提高溫度變換器抗沖擊能力的研究與應(yīng)用

劉 輝 田金野 施安琪 唐秀萍

提高溫度變換器抗沖擊能力的研究與應(yīng)用

劉 輝 田金野 施安琪 唐秀萍

（北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076）

新型運載火箭對電子設(shè)備提出了更高抗沖擊能力的要求。運用ANSYS Workbench軟件分析沖擊試驗中出現(xiàn)問題的溫度變換器，知悉了印制電路板的形變分布，分析出產(chǎn)品存在的防沖擊工藝措施不足、印制電路板厚度不夠、元器件布局不合理等抗沖擊的薄弱環(huán)節(jié)，并給出了解決措施。解決了溫度變換器大沖擊試驗條件下抗力學(xué)性能差的問題，提升了產(chǎn)品的可靠性，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，并將該技術(shù)應(yīng)用于后續(xù)的型號中。

溫度變換器；沖擊響應(yīng)譜試驗；應(yīng)力分析；粘固

1 引言

運載與武器型號彈（箭）上力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，不同位置的電子設(shè)備在飛行過程中要承受不同的力學(xué)環(huán)境，設(shè)備失效也偶爾出現(xiàn)。隨著推力更大、運載能力更強(qiáng)新一代運載火箭的發(fā)展，電子設(shè)備需要承受的振動與沖擊量級越來越大，電子設(shè)備的驗收、例行試驗就是模擬飛行過程中的力學(xué)環(huán)境，驗證產(chǎn)品能否在惡劣的條件下可靠正常工作。在驗收、例行試驗過程中，逐漸暴露出產(chǎn)品不能適應(yīng)大沖擊環(huán)境試驗條件要求的問題，元器件失效引發(fā)的質(zhì)量問題時有發(fā)生[1]。

沖擊響應(yīng)譜是用來衡量系統(tǒng)受到?jīng)_擊作用效果的尺度。沖擊響應(yīng)譜試驗技術(shù)是考核電子設(shè)備結(jié)構(gòu)及抗沖擊能力的手段之一，是一種科學(xué)合理的衡量沖擊運動對系統(tǒng)作用力大小的試驗方法[2]。

溫度測量是彈（箭）上最常見的遙測參數(shù)之一，溫度變換器作為溫度測量的電路部分，占據(jù)了彈上電子設(shè)備較大比例。溫度變換器在某型號沖擊響應(yīng)譜試驗中，曾經(jīng)出現(xiàn)元器件失效的現(xiàn)象。沖擊響應(yīng)譜試驗過程中，巨大的沖擊加速度不僅造成焊點脫落，而且伴有電容開裂、二極管有裂紋、基準(zhǔn)源開蓋等現(xiàn)象。逐漸暴露出原有選型產(chǎn)品不能適應(yīng)新型運載火箭大沖擊環(huán)境試驗條件要求的問題。

由于溫度變換器已被多個型號選用，結(jié)構(gòu)和安裝尺寸相對較小，無法在外部增加減震裝置[3]，在不更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下提高溫度變換器抗沖擊能力是急需解決的問題。要提升溫度變換器產(chǎn)品的耐沖擊性能，保證產(chǎn)品在飛行過程中的可靠性，必須找出問題出現(xiàn)的原因，找出產(chǎn)品抗沖擊性能差的薄弱環(huán)節(jié)并采取合理的工藝措施。

2 失效分析

目前解決大沖擊失效的問題，基本都集中在對失效器件粘固上。通過選擇不同的膠料、灌封固膠方式，提升失效器件的抗沖擊能力[4]，這些方法在一定程度上提升了元器件抗沖擊的能力，但并沒有分析出大沖擊對產(chǎn)品產(chǎn)生的影響，更沒有找到引腳斷裂、元器件開蓋、電容開裂的根源，容易讓人產(chǎn)生錯誤的判斷。

為了有效解決產(chǎn)品耐沖擊的問題，決定對沖擊試驗中出現(xiàn)問題的產(chǎn)品采用ANSYS Workbench軟件分析印制電路板應(yīng)力，明確問題產(chǎn)品在沖擊下的形變情況。通過軟件分析產(chǎn)品承受應(yīng)力的全貌，明確薄弱環(huán)節(jié)，對薄弱位置器件直接加固，有針對性地解決問題。

溫度變換器由印制電路板組合件、殼體、蓋板組成。其中，印制電路板組合件與殼體之間、殼體與蓋板之間均用螺釘固定連接。

印制電路板組合件由印制電路板和多個元器件組成。每個元器件的質(zhì)量、外形尺寸都可以通過實際測量獲得。運用ANSYS Workbench軟件，按照印制電路板組合件的真實狀態(tài)建立了印制電路板組合件的三維模型，如圖1所示，標(biāo)注位置為沖擊試驗失效器件。

圖1 印制電路板組合件三維模型

因為所有失效元器件均出現(xiàn)在垂直印制電路板方向沖擊以后，所以分析此方向的沖擊應(yīng)力，獲得失效印制電路板組合件仿真形變分布圖如圖2所示。

圖2 失效印制電路板組合件仿真形變分布圖

通過應(yīng)力分析，可知溫度變換器在沖擊過程中，承受應(yīng)力產(chǎn)生形變的位置量級及分布情況，與產(chǎn)品在試驗過程中失效器件的位置完全吻合。

因此可知大沖擊環(huán)境下產(chǎn)品內(nèi)部的元器件失效原因，如圖3所示。

圖3 溫度變換器元器件失效原因分析

3 解決措施

3.1 改變由產(chǎn)品到元器件的沖擊力學(xué)傳遞

在研究如何提升產(chǎn)品抗沖擊能力的途徑中，首先考慮通過合理的工藝優(yōu)化方案，改變產(chǎn)品沖擊的力學(xué)傳遞，從而衰減沖擊試驗印制電路板形變的量級，進(jìn)一步減小印制電路板形變傳遞到元器件上的沖擊值，達(dá)到提升產(chǎn)品耐沖擊的能力。工藝優(yōu)化方案的運用，需要利用軟件分析沖擊形變并加以佐證。由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，無法在外部增加緩沖裝置，只能從產(chǎn)品內(nèi)部考慮。

目前常用的印制電路板固封工藝有灌封、粘固兩種方式。考慮到產(chǎn)品的可維修性，產(chǎn)品質(zhì)量和散熱采用粘固工藝。由于環(huán)氧樹脂粘接劑粘固元器件為航天產(chǎn)品限用工藝，所以選用硅橡膠GD414作為粘固材料。GD414屬于中性單組分室溫硫化硅橡膠，無腐蝕性，具有高強(qiáng)度、高斷裂伸長率、耐紫外光、耐氣候老化及良好的電絕緣等優(yōu)點[5]。

通過不同工藝優(yōu)化方案摸索，決定采取如下的工藝措施：印制電路板邊緣和殼體之間用硅橡膠GD414連為一體，把殼體內(nèi)壁與印制電路板粘固成一體，減小沖擊后印制電路板的形變量。力學(xué)加固是保障印制電路板組合件能夠順利通過力學(xué)沖擊試驗的重要工藝措施。

印制電路板邊緣和殼體之間粘固效果如圖4所示。

圖4 印制電路板邊緣和殼體之間粘固效果圖

印制電路板邊緣和殼體之間粘固后沖擊試驗仿真應(yīng)力圖如圖5所示。圖2與圖5對比可知：粘固前，印制電路板的最大形變量是4.8596e-5；粘固后，印制電路板的最大形變量是3.9384e-6，印制電路板形變量減小了一個量級。形變區(qū)間分布也發(fā)生了很大的變化，粘固后，最大的形變區(qū)間的形變量與粘固前相比，形變量顯著變小。因此將印制電路板邊緣和殼體粘固成為一體的方法對減小大沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力有明顯的作用。

圖5 印制電路板邊緣和殼體之間粘固后沖擊試驗仿真應(yīng)力圖

3.2 加固薄弱環(huán)節(jié)

在產(chǎn)品的加固處理中，不僅將改進(jìn)工藝手段后，形變量最大的區(qū)域中的器件粘固，同時將易損壞的電子元器件如鉭電容、二極管、運算放大器、基準(zhǔn)源等較大器件用硅橡膠GD414粘固。防振粘固均應(yīng)將硅橡膠GD414填充在待粘固元器件本體與相鄰印制電路板表面之間，采取工藝措施，確保填滿，確保粘固內(nèi)部沒有氣泡產(chǎn)生。粘固后硅橡膠GD414在室溫20～35℃，濕度＞40% 的條件下固化，時間為24h。固化時間72h后才可力學(xué)試驗。

3.3 解決印制電路板厚度不夠的措施

原始印制電路板的厚度為1.5mm，將印制電路板的厚度從1.5mm加厚到2mm，有利于增加印制電路板的剛度，更好地抵御外部沖擊帶來的損壞。

印制電路板增厚到2mm時沖擊試驗仿真應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 印制電路板增厚到2mm時沖擊試驗仿真應(yīng)力圖

通過圖2與圖6對比可知：1.5mm厚度印制電路板的最大形變量是4.8596e-5，2mm厚度印制電路板的最大形變量是5.2592e-6，印制電路板形變量減小了一個量級，與印制電路板和殼體之間用硅橡膠GD414粘固狀態(tài)下的量級相當(dāng)，只是在比例系數(shù)上略大。與此同時，受沖擊影響較大的器件處的形變也獲得了極好的抑制。因此，增加印制電路板厚度的方法對減小大沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力形變、防止元器件失效有明顯作用。

3.4 解決元器件布局不合理的措施

在對元器件粘固、印制電路板和殼體之間粘固以及增加印制電路板厚度的基礎(chǔ)上，對溫度變換器的印制電路板上的元器件重新布局，將抗沖擊能力差、易損壞的二極管放在印制電路板邊緣位置。

4 措施的試驗驗證

4.1 粘固措施的試驗驗證

共7臺產(chǎn)品沖擊試驗發(fā)生問題，造成產(chǎn)品返工：將易損壞的電子元器件如鉭電容、二極管、運算放大器、基準(zhǔn)源等較大器件用硅橡膠GD414粘固，同時將印制電路板邊緣和殼體之間用硅橡膠GD414連為一體，按表1序號1的試驗條件重新試驗，產(chǎn)品均通過了大沖擊試驗。產(chǎn)品測試結(jié)果正常。產(chǎn)品開蓋后用放大倍數(shù)不低于30倍的三維光學(xué)顯微鏡檢查所有元器件本體完好、無損；導(dǎo)線焊接牢固；緊固件無松動；焊點無裂紋。沖擊響應(yīng)譜試驗條件及驗證結(jié)果見表1。

表1 沖擊響應(yīng)譜試驗條件及驗證結(jié)果

4.2 印制電路板加厚的措施驗證

在采取粘固措施的基礎(chǔ)上，加厚印制電路板，制作了2臺產(chǎn)品樣機(jī)，并按照表1序號2的試驗條件重新試驗沖擊，通過了20000g大沖擊試驗。

4.3 元器件重新布局的措施驗證

在采取印制電路板粘固和加厚措施后，對元器件重新布局將容易損壞的二極管盡量放置在印制電路板邊緣，制作了2臺產(chǎn)品樣機(jī)，并按照表1序號2的試驗條件重新試驗沖擊，通過了20000g大沖擊試驗。

5 結(jié)束語

通過運用ANSYS Workbench軟件分析產(chǎn)品應(yīng)力與形變，分析出產(chǎn)品耐沖擊的薄弱環(huán)節(jié)。能夠有效驗證采取工藝措施是否合理、正確，有的放矢地加固薄弱環(huán)節(jié)，既增強(qiáng)了采用工藝優(yōu)化方案解決問題的合理性，也對元器件合理布局提供了有力的支持。

溫度變換器通過印制電路板粘固和印制電路板加厚并對元器件重新布局措施后，提高了溫度變換器的抗沖擊能力，將產(chǎn)品抗沖擊量級提升至20000g，乃至更高量級。通過改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品對惡劣力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足了新一代運載火箭多個型號的需求。并將該技術(shù)應(yīng)用于后續(xù)的型號中，效果良好。為后續(xù)同類型變換器的結(jié)構(gòu)完善和新產(chǎn)品的研制打下了良好的基礎(chǔ)。

1 李驥堯，孟慶偉，唐金慧，等. 元器件在沖擊環(huán)境下的可靠性——試驗、仿真與理論模型[J]. 環(huán)境技術(shù)，2018(8)：58～62

2 白天，趙健，閆磊. 一種沖擊響應(yīng)譜試驗設(shè)備校準(zhǔn)裝置的研制[J]. 宇航計測技術(shù)，2018，38(2)：45～50，64

3 張偉，王玉龍，李靜秋. 振動條件下的CQFP器件高可靠組裝工藝[J]. 電子工藝技術(shù)，2012，33(3)：160～164

4 吳廣東，任江燕，王修利，等. 航天用CQFP封裝器件力學(xué)加固工藝技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù)，2016，37(6)：339～341，363

5 葛偉，李克鋒，楊志云，等. PCBA元器件硅橡膠粘固技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019，270(5)：58～60

Research and Application of Improving Impact Resistance of Temperature Transmitter

Liu Hui Tian Jinye Shi Anqi Tang Xiuping

(Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076)

The new launch vehicle puts forward the requirement of higher impact resistance to electronic equipment. In this paper，the stress analysis under the impact experiment of the problematic temperature transmitter was carried out by using ANSYS Workbench software, and the distribution of deformation of the printed circuit board was known. The weak link of anti-impact process measures, insufficient thickness of the printed circuit board and unreasonable layout of components was analyzed, and the solution measures were given. The problem of poor resistance to mechanical properties under the condition of the large impact test of the temperature transmitter was solved, the reliability of product was guaranteed, and the technology was applied to the subsequent models.

temperature transmitter；shock response spectrum test；stress analysis；bonding

劉輝（1973），碩士，測試技術(shù)計量及儀器專業(yè)；研究方向：航天傳感器與變換器。

2020-03-04