹以致断裂，导致设备功能失效甚至任务失败。因此，明确电路板全生命周期内的外载荷形式后，如何通过模拟手段和应力数据采集手段来获知电路板薄弱区域，分析其失效模式，最终实现电路板结构设计与工艺设计优化迭代，一直是研究人员关注的问题。
9、目前关于电路板受冲击载荷的影响及控制已多有研究1-4，但鲜有针对电路板插拔工况的研究。由于电路板通常密集地插接在各种机箱或电路盒中，所以大体积测量传感器的尺寸和附加质量往往无法适应机箱内部的狭小空间。采用激光式全场非接触式测量系统要求光线无遮挡地垂直照射到被测物表面5，但将电路板单独取出进行测试时，其边界条件及受力形式与其在机箱内部有所差别；而且非接触式测量系统也不适于跌落冲击等大位移的测试工况。应变计由于其重量轻、体积小、测量数据传递迅速及测量灵敏度高等优点，成为狭小空间内获取电路板局部位置力学性能的首选。史洪宾等6通过大量实践，给出了电路板用电阻应变计的选用方法。马思鹏7使用应变计测量了电
10、路板表面在综合环境试验中个别应变测点的变化，研究了高低温和振动耦合对电路板变形的影响；但由于试验采用的是传统的三向应变计以及传统的粘贴方式，受到应变计尺寸的影响，只能在电路板上粘贴少量测点，这在一定程度上制约了整板应力分布的分析。栾慧等8采用微小应变计获取了电路板单板在制造、在线测试状态下关键元器件的应变信息。但目前尚未见到有关电路板在机箱内因插拔而产生冲击载荷的影响研究报道。某军用电子设备产品在提交用户后出现电路板批量故障。分析产品使用环境，电路板故障主要有两种可能：一种是在使用现场装配过程中插拔操作环节施加在电路板上的冲击应力过大；另一种是产品运输过程中振动冲击环境造成电路板损坏。具体原因
11、还需要具体试验来验证。本文针对该产品电路板受插拔冲击载荷导致的焊脚损伤失效案例，通过应变测试获取电路板上各关键测点位置的应变分布情况，分析各测点的相关性；基于克里金代理模型拟合各工况下整板全场应变；将模型预示响应与实测响应进行对比，以验证电路板全场应力预示方法的有效性。本文研究旨在为该类产品电路板的设计、失效分析及测试时测点的剪裁提供参考。1 电路板应变测试方法电路板应变测试方法1.1测点布置及应变计安装本案例电路板属于密集型电路板，电路板上元器件的密度高，两元器件间最大间距只有 1cm 左右，操作空间狭小。综合考虑测点位置处操作空间、元器件重要性，以及插拔冲击载荷下的电路板与机箱连接位置的应
12、力集中现象，沿板的插拔受力方向共布置了 15 个应变测点，如图 1 所示。其中：蓝色块为元器件以及电路位置，红色块为应变计粘贴位置，E 标号为测点编号；电路板左侧（E01E03 一侧）为插拔施力位置，电路板右侧（E05E07 一侧）为机箱插槽受力位置。E03E15E01E14E02E13E12E11E07E10E09E04E05E08E06图1应变测点布局示意Fig.1Schematiclayoutofstrainmeasurementpoints应变计安装质量直接影响测量结果的有效性。因为粘贴位置狭小，所以先粘贴应变计和接线端子再焊接引线这种传统操作方式容易污染电路板，且没有操作空间。本文采
13、用预制整体应变计的方式，即：利用聚酰亚胺胶带，先在防静电桌面上将一个焊接好引线的接线端子与 0.5mm0.5mm 的应变计粘贴形成一个整体（如图 2(a)所示），再将该整体第1期张君等：插拔冲击载荷下的印刷电路板全场应变预示方法75应变计的后端和转接线分别固定在电路板元器件之间的狭窄空隙部位（如图 2(b)所示）。(a)应变计整体(b)粘贴应变计的电路板图2预制应变计及其在电路板上的粘贴状态Fig.2PrefabricatedstraingaugeanditspastingonPCB1.2测试设备及工况由于插拔冲击载荷引起的应变响应为瞬态，所以选用 DH3840 动态应变仪以及一套 16 通道
14、的数据采集系统作为测试设备。测试前，准备 2 块相同材质的电路板，其上粘贴有尺寸、数量、引线长度及粘贴方式均相同的整体应变计，将 2 块电路板上集束好的应变测量信号线以半桥方式接入动态应变仪。测试时，一块电路板受力，另一块不受力；以随机采集的方式全程记录电路板受力的时域数据。试验机箱根据现场实际状态共设有 6 个电路板插槽，编号从左向右依次为号（如图 3 所示），其中，因插槽、不适用本文所测试的电路板，故本文只考虑电路板在插槽、上的插拔情况。使用人工方式对电路板进行插拔。测试过程中，由于出现了插拔卡顿，所以最后有效的数据为：插槽，5 次插拔；插槽，6 次插拔；插槽、，各 4 次插拔。各工况下测
15、得的应变极值如图 4 所示。机箱插槽 插槽插槽插槽图3机箱及插槽位置示意Fig.3Schematicofchassisandslotlocation12345678910 11 12 13 14 151500测点编号(a)插槽,插入工况(c)插槽 插入工况(e)插槽 插入工况(g)插槽 插入工况(b)插槽 拔出工况(d)插槽 拔出工况(f)插槽 拔出工况(h)插槽 拔出工况10005000测点编号测点编号测点编号测点编号测点编号测点编号测点编号微应变/微应变/微应变/微应变/微应变/微应变/微应变/微应变/1-2插1-5插1-6插1-3插1-4插2-1插2-3插2-5插2-2插2-4插2-6插
16、5-1插5-3插5-2插5-4插6-1插6-3插6-2插6-4插1-2拔1-4拔1-6拔1-3拔1-5拔2-1拔2-3拔2-5拔2-2拔2-4拔5-1拔5-3拔5-2拔5-4拔6-1拔6-3拔6-2拔6-4拔测点编号(a)插槽 插入工况(c)插槽,插入工况(e)插槽,插入工况(g)插槽,插入工况(b)插槽,拔出工况(d)插槽,拔出工况(f)插槽,拔出工况(h)插槽,拔出工况6004002000600400200012345678910 11 12 13 14 15测点编号12345678910 11 12 13 14 15测点编号12345678910 11 12 13 14 15测点编号12345678910 11 12 13 14 15测点编号12345678910 11 12 13 14 15测点编号12345678910 11 12 13 14 15测点编号12345678910 11 12 13 14 15测点编号15001000500015001000500015001000500050040030020010008006004002000微应变/微应变/微应变/微应变/微