某慣性傳感器組件抗高過載失效分析及改進(jìn)*

蘇亞慧,黃艷輝,王峙衛(wèi)

(中國兵器工業(yè)第214研究所, 安徽蚌埠 233000)

0 引言

彈載電子產(chǎn)品無論是在發(fā)射、飛行過程都要承受很大的過載沖擊,會達(dá)到上萬g甚至達(dá)十萬g乃至數(shù)十萬g。在這種情況下,為保證彈載電子產(chǎn)品正常工作,抗高過載特性成為彈載電子分系統(tǒng)、電子部件設(shè)計(jì)時(shí)的一項(xiàng)最基本要求。

MEMS慣性傳感器組件以其高性能、低成本、小型化等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于武器裝備的制導(dǎo)系統(tǒng),特別適用于常規(guī)制導(dǎo)彈藥,如制導(dǎo)炮彈、迫彈、火箭彈等[1-2]。文中針對一種慣性傳感器組件,在應(yīng)用于130 mm彈載試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的功能失效現(xiàn)象,進(jìn)行了機(jī)理分析、仿真驗(yàn)證,并給出了改進(jìn)措施。

1 失效現(xiàn)象及分析定位

1.1 失效現(xiàn)象

一只MEMS慣性測量組件在130 mm彈載試驗(yàn)(11 500g持續(xù)時(shí)間12 ms)后出現(xiàn)失效,具體表現(xiàn)為組件上電后無數(shù)據(jù)輸出,電流小,僅為2 mA,正常為240 mA左右。

1.2 外觀檢查

在顯微鏡下對MEMS慣性測量組件進(jìn)行外部檢查,外引線、外殼均無異常。

1.3 電性能復(fù)測

對失效的MEMS慣性測量組件進(jìn)行復(fù)核測試,測試結(jié)果為:電流2 mA,無輸出數(shù)據(jù),與實(shí)彈搭載出現(xiàn)的失效現(xiàn)象一致。

1.4 開蓋前初步定位

1.4.1 組件原理分析

MEMS慣性測量組件原理框圖如圖1所示。組件由3個(gè)單軸MEMS陀螺儀板、3個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)(簡稱加計(jì))板和ARM主控板組成,其中ARM主控板具備電源轉(zhuǎn)換、控制與信號處理及串口電平轉(zhuǎn)換等功能,ARM主控板作為主設(shè)備,MEMS陀螺儀板和加速度計(jì)板作為從設(shè)備通過SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,ARM控制器向從設(shè)備發(fā)出控制信號,同時(shí)讀取來自從設(shè)備的陀螺和加計(jì)數(shù)據(jù),并完成溫度、標(biāo)度與g靈敏度補(bǔ)償計(jì)算,最后轉(zhuǎn)換成串口信號通過RS422輸出。

圖1 組件原理框圖

根據(jù)組件原理分析,造成組件失效的原因有3種可能性:1)電源線或地線斷路;2)主控板上電源模塊失效;3)組件內(nèi)部框架或PCB板在高沖擊下變形或斷裂失效。

1.4.2 電路阻抗分析

對失效組件引出端之間的阻抗進(jìn)行測試,并與完好組件引出端阻抗進(jìn)行對比。對比測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)失效組件與完好組件引出端阻抗差別很小,初步判斷電源線或地線斷路的概率較小,組件內(nèi)電源模塊失效的概率也較小,組件內(nèi)部主控板失效的概率大。

1.4.3 稱重分析

在高沖擊下組件內(nèi)部主控板失效,可能的原因之一是內(nèi)部灌封不充分不均勻,在沖擊時(shí)受力不均,出現(xiàn)了機(jī)械變形或斷裂。取一完好的組件與失效組件在同一個(gè)電子秤上稱重,結(jié)果顯示失效組件較完好組件輕18 g,說明失效組件內(nèi)灌封膠量偏少。由此初步分析,認(rèn)為失效組件內(nèi)部灌封膠少,灌封不充分,導(dǎo)致組件內(nèi)部框架或PCB板在高沖擊下出現(xiàn)了變形直至斷裂。

1.5 組件拆解分析

為進(jìn)一步分析,將失效的組件外殼拆解。組件拆解過程為:打開鋁殼→露出主控板→去除主控板→露出內(nèi)支架→去除上層傳感板→檢查內(nèi)支架填充→檢查內(nèi)支架以外部分的填充→檢查內(nèi)支架下方填充。拆解過程中發(fā)現(xiàn)組件內(nèi)灌封膠未充滿,主控板PCB板斷裂,斷裂的主控板如圖2所示。

圖2 PCB板出現(xiàn)翹曲、斷裂失效

1.6 失效原因定位

由阻抗測試、稱重以及拆解過程可知,經(jīng)過11 500g持續(xù)時(shí)間12 ms的彈載試驗(yàn)后,失效樣品的主控板出現(xiàn)了翹曲變形、斷裂,最終導(dǎo)致組件失效。

2 失效機(jī)理分析

2.1 組件結(jié)構(gòu)分析

MEMS慣性測量組件包括3個(gè)MEMS加速度計(jì)PCB模塊、3個(gè)MEMS陀螺儀PCB模塊、1個(gè)異形金屬支撐架、1個(gè)金屬外殼底座和1個(gè)金屬外殼殼蓋等主要組成部分。內(nèi)部設(shè)計(jì)方案為3個(gè)單軸高精度MEMS陀螺儀以及3個(gè)單軸高精度加速度計(jì)正交安裝在骨架上,骨架上方安裝有信號處理功能的主控板。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 組件結(jié)構(gòu)示意圖

為提高慣性組件的抗過載能力, 通常對電路、安裝印刷電路板及部件外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體灌封[3], 即采用合適的灌封材料填充到電子部件中,將電子部件內(nèi)部元器件之間及外結(jié)構(gòu)等所有的空隙良好填充。考慮灌封膠流淌的順暢性,在主控板上設(shè)計(jì)三處鏤空,其中兩處靠近PCB板邊緣,在灌封不充分時(shí),成為整個(gè)板的受力薄弱處,在經(jīng)過高沖擊試驗(yàn)時(shí),易造成變形或斷裂失效。

2.2 力學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證上述分析,采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在ANSYS中建立的組件沖擊過載仿真模型,如圖4所示。通過在組件底面模擬施加11 500g持續(xù)時(shí)間12 ms沖擊載荷,分析了組件結(jié)構(gòu)及內(nèi)部器件在高過載條件下的應(yīng)力和應(yīng)變情況。為簡化仿真,假設(shè)11 500g沖擊載荷為三角波形,其隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖4 組件外殼結(jié)構(gòu)ANSYS仿真模型

圖5 仿真模擬施加的沖擊載荷曲線

ANSYS仿真計(jì)算出的組件外殼底部加速度隨時(shí)間變化曲線如圖6,應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖7,可見組件在3 ms時(shí)刻經(jīng)歷最大峰值約為11 500g的沖擊載荷。應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線與輸入載荷變化曲線相同,因此若仿真結(jié)果得出的組件外殼結(jié)構(gòu)在3 ms時(shí)刻的最大應(yīng)力小于材料極限強(qiáng)度,才能認(rèn)為組件外殼具備抗相應(yīng)沖擊過載的能力。

圖6 組件外殼加速度值隨時(shí)間變化曲線

圖7 組件外殼應(yīng)力值隨時(shí)間變化曲線

當(dāng)組件未采取灌封填充時(shí),ANSYS仿真計(jì)算得出的3 ms時(shí)刻組件內(nèi)部剖面加速度分布如圖8,應(yīng)力分布如圖9。

圖8 未灌封的組件在3 ms時(shí)加速度云圖

圖9 未灌封的組件在3 ms時(shí)應(yīng)力云圖

可見施加沖擊應(yīng)力載荷時(shí),組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約為550 MPa。該最大應(yīng)力大于組件內(nèi)部材料的強(qiáng)度極限,因此未灌封的組件結(jié)構(gòu)無法滿足11 500g的抗沖擊過載。從仿真分析可知,在灌封不充分時(shí),組件內(nèi)部無保護(hù)緩沖,主控板受力薄弱處極易出現(xiàn)變形或斷裂失效。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)及驗(yàn)證

針對上述失效現(xiàn)象,采取了以下改進(jìn)措施:1)PCB板加厚到2.0 mm,重新設(shè)計(jì)版圖,加寬灌封膠流淌孔與PCB邊緣的距離;2)罐封加注罐封膠時(shí)壓力加強(qiáng),使罐封更加均勻;3)加強(qiáng)罐封一致性控制,每次灌膠量保持一致,減小差異性。

組件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改后,為了驗(yàn)證改進(jìn)的有效性,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行錘擊試驗(yàn),將組件固定在落錘上,采用相同的齒數(shù)對其進(jìn)行沖擊,試驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 組件落錘試驗(yàn)安裝圖

試驗(yàn)中利用PCB公司加速度計(jì)3503A1060KG傳感器進(jìn)行標(biāo)定,在示波器中得到過載曲線,將電壓峰值進(jìn)行換算,得到峰值28 261g、脈寬40 μs的過載曲線,如圖11所示。

落錘試驗(yàn)后再進(jìn)行測試,組件功能完好,數(shù)據(jù)輸出如圖12所示,說明改進(jìn)措施是有效的。

圖12 組件數(shù)據(jù)正常輸出圖

4 結(jié)論

MEMS慣性測量組件試樣過載試驗(yàn)后出現(xiàn)失效主要是由于內(nèi)部主控板在沖擊試驗(yàn)后出現(xiàn)變形斷裂所致。經(jīng)過對主控板的版圖設(shè)計(jì)改進(jìn),并在工藝過程注意灌封時(shí)控制灌封膠的用量以及壓力,可以有效避免此失效的發(fā)生,從而可以有效提高組件的抗高過載能力。