转载：论振动夹具的正确设计对保证振动试验正确的重要性

1、一起误判的鉴定试验案例
某厂（以下称甲厂）生产的一新品由某检测中心（以下简称检测中心）负责鉴定检验。对正弦扫频振动试验，由于是新品，按常规采用甲厂检定计量合格的振动台及甲厂设计的与振动台及新品配套的夹具，由检测中心监督试验。正弦扫频振动的试验中，试验频率为20～3000Hz；振动加速度为20g；扫频时间共48min。
试验后，气密性检查显示有两个被试件因大漏（气）而”不合格”。由于振动台、夹具都是甲厂的，且由该厂人员操作，因此甲厂对试验结果毫无异议，准备改进设计重新投产。如是误判，显然这样作不仅遭受巨大的经济损失，还要承受拖延研制进度的不良声誉，且错误试验结论引导的”改进设计”的方向也难以正确。
应该说，检测中心已经完成了任务，但工作人员根据振动夹具的设计知识，曾在试验前怀疑该夹具有可能引起共振，并向甲厂提出，可甲厂设计人员当时没有对夹具作进一步测试。
甲厂夹具结构主要有以下两个疑点：
（1）振动夹具由平行于振动台面的一块正方形基板和一块垂直于振动台面的П型主板以及一根矩形水平梁三部分组成，通过水平梁用螺杆螺接。其中П型板采用两侧焊接，焊缝很长，重心很高，这样的结构，很易产生共振。

（2）该夹具组合系统总重量是664g，样品重量为532g，二者之比接近1，样品对夹具影响大，即使夹具设计合理，也难以保证被试件处于正确的试验应力。
为保证鉴定试验正确，检测中心对甲厂的夹具测试其振动响应曲线，测试结果如图1所示。

从图1明显看出，甲厂设计的夹具在试验频率（20～3000Hz）范围内确实多次发生了共振，从而使施加于被试样品上的实际应力远远大于标准规定值。由此得出的不合格结论显然有失公允。
甲厂按检测中心的设计重新加工了夹具，夹具重约3千克，克服了甲厂夹具结构的各类缺点。测试的振动响应曲线显示，在标准规定的振动频率范围内，不出现共振和隔振现象，采用新夹具重新试验，无一失效。
这一案例说明，在保证半导体器件质量和可靠性工作中，半导体器件的鉴定试验技术的研究和半导体器件的设计、工艺的研究同样重要。这个领域技术的深入研究不仅对鉴定试验机构重要，对半导体器件研究和生产领域也是非常重要的。
2、夹具是试验正确的重要因素
这里对夹具的讨论分析有两点说明：（1）鉴定检验中需使用夹具的不只在振动试验中，在其他必须使用夹具的试验中夹具同样对试验正确起重要作用，也必须重视。（2）本文限于篇幅，并考虑到半导体器件工作者的专业范围和需要，对夹具设计原则和设计技术只作简要讨论，以图引起重视和指明研究思路。深入涉及机械力学领域的理论和资料可参阅文献[1～3]。

2.1振动夹具的基本要求
简单说，夹具应使被试件受到的应力和标准规定的相一致，即应避免出现显著增加应力的共振，也应当避免使被试件所受应力显著减小而出现”隔振”现象。

2.2简化的力学模型
为便于讨论，将振动系统简化成如图2所示的力学系统。该系统由一个弹簧k、一个阻尼c和一个由夹具、动圈、样品等合成的质量块m组成。设（振动台）输入激励振动频率为f，输入信号的振幅为x1，该力学系统固有频率fA为[1]

质量块的响应振幅定义为x2。而输出振幅和输入振幅之比，即传递率|T|为

|T|=x2/x1

2.3传递率曲线
所谓传递率曲线即为传递率|T|随振动频率f的变化曲线。理论推导可得传递率的绝对值|T|为[1]

对式（1）进行定量分析。首先忽略阻尼ξ，令ξ=0，则式（1）简化为

从式（2）可得，（a）当fA=f，则|T|＝∞，即发生了共振，被试件上承受的应力远远大于规定值；（b）当fA|T|>0.9，则可从式（2）解得。fA必须满足下述两个条件中的一个。

如考虑阻尼ξ，并不影响上述定性结论，但对fA的要求随阻尼ξ的增加而相应放松，这从图3中显示得十分清楚。
借助fA和ξ的定义，从式（3）和式（4）确定力学系统简化模型的弹簧k、阻尼c和质量块m的选取范围，也就可以设计出合用的夹具。当然，实际夹具的设计还有一些需要注意的原则，如夹具和被试件的重量比应有一个较佳的比值，即4.7，夹具的重心应尽量低，尽量和振动台台面的重心靠近[4]等。这些规定的推导较为复杂，设计时可以参阅有关资料。
2.4夹具振动响应曲线的测试
经过理论分析设计的夹具能大大减少盲目设计的工作量。但由于实际情况更为复杂，对新设计的夹具仍必须作严格的振动响应曲线的测试。
3结束语
使用设计合理、经过振动响应曲线严格检测的夹具是保证振动试验正确的重要环节之一。以前在半导体器件生产和质量鉴定领域，对夹具设计技术的研究工作相对薄弱，错误的设计有可能使鉴定试验的结果偏离真实结果。