魏成典

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引 言

侵徹武器的通常工作過程是先由侵徹殼體（彈頭）穿透防護(hù)層（一般包括混凝土、船舷、甲板等），進(jìn)入掩體內(nèi)或艦船內(nèi)部，然后在引信的控制下延遲起爆。因?yàn)榍秩肽繕?biāo)內(nèi)部起炸，這一類型的爆炸能夠獲得比外爆式武器更大的破壞效果[1]。侵徹武器安裝有外爆式武器所不具有的引信起爆控制電路，為實(shí)現(xiàn)起爆時(shí)機(jī)的主動(dòng)、精確選擇，達(dá)到最大破壞效果，就要用到多種電子元器件。

常規(guī)侵徹武器引信用到的電子元器件所實(shí)現(xiàn)的功能并不復(fù)雜，所以不需要使用性能太尖端的產(chǎn)品，目前國(guó)產(chǎn)元器件在電性能已能滿足需求；而侵徹武器本身所處的特殊的力學(xué)環(huán)境成了影響元器件可靠性的主要因素。

在此從需求和對(duì)策兩個(gè)方面對(duì)侵徹武器控制電路的元器件選型問題展開探討。首先介紹典型侵徹武器生命周期中面臨的力學(xué)環(huán)境；然后分別從封裝材料的選擇、封裝形式的選擇和篩選檢驗(yàn)的方法三個(gè)方面提出滿足力學(xué)環(huán)境要求的應(yīng)對(duì)措施，從而進(jìn)行選型思路的探討。

2 侵徹武器引信控制電路環(huán)境力學(xué)分析

侵徹武器除了彈道飛行以及侵徹過程外，和其他武器一樣，生命周期中也包括制造、運(yùn)輸、勤務(wù)處理等過程，在整個(gè)生命周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷一些比較復(fù)雜、嚴(yán)苛的物理環(huán)境。其中主要的也是最難應(yīng)對(duì)的是包括振動(dòng)和沖擊過載在內(nèi)的力學(xué)環(huán)境。這主要是由侵徹武器的使用方法決定的，因?yàn)榭刂齐娐芬S彈體一起發(fā)射、飛行并侵徹到目標(biāo)當(dāng)中，所以要和彈體承受相同的振動(dòng)和沖擊。

2.1 發(fā)射過程后坐力分析

以炮彈發(fā)射過程為例，彈體收到的后座沖擊力與炮膛內(nèi)壓力成正相關(guān)，根據(jù)火炮彈道基本方程，可得到膛內(nèi)發(fā)射壓力與時(shí)間的變化曲線[2]如圖1。

圖1 炮彈發(fā)射過程膛內(nèi)壓力變化示意圖

其中第1 時(shí)期為彈體開始加速的過程，在Pm處達(dá)到最大；而后隨著彈體后方空間加大導(dǎo)致火藥燃燒產(chǎn)生的壓力逐漸小于因體積增大而減小的壓力，膛內(nèi)壓力開始下降，直至火藥燃燒逐漸完全，膛內(nèi)壓力減小至Pk。從第2 時(shí)期開始則是火藥燃燒的內(nèi)能做功。最后進(jìn)入后效期，彈體飛出炮膛。

一般來(lái)說，榴彈炮在發(fā)射過程中，其后坐加速度可達(dá)10-25kg，部分艦炮榴彈后坐加速度達(dá)50kg，其中小口徑榴彈后坐加速度甚至能夠達(dá)到7kg。表1給出了常見類型彈體的后坐加速度。

表1 常見彈體后坐加速度

2.2 侵徹過程沖擊力分析

侵徹過程的沖擊力計(jì)算須考慮的因素較發(fā)射過程來(lái)說要多一些，不僅要考慮彈體與目標(biāo)碰撞瞬間的速度，同時(shí)對(duì)于碰撞的姿態(tài)、角度以及目標(biāo)的相關(guān)特性參數(shù)也要有所考慮。一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出的侵徹阻力如表2 所示。

表2 常見彈體侵徹阻力加速度

綜上，從環(huán)境力學(xué)的角度來(lái)看，在控制電路選型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮器件的抗沖擊和抗過載能力。

3 環(huán)境力學(xué)應(yīng)對(duì)措施

3.1 封裝材料的選擇

傳統(tǒng)軍品器件一般采用陶瓷封裝，其優(yōu)點(diǎn)主要有：氣密性好，對(duì)內(nèi)部芯片有較好的保護(hù)作用；在電、熱、機(jī)械特性等方面極其穩(wěn)定；信號(hào)路徑較短，寄生參數(shù)、噪聲少，延時(shí)特性較好。

但在侵徹武器中使用的器件面臨著更加特殊的力學(xué)環(huán)境。陶瓷封裝具有較高的剛性和脆性，同時(shí)由于在封裝好的管殼內(nèi)部使用的是惰性氣體填充，對(duì)管殼缺少剛性支撐，因此對(duì)高過載和沖擊缺乏抵御能力，在高過載過程中易致應(yīng)力損害。

塑料封裝形式則恰恰相反，封裝和使用時(shí)用環(huán)氧樹脂、熱樹脂等材料填充在器件周圍，具有良好的浸潤(rùn)性及機(jī)械防護(hù)支撐性能，抵抗嚴(yán)酷沖擊和振動(dòng)的能力比較強(qiáng)。

為更好地應(yīng)對(duì)生命周期中的振動(dòng)和沖擊，最大限度地保證器件的可靠性[3]，考慮在器件封裝時(shí)采取塑料封裝形式。除抗過載能力較強(qiáng)之外，采用塑料封裝材料還具有如下優(yōu)點(diǎn)：介電性能優(yōu)于陶瓷；消除了內(nèi)部引線下垂導(dǎo)致的短路問題；相同體積情況下重量更輕；更適用于小尺寸封裝；成本更低。相應(yīng)地，如果采用塑料封裝，由于塑料封裝材料、工藝等本身的特性，也可能在密封性、抗潮濕和抗腐蝕等方面較陶瓷封裝有一定的差距[4]。

綜合考慮抗應(yīng)力能力、電性能、尺寸和成本，塑料封裝材料對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)的量產(chǎn)侵徹武器來(lái)講更具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 封裝形式的選擇

在選擇封裝形式時(shí)主要應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)因素：

1) 元器件體積的限制

在實(shí)際應(yīng)用中，因彈體體積限制，控制電路的面積大小不可能無(wú)限制拓展，其中包含的元器件數(shù)量、體積大小也會(huì)受到限制，因此要選擇體積較小的封裝形式。而考慮到在有限的電路面積中盡可能多地容納更多元器件，或者將同樣數(shù)量的元器件裝在面積盡可能小的電路板中，往往采用電路板雙面布線布局，因而在這一點(diǎn)上更傾向于SMT 類型的封裝形式，而不考慮直插式的封裝形式。

2) 連接方式對(duì)環(huán)境應(yīng)力的抗性

按連接方式的不同，主要可分為有引線封裝和無(wú)引線封裝。在對(duì)抗環(huán)境應(yīng)力方面，這兩種封裝形式分別面臨著不同的問題，在此以QFP 和QFN 兩種適合小尺寸封裝的形式為例進(jìn)行對(duì)比如下：

QFP 封裝由于引線的存在，能吸收一部分振動(dòng)引起的形變，較為有效地避免芯片本體的受力。但反過來(lái)，在振動(dòng)或加速度過載環(huán)境中，引線與芯片本體的接合點(diǎn)就成了力學(xué)支撐點(diǎn)，從而成為連接的薄弱環(huán)節(jié)。有研究表明，QFP 封裝在振動(dòng)和加速度過載條件下的失效有70%以上為引線的根部斷裂。

QFN 封裝由于沒有引線，只能通過器件自身的盤柵與焊盤焊接，這樣一方面無(wú)法通過引線來(lái)緩沖應(yīng)力，另一方面由于盤柵和焊盤均被器件本身遮擋覆蓋，給焊接的可靠性和檢測(cè)帶來(lái)難度和挑戰(zhàn)，進(jìn)而為可靠性留下隱患，容易出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂現(xiàn)象[5-6]。

二者比較，QFP 封裝在振動(dòng)和加速度過載條件下的失效更偏向于引線根部斷裂，而QFN 封裝則更偏向于焊點(diǎn)開裂。從其他方面來(lái)講，QFN 器件具有體積較小、電性能較好的優(yōu)勢(shì)。

綜合上述兩點(diǎn)考慮，可知塑封器件無(wú)論選擇有引線還是無(wú)引線的封裝形式，都會(huì)在原材料特性、制造工藝、貯存環(huán)境等等方面存在失效風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于元器件廠商來(lái)說，很難從根本上完全杜絕失效的發(fā)生，因此就需要在篩選檢驗(yàn)環(huán)節(jié)有針對(duì)性地設(shè)置項(xiàng)目，剔除失效器件，提高整體可靠性[7]。

4 篩選檢驗(yàn)方法

軍品級(jí)塑封器件在篩選檢驗(yàn)的過程中主要遵循GJB 7400-2011 中的相關(guān)規(guī)定[8]，詳見表3。

其中包括的篩選項(xiàng)目有：溫度循環(huán)、老煉、電測(cè)試、X 射線、超聲檢測(cè)等。由于塑封材料的非密閉性和高溫玻璃化轉(zhuǎn)換特性，在以上項(xiàng)目中，高溫貯存（150℃，1000h）和鹽霧（鹽汽）兩項(xiàng)對(duì)于塑封器件來(lái)說最為嚴(yán)苛，也最不易通過。但在有些應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)這兩項(xiàng)的要求并不高，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中可以與用戶溝通具體使用條件，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬檢驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)。

如果要獲取更高可靠性的塑封器件，可以考慮進(jìn)行HAST（加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)），在130℃、85%RH、100h 條件下進(jìn)行篩選考核。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

元器件選型問題終究是各方面因素和風(fēng)險(xiǎn)的平衡問題。塑封器件由于在材料和工藝方面的改進(jìn)和提高，以及本身在尺寸、重量、成本、可用性、性能以及工藝和設(shè)計(jì)方面的先進(jìn)性， 正在越來(lái)越多地被用于軍用元器件領(lǐng)域。侵徹武器引信控制電路在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用環(huán)境下可以考慮國(guó)產(chǎn)塑封器件，一來(lái)可節(jié)約成本，二來(lái)可從需求端拉動(dòng)國(guó)內(nèi)塑封生產(chǎn)鏈條的發(fā)展，減少對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的過度依賴。