集成电路振动试验夹具的设计与测试方法综述

邓传锦，邓锐

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

集成电路振动试验夹具的设计与测试方法综述

邓传锦，邓锐

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

院详细地介绍了集成电路振动试验夹具的设计和测试方法，包括母夹具的结构类型，夹具的总重量尧大小尧材料和结构等夹具设计的原则，以及测试夹具性能的方法遥

院集成电路曰振动试验曰夹具设计曰夹具测试

0 引言

在振动试验中，夹具是一种非常重要的试验设备，其不仅要固定产品，还要将振动和能量不失真地传递到试件上，因此，要求其传递特性尧共振频率等参数均必须满足试验要求，夹具的好坏往往决定着试验的准确性遥一般而言，一套好的适用于集成电路振动试验的夹具应具备以下条件[1]:1）夹具的第一阶固有频率应高于试验最高频率，以避免发生夹具与试验台共振耦合的现象曰2）夹具与受试产品连接面上各个连接点的响应要尽量地一致，以确保试验时输入激励的均匀性曰3）夹具与产品应尽量地保持刚性接触曰4）夹具横向运动（指垂直于激振方向的运动）的最大幅值要小，对于元器件产品而言，一般其夹具横向运动的幅值应不大于25%曰5）波形失真小，具体的指标为夹具的振动频率小于第一阶固有频率时，波形失真度不大于25%，大于第一阶固有频率时，波形失真度不大于60%遥

1 夹具的设计

设计夹具前，要确定的设计目标主要有:母夹具的结构类型，以及夹具的总重量尧大小尧材料和结构等遥

1.1 母夹具的结构类型

对于简单的一个方向的试验，只需采用最简单的板状转接板夹具即可曰对于需要对多个方向进行考核的试验，则要求夹具能够高效地完成试验方向的转换，这类试验往往采用子母夹具组合的方式，常见的母夹具的结构有以下几种类型[2]遥

a）板状夹具

这是一种最简单的夹具，其形状可以是圆形（直径与台面等大或略大）或矩形遥

b）立方体夹具

其主要用于小型零部件的振动试验，其特点是5个面都可以安装试件遥

c）半球形夹具

从重量/频率的角度来看，这是一种相当有效的夹具遥由于球面难以通过机械加工而成，因此，这种夹具通常都是铸造而成的遥此类夹具一般可以用于相对于振动台3个方向的振动试验遥沿着夹具周围环形盘上的孔与振动台面上按圆周分布的螺孔相匹配遥

d）锥形夹具

锥形夹具通常是铸件，其锥形截面和宽度的筋形成合适的刚度重量比，它的自振频率通常可以达到2 000 Hz或者更高遥大多数的锥形夹具也可以做成多用途的工具，通过转接板可以得到各个轴向的运动遥

e）封闭的盒式夹具

盒式夹具通常采用5块金属板焊接或螺接而成，顶盖（第六块板）通常用螺接，试件可安装到4个垂直板的外边，也可以与顶盖的某一边相连遥

f）圆筒式夹具

圆筒式夹具比封闭形盒式夹具有所改进，从材料的使用角度来讲，它比封闭形盒式夹具更为有效，其一阶谐振在相当高的频段上遥试件被装在盖板里面，在试验的那个轴上遥把圆筒的一端固定到振动台上，盖板的运动方向垂直于自身平面遥在做其他方向的试验时，圆筒壁上的平底支撑面与振动台相连遥

g）L形夹具

L形夹具可以通过将各个部分采用螺接尧粘接或焊接方式结合而成，也可将整块料通过机械加工而成遥这种夹具的结构简单尧经济性好，但垂直平板在某些频率上容易产生共振遥

h）T形夹具

该类夹具除了将垂直平板装在中心位置外，其他方面和L形夹具类似遥

1.2 夹具的总重量

设计夹具前需要根据现有的试验设备能力对夹具的重量进行粗略的估算，以免因夹具设计得过重而超出现有试验设备的试验能力遥

式（1）中:F要要要试验推力，N曰

a要要要加速度，m/s2曰

Ma要要要振动台动圈质量，kg曰

Mb要要要夹具质量，kg曰

Mc要要要被试件质量，kg遥

试验推力应小于等于振动台的额定推力，这是对被试件进行振动试验的必要条件遥因此，设计前应该根据式（1）反推出夹具所允许的最大重量遥

1.3 夹具的尺寸大小

夹具尺寸的大小应由以下两个方面的因素共同决定:

1）安装夹具的振动台体的台面尺寸，即台面上的固定孔的尺寸和它们之间的间距大小曰

2）产品本身的尺寸大小遥

在满足以上两个条件的基础上，要求夹具的尺寸控制到越小越好遥

1.4 夹具的材料

从选材上看，由于直接控制固有频率的因素是材料的弹性模量（E）与材料密度（P）之比，E/P的值会影响其共振频率，因此，所选材料的E/P的值应越大越好曰从性能的角度看，材料应具有较小的密度尧较大的刚度和较高的阻尼曰从加工的角度看，材料应易以加工曰从经济角度看，则要求材料的价格要相对便宜遥

1.5 夹具的结构[3]

a）与台面的连接

这是夹具设计时应该最先考虑的问题，一般试验都是多个方向的，夹具设计要考虑各个方向的安装，在多数情况下要考虑垂台尧滑台等多个状态的安装问题遥同时，应该注意不同振动台的规格尺寸，有些振动台的尺寸是英制的，有些振动台的尺寸是公制的，这些都是设计者要考虑的事项遥

b）传感器的粘贴

夹具设计时应该考虑传感器安装的方便性，否则很有可能出现夹具设计好后无法粘贴传感器的问题，从而影响试验的顺利进行遥

c）安装方便

夹具的设计，不仅要考虑夹具与产品的连接问题，而且要考虑夹具与振动台的连接问题遥

d）确保与振动台动圈的紧密连接

振动夹具与动圈的连接应使用尽量多的螺钉，应尽量地控制两者的连接面的外径尺寸，不能超过动圈的最大外径遥

1.6 夹具建模与有限元分析

SolidWorks软件是当今应用得最为广泛的大型CAD/CAE/CAM集成化软件之一，具有很强的实体建模尧曲面建模和装配等功能，广泛地应用于航空尧航天尧汽车尧造船尧机械和电子设计等领域的产品的加工制造中遥SolidWorks Simulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统，其提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析尧频率分析尧扭曲分析尧热分析和优化分析，用户可以使用SolidWorks进行一站式设计和分析遥

夹具分析计算流程如图1所示，具体的流程为:采用SolidWorks建立夹具的三维模型，在Simulation有限元软件中分析，若分析结果不符合设计要求，则根据分析结果在SolidWorks中进行修改，直到符合要求为止遥

1.7 夹具测试

a）布置监控点

取夹具与台面的固定点为监控点，监控点的数量根据夹具与振动台面固定点的数量来确定，一般监控点数与固定点数相等（至少大于4个），取监控点的多点平均值作为基准点遥

由于测试通道数量的限制，取单点作为监控点，对夹具与振动台固定点的一致性进行测试遥通过比较，发现夹具底座的一致性较好，因而取夹具底座中心为监控点曰振动的方向为夹具垂直方向遥

b）布置响应点

取夹具与试验件的安装点作为响应点，安装三轴向加速度传感器，包括主轴向和与之正交的另外两个轴向遥

c）设置试验参数[4]

用正弦扫频方法进行夹具测试时，参数设置为:扫描率为1 oct/min，定加速度为1 g，扫描范围为10～2 000 Hz遥

若正弦扫频无法扫描下去，可用宽带随机方法进行测试时，则参数设置为:平直谱型，功率谱密度为0.005 g2/Hz遥

d）计算传递率[5]

夹具传递率为各个检测点响应加速度幅值的均方根值与基波幅值之比，即传递率为:

图1 夹具分析计算流程图

式（4）中:f0要要要具有最大幅值响应的共振频率曰

f2尧f1要要最大幅值的2个半功率点所对应的频率遥

e）有频率共振时的品质因数Q

品质因数Q的计算公式为[2]:

f）横向振动

夹具横向振动的大小为横向响应加速度与激振方向加速度的比值，即TSR=即以此值检查夹具横向振动的大小遥

3 示例

3.1 夹具设计

以某型号OEM板为例，设计其振动夹具，为方便其转换试验方向，选择子母夹具组合方式，母夹具选择六面体型夹具，负责连接子夹具与振动台和把振动量值传递给子夹具，子夹具负责固定试样遥按图1的设计流程进行建模设计，子母夹具装配体模型如图2所示遥

图2 子母夹具装配体模型

3.2 模态仿真分析

用SolidWorks的Simulation对夹具装配体进行模态仿真分析，所得的结果如表1所示，前四阶模态如图2-5所示遥

表1 模态仿真分析结果

图2 一阶模态

图3 二阶模态

图4 三阶模态

图5 四阶模态

加工好夹具后，为了保证夹具的性能符合试验要求，用正弦扫频方法对夹具进行测试，参数设置为:扫描率为1 oct/min，定加速度为1 g，扫频范围为10～2 000 Hz遥

利用夹具上6个检测点的响应波形和振动台的控制波形数据进行计算，则夹具的传递率为:

在夹具上选择1个检测点安装1个3轴加速度传感器来检测夹具的横向振动，将采集到的数据代入计算可得夹具横向振动的大小TSR=

由此可见，测试夹具的性能均符合本文总结的夹具要求遥

4 结束语

本文详细地介绍了集成电路的振动夹具的主要设计方法和测试方法，希望能够为相关工作人员提供一定的参考遥

院

[1]金玫，林峰，李德峰，等.振动试验夹具在可靠性试验中的应用[J].航空标准化与质量，2004（5）:39-43.

[2]吴瑞轩.振动夹具的测试方法研究[J].装备环境工程，2010，7（6）:252-254.

[3]计恩荣，陈闯.振动试验夹具设计要求及验证方法[J].混合微电子技术，2009，20（3）:43-46.

[4]唐德效，邵兆申.一种通用振动夹具的设计[J].空间电子技术，2009（2）:95-99.

[5]胡波，何林.振动试验夹具的设计[J].电子产品可靠性与环境试验，2005，23（3）:45-48.

Design and Test Method of Vibration Test Fixture for Integrated Circuit

DENG Chuanjin，DENG Rui
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The design and test methods of the vibration test fixture of integrated circuit including the design principle of the structure type of mother fixture and the total weight，size，material and structure of fixture as well as the test method of fixture performance are introduced in detail.

integrated circuit曰vibration test曰fixture design，fixture test

院TG 759

院A

院1672-5468（2017）03-0064-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.03.013

院2016-09-22

院2016-11-30

院邓传锦（1986-），男，广西贵港人，工业和信息化部电子第五研究所元器件检测中心工程师，硕士，主要从事元器件可靠性寿命及环境试验方法的研究工作。