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提高溫度變換器抗沖擊能力的研究與應用
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提高溫度變換器抗沖擊能力的研究與應用

時(shí)間:2020-05-20 17:31:59
摘要:新型運載火箭對電子設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,并給出了解決措施。解決了溫度變送器大沖擊試驗條件下抗力學(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)應用于后續的型號中。
 
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#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 ANSYS Workbench 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 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,標注位置為沖擊試驗失效器件。
印制電路板組合件三維模型
      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。
失效印制電路板組合件仿真形變分布圖
      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。
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,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#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。形變區間分布也發(fā)生了很大的變化,粘固后,#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。
印制電路板邊緣和殼體之間粘固后 沖擊試驗仿真應力圖
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#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。
印制電路板增厚到 2mm 時(shí)沖擊試驗仿真應力圖
      通過(guò)圖 2 與圖 6 對比可知: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,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。
沖擊響應譜試驗條件及驗證結果
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ANSYS Workbench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。
 
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