孫學敏
(中國空間技術研究院西安分院,西安 710000)
隨著武器裝備向系統(tǒng)化、綜合化、智能化的發(fā)展,武器裝備必須全天候、高可靠、強抗干擾且能在各類惡劣環(huán)境下穩(wěn)定使用,同時為應對激烈多變的國際形勢,部分武器裝備貯存期長達幾十年,因此對戰(zhàn)備產品的三防設計提出了更高的要求?,F(xiàn)在的電子設備三防已從傳統(tǒng)的“三防”即“防濕熱、防霉菌、防鹽霧”轉變?yōu)橐蕴岣弋a品的環(huán)境可靠性為目標的環(huán)境防護技術,內容包括防水、防潮、防結露、防鹽霧、防霉菌、防腐蝕、防老化、防振、防靜電、防高壓擊穿、防污染、防風沙、防積雪、防裹冰、防鼠害等。良好的三防設計可以提高電子設備的可靠性,延長工作壽命,減少電子設備的損壞次數(shù)和維修次數(shù),軍用電子設備三防性能已經成為武器系統(tǒng)的重要戰(zhàn)術指標要求。
低空飛行器電子設備作為一種重要的武器裝備,在工作環(huán)境尤其是沿海、風沙等極端惡劣的環(huán)境中長期遭受上述腐蝕因子的影響較大,必須進行合理的三防設計及驗證工作,保證裝備的質量和壽命,降低使用過程中的風險。低空飛行器裝備三防技術綜合了電化學、材料學、機械工程等多種學科,已不是一項單純工藝技術的實施過程,其技術從材料選用和工藝防護向發(fā)展新型復合材料和特殊防護處理技術方向轉化,其范疇涉及到材料選用、結構設計、鍍層選擇、底漆和面漆的選擇等三防措施。工藝實施以及過程管控等方面,使其具有更高的可靠性、更好的外觀造型和更強的三防保護能力。
本文結合低空飛行器發(fā)射機的實際工作、存儲環(huán)境條件,從設計、試驗驗證和改進措施三方面對三防設計方法與驗證結果進行詳細的介紹。
三防設計應當從系統(tǒng)和整機的方案階段介入,特別是在結構設計方案中,應從結構形式、總體布局、連接方式、材料選擇、膜層涂覆、工藝措施、過程控制等方面綜合考慮,兼顧使用、維修及可能遇到的技術成熟度等綜合因素,確定優(yōu)化的結構方案。在整機三防設計中首先應根據設備的使用環(huán)境確定產品的防護等級,并根據防護等級的需要選擇能夠滿足要求的防護體系,并將其貫徹到整個產品的研制過程中[1]。低空飛行器發(fā)射機三防設計的主要考核指標是在實際應用環(huán)境中通過任務書要求的霉菌試驗、環(huán)境試驗和可靠性溫濕度試驗。
1.1.1 結構材料
由于低空飛行器發(fā)射機的性能需求和工作環(huán)境不同,對所選金屬及非金屬材料的強度、剛度、韌性、抗疲勞性和耐腐蝕性等要求也不同。在滿足任務書指標要求的基礎上,綜合考慮批量生產的經濟性、可操作性、易獲得性、易加工性及可維修性,同時考慮鋁具有在自然環(huán)境中的自鈍化能力,選擇加工工藝成熟、性能穩(wěn)定的6系防銹鋁合金作為發(fā)射機殼體和蓋板的基材。非金屬材料方面選擇了低吸潮、在低空飛行器發(fā)射機工作頻率范圍內和整個溫度范圍內所需性能穩(wěn)定、不易長霉 。具有抗真菌、霉菌和細菌能力的硅橡膠和環(huán)氧膠作為研制過程中的輔料。
1.1.2 元器件
電子元器件是影響電子設備正常運行的主要因素之一。如美國惠普公司在實踐中研究發(fā)現(xiàn),從電子整機出現(xiàn)故障的因素來看,電子元器件問題占了3/4。從法國阿里安出現(xiàn)的8次火箭發(fā)射事件來看,其中有7次是因為電子元器件出現(xiàn)故障所致。對于戰(zhàn)略武器而言,具有鹽霧抗?jié)駸岬奶厥庖?,因此,需要電子元器件具備非常強的環(huán)境適應性能[2]。本低空飛行器發(fā)射機在相應質量等級及客戶目錄內盡量選用密封性、灌封及器件材料滿足工作及儲存環(huán)境要求的元器件。
1.1.3 印制板選擇
目前常用的印制板有環(huán)氧酚醛玻璃布覆銅箔板和聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板,它們具有良好的電氣、機械性能和化學穩(wěn)定性,既耐高溫又耐潮濕。但是,隨著集成電路集成度的不斷提高、表面貼裝技術的普遍應用以及多芯片模塊的廣泛應用,印制電路板的組裝密度不斷增加,功率值不斷增大,傳統(tǒng)的材料已不能滿足高密度、大功率印制電路板的散熱要求,此時應選用先進的高導熱材料,如新型合金、樹脂石墨纖維、粉末加強復合材料等,可以大大提高印制電路板的散熱能力[3]。
低空飛行器發(fā)射機各模塊選用一體化設計、一體化組裝,各模塊形成獨立、相對密閉腔,各模塊間只有電氣連接部位相通,該設計具有如下特點:避免了水滴、灰塵、細小雜物、細小鹽結晶、油滴及其他化學物質進入發(fā)射機;各模塊相鄰接觸面涂覆密封膠后用穿釘緊固,避免了因點焊、鉚接等結構形式導致的隙縫腐蝕;整個發(fā)射機采用同一型號鋁合金避免了因采用不同類型金屬接觸導致的電偶腐蝕;在散熱齒、棱角等易腐蝕部位結構斷面厚度盡量保持一致,避免了因斷面厚度差異,在溫度發(fā)生變化或在機械電氣負載作用下薄弱部位發(fā)生形變,材料晶格會扭曲而產生應力腐蝕,嚴重時能引起電參數(shù)的變化[4];各模塊蓋板的緊固件選用沉頭緊固件在整機組合后均隱藏在整機內部避免了因緊固件凸出導致的腐蝕。
三防中的工藝防護在低空飛行器電子設備中起著舉足輕重的作用,優(yōu)良的工藝技術通過可行有效的工藝方法、合理清晰的工藝流程以及系統(tǒng)的工藝方案實現(xiàn)預期的三防效果。
工藝防護一般包括鍍層涂覆處理和密封處理。表面鍍涂處理就是通過鍍覆或涂裝的方法在設備及其零件表面覆蓋一層金屬鍍層或非金屬涂層,使之與周圍介質隔離開來,從而達到防護的目的。密封處理一般是把殼體與蓋板接觸間隙、模塊間隙、接插件法蘭等小面積與整機接觸面等間隙用密封墊、灌封膠進行密封處理,防止灰塵、濕氣、鹽霧等外界物質進入產品內部。
1.3.1 表面處理
根據產品表面的暴露類型(I型(暴露)表面或Ⅱ型(遮蔽)表面)選擇恰當?shù)谋砻驽兏埠突瘜W處理方法。低空飛行器發(fā)射機在滿足電性能的基礎上,結合生產實際選用鋁合金表面進行黑色陽極化、除表面外的其他部位進行導電氧化處理,以提高鋁合金的耐蝕性,以阻斷鋁合金基底和其他金屬接觸時,在腐蝕介質中組成電偶,引起的電偶腐蝕。
1.3.2 元器件封裝和加固
用于低空飛行器電子器件的封裝材料,必須滿足以下條件:①具有較小的介電常數(shù)和較大的體積電阻,以確保器件封裝后有較高的絕緣性;②具有較強的抗沖擊能力,強度高的封裝材料,可以保證器件在受到較高沖擊后,不致于出現(xiàn)器件管腿斷裂、器件損壞的情況;③具有流動性好、常溫固化的特點,以確保填充物在狹小、有限的空間內固化前能夠充滿所有空隙,保證封裝無死角。
由于低空飛行器電子產品在運輸移動及工作過程中,會受到顛簸震動,易使器件尤其是大質量器件遭受損害,為避免這種情況發(fā)生,通常對器件進行加固。加固材料常分為剛性加固材料和彈性加固材料。剛性加固材料一般選用環(huán)氧樹脂,具有粘結強度高,耐候性好等優(yōu)點。彈性加固材料一般選用硅橡膠和硅酮膠,常用的型號有南大703、南大705、晨光GD-414和硅寶482,具有良好地粘結性和抗沖擊能力,同時具有可維修的優(yōu)點[5]。
1.3.3 印制板防護
印制電路板三防涂覆的主要作用有:①避免因為環(huán)境濕氣及其他污染導致的線路板漏電或短路,防止電弧、電暈等放電現(xiàn)象的發(fā)生;②提升無引線器件焊點的疲勞負荷壽命,對線路板上的小元件提供一定程度的固定作用,避免震動或機械沖擊對其的影響;③能縮減PCB上導線空間80%以上;④延長PCB壽命80%(british telecom);⑤降低焊盤,焊點開裂可能性80%(swedish research institute, IVF)[6]。同時通過三防涂覆,在元器件、焊點、引腳、印制板上的涂覆膜可達到長期防潮、防霉、防鹽霧侵蝕的作用,并能防止由于溫度驟然變化所引起的“結露”使印制導線或焊點間漏導增加,短路甚至擊穿。對高電壓的印制電路板導線進行涂覆后,可以有效地避免導線間爬電、擊穿現(xiàn)象,從而允許更小的印制導線間距。此外,由于元器件和印制板之間有涂層粘連,從而可增加其機械強度[7]。
三防涂覆根據丙烯酸類、有機硅類、聚氨酯類等溶劑型和Parylene材料類型選擇刷涂、浸涂、噴涂或真空霧化工藝方法,低空飛行器發(fā)射機根據使用頻段需求采用噴、刷印制板組裝件,部分不易涂覆位置選擇合適類型硅橡膠點涂保護。
低空飛行器發(fā)射機的整機三防防護貫穿整個研制流程,包括機械加工、表面處理、印制電路板組件的裝配、整機裝聯(lián)等生產過程,以及檢驗、包裝、調測、聯(lián)試、試驗、轉運、儲存和外協(xié)等過程。過程中各工序管控、防護不當均可導致防護層的破損或防護措施減弱甚至失效。因此需要對產品壽命周期內各環(huán)節(jié)有效、合理管控,如施工工藝管理、制造工藝管理、采購管理、監(jiān)測管理以及包裝運輸管理等,且在開展各個方面管理時做好有效監(jiān)督,有效消除工程中的質量風險和安全隱患[8],使產品的三防工作能夠發(fā)揮應有效能。
按照任務書制作發(fā)射機試驗樣件兩套,一套(1#)為發(fā)射機結構件安裝空的印制板用于霉菌試驗,一套(2#)與正式產品技術狀態(tài)一致,用于除霉菌試驗外的環(huán)境試驗和可靠性溫濕度試驗。
為驗證本發(fā)射機三防工藝設計能否滿足產品使用要求,分別進行霉菌試驗、環(huán)境試驗和可靠性增長濕熱試驗,其中環(huán)境試驗包括溫度循環(huán)試驗、低溫貯存試驗、高溫貯存試驗、溫度沖擊試驗、濕熱試驗。
2.2.1 霉菌試驗[9]
(1) 試驗目的
用于鑒定產品的抗霉能力。
(2) 試驗環(huán)境與條件
試驗條件:試驗在恒定溫濕度條件下進行,溫度30℃±1℃、濕度95%± 5%。
試驗菌種:黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、繩狀青霉、球毛殼霉。
(3) 試驗方法
試驗周期:僅作外觀檢查時,試驗周期取28天,無需性能測試。
檢測方法:按GJB150.10A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第10部分:霉菌試驗》進行,考核等級不大于2級。
2.2.2 環(huán)境試驗
2.2.2.1 溫度循環(huán)試驗
(1) 試驗目的
確保產品具備任務書中規(guī)定的環(huán)境適應能力。
(2) 試驗環(huán)境與條件
溫度范圍:-40℃~60℃,具體試驗條件如表1所列。
表1 溫度循環(huán)篩選條件Tab.1 Temperature cycle screening conditions
(3) 試驗方法
a) 將產品接入溫箱,試驗前對低空飛行器發(fā)射機電性能進行檢測,并記錄數(shù)據;
b) 開高低溫箱電源,將溫度設定在-40℃。在溫度傳感器到達-40℃后開始計時,保持1小時后設定溫箱溫度為60℃,讓溫箱開始升溫,同時將低空飛行器發(fā)射機開機通電;
c) 在溫度傳感器到達60℃保持30分鐘,按照表1進行檢測;
d) 在高溫保持60分鐘后,將發(fā)射機關機。同時設定溫箱溫度為-40℃,讓溫箱降溫;
e) 按照b)~ d)的步聚,再循環(huán)19次,溫度循環(huán)試驗結束;
f) 試驗結束后,對發(fā)射機進行試驗后的測試,同步驟a)。
2.2.2.2 低溫貯存試驗[10]
(1) 試驗目的
確定設備在非工作狀態(tài)下對極端低溫環(huán)境的耐受能力。
(2) 試驗環(huán)境與條件
試驗溫度取-40℃。
(3) 試驗方法
將試驗設備放置在試驗箱內,調溫到-40℃,設備達到溫度穩(wěn)定后,保持24h后恢復到正常的試驗大氣條件,直至試驗設備達到溫度穩(wěn)定,對設備進行導通、絕緣及電氣性能測試。
試驗箱降溫和恢復過程溫度變化率最高不應超過10℃/min。具體試驗程序按照GJB150.4A-2009《軍用設備環(huán)境試驗方法 低溫試驗》執(zhí)行。
2.2.2.3 高溫貯存試驗[11]
(1) 試驗目的
確定設備在非工作狀態(tài)下對極端高溫環(huán)境的耐受能力。
(2) 試驗環(huán)境與條件
試驗溫度取70℃。
(3) 試驗方法
將試驗設備放置在試驗箱內,調溫到70℃,并在相對濕度不大于15%的試驗條件下,保持48h后恢復到正常的試驗大氣條件,直至試驗設備達到溫度穩(wěn)定,對設備進行導通、絕緣及電氣性能測試。
試驗箱升溫和恢復過程溫度變化率最高不應超過10℃/min。具體試驗程序按照GJB150.3A-2009《軍用設備環(huán)境試驗方法 高溫試驗》執(zhí)行。
2.2.2.4 溫度沖擊試驗[12]
(1) 試驗目的
確定設備在周圍大氣溫度急劇變化時的適應性。
(2) 試驗環(huán)境與條件
低溫取-40℃,高溫取70℃,三個循環(huán)。
(3) 試驗方法
試驗設備放入試驗箱內,將試驗箱內溫度調整到70℃,保持1h或者直至試驗設備達到溫度穩(wěn)定,取時間長者;高溫階段結束后,在1min內將試驗設備轉移到已調節(jié)至-40℃的試驗箱內,保持1h或者直至試驗設備達到溫度穩(wěn)定,取時間長者;低溫階段結束后,在1min內將試驗設備轉移到已調節(jié)至70℃的試驗箱內,保持1h或者直至試驗設備達到溫度穩(wěn)定,取時間長者。以上描述為1.5個循環(huán),溫度沖擊試驗連續(xù)重復三個高、低溫循環(huán)。
試驗結束后,恢復到正常的試驗大氣條件,直至試驗設備達到溫度穩(wěn)定,對設備進行導通、絕緣及電氣性能測試。具體試驗程序按照GJB150.5A-2009《軍用設備環(huán)境試驗方法 溫度沖擊試驗》執(zhí)行。
2.2.2.5 濕熱試驗
(1) 試驗目的
確定設備在高相對濕度并伴有溫度循環(huán)的環(huán)境條件下使用和貯存的適應性。
(2) 試驗環(huán)境與條件
高溫高濕階段:溫度60℃,相對濕度95%;
低溫高濕階段:溫度30℃,相對濕度95%;
試驗時間:10個循環(huán),一個循環(huán)24h。
(3) 試驗方法
完成初始檢測后,試驗箱內的溫度調節(jié)為23℃±2℃、相對濕度為50%±5%,并保持24h。
在2h內,將試驗箱溫度調升到60℃,相對濕度調升至95%,溫濕度的控制應能保證試驗設備表面凝露;在60℃及相對濕度95%條件下保持6h;在8h內將試驗箱溫度調降到30℃,此期間相對濕度保持在85%以上;當試驗箱溫度達到30℃后,相對濕度應為95%,在此條件下保持8h。
以上描述為1個循環(huán),濕熱試驗重復10個循環(huán)。在第5、10循環(huán)末進行性能檢測,循環(huán)結束后調節(jié)溫濕度條件使其達到室溫條件后,對設備進行導通、絕緣及電氣性能測試。
2.2.3 可靠性增長溫濕度試驗
(1) 試驗目的
有計劃地激發(fā)故障、分析故障和改進設計,及早解決設計和工藝上的薄弱環(huán)境以提高設備可靠性;進行可靠性增長分析、跟蹤和評估。
試驗采用綜合環(huán)境應力。施加應力條件原則上應模擬使用任務剖面所遇到的最大使用應力條件。但為了激發(fā)故障,也可模擬設備使用環(huán)境極限應力。
(2) 試驗環(huán)境與條件
溫度:-30℃±3℃~+50℃±2℃;
溫度變化率:10℃/min;
相對濕度:高溫保持階段85%±5%,在試驗剖面的其它部分相對濕度不加以控制。
(3) 試驗方法
將低空飛行器發(fā)射機放置在可靠性增長試驗箱中,連接射頻電纜和測試低頻電纜至試驗箱外。
a) 試驗前對低空飛行器發(fā)射機進行試驗前的電性能檢測,對功耗、各端口功率、諧雜波進行測試并記錄數(shù)據;
b) 開可靠性增長試驗箱,試驗條件按照試驗應力剖面圖的要求進行;
c) 重復b)步驟6個循環(huán);
d) 在每個循環(huán)按照試驗應力剖面圖中規(guī)定的測試時間加電測試;
e) 試驗后對低空飛行器發(fā)射機進行電性能測試,同步驟a)。
2.3.1 霉菌試驗
試驗后對產品外觀及產品內部進行檢查,外表面(含接插件)完好,將產品開蓋后,內部框架及PCB板完好,未見霉變痕跡。滿足不大于2級的考核標準,檢測合格。
2.3.2 環(huán)境試驗
試驗樣品先后進行了溫度循環(huán)試驗、低溫貯存試驗、高溫貯存試驗、溫度沖擊試驗和濕熱試驗。試驗前后外觀完好,工作正常。試驗過程中功耗、輸出EVM、輸出信號帶寬、輸出雜波抑制、輸出諧波抑制、輸出功率等電性能指標均滿足技術要求,數(shù)據一致性良好。
在濕熱試驗后,3個射頻接插件及1個低頻接插件上的緊固件出現(xiàn)了白色氧化痕跡,接插件外觀圖如圖1所示。
圖1 濕熱試驗后緊固件銹蝕圖片F(xiàn)ig.1 Image of the fasteners corrosion after humid heat test
2.3.3 可靠性增長溫濕度試驗
試驗樣品試驗前后和試驗中外觀完好,工作正常,功耗、輸出EVM、射頻輸出功率電性能指標均滿足技術要求,檢測合格。
對2#試件進行環(huán)境試驗和可靠性增長濕熱試驗,試驗前后試件外觀良好,未發(fā)生明顯變化,各電性能指標正常,滿足任務書要求;對1#試件進行霉菌試驗后只有安裝在機殼上的接插件緊固件發(fā)生銹蝕,其他部位外觀良好,未發(fā)生明顯變化。說明目前三防設計基本滿足該低空飛行器發(fā)射機所涉及貯存,工作環(huán)境要求。
1#試樣在所有試驗過程中出現(xiàn)了1個問題,其它功能性能正常。問題及現(xiàn)象為濕熱試驗后鐵鍍鋅材質的緊固件表面出現(xiàn)白色銹蝕痕跡,而不銹鋼材質的緊固件表面正常。原因為機殼表面安裝接插件使用的緊固件是鐵鍍鋅材質,在濕熱試驗過程中產品表面出現(xiàn)的冷凝水(結露),結露在化解時結合環(huán)境中的CO2、SO2等腐蝕性氣體產生酸性微環(huán)境而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。而不銹鋼材料在上述腐蝕環(huán)境相對惰性,未被腐蝕。
針對上述1#試樣出現(xiàn)的問題,在不改變低空飛行器發(fā)射機結構、外觀尺寸及電性能的基礎上,對低空飛行器發(fā)射機的三防設計由原來的“整機三防”設計優(yōu)化為“單模塊防護+整機防護”,既便于后續(xù)生產加工和操作,又能夠減小隱患。改進的主要內容包括:①程序注入口、模塊間接插件等可以孤立的部位設置獨立密封結構;②在結構布局允許的情況下,在機殼壁開槽安裝導電密封圈;③對于無法加工密封槽的薄蓋板或小面積的密封部位(如接插件插座等安裝部位)采用加密封墊密封;④對于易產生腐蝕的緊固件替換為更耐腐蝕的不銹鋼材質緊固件,詳細情況如下所述。
1)將與其他模塊對插的接插件用隔墻或安裝堵板獨立隔離開來,避免了因相鄰模塊密封性不良導致性能下降或失效,如圖2所示。
圖2 獨立腔體示意圖1Fig.2 Schematic representation 1 of the independent cavity
2)將調試、程序注入口或外接接口設計成獨立的密閉腔體,與產品內部隔離開來,程序加注或升級時無需打開產品內腔,只需打開程序加注口蓋板,避免了因程序升級等操作導致的單模塊/整機的密封性,進一步保證產品研制過程中的密閉性,如圖3所示。
圖3 調試/程序注入口等獨立腔體示意圖2Fig.3 Schematic representation 2 of the independent cavity
將模塊殼體由原來的平面結構設計為凹槽結構,相鄰模塊間通過加導電密封圈,利用剛-柔-剛結構增加密封性,解決了因模塊間灌封密封膠導致的維修性差的問題,如圖4所示。
圖4 凹槽加導電密封圈示意圖Fig.4 Schematic representation of groove
將原來的由密封膠灌封接插件法蘭與機殼接觸縫隙改進為接插件安裝前加墊相應規(guī)格尺寸的導電密封墊,電性能合格后再用密封膠灌封接插件法蘭與機殼間隙,由剛-剛結構完善為剛-柔-剛結構,進一步保證了單模塊及整機密封性,如圖5所示。
圖5 接插件加墊導電橡膠墊示意圖Fig.5 Schematic optimization of electrical connector installation
將易腐蝕的緊固件更換為同規(guī)格的具有較高耐候性的不銹鋼材質緊固件,解決了因酸性微環(huán)境導致的鐵鍍鋅材質腐蝕,并通過了例行試驗(包括濕熱試驗、力學試驗等)的考核,外觀完好,所有性能功能都正常,如圖6所示。
圖6 濕熱試驗后緊固件示意圖Fig.6 Image of the fasteners after humid heat test
良好的三防設計可以提高發(fā)射機的可靠性,延長發(fā)射機的工作壽命,減少設備的更換次數(shù)和維修次數(shù),其經濟性和重要性是顯而易見的?!罢麢C防護”設計從材料的選擇、結構設計的合理性、防護措施的有效性、過程管控的嚴謹性等方面綜合考慮,是三防設計的關鍵。經過試驗驗證,“整機防護”后試驗樣品在試驗前、試驗中和試驗后均工作正常,電性能指標均滿足技術要求,證明“整機防護”三防設計基本能夠滿足使用需求。但是在濕熱試驗后存在鐵鍍鋅材質的緊固件表面出現(xiàn)白色銹蝕痕跡的現(xiàn)象。
針對該現(xiàn)象,采用“整機防護+單模塊防護”的改進后的三防設計方法。該方法通過了后續(xù)定型例試件的例行試驗(包括濕熱試驗、力學試驗等)的考核,所有功能和性能都正常,且外觀完好。因此,該方法杜絕了由于密封不到位或者因操作個體差異導致的三防性能下降問題,同時提高了可操作性,增強了低空飛行器發(fā)射機的三防性能,已推廣應用到多個任務中,進一步確保了靶試成功率,為低空飛行器發(fā)射機的可靠性提升發(fā)揮了關鍵作用。