一種用于微慣性組合的新型微封裝技術

陸玉姣，馬軼男，朱 彤，甘海波 ，王建文

(1.重慶工程職業技術學院 機械工程學院，重慶 402260；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

現代傳感器均朝著微型化方向發展，慣性類組合產品在近年來將封裝微型化發展到了極致。封裝在微型化的同時，又面臨著如何保證產品的可靠性，如何提高封裝的效率及如何保護封裝內部信息等一系列問題。目前，國內外大部分慣性類組合采用螺釘連接，為了適應微型化潮流，不斷選用更小直徑的螺釘，許多產品已經在使用M1.6的螺釘，甚至更小，但太小的螺紋孔將會提高加工難度。如果封裝采用多螺釘連接時，效率也會下降。螺釘連接不能防止非授權性拆卸，且都會占用一定的內部空間。本文提出的鉚接封裝技術可以有效解決以上問題。鉚接是一種快速機械冷連接技術，其連接主要依靠鉚接過程中上、下板材及鉚釘的塑性變形和回彈所形成的機械內鎖來實現[1]。本文中的鉚釘和下板是一個整體，以鋁合金2A12為載體的實際使用產品為例，對鉚封裝置的構成、工作過程、力學成型機理進行了說明，并對鉚封接頭進行了仿真分析。通過本文的研究，以期對其他類型的慣性組合微型封裝提供啟示和數據支撐。

1 微型慣性組合封裝技術

1.1 裝置構成及封裝過程

1)準備工作。將擠壓頭通過螺釘裝配到框架基座，通過工作臺面活動壓緊板和兩顆M6不銹鋼內六角螺釘將基座框架固定在工作臺面上。利用兩顆M3不銹鋼內六角螺釘將擠壓導向支架固定在基座框架上，將擠壓量限定套套入擠壓手動螺釘，然后再將擠壓手動螺釘旋入擠壓導向支架一小段；接下來將封裝產品殼體置于擠壓下托板上，蓋上產品蓋板后，通過正反旋轉擠壓手動螺釘將鉚柱空心部分上端面與鉚封上的擠壓頭尖端對齊 (見圖1中的放大圖A)。

圖1 某型號產品鉚封前示意圖

2)封裝工作。繼續旋轉擠壓手動螺釘，使擠壓下托板沿擠壓導向支架向上運動，直到擠壓量限定套上端面與擠壓導向支架下端面接觸限位。在這個過程中擠壓下托板向上運動，并與鉚封上擠壓頭一起對鉚柱形成擠壓，使鉚柱受力變形并最終將蓋板固定于產品殼體上，形成穩定的鉚封接頭。圖2為鉚封后示意圖。

圖2 某型號產品鉚封后示意圖

1.2 擠壓頭設計

1.2.1 材料選取

本文中產品結構由殼體和蓋板組成，均選用2A12-T4，它是一種鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，其成分較合理，綜合性能也較好，被廣泛用于飛機結構、鉚釘、卡車輪轂、螺旋槳元件及其他結構件。抗拉強度σb≥405 MPa，條件屈服強度σ0.2≥270 MPa，斷后伸長率δ5≥12%[2]。擠壓頭的材質應選取強度大于被擠壓件的材料。經多次試驗驗證，最終選用1Cr13不銹鋼作為鉚封過程中與鉚柱密切接觸的擠壓頭材料。1Cr13不銹鋼是一種馬氏體不銹鋼，具有較高的硬度、韌性，有較好的熱強性、減震性，其σb≥540 MPa，σ0.2≥345 MPa，δ5≥25%。由此可見，擠壓頭的強度比被擠壓的強度大135 MPa，擠壓效果良好，具有良好的加工性能。

1.2.2 外形設計及表面要求

本文中的封裝技術采用對鋁合金的冷擠壓工藝來實現，它是一種應用廣且成熟的加工方法，可以加工形狀較復雜的零件[3]，但它對于被擠壓件的加工精度有較高要求。本文中被擠壓件為空心鉚柱，由機械加工而成，表面質量精良。冷擠壓時，鋁合金類材料會對工具(本文為擠壓頭)產生很強的粘附力，易導致鋁屑向擠壓頭表面堆積，最后導致擠壓頭表面的接觸摩擦應力很大，此應力接近剪切應力的最大值(剪切屈服強度)[4]。所以，擠壓頭要進行特殊設計才能解決這個問題。首先，擠壓頭在選材時其材料強度一定要大于鉚柱材料強度，本文選用1Cr13不銹鋼。其次，鉚柱的內徑只有0.5 mm，擠壓頭的導正角設計為60°(見圖3)，這樣有利于封裝時快速導正；擠壓頭與鉚柱擠壓接觸面表面光潔度盡可能高，本文要求其表面粗糙度達到0.8 μm，這樣可減少擠壓后變形材料的粘附。另外，本文設計的擠壓頭為兩個方向，當一邊出現磨損或其他物理損傷時，可以快速更換到另外一邊，以提高工作效率。

圖3 擠壓頭外形和工作初始位置

1.3 擠壓量設計

擠壓量對于產品的封裝成品率至關重要，擠壓量過大會導致鉚柱出現開裂等失效形式，擠壓量過小易導致蓋板和殼體脫開。圖4、5分別為擠壓頭工作初始位置和工作結束時相關尺寸。本封裝裝置中，擠壓頭是固定不動的，通過右旋最下端的手動擠壓螺釘，待封裝產品會沿著豎直方向向上運動。理論擠壓量L=h1-h2(其中，h1為準備擠壓時擠壓頭與鉚柱接觸后擠壓頭頂部與鉚柱內控根部的間距,h2為擠壓完成后擠壓頭與鉚柱接觸后擠壓頭頂部與鉚柱內控根部的間距)，而理論壓縮量則通過擠壓量限定圈的高度H保證，當H值固定了，則L值就固定了。本文設計的封裝裝置中，h1=0.57 mm,h2=0.23 mm。按理論值L=h1-h2=0.34 mm，但考慮材料的回彈，實際擠壓量L′=L+k(其中k為回彈量)，回彈量會因材料、溫度等因素而不同。本文中，k=0.16 mm，L′=L+k=0.5 mm，根據L′反算出H，由于擠壓量限定圈的限位作用，能夠保證產品封裝的一致性。

圖4 擠壓頭工作初始位置相關尺寸表征

圖5 擠壓頭工作結束相關尺寸表征

2 可靠性驗證

2.1 振動沖擊試驗

圖6為鉚封后產品軸向圖，表1為產品試驗條件及技術要求。振動、沖擊試驗設計有專用工裝，先通過產品上的4個安裝孔將產品固定到專用工裝，然后再將工裝固定于振動沖擊臺面，按照試驗條件要求，每完成一個方向后再更換方向，直到3個方向均完成試驗。根據產品驗收要求，振動、沖擊試驗時不加電，試驗后加電測試產品信號輸出是否正常即可。而本文更關心的是振動、沖擊對于鉚封接頭的影響。對采用本文提出的封裝技術的產品進行加載條件試驗(見表1)，用10倍放大鏡仔細觀察鉚封接頭，未發現接頭失效情況。

圖6 鉚封后產品軸向圖

表1 試驗條件及技術要求

2.2 沖擊仿真分析

根據以往經驗，鉚封接頭的破壞主要出現在沖擊后，故只對鉚封后的接頭做沖擊仿真分析。首先建立有限元模型，包括材料屬性、有限元網格劃分、邊界條件及載荷等。試驗證明，靜載荷下服從胡克定律的材料，在動載荷下，只要動應力不超過比例極限，胡克定律仍有效，且彈性模量不變。本文的產品材料選用鋁合金2A12-T4，其材料屬性如表2所示。首先利用Solidworks對鉚封后結構進行三維建模；然后用其自帶分析模塊Simulation進行網格劃分，網格單元類型為4點實體單元，總共17 742個節點，9 931個單元，其網格劃分如圖7所示。

表2 產品的材料屬性

圖7 封裝后結構網格劃分

對模型施加邊界條件時，應按照實際試驗的裝置進行，即計算模型的約束方式和載荷應與試驗保持一致。對鉚封后產品的實際約束情況是固定4個安裝不動。沖擊載荷的模擬，選用Simulation模塊中的跌落算例，根據表1的沖擊條件計算出沖擊時的速度，即v=at=150×5×10-3=0.75(m/s)(其中a為加速度,t為時間)。根據實際經驗，在z方向的沖擊最有可能造成接頭破壞，本文只加載z軸沖擊載荷。

有限元模型構建完畢后對其進行分析，分析結果可以包括若干個部分，本文只分析鉚封接頭的位移情況。圖8為封裝后結構沖擊載荷下位移云圖。由圖可知，沖擊載荷對于鉚封接頭位置基本無影響，最大位移值發生在蓋板中間位置。利用Simulation模塊中的結果探測工具隨機探測了幾組鉚封接頭邊緣的位移值，最大位移值為0.01 mm，由此可以判定鉚封接頭牢固可靠。

圖8 封裝后結構沖擊載荷下位移云圖

3 結束語

通過從實際的振動沖擊試驗和理論的有限元仿真分析驗證了鉚封接頭的安全可靠性。本文提出的微型慣性敏感器件的封裝技術，解決了以往工程實際應用中體積與緊固件可靠性之間的矛盾，微小體積的封裝同樣可以保證可靠牢固。本文提出封裝技術不局限于微型慣性敏感器件，其他行業的產品同樣適用。因此，本文提出的封裝技術有很高的推廣價值和廣泛適應性。