李玉寶，劉 兵，鄧 敏，楊 川

(駐209所軍事代表室，成都 610041)

0 引言

隨著精確制導技術的發(fā)展，作為制導“眼睛”的激光探測器也得到了廣泛的運用。由于炮彈用激光探測器，其使用環(huán)境和工作條件與安裝在地面設備上的激光探測器有很大不同，其一旦失效則直接影響到炮彈的制導作用，嚴重降低作戰(zhàn)效能。但目前的可靠性設計中往往考慮的影響因素不全，對潛在的失效模式及后果分析不充分，導致預計可靠性與實際可靠性有較大的差異[1]。因此，采用 FMEA 方法[2]，針對彈載激光探測器的特點，進行失效模式及影響分析并采用系統(tǒng)有效的預防措施，是提高彈用激光探測器可靠性的有效途徑[3]。文中從彈載激光探測器的典型結構、基本原理和特點入手，采用故障樹分析方法[4]，重點分析了彈載激光探測器交付安裝后的主要失效模式及影響，并提出了預防措施。

1 基本原理、結構及功能

1.1 基本原理

彈載激光探測器的基本原理是，從目標反射回的微弱激光信號，經(jīng)殼體光窗入射到光敏芯片上，通過硅雪崩二極管的量子效率增益作用將目標距離的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號并濾波和整形處理后輸出，成為彈體飛行軌道的控制信號。

1.2 典型結構及功能

彈載激光探測器，配備載體和作戰(zhàn)任務不同，其型號不同，結構略有不同，但一般均包含三大部分，即帶透視光窗的殼體、光敏芯片(APD芯片)和前置放大電路，如圖 1所示。

圖1 激光探測器典型結構圖

帶透視光窗的殼體，為T0封裝的密封結構，由光窗、管座和管帽組成。光窗采用上窗口玻璃外封結構，要求激光透過率高且抗沖擊強度好，保證反射激光能準確入射到光敏芯片上;管座帶有金屬底座燒結的管角，定位安裝光敏芯片和前放電路快，實現(xiàn)電連接;管帽內(nèi)充氮氣后采用儲能封焊，保障光敏芯片和前放電路與外界氣密封接又直接承載炮射沖擊力。

光敏芯片，是探測器的核心元件，常采用具有增益效果的硅單晶作為基質(zhì)材料的達通型硅雪崩二極管，將入射光信號轉(zhuǎn)化為電流信號。

前置放大電路，由厚膜電路基片、片式電阻、電容及晶體管芯等元件通過厚膜混合集成而成。其功能是將經(jīng)APD光敏芯片轉(zhuǎn)化成的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并整形輸出。

2 主要特點

彈載激光探測器相對于裝載在地面設備上的探測器具有使用條件更惡劣、儲存性、可靠度要求更高等特點。

1)工作時間短。隨彈體發(fā)射，一般飛行末端開始工作，經(jīng)短暫工作數(shù)十秒后隨任務終結而消亡。加上所有生產(chǎn)過程及檢驗測試時間，其通電工作時間也不超過1h。

2)一次性使用，不可維修和檢測。采用全封裝結構，隨彈體一次性使用，裝彈后無法維修，難以定量的檢測其探測精度。

3)使用環(huán)境惡劣。特別是要承受彈體發(fā)射時的高過載強沖擊，如某型激光探測器要承受15000g以上的軸向過載沖擊。

4)精度要求高。探測器的入射光窗很小，為保證探測不失真，就必須確保APD芯片的P面進光區(qū)與雪崩倍增區(qū)高度重合，光刻對準精度要求很高;同時光敏面到光窗的距離精度決定了光路精度，直接影響到光敏芯片所能接受的反射光的質(zhì)量。

5)殼體內(nèi)的潔凈度要求高。要求光敏芯片的硅片必須保持高潔凈度才能保證進光面增透和背光面增反以提高量子效率。一旦遭污染，則會量子效率降低，探測靈敏度下降。

3 失效模式、影響及原因分析

根據(jù)彈載激光探測器的典型結構、功能可以看出，可能導致失效的環(huán)節(jié)有4個:光敏芯片、前置電路、帶光窗殼體及元件的粘結和引線鍵合。只要任何一個環(huán)節(jié)失效都會導致探測器無法正常工作。

潛在的失效可能在生產(chǎn)、儲存與使用的任何一個過程出現(xiàn)[3－5]，由于生產(chǎn)過程的失效可以通過出廠檢驗發(fā)現(xiàn)并剔除，封裝上彈后則無法檢測和維修，一旦在儲存和使用中發(fā)生失效則會導致炮彈制導功能的喪失。文中側(cè)重分析激光探測器交付安裝后的主要失效模式及影響。

探測器的失效按后果影響可分為完全失效和部分失效[1－4]。完全失效是指沒有電信號輸出，喪失制導功能;部分失效是雖能工作且有電信號輸出，但探測靈敏度降低，信號失真，導致對目標探測距離等信息計算出現(xiàn)偏差。

常見的失效模式，按失效原因可分為自然物理失效、工作失效和老化失效三大類[1－3]。自然物理失效，是指由器件、零件自身固有的缺陷導致的失效;工作失效，是指在工作條件下由于受到外界機械應力、熱應力、電應力等作用下，超過其所能承載的過應力導致的脫落、損壞和燒毀等，產(chǎn)生永久失效;老化失效，一是指因長期使用導致磨損、疲勞致使功能下降或喪失，二是指長期儲存后，由于器件內(nèi)部的物理化學反應或零件殘余應力的釋放，以及受到外界環(huán)境的侵蝕、污染等，導致功能下降或喪失(彈載激光探測器的老化失效屬于后者)。而在實際的應用中，不同階段的失效往往是一種或幾種失效模式的綜合體現(xiàn)[3－5]。

3.1 電子元器件物理失效

光敏芯片及晶體管芯等電子元器件失效將導致喪失探測功能，屬于完全失效。其原因，一是器件本身固有缺陷的自然失效，常發(fā)生于工作早期[5];二是工作失效，因工作過程中大電流作用而燒毀，多發(fā)生于突發(fā)性強光照射產(chǎn)生較大光電流或電源異常產(chǎn)生大電流;三是老化失效。長期儲存后，器件自身老化或因殼體密封失效使內(nèi)部器件受污染、腐蝕導致失效。

3.2 光窗玻璃裂紋或破碎

光窗裂紋如發(fā)生在生產(chǎn)過程中或儲存期間，一般是因其封裝后內(nèi)應力消除不徹底，由殘余應力導致[5－6]，直接影響探測器的密封性和工作時的抗過載沖擊能力。裂紋或破碎若發(fā)生在炮射強沖擊后，其原因一是玻璃選材不當，抗沖擊強度不夠;二是殼體結構設計不合理，存在應力集中而缺乏緩沖措施[3]。光窗破碎后的玻璃碎渣會由于過載力的作用飛進殼體撞擊和破壞內(nèi)部電路導致探測器完全失效。光窗裂紋會降低玻窗透光率導致靈敏度降低，雖仍有信號輸出，但信號失真已部分失效。

3.3 殼體變形

一是殼體加工、封裝等過程中殘余內(nèi)應力釋放導致變形;二是炮射沖擊力導致變形[3]。內(nèi)應力導致的變形往往會影響光窗平面度、光敏面到光窗的距離及APD芯片的P面進光區(qū)與雪崩倍增區(qū)的重合度，導致探測精度下降的部分失效。炮射沖擊力導致的變形，可能導致光軸偏斜，影響探測精度。

3.4 元件的粘結和引線鍵合失效

表現(xiàn)為炮射強沖擊使元件脫落，導致電路失去有效連接及芯片損壞，無信號輸出，是完全失效[3－7]。由于探測器除了電子元件及電路間用金絲和硅鋁絲鍵合外，還普遍大量采用了包括導電膠和絕緣環(huán)氧膠來粘接APD支架和電容等元件及加固，元件脫落往往是因粘接強度不夠?qū)е?。其原因，一是粘接劑選材不當，其耐高低溫能力及抗剪切力差;二是粘接面積小，粘接膠劑量不足;三是粘結膠老化，或在生產(chǎn)過程中粘接劑因多次開封使用氧化，粘接性能下降。

3.5 密封性失效

探測器對內(nèi)部的潔凈度要求很高，目前廣泛采用充氮封裝，內(nèi)部電路及芯片均處于氮氣密封環(huán)境內(nèi)。密封性失效有二種模式，一是炮射強沖擊使殼體變形或玻窗裂紋漏氣，此時離器件工作直至消亡的時間很短，不會產(chǎn)生大的影響，可視為部分失效;二是漸進失效。儲存時間長，因使用環(huán)境變化及內(nèi)應力導致殼體變形等，使殼體內(nèi)氮氣逐步泄露，內(nèi)部電路及芯片等不能得到氮氣的有效保護，使其內(nèi)部受到外界環(huán)境中的水氣和帶電粒子及內(nèi)部粘接膠的揮發(fā)元素的長時間作用影響，則可能使器件和芯片銹蝕和污染，喪失電氣功能[7－8]。漸進型密封失效的影響及危害性極大，不僅直接影響到探測器的儲存性，其失效還將衍生其它的失效。

3.6 環(huán)氧膠粘結劑的揮發(fā)污染

探測器使用的粘接膠大都具有揮發(fā)性，其逐步揮發(fā)出來的物質(zhì)顆粒在密封殼體內(nèi)難免會附著在光窗玻璃上造成污染[9]，影響光窗透光性。若揮發(fā)物質(zhì)含有重金屬雜質(zhì)，則會污染光敏芯片的硅片，導致量子效率降低致使靈敏度降低。同時其揮發(fā)的個別有害物質(zhì)可能還會腐蝕電子器件，致使電性能下降。特別是在高溫或密封性失效失去氮氣保護后，其影響會更加明顯。

從以上分析可以看出導致失效的主要“原兇”是過載沖擊力、殘余內(nèi)應力、老化和污染等，是日積月累的漸變失效。由于生產(chǎn)周期短，在出廠檢驗中難以發(fā)現(xiàn)和剔除，給彈的使用可靠性帶來了很大的隱患。

4 預防措施與對策

4.1 嚴格選材，實施減額設計，提高元器件的使用可靠性

電子器件應選用成熟的高可靠度軍用器件，并根據(jù)降額設計準則進行降額設計。光窗玻璃選擇上，應選擇光透性及溶封性能好、強度高的電子玻璃材料，如2619電子玻璃的綜合性能較好[8－10]。

4.2 加大篩選，剔除早期缺陷，降低自然失效率

“養(yǎng)彈千日，用在一刻”。因是一次性使用器件，有效工作時間短，可增加篩選周期次數(shù)和適當增加篩選嚴酷度，使器件盡早進入壽命和適當增加篩選嚴酷度，使器件盡早進入壽命周期的“青壯年”穩(wěn)定期(即壽命“浴盆曲線”的中期)，最大限度地剔除早期缺陷[6]。這樣可大大降低光敏芯片及晶體管芯等電子元器件的自然物理失效。

4.3 優(yōu)化結構，控制去應力工藝，消除或減少管殼變形

圖2 斜頂管帽結構

一是殼體結合部或轉(zhuǎn)彎處，應多采用圓弧拱形結構，避免銳角，減少應力集中[5－6];二是由于火炮發(fā)射的主要沖擊力是軸向，首先作用在管帽上，可采用管帽頂斜面結構(如圖2)，將軸向沖擊力向徑向分解，以管帽側(cè)壁的變形緩沖和減弱對光窗及管座的軸向沖擊破壞[7];三是對容易形成內(nèi)應力的壓鑄、焊接和封裝等特殊工藝，要嚴格控制工藝參數(shù)，減少內(nèi)應力，同時增加去應力工序[8];四是因殘余內(nèi)應力在初期的釋放并導致變形最明顯[9]，適當延長管殼成型至器件封裝的時間周期，留足殘余應力的時效釋放時間，有利于發(fā)現(xiàn)殘余應力的變形并校正或剔除;五是在探測器與安裝基體間采取緩沖措施，減少剛性沖擊[7－11]。

4.4 加固器件，增加器件鍵合粘接強度，提高其連接的抗過載沖擊能力

激光探測器的元器件鍵合，目前通常的工藝手段是在用金絲和硅鋁絲鍵合后采用導電銀漿粘接。但導電銀漿粘接的抗剪切強度較弱，且在高溫條件下其粘接強度明顯趨弱[9]，影響抗高溫過載沖擊能力。通過對多種粘接膠的理化性能分析和對比驗證試驗，表明環(huán)氧絕緣膠的耐高溫性和抗高剪切強度性能明顯優(yōu)于導電銀漿[9]。某加榴炮末敏彈激光探測器，對于管座與墊片及墊片與電路基片不需要考慮導電性的粘接面采用了DG－2膠進行加固;對電容及管芯支架在完成電路鍵合和銀漿粘接后，再用耐高溫和具有高剪切強度的CD－308、DG－4環(huán)氧絕緣膠進行外圍點膠加固，增大粘接面積，其粘接強度比導電銀漿粘接強度增加2～3倍，經(jīng)15000g的高溫過載試驗驗證，性能良好。

4.5 慎選粘膠，控制其副作用，減少隱患

采用膠粘接，雖能有效加固器件，提高抗過載沖擊能力，但也帶來了副作用，一是粘膠易于揮發(fā)，造成污染;二是粘膠容易老化，經(jīng)長期儲存后可能失效而失去加固作用[9]。因此在設計上選擇粘膠時應充分考慮以下因素，一是粘膠的揮發(fā)性及其物理化學成分，揮發(fā)的元素中是否含有重金屬，特別是銅、鐵、錳等元素，防止重金屬雜質(zhì)的污染降低量子效率及腐蝕金屬膜層;二是粘膠的老化失效問題。在目前普遍缺乏有效儲存數(shù)據(jù)的情況下，應進行人工加速老化試驗，以掌握其有效壽命;三是粘接膠的揮發(fā)在初期最大，在工藝設計中應留足粘接后與封裝的時間間隔，使膠粘劑充分揮發(fā)后再封裝，以減少其揮發(fā)污染。

4.6 增加儲存后密封性檢測手段

經(jīng)過長期儲存后，使用前必須進行探測器密封性檢測。若密封性失效，即使此時電性能合格，該探測器也不能使用。但目前尚沒有裝彈儲存后對探測器密封性檢測的手段，對使用可靠性帶來了很大隱患。因此應加強可測試性設計，一是從設計上增加裝機后探測器檢測口，進行非破壞性檢測;二是隨機抽樣，進行破壞性解剖檢測，確定密封性的保持程度，以評價該批探測器的可用度。

5 結論

彈載激光探測器，具有一次性使用、裝彈后不可檢測、不可維修等特點，決定了其必須具有很強的儲存性和可靠性。但由于生產(chǎn)周期較短，殘余內(nèi)應力、污染、老化和密封泄漏等漸變失效因子是日積月累的過程，在出廠檢驗中難以發(fā)現(xiàn)和剔除，很容易被忽視，給彈的使用可靠性帶來了很大的隱患。采用FMEA方法，進行失效模式及影響分析，并采用減額設計、增加篩選次數(shù)、優(yōu)化殼體結構和工藝、采用環(huán)氧絕緣膠并增大粘接面積來加固元器件等系統(tǒng)有效的預防措施，是提高彈用激光探測器可靠性的有效途徑。

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