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摘 要微电子产品在使用和运输过程中都可能因为不同形式的冲击而造成功能失效，因此微电子产品的抗冲击能力成为电子产品可靠性的一个重要评价指标，也是结构设计的一个重要考虑因素。但是目前常用的冲击试验机都是针对结构尺寸较大，质量较重的产品，对于微电子产品这种结构小、重量轻的特点，一般的试验机不能有效地检测出其冲击的力学特性。本论文首先研究了不同试验机的方案，分析其工作原理，并加以借鉴，从中得到了实现测试微电子产品抗冲击的理论的启发，在理论上设计出微电子跌落试验机的基本结构，这对检测微电子产品的抗冲击能力有着重要的意义。关键词：微电子产品；跌落式；试验机；抗冲击；工作原理AbstractPortable electronic devices are well known to be susceptible to drop impact which can cause various damage modes such as interconnect breakage，battery separation in cellular phones，possible cracking along inter facesDrop impact performance of these products is one of important concerns of product designBecause of the small size of this type of electronic products，it is very expensive，timeconsuming and difficult to conduct drop tests to directly detect the failure mechanisms and identify their drop behaviorsThe main content of this paper lists the different programs of the testing machine and analyze the work theory, and reference it ,Which has been inspired by the theory of testing microelectronic products impact,and design the basic structure of microelectronics products Drop Test Machine in theory, It is important for the anti-wrestling capacity detection of microelectronic product to do the research.Keyword: microelectronic product; Drop; Test Machine; anti-wrestling; work theory目 录1 绪论11 跌落式试验机简介：112 冲击试验的概念113 冲击试验的方法概述214 冲击试验的标准315 国内外冲击机的发展现状和产品4151 冲击机发展现状4152 国外冲击机发展现状和主要产品4153 国内冲击机发展状况和产品62 跌落试验机方案的确定721 方案一：多次跌落试验机7211 多次跌落机的工作原理721 多次跌落机的意义102 方案二：带有缓冲器的跌落式冲击台1022 缓冲器的基本原理10222 冲击台原理13223影响冲击加速度的因素1823 方案的确定193 重复性跌落试验机的工作原理以及结构设计2031 试验机的工作原理2032 试验机的设计2232 试验机各部分结构的材料以及功能2232 试验机工作的基本过程274 总结和展望2741 总结2742 展望28参考文献29致 谢301 绪论1 跌落式试验机简介跌落试验机概念：专用于测试产品包装受到坠落之受损情况，或评估运输搬运过程时耐冲击能力。现在市面上的跌落式试验机一般采用双柱导向、高度跌落次数可置，工作稳定可靠，可实现棱、面、角跌落，满足GB/T4857.5-92、ISO2248-1972E。一般可采用光电控制，可设定七档跌落高度，也可自由选择跌落高度，跌落释放采用电磁控制，能使试样瞬间自由落下，对包装容器进行之棱、角、平面进行跌落冲击试验。跌落试验机分类：单臂跌落试验机，双臂跌落试验机。图 1-1 跌落试验机试验机要求：提起试验样品至预定高度，然后使其按预定状态自由落下，与冲击台面相撞，并且撞击反弹后被接住，避免二次撞击。12 冲击试验的概念各种工业产品在实际使用和运输过程中经常经受冲击环境。冲击试验是环境与可靠性试验的一种，其目的就是要确定产品在使用和运输过程中的承受非重复性机械冲击的适应性，其结构的完好性以及该产品耐冲击载荷作用的置信度。冲击是指系统在瞬态激励下的运动，它的特点是激励的作用时间远远小于系统的运动周期，这意味着是一种突然的、猛烈的运动。冲击也可以看作是振动环境的一种特例。冲击一般分为简单冲击和复杂冲击，简单冲击的幅值随时间变化的曲线按照国际标准可以近似为简单的几何图形，如半正弦波、梯形波、锯齿波等；复杂冲击的冲击幅值随时间变化的曲线呈复杂的衰减振荡波形。容易与冲击试验概念相混淆的是碰撞试验的概念，关于两者的区别是：碰撞试验是为了确定重复性冲击所引起的累积损伤对产品的影响，是比冲击较弱的多次的重复的能量激励。而冲击试验是产品受到瞬间激励，其力、位置、加速度、速度发生突然变化的现象，是不同于累积损伤的破坏，而属于相对于产品结构强度来说是极限应力的峰值的破坏。国家标准电工电子产品基本环境试验规程中这样规定的：“冲击与碰撞均属于冲击范畴。两者的区别在于冲击是运输或使用过程中遇到的非经常性的、非重复性的冲击力。而碰撞是在运输或使用过程中多次出现的经常重复的冲击力”在工程实际问题中，由于冲击带来的严重破坏性，如强烈的冲击会引起结构瞬时断裂、仪器仪表精度降低、元件损坏、甚至失灵。随着现代科学技术迅速发展，对电子器件、仪器仪表及机电产品的质量的可靠性和运输包装件在运输过程中耐冲击强度的评定，提出了更高的要求。13 冲击试验的方法概述对冲击环境的模拟方法一般有三种：第一：带有容差的冲击脉冲成形法第二：冲击谱模拟法第三：仿真复现法。其中第三种方法出现于上世纪70年代，所用到的专用设备比较复杂，试验代价高昂，只有在非常特殊的场合中应用。广泛应用的是第一、二种方法。对此两种方法，我国标准GB2423.5-8l、GJBl50-85、GJB360-87以及国际IEC-68-2-29等标准都有规定。随着环境模拟理论和计算机技术的发展，以及控制系统功能的不断完善，冲击试验技术发生了变化，用数字式控制振动台系统进行冲击谱模拟已经成为冲击环境试验的趋势。在研究结构的耐冲击能力过程中，布洛特(BlotMA)于1963年提出冲击响应谱(shock Response spectrum)的概念，冲击响应谱实验技术开始得到发展和应用。冲击响应谱是以系列的不同频率、具有一定阻尼的线性单自由度系统受到冲击力产生的最大响应与系统频率的关系曲线。国内外普遍采用等效损伤原则模拟复杂振荡冲击环境，即用冲击响应谱作为模拟冲击环境标准，如产品在规定的时间历程内在冲击模拟装置产生的冲击激励作用下产生的冲击响应谱与实际冲击环境的冲击响应谱相当的话，就可以认为该产品经受得了冲击环境的考核。近年来，关于冲击响应谱试验的技术已经成为冲击试验的研究趋势，广泛应用于冲击环境的模拟试验中。目前国外针对冲击响应谱试验技术的研究日益成熟和完善，并已经研制出冲击谱试验的电动式实时控制系统，具有非常好的试验效果。但国内关于冲击响应谱试验的研究集中在理论层次面上的较多，能够实际应用的成果也很少。就目前的冲击试验水平看，国内外主要采用的还是第一种方法。冲击脉冲成形法试验多以理想脉冲试验为主，主要是以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境。利用跌落冲击机和摆式小型冲击机按照GJBl50、MIL-810等各项标准进行的冲击环境试验。规定的典型冲击波形有：梯形波、后峰锯齿波、半正弦波等，对于冲击波形法模拟冲击试验时，都会涉及到冲击加速度的峰值、冲击持续时间等方面的要求。冲击加速的峰值时指加速度的最大值a。；冲击加速度增长时间是指加速度从零值增长到最大值所经历的时间t；冲击加速度持续时问(脉宽)是指加速度从零值升到最大值，然后有从最大值降到零值所经历的时间。如图1-2所示，我国GB2423.5-81规定的三种波形的容差要求。图中A为脉冲加速度峰值，D为脉宽。图1-2冲击波形容差 （a)半正弦波 （b）梯形波 （c）后峰锯齿波当然在实际中冲击波形法不可能模拟实际的复杂冲击环境，由于实际环境产生的冲击是一种复杂的瞬态振动或是变化的持续时间的复杂冲击。这也是冲击波形法的不足之处，不过在目前来说，此方法还是应用比较广泛。14 冲击试验的标准在冲击试验的过程中，一般参考的冲击环境试验的标准有：冲击台试验标准：GB2423-1995；碰撞台试验标准：JJG497.2000；国家军事标准：GJBl50、GJB360；美国军事标准：MILSTD-810：国际标准：IEC- 68-2.29；15 国内外冲击机的发展现状和产品151 冲击机发展现状在机械、电子等制造行业产品的生产、运输等过程中，存在各种冲击，因而产品的抗冲击性能成为反映其质量和可靠性的重要指标，随着人们对产品精度、可靠性要求的提高，以及航空航天等行业发展的需要，产品的抗冲击性能将越来越受到重视。与之相应的冲击试验机也在不断发展，以力脉冲发生器的发展为标志，冲击试验机的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是早期以橡胶、毡垫、弹簧等作为波形发生器的机械式冲击机。这类冲击试验机的自动化程度往往较低，只能产生单一波形类型。第二阶段则是以自动控制理论的发展，自动化设备的兴起，新材料的发展为基础，以使用特制材料与液压或气动控制结合为特征的波形发生器作为缓冲器，不同的脉冲发生器对应不同波形，这种波形发生器精确度比较高，性能也比较稳定。第三阶段是上个世纪八十年代末以来，随着计算机应用与集成电子技术的快速发展，以能在一台缓冲器上产生多种波形的智能化波形发生器为特征，并辅以高度自动化的控制以及数据分析设备的新型冲击试验机。这种冲击试验机现在正逐步替代第二代冲击台，并广泛流行。152 国外冲击机发展现状和主要产品这些产品主要有，美国LAB公司生产的跌落式冲击试验台、美国MTS公司生产的886系列冲击试验机、美国AVCO公司生产的SM系列冲击试验机、日本吉田精机株式会社生产的ASQ系列冲击试验机、Lansmont公司机械式跌落式冲击台、美国TEAM公司的振动冲击台等都属于第三代产品。以美国L-AB公司生产的跌落式冲击试验机一Autoshock-II系列为例。Autoshock-II“系列冲击试验机是全自动型冲击试验机，可以模拟实际的冲击脉冲和冲击能量。可帮助材料制造商进行系统测试并对产品进行更加合理的设计。该试验机采用计算机控制，可实现数据的分析。其控制界面图如图1-3所示， 其技术参数见表1-1表 1-1技术参数表图 1-3 Autoshock-II系统冲击试验机控制界面153 国内冲击机发展状况和产品我国于1987年实施GJB150_86军用设备环境试验方法，1988年实施GJB36087电子及电气元件试验方法的项国军标。上述标准中的冲击试验规范规定了冲击运动及容差要求。从国内近几年引进美国MTS公司和美国AVCO公司的同类设备的情况看，引进的设备能够产生满足以上标准要求的三种波形(半正弦波、后峰锯齿波和梯形波）。沈阳新乐精密机器公司研究员级高工于治会研究了一种跌落冲击机的设计原理(是一种长持续时间的小型跌落冲击台，并对其结构特点，工作原理、冲击参数做了研究和改进措施)。随后又研究了装有等压缓冲器跌落冲击台，解决了冲击加速度增长时间(或持续时间)与冲击加速度幅值之间的矛盾关系(幅值大时持续的时间小，幅值小时持续的时间长)。但冲击加速度波形不规范，在低幅值加速度时，加速度波形接近半正弦波，在高幅值时，其波形变尖。他还研究了凸轮式跌落冲击机的原理与调整，凸轮式跌落冲击机是一种连续多次的机械冲击装置，广泛用干材料、元器件、产品及其零部件的强度和寿命试验。西北工业大学航天工程学院吴斌设计了气压驱动冲击实验台，连续冲击速度快，结构简单控制灵活。为冲击试验的速度和操作的方便性和提高效率都起到了重要的作用。西北机械厂仇雪琴同志正在研究一种新颖的冲击试验设备(100KG冲击试验机)，该产品的研制将会填补国内高水平、高性能冲击试验系统的空白。上海交通大学的冯雷、赵刚、朱旭东等就冲击试验测控系统做了改进，他们设计了基于Pc的冲击试验全自动测控系统，完全代替了手动控制台的冲击试验自动测控系统可在软件界面上再现控制台的控制面板，并实现的数字化显示。为冲击试验的控制和测量都带来极大的方便，改善了操作环境和工作强度。目前，苏州市苏南振动仪器有限公司，HAS系列高加速度冲击试验台，主要用于航天、航空、船舰、兵器、电子、汽车等工业领域的科研、生产考核产品的抗冲击能力，适用于试验冲击加速度较大的器件、部件和整机的冲击试验该系列产品采用自动提升，自由冲击高度预置。冲击能量高，操作简便、安全、可靠。冲击加速度、脉冲持续时间、脉冲速度变化量，通过测量仪控测后，显示在显示屏上。如图1-4所示。图 1-4 HAS系列高加速冲击试验台2 跌落试验机方案的确定21 方案一：多次跌落试验机211 多次跌落机的工作原理该装置的结构多种多样，但其基本原理相同，均由机械冲击台、驱动电机、控制系统组成(见图2-1)。用电机驱动具有特定曲面的凸轮旋转，凸轮推动带有试件的工作台面上升，当凸轮转过最高位置时，工作台面便自由地跌落在机座砧面上的缓冲垫上，从而产生方向朝上的加速度。假定基座相对工作台面的质量为无穷大，则工作台面与缓冲垫碰撞时的运动微分方程为： （2-1）或者 （2-2）式中 C- 阻尼系数 - 相对阻尼系数， k- 缓冲垫的弹性刚度 - 系统的固有圆频率， -加速度的持续时间 M-工作台面的质量图2-1 凸轮式跌落冲击台结构示意图因为空气阻尼很小，可以忽略，故式(2-2)简化为： （2-2）解此方程并考虑到初始条件：当t=0时，x=0，(H1为工作台面首次跌落高度)，(见图2-2)，可求得首峰加速度的幅值为： （2-3）而加速度持续时间为： （2-4）当首峰加速度大于10g时，式(3)、式(4)近似为： （2-3) (2-4)图2-2 冲击台原理图首峰加速度结束后，工作台面仍有较大的反弹速度，还能连续进行多次持续时间相同而加速度幅值递减的次冲击过程。由常系数微分方程的线性原理，同样可求得次冲击的加速度幅值为： （2-5）式中e缓冲垫的恢复系数各次冲击的加速度持续时间为： （2-6）式(2-6)的首项比第二项小得多，实际证实变化很小，所以各次冲击的加速度持续时间基本相同，可由式(2-4)表示，即从某冲击起始时刻到相邻下个次冲击的起始时刻的时间称为脉冲时间间隔，其值为： (2-7)从首次冲击开始时刻到末个次冲击结束时刻的时间称为单次循环冲击时间，其值为： (2-8) 多次跌落机的意义凸轮式跌落冲击台是一种连续多次的机械冲击装置，广泛地用于各种材料、结构、元器件、传感器、仪器仪表、机电设备、家用电器及其零部件的强度和寿命试验，有时还进行产品工作参数模拟测试。2 方案二：带有缓冲器的跌落式冲击台22 缓冲器的基本原理下落式冲击台的关键部件是等压缓冲器,其结构如图2-3所示。由活塞、活塞筒及多锥度锥形件组成。活塞筒内充有一定体积的酒精、甘油混合液,此种阻尼液具有粘度容易调节和在低温下不冻绒的优点。剩余空腔充有一定予压的气体。活塞与活塞筒之间由胶圈密封。在活塞下端有个圆流液孔。图2-3 等压式缓冲器示意图1. 活塞 2.阻尼液 3多锥度锥形件 4.活塞筒 5.毡垫 6.村套 7.密封胶圈当活塞相对活塞筒运动时,活塞承受三种力的作用:空气压力、液体阻力以及活塞与活塞筒之间的摩擦力。分述如下:1.空气压力:当缓冲器空腔V。中,予压为p。的气体迅速压缩或扩张时,属于绝压过程,力按指数规律变化,如图2-4(a)所示,即: （2-9）式中；一活塞面积;S一活塞压缩(或伸展)行程;一空气定压和定容克分热容量比值,。这个力的大小与活塞面积、充气予压及空腔体积有关,但与活塞伸缩的速度关系不大;该力的方向在整个行程中恒指向活塞。该力(对于冲击台)有两个作用,一是起空气弹簧作用,对负荷产生阻力,二是将活塞恢复到起始位置。在压缩行程中,空气吸收的能量由图2-4(a)曲线工下的面积确定,在伸展行程中,由于空气的弹性恢复力使活塞伸展,又将这个能量释放出来,因此在整个行程中空气不吸收能量。2.液体阻力:当活塞受外力移动时,多锥度锥形件穿过流液孔,因此流液截面积随活塞行程而改变,故这种缓冲器有时称为变截面缓冲器。即当行程开始时,活塞运动速度大,流液面积也较大;当行程较大时,活塞速度减小,流液截面积也随之减小。根据流量原理,流过的截面积液体的速度也改变,其流速为: (2-10)式中C一流量系数(一般取0.7) 一活塞速度 一流液孔截面积由于锥形件为多锥度的园锥金属件,所以流液孔截面积为流液孔的面积减去锥形件穿过流液那时刻流液孔相对应的锥形件截面积,即 (2-11)式中D一流液孔直径 d一锥形件的最小直径 k(s)一锥形件的锥度,随行程改变。因此阻尼液产生变化的阻力,该阻力由下式确定: (2-12)式中一阻尼液比重,g一重力加速度值。流液孔面积由下式确定: (2-13)其中M一负荷质量 一活塞运动加速度幅值。当用于垂直下落时,考虑负荷下落时的能量,则 (2-14)由(2-14)式可知液体阻力的大小主要与活塞面积、速度、液体粘度及流液孔面积大小、形状和锥形件的形状、尺寸有关。对于同一缓冲器,流液孔越小阻力越大,当流液孔最小截面积大于8%时,液体阻力为零。在活塞行程的始、终,因为,所以阻力也为零,见图2-4(b)。液体阻力的方向,在压缩行程指向活塞,在伸展行程背向活塞,即阻力的方向是与活塞运动的方向相反。阻尼液在整个行程吸收的能量,由图2-4(b)中曲线II、III所包围的面积确定,所吸收的能量变为阻尼液的热能而散失。3.摩擦力:在活塞伸缩时,整个活塞杆及其密封胶圈与活塞筒之间存在摩擦力和见图2-4(c),曲线IV为压缩行程的摩擦力。曲线V为伸展行程的摩擦力。实际上摩擦力约为予压力的10 %-20 %,即 (2-15)的大小在整个行程中并不恒等,随气压的大小而增减。因为气压小时密封胶圈与活塞筒的接触松,气压大时接触较紧。的方向在压缩行程指向活塞,在伸展行程背向活塞,即的方向总是与活塞运动的方向相反。f在压缩行程吸收的能量由图2-4(c)中面积C确定,在伸展行程由面积D确定,总的吸收能量为两面积之和,由f吸收的能量也是变为热能而散失。总之,在整个行程中缓冲器对负荷的阻力为空气压力,液体阻力和摩擦力的总和,即 （2-16）在压缩行程中；在伸展行程中。在设计缓冲器时,应保证在整个行程中缓冲器总阻力基本不变,所以此种变截面缓冲器称为等压式缓冲器。图2-4 缓冲器阻力图(a) 气体压力曲线:I为标准压力曲线;为的压力曲线;(b) 液体阻力曲线:II为压缩行程阻力曲线.III为伸展行程的阻力曲线;A为压缩行程吸收能量;B为伸展行程吸收能(c）摩擦力曲线:IV为压缩行程摩擦力曲线;V为伸展行程摩擦力曲线;C为压缩行程吸收能量;D为伸展行程吸收能量。(d) 总阻力曲线:VI为压缩行程总阻力曲线;VII为伸展行程总阻力曲线;面积KLHGK为缓冲器吸收的总能量。222 冲击台原理整机结构如图2-5所示,由塔架、冲击台面、等压缓冲器、升降机构、遥控装置和自动释放机构等部分组成。当带试件的冲击台面(负荷)升到一定高度H,突然释放后沿轨道垂直下落并与底部缓冲器的活塞相碰,由于胶垫和缓冲器的制动,负荷速度急剧减小,在压缩行程产生方向朝上的冲击加速度。图2-5下落式冲击台原理图1.刻度尺 2.缓冲器 3.冲击台面4.自动释放机构5.活塞配重 6.减震胶垫7.塔架 8.升降机构 9遥控装置实际上负荷下落的整个过程分为下落与冲击两个过程:1. 下落过程:负荷沿轨道垂直下落时,实际上受到空气和轨道的摩擦阻力,因为速度不大,阻力与速度成比例。适当调正冲击台面与导轨的接触方式,减小摩擦,阻力可以忽略不计。2. 冲击过程:在此过程按时间先后大体分为碰撞和缓冲两个阶段,但这两个阶段不能绝然分开互相重叠。(1) 碰撞阶段:负荷下落到底部以速度与缓冲器活塞相碰撞,根据碰撞理论碰撞后负荷的速度减小为: (2-17)式中e一减振垫的弹性恢复系数(0e1);m一活塞与配重的质量;M一负荷质量。由于在时间间隔t内负荷速度发生了变化,即 (2-18)因此产生近似半正弦脉冲加速度,其峰值为: (半正弦波) (2-19)因为冲击台面的冲头是一定壁厚的管子,见图2-6,相当于减振弹簧,故能减小冲击强度。若冲击加速度峰值为的半正弦波,根据等效原理,图2-7可以求出作用在试件上的加速度峰值为: (2-20)因此加速度隔振系数为: ( (2-21)式中 为脉冲加速度持续时间 为等效系统的固有圆频率 为冲头弹簧刚度（其质量忽略） M为负载质量图2-6冲击台面示意图1. 冲头 2.管子 3.台面 4.挂架 5.指针图2-7碰撞过程原理图根据碰撞理论，可求出碰撞后负载能量损失为： （2-22）（2) 缓冲阶段:碰撞开始后,同时进入缓冲阶段,因缓冲器阻力制动负荷速度减为零,此时负荷与活塞系统的运动微分方程近似为: (2-23)式中为负载与活塞系统的质量和; C为阻尼系统;K为空气弹簧刚度系数, G(t)为外力(包括重力), ； 为活动系统固有圆频率， 。解此方程可得位移（x-t)的关系式，即负载与活塞系统进行偏离起始位置的衰减振动。（x-t)、(a-t)实测曲线如图2-7所示。在缓冲阶段,缓冲器对负荷的平均阻力可按下式估算: （2-24）图2-8活塞位移曲线与负载加速度曲线图2-9冲击过程分解图(3) 综合分析:在碰撞阶段产生窄脉冲加速度a(图2-9曲线1);在缓冲阶段产生宽脉冲加速度欢:(图2-9曲线2),整个过程的加速度为a:与勺矢量合成(图2-9曲线3),冲击加速度波形取决两阶段器速度的波形及其叠加的结果。223影响冲击加速度的因素1、 冲击条件:计算和试验均可得到:台面高度及活塞系统质量增加时,加速度幅值随之增加,而脉宽度相应减小,在其他条件不变的情况下减振胶垫加厚时,加速度幅值减小,脉冲宽度相应增加。装置久停复用,首次冲击其加速度幅值比正常情况要高20%以内。2、 缓冲器填料情况:正常情况缓冲器充阻尼液为酒精、甘油各50%的混合液,其量应是使活塞伸展至极限位置时,流液孔刚不露出液面为适宜,充气规定为一个大气压(一般应使气体压力为缓冲器开始压缩时负荷力的0.1-0.6倍)。当充液充气反常时,对冲击加速度量值和波形均有影响。3、 缓冲器结构尺寸:其长度、活塞面积、锥形件的锥度、流液孔截面积和形状(R的大小)对冲击加速度均有较大影响。适当调正各因素可以使冲击加速度满足要求。23 方案的确定要想准确的试验出微电子产品的抗摔能力，所设计出来的跌落试验机必须满足以下几点要求：（1） 能够模拟出微电子产品真实跌落的情景，即能够实现微电子产品以任意姿态在指定高度自由落体，不过，根据相关的资料显示，抗摔能力最差的部分是微电子产品的腹部和背部，所以所设计出来的结构只要能够满足微电子产品以躺下的姿态自由落体即可。（2） 能够接住固定有微电子产品的跌落台，防止其反弹后二次撞击冲击台面。我们可以想象微电子产品真实跌落的场景，微电子产品真实跌落时反弹高度是很小的，虽然也会发生二次以及多次碰撞，但是其与第一次碰撞相比是可以忽略不计的，然而本文所设计出来的试验机的跌落台以及冲击平面都是延展性以及韧性相当高的钢材料，碰撞之后必定会发生很大的反弹，在这种情况之下，其反弹后的二次以及多次碰撞就不能够忽略，必须防止，所以本文设计的跌落试验机必须能够防止其反弹后二次撞击冲击台面。（3） 能够准确的测量出冲击加速度、应变率等具有重复性的参数以及冲击次数。评价一个微电子产品抗摔能力主要是看产品摔落时产生的加速度、应变率等重复性良好的参数以及抗摔击次数。（4） 跌落台与冲击平面碰撞时不能有过大的缓冲。如果有太大的缓冲会影响冲击加速度的大小，并且使得冲击次数偏大。（5） 另外本机所测试的微电子产品的尺寸不得超过150mm150mm。、根据以上的要求可以很易得知，方案一和方案二都不符合要求，方案一中的多次跌落机无法实现微电子产品在任意指定的高度跌落；方案二中带有缓冲器的跌落机无法避免跌落台二次撞击跌落平台，而且还带有缓冲器，这样可能导致测出的冲击加速度和应变率以及冲击次数这些参数不准确。但是方案一和方案二的原理可以进行借鉴，特别是方案二的结构可以加以改进，使得其满足以上五点要求。3 重复性跌落试验机的工作原理以及结构设计31 试验机的工作原理图 3-1 试验机冲击示意图如图3-1所示装置模拟的是电子产品在使用或运输过程中最常见的撞击方式跌落式。跌落式冲击试验机的原理就是将电子产品位置上升到指定的高度后，然后自由释放，试件便沿着轨道或者自由下落，与底部的测试台相碰撞，由于测试台与试件的反作用作用，受到一个瞬间撞击力，并使试件产生方向朝上的冲击加速度。其运动方程为： （3-1）或者 （3-2）式中： M为试件和跌落台的总质量；C为粘性阻尼系数；为相对阻尼系数，；k为碰撞平台的刚度；为系统的固有频率，一般测试台的阻尼系数很小，一般来讲0，所以方程简化为 （3-2）根据初始条件：当t=0时，。计算出： （3-3）冲击加速度的幅值为： （3-4）即冲击加速度与试件的跌落高度、碰撞平台的刚度及试件与冲击台的总重量有关。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(3-4)可以简化为： （3-5）由于试件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。按照先后次序分别称为2次、3次 次冲击，第2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试件设定的下落高度H和测试台的恢复系数。试件的各次反弹高度可分别记为： （3-6）因此由式(3-4)可求得出各次冲击加速度幅值为： （3-7）式中：e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，就可以对加速度进行预控制。 32 试验机的设计32 试验机各部分结构的材料以及功能图3-2跌落试验机的结构示意图 1、跌落台导轨 2、冲击平台 3、基座 4、电磁释放器 5、托盘导轨 6、升降机构 7、遥控装置 8、标尺 9、光敏传感器 10、托盘 11、跌落台如图3-2所示为微电子产品的基本结构，其整体结构主要由机架、冲击台面、跌落台、电机、升降机构、遥控装置以及自动释放机构等组成。电动机的选择可以参考表3-1，通过表格各种电动机类型的对比，可以选择鼠笼式异步电动机。可以选择Y系列的电动机，因为Y系列的电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。表3-1典型的电动机类型如图3-3所示为机架的基本结构的三视图，机架由跌落台导轨、托盘导轨以及基座组成。图 3-3 基座结构的三视图基座可以由钢板和大理石构成，对外界的震动有很好的隔离作用，它的质量占有整个试验机质量的百分之九十，从而保证整个试验机的稳定性。基座上的导轨可以选择HT200或HT300，渗碳淬硬到46-52HRC，磨削加工后淬硬深度不低于2.5mm，其优点是：1.耐磨性好 2.摩擦系数小 3.加工和使用时的内应力变形小，尺寸稳定性能好 。如图3-4为本试验机托盘的基本结构，此结构可以实现跌落台第一次反弹后被接住。其材料可以选择高强度和高韧性的非调制钢。非调质钢是在中等含碳量的钢中，加入某些微量合金元素之后，即形成它们的碳化物或氮化物，并以微细的粒子析出，起到强化钢材作用，并阻止钢的晶粒长大，而对于上述析出强化过程最有效的元素是V、Nb、Ti，尤其是同时加入V和N，可提高其强度与屈服点，而且非调质钢的耐磨性较好，且稳定，优于45号钢。所以该材料可以满足托盘抗冲击的要求。图 3-4 托盘结构的立体图首先托盘的高度可以手动的调动，为了使得跌落台第一次反弹后可以很好的被接住，而不至于接住后依然会反弹的很高，则需先通过在指定高度空载释放跌落台，然后目测跌落台第一次反弹的高度来确定托盘的高度，反复试验几次，确认手动调节的反弹高度是否符合要求，如果符合要求，则可以将微电子产品安放在跌落台上进行跌落试验。其次托盘的结构是一个类似于匣子的结构，可以用来打开和向上收起，我们可以想象一个匣子侧卧着，打开匣子的盖子，就相当于打开了托盘，此时跌落台撞击上托盘是一定可以被接住的，因为此机构打开时正好处于死点，在受到向下的冲击力时，侧壁会支撑住托盘，因此机构不会发生运动，所以此托盘可以实现接住跌落台；关闭匣子的盖子，就相当于向上收起了托盘，此时跌落台就可以不受到托盘的干扰，自由的在导轨上升降。最后如示意图所示，托盘下方安装有一个光敏传感器，用来控制托盘的打开与收起。通过控制设计，使得光敏传感器每感应两次，托盘只反应一次。如图3-5所示为冲击平台结构的三视图。冲击台和刚性基础可以是不同质地的材料，一般选择花岗岩钢板、木板和纺织材料等，模拟实际中的撞击环境。本试验机选择花岗岩钢板，从而具有很强的硬度和抗冲击能力。另外在冲击平台上除了安装应变片外，还要装有用来记录加速度的压力传感器以及计数用的压力传感器。图 3-5 冲击平台结构的三视图如图所示为跌落台的基本结构，其材料也可以是非调质钢。跌落台上方有一些螺纹孔，可以用来固定各种微电子产品。自动释放装置就是一个电磁释放器，在给定一个释放的信号后，试件自由下落，要求响应速度快，同时托盘在这个释放信号下，会向上收起托盘，从而实现试件的自由下落。遥控装置则可以控制电机使升降台上下升降。从而实现了跌落台自由落体后，将升降台下降，给电磁释放器通电，吸住跌落台，再将升降台上升至初试高度。冲击试验机可以达到的技术指标最大冲击高度：1.2m最大样品尺寸：150mm150mm32 试验机工作的基本过程测试时将微电子产品平躺着固定在跌落台上方，通电时电磁释放器将跌落台吸住，使之静止在指定的高度，同时将托盘调节至合适的高度，而且托盘的初始状态是向上收起的。关闭电磁释放器的电源后，跌落台沿着导轨自由落体，然后撞击冲击平台，在撞击完成后，在电脑上获取撞击时的加速度、应变率以及撞击次数的信息。撞击后，跌落台反弹至托盘高度时，此时传感器第二次感应，因而托盘由收起状态变为打开状态，从而接住跌落台，待跌落台稳定于托盘上时，利用遥控装置，将升降台下降至托盘位置，给电磁释放器通电，将跌落台吸住，升起升降台至初始高度，至此第一个试验周期完成，之后的过程就是如此的循环下去，直到微电子产品损坏，最后记录撞击时的加速度、应变率以及撞击次数。4 总结和展望41 总结（1） 本课题主要内容是微电子产品跌落试验机的理论结构设计，其中微电子产品冲击试验机主要实现的功能是测试微电子产品的抗冲击能力，而检测微电子产品抗冲击能力的参数主要是冲击加速度和应变率以及冲击次数。（2） 跌落试验的可重复性对于实验结果来说是相当关键，为了保证同一组试件或一个试件在反复跌落时受到相同的冲击载荷，正式试验开始之前先从相同高度多次跌落，测量输入加速度的幅值与脉冲时间，以保证其具有较好的可重复性。跌落试验采用控制脉冲的试验方法，即将跌落台升高到一定高度，沿着导轨滑下，与下面的刚性基础碰撞，产生特定的加速度脉冲。42 展望伴随着人民生活质量的提高，便携式电子产品在人们的日常生活中使用越来越广泛，使用过程与运输途中电子产品受到碰撞和摔打是不可避免的，其抗冲击能力成为电子产品可靠性的一个检验指标，同时也成为设计过程中的重要考虑因素。为了检验电子产品抗冲击能力，需要进行多次连续冲击破坏试验，现阶段，国内外研制较多的是大负荷，样品自身结构尺寸较大的冲击试验机。电子产品具有体积小、质量轻的特点。所以设计出微电子冲击试验机能够进行微电子产品（如移动电话）冲击试验，并且从实验中获得载荷、加速度、应变等重复性良好动态力学参数，从而反映出微电子产品的抗冲击能力，掌握这些动态力学参数，对产品可靠性的设计有很大的帮助。参考文献1 叶继荣.跌落式冲击试验监控系统D.北京：北京工业大学机械系，2006.2 刘芳.跌落碰撞下SMT无铅焊点可靠性理论与实验研究D.上海：上海交通大学，2008.3 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