مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تحلیلی تنش های ایجاد شده در اثر ارتعاشات تصادفی در اتصالات لحیمی بردهای الکترونیکی

نویسندگان
1 دانشکده علوم و فنون دانشگاه تهران
2 دانشکده علوم و فنون نوین
چکیده
ماهواره‌ها برروی زمین، در طی مراحل ساخت و حمل ونقل، در محیط پرتاب و در حال عملکرد در فضا تحت انواع بارهای دینامیکی از جمله بارهای ارتعاشی فرکانس بالا و پایین، آکوستیک، شوک و ضربه قرار می‌گیرند که هرکدام می‌تواند منبع مهمی در به وجود آمدن تنش بر اجزاء ماهواره باشد. اجزای سازنده ماهواره باید به گونه‌ای طراحی شود که در مواجهه با این محیط‌ها بتوانند به کار خود ادامه دهند. بهبود طراحی ماهواره در مقابل ضعف‌هایی که در برابر بارگذاری‌های مختلف نشان می‌دهد، امری ضروری است و با توجه به اینکه انجام تست‌های آزمایشگاهی بسیار زمانبر و هزینه‌بر است، استفاده از روش‌های تحلیلی برای بررسی دوام و طول عمر سازه می‌تواند بسیار کاربردی باشد. اکثر بارهای اعمالی وارد بر ماهواره در طول عمر کاری آن بصورت بارهای تصادفی است که معمولاً به صورت شبه استاتیکی درنظر گرفته می‌شوند. بردهای الکترونیکی بخصوص اتصالات لحیمی آن‌ها از اجزای بسیار حساس و حیاتی ماهواره ها هستند که بیشترین آسیب پذیری را از ارتعاشات تصادفی دارند. لذا بررسی آسیب وارده به آن‌ها تحت این نوع بارگذاری برای طراحی مناسب بردها اهمیت بسیار زیادی در مدت زمان کارکرد آن‌ها دارد. در این تحقیق، بارهای ارتعاشات تصادفی اعمالی بر بردهای الکترونیکی با بارهای شبه استاتیکی معادل می‌شود و با مدلسازی برد با استفاده از تئوری ورق‌های چند لایه، مقدار تنش و شکست اتصالات لحیمی تحت این بارگذاری بررسی می‌گردد. همچنین اثر پارامترهایی چون مقدار عرض برد و شرایط مرزی برد الکترونیکی بر مقدار تنش اتصالات لحیمی در حل تحلیلی در نظر گرفته خواهد شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analytical Investigation of Induced Stresses on Solder Joints of Electronic Boards under Random Vibration

نویسندگان English

mahdi fakoor 1
Farzad Shirmohamadli 2
1 University of Tehran
2 Faculty of New Sciences and Technologies
چکیده English

The satellites on the ground during construction and transportation, in launching stage and operation in space are under various types of dynamic loads, including high and low frequency vibrational loads, acoustics, shock, impact, etc., each of which can be an important source in the creation of stress on the satellite. The satellite components should be designed in such a way that can continue to operate while facing these situations. Electronic boards, in particular their solder joints, are critical components of satellites. Therefore, investigation of damage in design process of boards have great importance. Loading pattern on the satellite during its operation is usually random which considered as quasi-static load. Improvement of the design of the satellite against the weaknesses shown while facing different loads is essential, and given the fact that it is time consuming and costly to carry out laboratory tests, the use of analytical methods for checking the strength and lifetime of the structure can be very useful. In this research, random vibrations environment is equivalent to pseudo-static loads, and using the multilayer plate theory, the stresses in solder joints and failure of joints under this loading will be investigated. Also, the effect of parameters such as electronic board width and the boundary condition of the printed circuit board on the solder joints' stress will be considered in analytical solution.

کلیدواژه‌ها English

Electronic board
Solder joint
random vibration
Stress Analysis
[1] R. C. Leibowitz, Vibroacoustic response of turbulence excited thin rectangular finite plates in heavy and light fluid media. Journal of sound and Vibration, Vol. 40, No. 4, pp. 441-495, 1975.
[2] I. Elishakoff, Random vibrations of orthotropic plates clamped or simply supported all round. Acta Mechanica, Vol. 28, No. 1, pp. 165-176,‌ 1977.
[3] J. Miao and Y. Ouyang, The response of a clamped rectangular plate with viscous damping and non-linear structural damping, Acta Mech. Sinica, pp. 469_479, 1983
[4] G. Maymon, Random response of indeterministic structures subjected to stationary random excitation: a practical engineering solution. Journal of sound and vibration, Vol. 172, No. 2, pp. 211-229, 1994.
[5] W. Huang, D. B. Kececioglu and J. L. Prince, A simplified random vibration analysis on portable electronic products. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 23, No. 3, pp. 505-515,‌ 2000.
[6] Y. Xing and B. Liu, New exact solutions for free vibrations of rectangular thin plates by symplectic dual method. Acta Mechanica Sinica, Vol. 25, No. 2, pp. 265-270, 2009.
[7] S. Irani and S. Sazesh, Random vibration of tapered beam under stochastic excitation, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 3, pp. 138-154, 2012. (in Persianفارسی )
[8] A. H. Hosseinloo, F. F. Yap and N.Vahdati, Analytical random vibration analysis of boundary-excited thin rectangular plates. International Journal of Structural Stability and Dynamics, Vol. 13, No. 3, 1250062,‌ 2013.
[9] G. Chen, J. Zhou, & D. Yang, Benchmark solutions of stationary random vibration for rectangular thin plate based on discrete analytical method. Probabilistic Engineering Mechanics, Vol. 50, pp. 17-24, 2017.
[10] O. Volkersen, Die Nietkraftverteilung in zugbeanspruchten Nietverbindungen mit konstanten Laschenquerschnitten. Luftfahrtforschung, Vol. 15, No. 1/2, pp. 41-47, 1938.
[11] M. Goland and E. Reissner, The stresses in cemented joints. Journal of applied mechanics, Vol. 11, No. 1, pp. 17-27, 1944.
[12] R. W. Cornell, Determination of stresses in cemented lap joints. JOURNAL OF APPLIED MECHANICS-TRANSACTIONS OF THE ASME, Vol. 20, No. 3, pp. 355-364, 1953.
[13] F. Delale, F. Erdogan and M. N. Aydinoglu, Stresses in adhesively bonded joints: a closed-form solution. Journal of Composite Materials, Vol. 15, No. 3, pp. 249-271, 1981.
[14]E. Suhir, On a paradoxical phenomenon related to beams on elastic foundation: Could external compliant leads reduce the strength of a surface-mounted device?. Journal of applied mechanics, Vol. 55, No. 2, pp. 818-821, 1988.
[15] D. A. Bigwood, and A. D. Crocombe, Elastic analysis and engineering design formulae for bonded joints. International journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 9, No. 4, pp. 229-242, 1989.
[16] D. B. Barker, Local PWB and component bowing of an assembly subjected to a bending moment. Journal of Electronic Packaging, Vol. 116, No. 2, pp. 92-97, 1994.
[17] E. H. Wong, and C. K. Wong, Approximate solutions for the stresses in the solder joints of a printed circuit board subjected to mechanical bending. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 51, No. 2, pp. 152-158, 2009.
[18] Y. Ping, Z. Jie, W. Dongyang and B. Binghao, Research on parametric analysis for stress of Plastic Ball Grid Array solder joint under shock load. International Journal of Materials and Product Technology, Vol. 31, No. 2, pp. 293-304, 2008.
[19]M. A. Gharaibeh, Q. T. Su, & J. M. Pitarresi, Analytical solution for electronic assemblies under vibration. Journal of Electronic Packaging, Vol. 138, No. 1, 2016.
[20] M. L. Wu and J. S. Lan, Investigation and prediction of solder joint failure analysis for ball grid array package subject to mechanical bending environment. Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 29, No. 2,pp. 75-84, 2017.
[21]R. Ghaffarian, CCGA packages for space applications, Microelectronics Reliability, Vol. 46, No. 12, 2006.