杜尚勇，何文燦，張?jiān)葡?/p>

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

機(jī)載電子設(shè)備在使用過程中會(huì)受到各種機(jī)械力（如振動(dòng)、沖擊等）的作用，影響電子設(shè)備的可靠性。據(jù)國(guó)外資料介紹，航空電子設(shè)備故障29%～41%由機(jī)械負(fù)荷的作用引起。為了檢查電子設(shè)備是否能承受其振動(dòng)環(huán)境的考驗(yàn)，模擬電子設(shè)備在真實(shí)環(huán)境下的工況，進(jìn)行振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，以確保電子設(shè)備在真實(shí)環(huán)境下可靠地工作。

1 故障情況

某設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)/沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)前指標(biāo)測(cè)試正常，試驗(yàn)從Y軸水平方向開始。振動(dòng)過程中，完成一次指標(biāo)測(cè)試后約30 min，觀察到低波段支路周期自檢故障，同時(shí)該支路頻譜監(jiān)視波形異常，信號(hào)無法分選輸出。

振動(dòng)試驗(yàn)開始前和進(jìn)行中，都進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試，設(shè)備工作正常，在繼續(xù)振動(dòng)過程中，突發(fā)故障。通過統(tǒng)自檢信息進(jìn)行分析，故障初定位于變頻接收機(jī)內(nèi)部頻率合成器模塊。更換后，分機(jī)工作正常，故障定位為頻率合成器故障。

打開故障模塊，對(duì)內(nèi)進(jìn)行目檢，發(fā)現(xiàn)原本焊接在A3電源轉(zhuǎn)換板輸出OUT（+9 V）上的20號(hào)紅色高溫導(dǎo)線脫落。用萬用表測(cè)試導(dǎo)線兩端電阻，為0.2～0.6 Ω，滿足設(shè)計(jì)值，其余低頻電纜均導(dǎo)通。由此可判定低頻電纜異常，如圖1所示。

圖1 低頻電線斷開情況 Fig.1 Low frequency wire disconnection diagram

將該故障高溫導(dǎo)線脫落端重新焊接到電源轉(zhuǎn)換板上，對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試，輸出信號(hào)及頻譜正常，故障排除。導(dǎo)致本次故障的原因是頻率合成器內(nèi)部20號(hào)紅色高溫導(dǎo)線斷裂。

2 失效分析

2.1 導(dǎo)線斷裂原因分析

模塊腔體內(nèi)部存在連接焊點(diǎn)處的電纜斷裂，故障點(diǎn)印制板上的焊盤為表貼焊盤，導(dǎo)線為高溫導(dǎo)線AF-250-0.1。其在模塊內(nèi)的操作主要有以下幾個(gè)步驟：1）導(dǎo)線下線及預(yù)走線；2）導(dǎo)線剝線處理；3）導(dǎo)線與焊盤焊接；4）焊盤清洗并涂覆三防；5）導(dǎo)線走線整理及點(diǎn)膠加固。上述步驟中對(duì)導(dǎo)線斷開有影響的步驟是2）、3）和5）。

2.1.1 導(dǎo)線芯線損傷

導(dǎo)線剝線時(shí)，芯線損傷，會(huì)降低導(dǎo)線強(qiáng)度。在振動(dòng)過程中，可能造成導(dǎo)線從損傷處斷裂。故障件導(dǎo)線斷裂，使用顯微鏡對(duì)其根部斷裂處進(jìn)行觀察，如圖2所示。

圖2 故障導(dǎo)線斷裂面及焊點(diǎn) Fig.2 Fault wire fracture surface and solder joint diagram

如果存在芯線損傷，斷面長(zhǎng)期暴露，會(huì)發(fā)生氧化變暗現(xiàn)象。從故障件可知，導(dǎo)線斷裂處與焊盤均有7根芯線，與導(dǎo)線應(yīng)有芯線數(shù)量一致，且斷裂面清晰。排除本故障件導(dǎo)線有芯線損傷的可能。

2.1.2 焊點(diǎn)及虛焊分析

從圖2還可看出，導(dǎo)線斷裂處位于絕緣皮根部，而導(dǎo)線與印制板焊接的焊點(diǎn)形貌完好，且焊點(diǎn)處無焊盤脫落、剝離現(xiàn)象，排除故障件焊點(diǎn)虛焊造成導(dǎo)線斷裂的可能。電源轉(zhuǎn)換板內(nèi)印制板上的焊盤為表貼焊盤，與之焊接的導(dǎo)線為高溫導(dǎo)線，導(dǎo)線的截面直徑為0.36 mm。焊盤引出導(dǎo)線寬度一般為焊盤寬度的1/3～ 1/2，最小為0.13 mm，應(yīng)從焊盤中間引出。故障處的焊盤寬度（2.2 mm）大于3倍的導(dǎo)線截面直徑，因此故障處焊盤大小的設(shè)計(jì)與導(dǎo)線規(guī)格的選擇符合可制造性規(guī)范。

2.1.3 導(dǎo)線走線及固定情況

故障件的走線及加固狀態(tài)如圖1所示，工藝文件中有點(diǎn)膠加固要求的細(xì)化說明?，F(xiàn)場(chǎng)檢查故障件實(shí)物發(fā)現(xiàn)，模塊內(nèi)其余線束上有點(diǎn)膠加固，但是在斷裂導(dǎo)線處未點(diǎn)膠，并且操作空間狹小，與旁側(cè)的射頻電纜裝配存在一定的干涉。

振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由于加速度原因，焊接點(diǎn)到固定點(diǎn)中間的導(dǎo)線會(huì)發(fā)生甩動(dòng)。當(dāng)外界振動(dòng)量級(jí)較高時(shí)，依靠導(dǎo)線自身擺動(dòng)釋放的應(yīng)力有限，這一系列的因素會(huì)引起導(dǎo)線焊點(diǎn)附近應(yīng)力集中，反復(fù)振動(dòng)過程中產(chǎn)生疲勞，最終就有可能導(dǎo)致導(dǎo)線根部因應(yīng)力過大而斷裂。

2.2 導(dǎo)線振動(dòng)仿真分析

利用ANSYS仿真軟件工具對(duì)頻率合成器模塊進(jìn)行了有限元建模，通過分析獲取其導(dǎo)線斷裂處的應(yīng)力和變形。主要從如下2個(gè)角度進(jìn)行分析。

1）結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)：包括頻率和變形模式，評(píng)估結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力學(xué)特性。

2）隨機(jī)振動(dòng)分析：在隨機(jī)振動(dòng)條件下，分析結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)情況，并根據(jù)3σ準(zhǔn)則對(duì)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行估算，評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性。

頻率合成器的主體結(jié)構(gòu)由鋁合金（5A06）組成，整體尺寸約為185 mm×165 mm×20 mm。主要由盒體、頻率合成器單元、印制板和導(dǎo)線等組成。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件見表1。根據(jù)導(dǎo)線的斷裂情況，最后選取相對(duì)應(yīng)的方向進(jìn)行仿真分析。結(jié)構(gòu)通過鎖緊條安裝到外部結(jié)構(gòu)上，剛性、平面安裝。計(jì)算中采用的結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表1 功能試驗(yàn)量值 Tab.1 Function test value

力學(xué)分析主要考慮導(dǎo)線一端與印制板焊接良好，另外一端與盒體固定不佳的情況，如圖3所示。主要用于觀察導(dǎo)線一端不能良好固定的受力情況。

圖3 連接局部示意 Fig.3 Connection part diagram

隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下，導(dǎo)線的應(yīng)力和變形云圖見圖4，導(dǎo)線焊接面應(yīng)力云圖見圖5。通過仿真計(jì)算，導(dǎo)線的大變形量為1.13 mm。最大變形量出現(xiàn)在自由端，較大位移會(huì)對(duì)邊緣的器件產(chǎn)生不良影響。導(dǎo)線的最大應(yīng)力為97.88 MPa，滿足導(dǎo)線的強(qiáng)度要求。本次仿真最大應(yīng)力位置在導(dǎo)線焊接處，而表貼導(dǎo)線的焊接強(qiáng)度在45 MPa左右，因此，焊接處已經(jīng)斷裂脫落。綜合仿真分析的結(jié)果，如果導(dǎo)線一端與印制板焊接良好，另外一端固定不佳，將會(huì)在焊接處產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力，在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)條件下會(huì)造成導(dǎo)線斷裂。

圖4 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的導(dǎo)線應(yīng)力和變形云圖 Fig.4 (a) Stress and (b) deformation nephogram of conductor under random vibration excitation

圖5 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的導(dǎo)線焊接面應(yīng)力云圖 Fig.5 Stress nephogram of wire welding surface under random vibration excitation

3 解決措施及驗(yàn)證情況

通過以上分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物檢查，為了防止此類情況出現(xiàn)，采取以下改進(jìn)措施。

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

為避免印制板上焊接的低頻導(dǎo)線與旁側(cè)的射頻電纜產(chǎn)生干涉，低頻導(dǎo)線需從印制板上方走線。對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了更改，設(shè)計(jì)圖紙優(yōu)化措施如下：接線圖 的技術(shù)要求中，增加印制板焊點(diǎn)用3145硅橡膠固定，允許導(dǎo)線從印制板上方走線；將接線圖的技術(shù)要求完整添加到裝配圖的技術(shù)要求中。

3.2 工藝優(yōu)化

細(xì)化工藝文件，增加工藝簡(jiǎn)圖，明確模塊內(nèi)低頻導(dǎo)線走線路徑及點(diǎn)膠加固位置。根據(jù)設(shè)計(jì)改進(jìn)點(diǎn)，對(duì)模塊內(nèi)導(dǎo)線走線的要求進(jìn)行細(xì)化。明確點(diǎn)膠的操作要求，固定點(diǎn)距離焊點(diǎn)應(yīng)不超過20 mm。對(duì)線纜、半剛性電纜等沿走線方向每隔30～60 mm固定一次，點(diǎn)膠時(shí)膠體必須透底，且與支撐處有效粘連。增加工藝簡(jiǎn)圖，明確導(dǎo)線走線及點(diǎn)膠位置。

通過以上改進(jìn)，可更直觀地指導(dǎo)操作人員，有效提高產(chǎn)品制造的一致性與可靠性。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)操作培訓(xùn)

將此故障現(xiàn)象作為案例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范、紀(jì)律及本模塊涉及的各項(xiàng)操作注意事項(xiàng)進(jìn)行培訓(xùn)。

3.4 驗(yàn)證情況

實(shí)施改進(jìn)后，抽選后續(xù)模塊，按照試驗(yàn)故障時(shí)的振動(dòng)試驗(yàn)條件對(duì)分機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)備狀態(tài)正常。

4 結(jié)語

通過分析某機(jī)載電子設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)下功能失效的原因，逐級(jí)分析定位到故障器件。結(jié)合理論分析，運(yùn)用仿真軟件，找到了振動(dòng)故障的原因。從設(shè)計(jì)、工藝、操作3個(gè)方面提出了解決措施，并得到了驗(yàn)證，有效地提高了設(shè)備的可靠性，可作為同類故障處理參考。