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　　引言

　　運載與武器型號彈（箭）上力學(xué)環(huán)境復雜，不同位置的電子設備在飛行過(guò)程中要承受不同的力學(xué)環(huán)境，設備失效也偶爾出現。隨著(zhù)推力更大、運載能力更強新一代運載火箭的發(fā)展，電子設備需要承受的振動(dòng)與沖擊量級越來(lái)越大，電子設備的驗收、例行試驗就是模擬飛行過(guò)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(guò)程中，逐漸暴露出產(chǎn)品不能適應大沖擊環(huán)境試驗條件要求的問(wèn)題，元器件失效引發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[1]。

     

　　沖擊響應譜是用來(lái)衡量系統受到?jīng)_擊作用效果的尺度。沖擊響應譜試驗技術(shù)是考核電子設備結構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(dòng)對系統作用力大小的試驗方法[2]。

　　溫度測量是彈（箭）上非常常見(jiàn)的遙測參數之一，溫度變送器作為溫度測量的電路部分，占據了彈上電子設備較大比例。溫度變送器在某型號沖擊響應譜試驗中，曾經(jīng)出現元器件失效的現象。沖擊響應譜試驗過(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、基準源開(kāi)蓋等現象。逐漸暴露出原有選型產(chǎn)品不能適應新型運載火箭大沖擊環(huán)境試驗條件要求的問(wèn)題。

　　由于溫度變送器已被多個(gè)型號選用，結構和安裝尺寸相對較小，無(wú)法在外部增加減震裝置[3]，在不更改產(chǎn)品結構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)題出現的原因，找出產(chǎn)品抗沖擊性能差的薄弱環(huán)節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)生錯誤的判斷。為了有效解決產(chǎn)品耐沖擊的問(wèn)題，決定對沖擊試驗中出現問(wèn)題的產(chǎn)品采用ANSYSWorkbench軟件分析印制電路板應力，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)品承受應力的全貌，明確薄弱環(huán)節，對薄弱位置器件直接加固，有針對性地解決問(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)際測量獲得。運用ANSYSWorkbench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，標注位置為沖擊試驗失效器件。

　　因為所有失效元器件均出現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)應力分析，可知溫度變送器在沖擊過(guò)程中，承受應力產(chǎn)生形變的位置量級及分布情況，與產(chǎn)品在試驗過(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，首先考慮通過(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。由于結構尺寸的限制，無(wú)法在外部增加緩沖裝置，只能從產(chǎn)品內部考慮。

　　目前常用的印制電路板固封工藝有灌封、粘固兩種方式?？紤]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，具有高強度、高斷裂伸長(cháng)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仿真應力圖如圖5所示。圖2與圖5對比可知：粘固前，印制電路板的非常大形變量是4.8596e-5；粘固后，印制電路板的非常大形變量是3.9384e-6，印制電路板形變量減小了一個(gè)量級。形變區間分布也發(fā)生了很大的變化，粘固后，非常大的形變區間的形變量與粘固前相比，形變量顯著(zhù)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)生的應力有明顯的作用。

　　3.2加固薄弱環(huán)節

　　在產(chǎn)品的加固處理中，不僅將改進(jìn)工藝手段后，形變量非常大的區域中的器件粘固，同時(shí)將易損壞的電子元器件如鉭電容、二極管、運算放大器、基準源等較大器件用硅橡膠GD414粘固。防振粘固均應將硅橡膠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。

　　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)沖擊試驗仿真應力圖如圖6所示。

　　通過(guò)圖2與圖6對比可知：1.5mm厚度印制電路板的非常大形變量是4.8596e-5，2mm厚度印制電路板的非常大形變量是5.2592e-6，印制電路板形變量減小了一個(gè)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，只是在比例系數上略大。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減小大沖擊產(chǎn)生的應力形變、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上，對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(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、運算放大器、基準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1的試驗條件重新試驗，產(chǎn)品均通過(guò)了大沖擊試驗。產(chǎn)品測試結果正常。產(chǎn)品開(kāi)蓋后用放大倍數不低于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。沖擊響應譜試驗條件及驗證結果見(jiàn)表1。

　　4.2印制電路板加厚的措施驗證

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

　　5結束語(yǔ)

　　通過(guò)運用ANSYSWorkbench軟件分析產(chǎn)品應力與形變，分析出產(chǎn)品耐沖擊的薄弱環(huán)節。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，既增強了采用工藝優(yōu)化方案解決問(wèn)題的合理性，也對元器件合理布局提供了有力的支持。

　　溫度變送器通過(guò)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，提高了溫度變送器的抗沖擊能力，將產(chǎn)品抗沖擊量級提升至20000g，乃至更高量級。通過(guò)改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品對惡劣力學(xué)環(huán)境的適應性，滿(mǎn)足了新一代運載火箭多個(gè)型號的需求。并將該技術(shù)應用于后續的型號中，效果良好。為后續同類(lèi)型變換器的結構完善和新產(chǎn)品的研制打下了良好的基礎。