摘要：新型運(yùn)載火箭對(duì)電子設(shè)備提出了更高抗沖擊能力的要求。運(yùn)用 ANSYS Workbench軟件分析沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題的溫度變送器，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。解決了溫度變送器大沖擊試驗(yàn)條件下抗力學(xué)性能差的問(wèn)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(hào)中。
引言
運(yùn)載與武器型號(hào)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(guò)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(yùn)載能力更強(qiáng)新一代運(yùn)載火箭的發(fā)展，電子設(shè)備需要承受的振動(dòng)與沖擊量級(jí)越來(lái)越大，電子設(shè)備的驗(yàn)收、例行試驗(yàn)就是模擬飛行過(guò)程中的力學(xué)環(huán)境，驗(yàn)證產(chǎn)品能否在惡劣的條件下可靠正常工作。在驗(yàn)收、例行試驗(yàn)過(guò)程中，逐漸暴露出產(chǎn)品不能適應(yīng)大沖擊環(huán)境試驗(yàn)條件要求的問(wèn)題，元器件失效引發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[1]。
沖擊響應(yīng)譜是用來(lái)衡量系統(tǒng)受到?jīng)_擊作用效果的尺度。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)作用力大小的試驗(yàn)方法[2]。
溫度測(cè)量是彈（箭）上#常見(jiàn)的遙測(cè)參數(shù)之一，溫度變送器作為溫度測(cè)量的電路部分，占據(jù)了彈上電子設(shè)備較大比例。溫度變送器在某型號(hào)沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)中，曾經(jīng)出現(xiàn)元器件失效的現(xiàn)象。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)過(guò)程中，巨大的沖擊加速度不僅造成焊點(diǎn)脫落，而且伴有電容開(kāi)裂、二極管有裂紋、基準(zhǔn)源開(kāi)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(yùn)載火箭大沖擊環(huán)境試驗(yàn)條件要求的問(wèn)題。
由于溫度變送器已被多個(gè)型號(hào)選用，結(jié)構(gòu)和安裝尺寸相對(duì)較小，無(wú)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送器抗沖擊能力是急需解決的問(wèn)題。要提升溫度變送器產(chǎn)品的耐沖擊性能，保證產(chǎn)品在飛行過(guò)程中的可靠性，必須找出問(wèn)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(wèn)題，基本都集中在對(duì)失效器件粘固上。通過(guò)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(méi)有分析出大沖擊對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的影響，更沒(méi)有找到引腳斷裂、元器件開(kāi)蓋、電容開(kāi)裂的根源，容易讓人產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。為了有效解決產(chǎn)品耐沖擊的問(wèn)題，決定對(duì)沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題的產(chǎn)品采用 ANSYS Workbench 軟件分析印制電路板應(yīng)力，明確問(wèn)題產(chǎn)品在沖擊下的形變情況。通過(guò)軟件分析產(chǎn)品承受應(yīng)力的全貌，明確薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)薄弱位置器件直接加固，有針對(duì)性地解決問(wèn)題。溫度變送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(gè)元器件組成。每個(gè)元器件的質(zhì)量、外形尺寸都可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得。運(yùn)用 ANSYS Workbench 軟件，按照印制電路板組合件的真實(shí)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(yàn)失效器件。
因?yàn)樗惺г骷霈F(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。
通過(guò)應(yīng)力分析，可知溫度變送器在沖擊過(guò)程中，承受應(yīng)力產(chǎn)生形變的位置量級(jí)及分布情況，與產(chǎn)品在試驗(yàn)過(guò)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。
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，shou先考慮通過(guò)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(yàn)印制電路板形變的量級(jí)，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(yùn)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(wú)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(shù)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(wú)腐蝕性，具有高強(qiáng)度、高斷裂伸長(zhǎng)率、耐紫外光、耐氣候老化及良好的電絕緣等優(yōu)點(diǎn)[5]。
通過(guò)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(guò)力學(xué)沖擊試驗(yàn)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。
印制電路板邊緣和殼體之間粘固后沖擊試驗(yàn)仿真應(yīng)力圖如圖 5 所示。圖 2 與圖 5 對(duì)比可知：粘固前，印制電路板的#大形變量是 4.8596e-5；粘固后，印制電路板的#大形變量是 3.9384e-6，印制電路板形變量減小了一個(gè)量級(jí)。形變區(qū)間分布也發(fā)生了很大的變化，粘固后，#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(duì)減小大沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力有明顯的作用。
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#大的區(qū)域中的器件粘固，同時(shí)將易損壞的電子元器件如鉭電容、二極管、運(yùn)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(mǎn)，確保粘固內(nèi)部沒(méi)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(shí)間為 24h。固化時(shí)間 72h 后才可力學(xué)試驗(yàn)。
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(lái)的損壞。印制電路板增厚到 2mm 時(shí)沖擊試驗(yàn)仿真應(yīng)力圖如圖 6 所示。
通過(guò)圖 2 與圖 6 對(duì)比可知：1.5mm 厚度印制電路板的#大形變量是 4.8596e-5，2mm 厚度印制電路板的#大形變量是 5.2592e-6，印制電路板形變量減小了一個(gè)量級(jí)，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(jí)相當(dāng)，只是在比例系數(shù)上略大。與此同時(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)溫度變送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(yàn)驗(yàn)證
4.1 粘固措施的試驗(yàn)驗(yàn)證
共7臺(tái)產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)發(fā)生問(wèn)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(yùn)算放大器、基準(zhǔn)源等較大器件用硅橡膠GD414粘固，同時(shí)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(hào)1的試驗(yàn)條件重新試驗(yàn)，產(chǎn)品均通過(guò)了大沖擊試驗(yàn)。產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果正常。產(chǎn)品開(kāi)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(wú)損；導(dǎo)線(xiàn)焊接牢固；緊固件無(wú)松動(dòng)；焊點(diǎn)無(wú)裂紋。沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)條件及驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1。
4.2 印制電路板加厚的措施驗(yàn)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(tái)產(chǎn)品樣機(jī)，并按照表 1 序號(hào) 2 的試驗(yàn)條件重新試驗(yàn)沖擊，通過(guò)了 20000g 大沖擊試驗(yàn)。
4.3 元器件重新布局的措施驗(yàn)證
在采取印制電路板粘固和加厚措施后，對(duì)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(tái)產(chǎn)品樣機(jī)，并按照表 1 序號(hào) 2 的試驗(yàn)條件重新試驗(yàn)沖擊，通過(guò)了 20000g 大沖擊試驗(yàn)。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)運(yùn)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(yàn)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(wèn)題的合理性，也對(duì)元器件合理布局提供了有力的支持。
溫度變送器通過(guò)印制電路板粘固和印制電路板加厚并對(duì)元器件重新布局措施后，提高了溫度變送器的抗沖擊能力，將產(chǎn)品抗沖擊量級(jí)提升至20000g，乃至更高量級(jí)。通過(guò)改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品對(duì)惡劣力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性，滿(mǎn)足了新一代運(yùn)載火箭多個(gè)型號(hào)的需求。并將該技術(shù)應(yīng)用于后續(xù)的型號(hào)中，效果良好。為后續(xù)同類(lèi)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)。
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