冲击试验机原理及其设计汪学方马斌任继文刘胜张鸿海华中科技大学微系统研究中心吕民富美国韦恩州立大学摘要：针对当今手持式微机械电子产品，本文介绍了所设计的冲击试验机的原理及其结构，该机主要由硬件设备和软件控制两部分组成，可以获得冲击力、加速度等动态力学参数，反应微电子产品的耐冲击能力。这些数据可为手持式微机械电子产品的可靠性设计提供指导。关键宇：冲击试验机微机械电子产品可靠性为了检验微电子器件质量和在实际的使用过程中的抗撞击能力，需要对微电子器件进行连续性冲击试验。国内外现在大负荷，适合较重的中大型构件或产品的冲击试验装置已经比较成熟，但是针对微电子器件的冲击试验装置还少有研究，这里作者介绍一种自行开发研制的微电子冲击试验机。本装置能将移动电话等之小型轻量之微电子产品固定在任何姿势下，从一定高度落下，以试验产品的耐冲 击性。1 冲击试验机的基本理论冲击试验机的冲击原理示意如图一测试台图l 冲击原理图跌落式冲击试验机式是将装有试件的夹具上升到指定的高度H ，然后突然释放，夹具便沿着轨道垂直自由落下，并与底部的测试台相碰撞，由于测试台对试件的反作用作用，使试件产生方向朝上的冲 击加速度，并受到一个瞬间撞击力。其运动方程为或者式中：M 舅+ c 膏+ 七z = JP ( 0 石)主+ 2 f l t o o ：i + 簖( 石一詈) = o( 1 )( 2 )M 一一试件的质量c 一一粘性阻尼系数8 一一相对阻尼系数，卢= 而Ck - - - - 测试台的刚度 一一= 压测试台的阻尼系嬲卧，一般来讲俐，所以方程简化为抖簖( 工一昝。，根据初始条件当f = o 时，x = o ，j = 丽，计算出冲击加速度的幅值为辱孚s i n 睁叫，= 。2 、 9 2 + 2 9 H k( 4 )即冲击加速度与夹具的跌落高度、测试台的剐度及试件的重量有关。但当跌落的高度较大时，g ( 重力 加速度) 与冲击加速度相比可以忽略不计。因此式4 可以简化为：t o2( 5 )由于夹具完成了首次冲击后仍有较大的反弹速度，故它在重力的作用下还能进行数次幅值递减的冲击过程。按照先后谯序分别称为二次、三次n 次冲击，第二次以后的各次冲击称为次冲击。次冲击的次 数、各次冲击的加速度幅值及相邻两脉冲的时间间隔长短取决于夹具设定的下落高度H 和测试台的恢复系数。夹具的各次反弹高度可分别记为：h 2 = e 2 日，毛= e 4 H ，h f = P 2 ( H 1 H( 6 )因此由式4 可求得出各次冲击加速度幅值为铲( 9 2 + 宰F 铲( 警F铲( 9 2 + 学式中e 一一缓冲材料的恢复系数。以上各式可以得知，只要在试验前设定好落下的高度、测试台材料类型和试件的质量，就可以对加速度、冲击力进行预控制。2 4 8 2 微电子冲击试验机设计2 1 冲击试验机的硬件设备微电子冲击试验机可分为硬件设备和软件处理部分。硬件设备结构如图2 ，冲击试验机硬件部分主要由测试装置和辅助装置两部分组成。辅助装置由框架、基座、橡胶挡块组成。测试装置由夹具、电磁释放器、线形导轨、智能眼、测试台组成。工作时测试所用的徽电子器件安装在夹具上，夹具上安装电磁释放器。夹具对微电子器件自由设定释放前试件的姿势。夹具安装在两根导轨上，导轨设定了夹具的下落路径。通电时夹具被电磁铁吸住，断电瞬间夹具与电磁释放器脱落，然后自由下落，夹具的释放高度可以根据需要在尺标刻度上简单的设定。在框架左下方安装两个智能眼智能眼用以记录在夹具跌落时通过上下两个智能眼的时间，根据这两个时间差，加上已确定的智能眼之间的距离，通过计算机处理，可以测算出夹具的下落速度。导轨的下端安装橡皮缓冲块。阻止夹具与测试台撞击。试件继续保持落体运动直到与测试台撞击。测试台可拆换，有多种不同材料类型的测试台。包括水泥、木板、钢板、橡胶等等。测压力传感器安装在测试台下面，加速度传感器与试件绑定在一起。传感器和计算机中的数据采集卡相连接，由采集卡记录冲击试验数据，包括加速度、力等等。图2 冲击试验机结构图图3 冲击试验机实物图2 2 冲击试验机的软件环境对整个冲击试验，我们自行开发了一套实用软件。软件的流程如图4 所示I 。“* 一f H 口I d r b y l h e _ i 、虹i t 啦y I I 兰亡弋几I “一P 二 “斧一“J ，鼍黑：然罂y I r 地g 。rL ll ，D i q _ y ( H m m h ) V o l t l g o儿 。粼慧躲， 。“q “州S m t o e c t z 。* t 。t h “J图4 软件流程图一2 4 9 由奉软件可以选择多通道同时采集数据，冲击时问曲线、动态应变一冲击时间曲线等。冈6 试件3 试验过程及结果得到各种性能曲线，如加速度一冲击时间曲线、敷倘软件有良好的人机对话界面，控制而板如图5 所示：图5 软件控制而板测试器件为飞利浦1 2 0 型移动电话如图6 ，体积：7 9 c m 3 ，长：1 0 6 c m 、宽：4 9 c m 、厚 度：2 2 c m ，质量为9 5 克，塑料外壳，将手机显示屏向上水平放置，安装存夹具卜- ，设定 跌落高度为1 5 米，测试台为木质材料，重复性试验3 次。所测得冲击加速度一时间曲线、 冲击力一时间曲线如图7 和图8 ：3 0 1 0 0 ( N )2 52 01 51 0501 51 01 5陶7 冲击力一时间曲线2 5 0图8 冲击加速度一时间4 结论1 ) 该冲击试验机专为微机械电子产品可靠性测试所设计，可将各种小型轻量的微电子产品同定在任何 姿势F ，从设定高度落r ，以试验产品的耐冲击性。2 ) 该冲击试验机检测项日多，测试台町拆换。可测试微电子产品对不同质材的耐冲击性能，试验可重复性好。该冲击试验机软件部分入机界而友好，试验过程，数据处理都由计算机完成，结果精确可靠。参考文献 1 D r o pI m p a c tT e s t M e c h a n i c s P h y s i c so f F a i l u r eE H W o n g ，K M L i me ta l2 0 0 2E l e c t r o n i c sP a c k a g i n gT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e ，I E E E 2 】B o a r dL e v e lR e l i a b i l i t yo fC S P HT u s o ，Y Y a m a j ie ta l ，1 9 9 8E l e c t r o n i c sc o m p o n e m sa n dT e c h n o l o g yC o n f e r e n c e ，I E E EP r i n c i p l ea n dD e s i g no ft h eD r o pT e s t e rX u e f a n gW a n g ，B i nM a ，J i w e nR e n S h e n gl i u ，H o n g h a iZ h a n gI n s t i t u t eo fM i c r o s y s t e m s H u a z h o n gU n i vo fS c i & T e c h M i n f uL uW a y n eS t a t eU n i v e r s i t y ，U S A A b s t r a c t ：I no r d e rt om e a s u r et h el o a d ，a c c e l e r a t i o n so fs m a l ls i z ea n dl i g h tw e i g h tM E M Sp r o d u c t s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sad r o pt e s t e r T h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo f i ta r ed e s c r i b e d ，K e y w o r d s ：D r o pT e s t e r , M E M S ，R e l i a b i l i t y孙m00巧加