DIP引脚应变分析

游　藩，李　本，王　强，陈　敏

（解放军63981部队，武汉　430311）



DIP引脚应变分析

游藩，李本，王强，陈敏

（解放军63981部队，武汉430311）

摘要：为了研究双列直插式元件在振动冲击环境下的可靠性，首先通过建立其物理模型，利用莫尔积分方法对引脚的变形进行分析，可以得到引脚任意位置的变形量；而后建立元件的实体模型，利用有限元方法对其应力应变进行仿真分析，结果表明在外载荷作用下，引脚是元件的薄弱环节，尤其在引脚与其他部位连接位置处易出现应力集中使其应变量较大，导致可靠性降低；最后进行振动冲击环境下的应变测量试验，在30 g的冲击载荷下，引脚的最大变形量可达66.47×10(-6)，在50 g的冲击载荷下，引脚的最大变形量可达173.95×10(-6)，在扫频过程中，当激振频率为146.48 Hz时，引脚的变形量最大。

关键词：DIP引脚，莫尔积分，有限元，应变

0　引言

DIP（Dual In-line Package）封装即双列直插式封装技术，是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。它是一种简单快捷的封装方式，在中小规模集成电路上应用比较广泛，这种封装由于受工艺的影响，引脚数目一般不会超过100［1］。

采用这种封装方式的芯片有两排引脚，可以直接焊接在有相同焊孔数的焊位中，承担着电气连接和机械连接的双重重任，其特点是可以很方便地实现PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。但是，由于其封装面积和厚度都比较大，并且引脚强度较低，很容易损坏，导致可靠性较差。引脚失效将导致整个器件的失效，因此，了解引脚的应变状况显得尤为重要［2］。

长期以来，国内外学者对表面贴装器件的三维形态预测、动态特性等方面做了大量的研究［3-4］。文献［5-6］运用有限元和实验相结合的方法研究了双列直插式元件在焊接过程中的应力。但到目前为止，在振动条件下对DIP引脚的应变分布等方面的研究还很少。本文以40引脚的塑料包封结构式DIP为研究对象，对其引脚进行应变分析，可为其可靠性分析提供参考。

1物理模型的建立

当引脚焊接到电路板上时，它们的相对倾角不会随电路板的上下振动而改变。引脚将始终与电路板保持垂直。而且，由于器件本体比引脚要硬得多，引脚在器件本体的引出点处，也将始终与器件本体保持垂直。因而，对DIP引脚建立如图1（a）所示的简化模型。其中a段是引脚与芯片主体相连漏至在外的有效长度，（b+c）段是引脚有效悬置长度，M为外部载荷，E为引脚材料的弹性模量，I1、I2、I3分别为三段（横截面不同）引脚的横截面对中性轴的惯性矩。

该模型为一个三次超静定结构。首先解除固定端处的3个多余约束，并以3个多余未知力代替，得到如图1（b）所示的相当系统。应用式（1）计算正则方程（2）中的3个常数项和9个系数。

图1　DIP元件引脚简化物理模型

将上述结果代入正则方程，

对于该DIP引脚，

求得，

其中负号表示与物理模型图中假设的方向相反。该3个多余约束力也就是支座B处的反力。即，

由平衡方程，

得到，

求得支座A、B的支座反力，再利用莫尔积分方法即可求得任一位置的变形量。

2有限元仿真分析

依据分析对象的实际尺寸及材料参数，建立DIP芯片有限元［7］模型如图2所示。其中，器件本体底面粘接到PCB板上，引脚插入焊孔并进行焊接固定。因此，对芯片的约束方式采用芯片本体底面竖直方向位移约束，引脚底部全方向约束，用于模拟引脚焊接固定的情况。

图2　DIP芯片有限元模型

通过对芯片施加相应的激励，得到如下应力、应变响应结果，分别如图3和图4所示。

图3　应力分布云图

图4　应变分布云图

从应力应变分布云图可以看出，应力和应变较大的位置均出现在引脚与本体连接位置以及引脚焊接处，表明在外载荷作用下，引脚是DIP芯片的薄弱环节，尤其在引脚与其他部位连接位置处易出现应力集中，导致其可靠性降低。

3试验分析

为了准确了解DIP引脚在振动冲击环境下的应变变化情况，以便进一步了解其振动可靠性，对电路板上的DIP引脚进行应变测量试验［8-9］。试验系统示意图如图5所示。实物连接图如图6和下页图7所示。

图5　应变测量试验系统示意图（以冲击台为例）

图6　冲击下应变测量试验

图7　扫频振动下应变测量试验

利用测试系统同时采集DIP芯片安装位置附近PCB表面的动态应变（ε）以及元器件本体表面的动态应变（ε'）。将两组动态应变响应信号进行滤波放大并求差（Δε=ε'-ε），以获得元器件引脚的变形（Δε）。电路板上应变片粘贴位置如图8所示。

图8　应变片粘接位置局部图

在冲击试验台分别对激励水平为30 g和50 g两种工况进行冲击试验，测得DIP引脚的应变响应分别如图9和图10所示。

图9　冲击加速度为30 g时的应变响应曲线

图10　冲击加速度为50 g时的应变响应曲线

由图可知，在冲击载荷为30 g时，引脚的最大应变值为66.47×10-6，在冲击载荷为50 g时，引脚的最大应变为173.95×10-6。

在电动振动台上进行扫频试验，振动台扫频条件的设置如表1所示，形成的目标谱如图11所示。

图11　目标谱

在该条件下，测得DIP引脚变形的时间历程曲线如图12所示，对其进行频域分析后得到如图13所示的频谱分析曲线。

图12　时间历程曲线（局部）

图13　频谱分析曲线（局部）

由图可知，尽管扫频过程中的加速度峰值仅为10 g（实际偏小），引脚的动态应变响应峰值却可达733.35×10-6，比在冲击台上激励水平为50 g时的响应峰值还要高出4倍。另外，从频谱分析曲线图中发现，当激振频率为146.48 Hz时，引脚应变响应最大。由此可知，尽管扫频过程激励幅值较小，但是当激振频率达到与电路板固有频率接近时（该约束条件下电路板固有频率即约为146.48 Hz），电路板会发生共振导致较大的位移，从而引起芯片引脚较大

的应变。

4　结论

对于DIP引脚，在外载荷作用下，引脚易出现应力集中，是整个器件的薄弱环节；通过冲击实验发现，在30 g的冲击载荷下，引脚的最大变形量可达66.47×10-6，在50 g的冲击载荷下，引脚的最大变形量可达173.95×10-6；通过扫频试验发现，当激振频率为146.48 Hz时，引脚的变形量最大，此时激振频率与电路板固有频率接近，导致电路板产生较大位移从而引起引脚较大应变。

参考文献：

［1］虫虫.CPU技术面面观-CPU封装技术［J］.电脑知识与技术，2008（9）：59-62.

［2］彭宝华，周经伦，刘学敏.元器件性能退化信息的系统性能可靠性评估［J］.火力与指挥控制，2011，36（10）:148-151.

［3］郭强，赵玫，孟光.随机振动条件下SMT焊点半经验疲劳寿命累积模型［J］.振动与冲击，2005，24（2）：24-26.

［4］周德俭，潘开林，吴兆华.球栅阵列（BGA）器件焊点形态成形建模与预测［J］.半导体学报，1999，20（1）：47-52.

［5］苏飞，王光周，杨会平，等.双列直插器件（DIP）焊接过程中的应力评价［J］.实验力学，2010，25（6）：619-624.

［6］陈燕，伍文华，滑晓飞.DIP器件在随机振动条件下的应力分析［J］.机械设计与制造，2013（4）：70-72.

［7］曾攀，石伟，雷丽萍.工程有限元方法［M］.北京：科学出版社，2010.

［8］王长成，马荣国，任泽亮，等.宇航用DIP封装元器件力学环境适应性评估［J］.电子产品可靠性与环境试验，2012，30（3）：11-15.

［9］毕锦栋，林长苓.集成电路封装技术可靠性探讨［J］.电子产品可靠性与环境试验，2008，26（6）：34-38.

The Strain Analysis of The Dual In-line Package Pins

YOU Fan，LI Ben，WANG Qiang，CHEN Min
（Unit 63981 of PLA，Wuhan 430311，China）

Abstract：In order to study the reliability of the Dual In-line Package electronic components in vibration and shock environment.First of all，through the establishment of its physical model，by using the Moore integral method to analyze the deformation of the pins and the deformation at any position can be obtained.Then established the entity model of the electronic components and analyzed its stress and strain by using the finite element method，the results show that the pins is the weakest link element under the external load，especially the connecting position between the pins and the other parts which prone to stress concentration to make the deformation in a large value and reduced its reliability.Finally the strain measurement test of the pins under vibration and shock environment was done，the maximum deformation of the pins can up to 66.47×10(-6)in the impact load of 30 gravitational acceleration，the maximum deformation of the pins can up to 173.95×10(-6)in the impact load of 50 gravitational acceleration，when the excitation frequency is 146.48 Hz，the deformation of the pin has the maximum value in the sweep process.

Key words：dual In-line package pins，moore integral，finite element，strain

作者简介：游藩（1977-），男，湖南新化人，工程师。研究方向：武器系统动力学。

收稿日期：2015-02-26修回日期：2015-04-25

文章编号：1002-0640（2016）03-0173-04

中图分类号：TN603

文献标识码：A