علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

تخمین عمر خستگی کم چرخه و محاسبه احتمال واماندگی بورد الکترونیکی فضایی تحت بارگذاری سیکلی حرارتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران، ایران
2 پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران
چکیده
یکی از چالش برانگیزترین مسائل در طراحی و ساخت بوردهای الکترونیکی فضایی، پدیدۀ خستگی ناشی تنش‌های حرارتی - مکانیکی در اتصالات لحیم می‌باشد. خستگی حرارتی - مکانیکی به دلیل تنش‌های ناشی از تغییرات مکرر دما و تفاوت در خواص حرارتی و مکانیکی مواد مختلف رخ می‌دهد و می‌تواند باعث شکست یا واماندگی قسمتی از لحیم بورد الکترونیکی گردد. هرگونه واماندگی و شکست در اتصالات لحیمی می‌تواند باعث از دست رفتن عملکرد بورد الکترونیکی گردد و لذا بایستی این پدیده به صورت کامل در طراحی بوردهای الکترونیکی لحاظ گردد. در این مقاله، یک بورد الکترونیکی شش لایه با دویست المان الکترونیکی و پکیج‌های BGA، Leaded و LCCC مورد بررسی قرار گرفته است و تخمین عمر خستگی و احتمال واماندگی آن تحت تاثیر پروفیل‌های حرارتی فضایی به صورت تحلیلی و عددی محاسبه شده است. در محاسبات تخمین عمر سه نوع جنس لحیم PB90SN10، SAC305 SN100C, مورد بررسی قرار گرفته است و عمر بورد الکترونیکی و احتمال واماندگی برای هریک از این جنس‌ها محاسبه شده است. در این مقاله از مدل مبتنی بر انرژی کرنشی جهت محاسبات عددی تخمین عمر استفاده شده است. عوامل اصلی موثر بر خستگی در اتصالات لحیم از جمله پروفیل‌های حرارتی، طراحی قطعه، خواص مواد و ویژگی‌های بورد مدار چاپی به‌طور کامل بررسی و تاثیر آن‌ها در عمر بورد الکترونیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که مقاومت در برابر ترک‌خوردگی و توزیع تنش‌های مکانیکی در پیکربندی‌های بررسی شده به شدت بر عمر سیستم تأثیر می‌گذارد. تحلیل‌های عددی و آماری انجام‌شده با مدل ویبول دو متغیره، رابطه میان ضریب انبساط حرارتی، ساختار لایه‌ای برد مدار چاپی و مقاومت مکانیکی لحیم‌ها را آشکار می‌سازد. در نهایت، نشان داده می‌شود که لحیم SAC305 در پیکربندی BGA بهترین عملکرد را از لحاظ تعداد چرخه‌های حرارتی تا شکست ارائه می‌دهد، در حالی که LCCC دارای حساسیت بالاتری به خستگی است. نتایج عددی استخراج شده در این مقاله با نتایج تحلیلی مورد صحت سنجی قرار گرفت و مشاهده گردید که روش عددی استفاده شده با دقت بسیار بالای قابلیت تخمین عمر خستگی بوردهای الکترونیکی را دارد. این یافته‌ها می‌توانند بهبود طراحی بوردهای الکترونیکی در کاربردهای فضایی را تسهیل کنند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات


مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 28 تیر 1404

  • تاریخ دریافت 10 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 14 آذر 1403
  • تاریخ پذیرش 16 اردیبهشت 1404