某電子設備振動環(huán)境功能失效分析

杜尚勇，何文燦，張云翔

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

機載電子設備在使用過程中會受到各種機械力（如振動、沖擊等）的作用，影響電子設備的可靠性。據(jù)國外資料介紹，航空電子設備故障29%～41%由機械負荷的作用引起。為了檢查電子設備是否能承受其振動環(huán)境的考驗，模擬電子設備在真實環(huán)境下的工況，進行振動、沖擊試驗，以確保電子設備在真實環(huán)境下可靠地工作。

1 故障情況

某設備進行振動/沖擊試驗，振動前指標測試正常，試驗從Y軸水平方向開始。振動過程中，完成一次指標測試后約30 min，觀察到低波段支路周期自檢故障，同時該支路頻譜監(jiān)視波形異常，信號無法分選輸出。

振動試驗開始前和進行中，都進行了數(shù)據(jù)測試，設備工作正常，在繼續(xù)振動過程中，突發(fā)故障。通過統(tǒng)自檢信息進行分析，故障初定位于變頻接收機內(nèi)部頻率合成器模塊。更換后，分機工作正常，故障定位為頻率合成器故障。

打開故障模塊，對內(nèi)進行目檢，發(fā)現(xiàn)原本焊接在A3電源轉(zhuǎn)換板輸出OUT（+9 V）上的20號紅色高溫導線脫落。用萬用表測試導線兩端電阻，為0.2～0.6 Ω，滿足設計值，其余低頻電纜均導通。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

將該故障高溫導線脫落端重新焊接到電源轉(zhuǎn)換板上，對模塊進行測試，輸出信號及頻譜正常，故障排除。導致本次故障的原因是頻率合成器內(nèi)部20號紅色高溫導線斷裂。

2 失效分析

2.1 導線斷裂原因分析

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

2.1.1 導線芯線損傷

導線剝線時，芯線損傷，會降低導線強度。在振動過程中，可能造成導線從損傷處斷裂。故障件導線斷裂，使用顯微鏡對其根部斷裂處進行觀察，如圖2所示。

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

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

2.1.2 焊點及虛焊分析

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

2.1.3 導線走線及固定情況

故障件的走線及加固狀態(tài)如圖1所示，工藝文件中有點膠加固要求的細化說明。現(xiàn)場檢查故障件實物發(fā)現(xiàn)，模塊內(nèi)其余線束上有點膠加固，但是在斷裂導線處未點膠，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。

振動試驗時，由于加速度原因，焊接點到固定點中間的導線會發(fā)生甩動。當外界振動量級較高時，依靠導線自身擺動釋放的應力有限，這一系列的因素會引起導線焊點附近應力集中，反復振動過程中產(chǎn)生疲勞，最終就有可能導致導線根部因應力過大而斷裂。

2.2 導線振動仿真分析

利用ANSYS仿真軟件工具對頻率合成器模塊進行了有限元建模，通過分析獲取其導線斷裂處的應力和變形。主要從如下2個角度進行分析。

1）結(jié)構(gòu)振動模態(tài)：包括頻率和變形模式，評估結(jié)構(gòu)基本動力學特性。

2）隨機振動分析：在隨機振動條件下，分析結(jié)構(gòu)的隨機振動響應情況，并根據(jù)3σ準則對隨機振動響應進行估算，評估結(jié)構(gòu)強度特性。

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、印制板和導線等組成。

隨機振動試驗條件見表1。根據(jù)導線的斷裂情況，最后選取相對應的方向進行仿真分析。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。計算中采用的結(jié)構(gòu)材料力學性能參數(shù)見表2。

表1 功能試驗量值 Tab.1 Function test value

力學分析主要考慮導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

隨機振動激勵下，導線的應力和變形云圖見圖4，導線焊接面應力云圖見圖5。通過仿真計算，導線的大變形量為1.13 mm。最大變形量出現(xiàn)在自由端，較大位移會對邊緣的器件產(chǎn)生不良影響。導線的最大應力為97.88 MPa，滿足導線的強度要求。本次仿真最大應力位置在導線焊接處，而表貼導線的焊接強度在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，如果導線一端與印制板焊接良好，另外一端固定不佳，將會在焊接處產(chǎn)生較大的集中應力，在長時間振動條件下會造成導線斷裂。

圖4 隨機振動激勵下的導線應力和變形云圖 Fig.4 (a) Stress and (b) deformation nephogram of conductor under random vibration excitation

圖5 隨機振動激勵下的導線焊接面應力云圖 Fig.5 Stress nephogram of wire welding surface under random vibration excitation

3 解決措施及驗證情況

通過以上分析以及現(xiàn)場實物檢查，為了防止此類情況出現(xiàn)，采取以下改進措施。

3.1 設計優(yōu)化

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

3.2 工藝優(yōu)化

細化工藝文件，增加工藝簡圖，明確模塊內(nèi)低頻導線走線路徑及點膠加固位置。根據(jù)設計改進點，對模塊內(nèi)導線走線的要求進行細化。明確點膠的操作要求，固定點距離焊點應不超過20 mm。對線纜、半剛性電纜等沿走線方向每隔30～60 mm固定一次，點膠時膠體必須透底，且與支撐處有效粘連。增加工藝簡圖，明確導線走線及點膠位置。

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

3.3 現(xiàn)場操作培訓

將此故障現(xiàn)象作為案例，對現(xiàn)場操作規(guī)范、紀律及本模塊涉及的各項操作注意事項進行培訓。

3.4 驗證情況

實施改進后，抽選后續(xù)模塊，按照試驗故障時的振動試驗條件對分機進行振動試驗，設備狀態(tài)正常。

4 結(jié)語

通過分析某機載電子設備振動試驗下功能失效的原因，逐級分析定位到故障器件。結(jié)合理論分析，運用仿真軟件，找到了振動故障的原因。從設計、工藝、操作3個方面提出了解決措施，并得到了驗證，有效地提高了設備的可靠性，可作為同類故障處理參考。