电子模块广泛应用于消费电子、汽车、航空航天等领域,其环境可靠性直接关系到终端产品的安全与寿命。冲击测试作为环境可靠性检测的一,通过模拟模块在运输、使用中可能遇到的碰撞、跌落、撞击等场景,评估其抗冲击能力。而冲击测试参数的合理选择与控制,是确保测试有效性的关键——它直接决定了测试能否真实反映模块的实际受力状态,进而为设计优化提供准确依据。
冲击脉冲类型:模拟实际场景的核心依据
冲击脉冲是指冲击过程中加速度随时间变化的曲线形态,不同类型的脉冲对应不同的实际冲击场景。半正弦脉冲是最常用的类型,其加速度先快速上升至峰值,再按正弦规律下降至零,主要模拟跌落、轻微碰撞等“软冲击”场景,比如手机从桌面跌落时的受力曲线。
方波脉冲则呈现“快速上升-持续峰值-快速下降”的形态,持续时间内加速度保持稳定,适合模拟硬表面撞击(如汽车追尾时发动机模块的受力)或机械冲击(如工业设备的突然启停)。这种脉冲的破坏力更强,因为持续的峰值加速度会让模块内部结构承受更长时间的应力。
锯齿波脉冲(也叫斜波脉冲)的加速度快速上升至峰值后,缓慢线性下降,主要模拟突然的撞击(如航空行李舱内模块被重物撞击)。与半正弦脉冲相比,锯齿波的上升沿更陡,能更真实反映“瞬间撞击”的受力特点。
峰值加速度:衡量冲击强度的关键指标
峰值加速度是冲击脉冲中的最大加速度值,单位为重力加速度G(1G≈9.8m/s²),它直接决定了冲击的强度。选择峰值加速度时,需以模块的实际应用场景为依据:消费电子模块(如手机摄像头模块)通常承受500-1000G的冲击(对应日常跌落);汽车电子模块(如发动机控制单元)需承受1500-3000G(对应碰撞事故);航空航天模块(如卫星通信模块)则可能需要耐受5000G以上的极端冲击(对应火箭发射时的振动冲击)。
需注意的是,峰值加速度并非越高越好——过高的加速度会导致测试结果偏离实际,而过低则无法暴露模块的潜在缺陷。例如,若将消费电子模块的峰值加速度设为3000G,测试中模块的损坏可能是“过度测试”的结果,而非实际使用中的风险。
脉冲持续时间:影响冲击能量的重要变量
脉冲持续时间是指加速度超过阈值(通常为峰值的10%)的时间长度,它与峰值加速度共同决定了冲击的总能量(能量=加速度×时间)。相同峰值加速度下,持续时间越长,模块承受的能量越大,损坏风险越高。
例如,500G的峰值加速度,若持续时间为1ms,总能量为500G·ms;若持续时间为10ms,总能量则为5000G·ms,后者对模块的破坏能力远大于前者。因此,选择持续时间时需参考实际场景的冲击时长:消费电子的跌落冲击持续时间通常为1-5ms,汽车碰撞的持续时间为5-20ms,航空航天的发射冲击持续时间可能长达50ms以上。
冲击方向:覆盖实际受力的全维度
电子模块在实际使用中可能承受多个方向的冲击,因此冲击测试需明确“冲击方向”——通常以模块的安装基准为坐标系(XYZ轴),测试每个轴的正、负方向(共6个方向)。
例如,手机模块的跌落可能涉及X轴(左右)、Y轴(前后)、Z轴(上下)的任意方向,因此需测试所有6个方向的冲击;而汽车发动机模块主要承受Z轴(上下)和X轴(前后)的冲击(如急加速、急刹车或碰撞),则可重点测试这两个方向。需注意的是,部分模块可能承受“组合方向”的冲击(如斜向跌落),此时需通过多轴冲击试验台模拟复合方向的受力。
试验温度:模拟环境对材料性能的影响
温度会改变电子模块材料的力学性能:低温下塑料外壳会变脆、焊锡的延展性下降,高温下胶粘剂会软化、金属的强度降低。因此,冲击测试需结合模块的实际使用温度范围,选择对应的试验温度。
例如,户外使用的物联网模块需耐受-40℃至85℃的温度,因此冲击测试需在-40℃(低温)、25℃(常温)、85℃(高温)三个温度点分别进行;而消费电子模块(如手机)主要在常温下使用,则可仅进行常温冲击测试。需注意的是,温度变化需在冲击前完成——模块需在试验温度下恒温至少30分钟,确保内部温度均匀后再进行冲击。
样品安装方式:确保测试与实际一致的关键
样品安装方式需严格模拟模块在终端产品中的实际固定方式,否则测试结果将失去参考价值。常见的安装方式包括螺栓固定、夹具夹持、胶粘剂粘贴等,需注意以下要点:
首先,固定位置与扭矩需与实际一致——例如,模块在设备中用M3螺栓固定,测试时需使用相同规格的螺栓,并按照设计扭矩(如2N·m)拧紧。
其次,避免“过固定”或“欠固定”——过固定会增加模块的刚性,导致测试结果偏严;欠固定则会让模块在冲击中产生额外的振动,影响测试准确性;最后,需固定模块的“关键部位”——如芯片、连接器等易损部件的安装点,确保冲击应力能传递到这些部位。
数据采集要求:准确捕捉冲击响应的保障
数据采集的核心是获取模块关键部位的加速度响应,需注意以下参数:
传感器选择:优先使用压电式加速度传感器,因其响应频率高(可达100kHz以上),适合捕捉快速变化的冲击脉冲;传感器需粘贴在模块的关键部位(如芯片封装、连接器引脚),而非试验台或夹具上——这样才能真实反映模块内部的受力状态。
采样率:采样率需至少为冲击脉冲频率的5倍以上(奈奎斯特准则),例如脉冲持续时间为1ms(频率1000Hz),采样率需≥5kHz;若采样率不足,会导致峰值加速度被低估或脉冲形态失真。
数据存储:需保存完整的加速度-时间曲线,而非仅记录峰值——曲线能反映冲击过程中模块的动态响应(如是否出现二次冲击、谐振等),为分析模块的失效机理提供依据。
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