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        侵徹武器引信控制電路國(guó)產(chǎn)元器件選型問題研究

        2020-10-20 09:13:02魏成典
        微處理機(jī) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境

        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。

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