數(shù)碼電子雷管抗沖擊研究

孟彪，張雷，陳輝

(1.新疆雪峰科技（集團）股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830000； 2.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

數(shù)碼電子雷管又稱電子雷管，是采用可編程邏輯控制器對起爆的過程時間進行控制的雷管。20世紀(jì)80年代開始研發(fā)數(shù)碼電子雷管，到1990年代，國外的電子雷管技術(shù)得到了飛速發(fā)展，與此同時陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的電子雷管系統(tǒng)，這項技術(shù)逐漸成熟。我國電子雷管雖然起步早但是發(fā)展比較緩慢，在20世紀(jì)80年代研究出了我國一代的數(shù)碼電子雷管，一直到2009年我國引進了第一條數(shù)碼電子雷管的裝配工作，填補了這方面的空白。近些年，隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，利用數(shù)碼電子雷管進行爆破的工程逐漸增加，例如三峽大壩工程中利用數(shù)碼電子雷管進行了精確的延時爆破，其爆破效果與設(shè)計的預(yù)期一致。從2017年開始，電子雷管的產(chǎn)量快速增長，到2021年時全國生產(chǎn)電子雷管的數(shù)量已經(jīng)是2017年的21.6倍，與此同時，電子雷管占工業(yè)雷管的總產(chǎn)量也逐年增加。

電子雷管與普通雷管的最大區(qū)別是毫秒延期的不同，普通雷管利用火藥進行延時，而數(shù)碼電子雷管利用芯片進行控制。電子雷管主要由三部分組成，分別是雷管、編碼器和起爆器。隨著當(dāng)今芯片技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子雷管芯片在不斷更新，而因內(nèi)部芯片失效導(dǎo)致爆炸失敗的情況時有發(fā)生。因此檢測電子雷管芯片的有效性是成功爆破的關(guān)鍵。導(dǎo)致芯片失效的原因有很多，比如撞擊、灰塵、靜電等，目前，研究電子雷管芯片是爆破領(lǐng)域的熱點和難點之一。

1 電子雷管抗靜電性

芯片的抗靜電性是目前研究的熱點之一，當(dāng)芯片遇到靜電時，可能會產(chǎn)生靜電放電擊穿芯片，導(dǎo)致其損壞、系統(tǒng)出錯重啟、三極管的燒毀等。如果靜電對電子雷管芯片造成影響，可能會導(dǎo)致雷管失效或者使雷管的控制系統(tǒng)失效，達不到延時的效果，甚至可能發(fā)生生產(chǎn)安全事故。

研究電子雷管的抗靜電性主要采用靜電感度儀，采用兩種不同的放電方式對雷管進行不同電壓的試驗，研究不同放電的位置、次數(shù)和方式對雷管性能的影響，試驗工作原理見圖1。其中電子雷管和靜電感度儀形成一個一階電路，當(dāng)進行靜電試驗時，進行一階電路的時域分析，研究電路內(nèi)部各個部分的電流電壓并保證其有效，隨后收集靜電放電測試數(shù)據(jù)，研究不同地方放電時芯片失效率與電壓的關(guān)系。

2 電子雷管抗沖擊試驗

2.1 霍普金森桿

霍普金森桿試驗最初只能測量沖擊載荷下的脈沖波形，后來在此基礎(chǔ)上發(fā)明了利用電容方法測量桿中的應(yīng)力脈沖，1948年Kolsky發(fā)明了分離式霍普金森桿，現(xiàn)在很多學(xué)者利用霍普金森桿來研究 芯片的抗沖擊性，檢測芯片的焊腳、PCB板、芯片保護外殼等方面的強度。傳統(tǒng)的霍普金森桿主要利用子彈撞擊產(chǎn)生的近似半正弦的壓應(yīng)變脈沖延桿體傳播，收集其數(shù)據(jù)觀察試驗結(jié)果并得出結(jié)論，而電磁霍普金森桿是利用電磁的驅(qū)動力替換了傳統(tǒng)中子彈撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波。雖然二者都可以產(chǎn)生一定的應(yīng)力波，但是傳統(tǒng)的霍普金森桿受到子彈、氣槍氣壓等限制，產(chǎn)生應(yīng)力波的幅值波長也不同，而電磁霍普金森桿可以很好地實現(xiàn)（見圖2）。利用傳統(tǒng)霍普金森桿研究通過子彈撞擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波具有一定的局限性。利用電磁霍普金森桿對電子雷管芯片進行沖擊，可總結(jié)分析數(shù)碼電子雷管芯片的抗沖擊性。

圖1 測試儀工作原理

圖2 霍普金森桿

2.2 電子雷管芯片焊點沖擊

隨著近些年電力電子技術(shù)的突飛猛進，芯片由于其價格較低和自動化水平較高的優(yōu)勢在電子封裝行業(yè)中有越來越多的應(yīng)用。焊點主要成分為錫鉛共晶焊料，主要用于芯片與其他電子器件和外部電路之間的連接，焊點的可靠性是決定芯片質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。導(dǎo)致焊點脫落的原因有很多，其中機械振動沖擊是焊點發(fā)生脫落的主要原因。傳統(tǒng)的霍普金森桿在研究過程中利用兩種不同的子彈沖擊鋁板所產(chǎn)生的壓應(yīng)變脈沖，研究運動速度和激光干涉系統(tǒng)的多普勒頻移關(guān)系對芯片的焊點進行沖擊試驗，焊點受到多次沖擊后產(chǎn)生疊加效應(yīng)而脫落。芯片未加封時焊腳的抗沖擊性較好，當(dāng)加封完成后可能會影響其抗沖擊性，需要進一步的試驗驗證。由于傳統(tǒng)的霍普金森桿有一定的局限性，可利用電磁霍普金森桿對接下來的試驗進行驗證。

2.3 電子雷管芯片抗沖擊

芯片檢測是目前半導(dǎo)體的研究熱點之一，在航天航空、手機電腦、汽車等領(lǐng)域都有廣泛的使用，檢測芯片的抗沖擊性可以有效地驗證芯片生產(chǎn)出來之后是否可以正常工作。檢測芯片的抗沖擊性可以利用霍普金森桿，現(xiàn)在大部分試驗研究還是利用傳統(tǒng)霍普金森桿通過子彈撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波進行檢測。機械沖擊、溫度、濕度、灰塵等一些因素會導(dǎo)致芯片失效從而影響使用，在外面加裝一層保護裝置尤為重要，以前因為材料方面的限制，利用類似塑料的外殼進行保護，經(jīng)過外部沖擊后容易造成結(jié)構(gòu)損壞，近些年經(jīng)過發(fā)展，利用環(huán)氧模塑料這種復(fù)合型的材料進行保護。由于封裝材料的不同，對芯片的保護程度也不一樣，比如環(huán)氧模塑料可能因為外部沖擊、溫度、材料吸水、芯片高溫所產(chǎn)生的蒸汽等因素的不同，對芯片保護的程度也不一樣。本文主要針對機械沖擊這種情況進行綜述。

2.3.1 保護材料和PCB板

當(dāng)芯片使用類似陶瓷進行保護時，機械振動可能會導(dǎo)致外殼結(jié)構(gòu)損傷，甚至可能會出現(xiàn)外殼對芯片的二次傷害。可以利用霍普金森桿沖擊試驗來測試其保護殼的強度，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這類封裝材料已經(jīng)被淘汰。當(dāng)芯片使用塑料封裝時，可能因為封裝技術(shù)等問題出現(xiàn)保護材料脫落，但塑料封裝的效果和其他材料保護性差不多，且具有廉價、成型工藝簡單、可進行大量封裝等特點，使其運用廣泛。塑料封裝雖然有很多優(yōu)點，但也有不足之處，比如受到溫度、濕度等外界環(huán)境問題導(dǎo)致其脫落、變形、失效等。也可能因為芯片工作時產(chǎn)生熱量導(dǎo)致封裝內(nèi)部產(chǎn)生水蒸氣，可能會影響芯片的有效性。

現(xiàn)在各種電子元器件都是焊接在PCB上，因此PCB板是否可靠也是關(guān)鍵的一環(huán)。當(dāng)PCB板受到機械振動、保護芯片的材料對PCB板造成變形、結(jié)構(gòu)損傷時，可能會導(dǎo)致電路、雷管失效。

2.3.2 電子雷管芯片抗沖擊試驗

為了驗證電子雷管內(nèi)部的電子元件的質(zhì)量材料等是否符合規(guī)定，利用霍普金森桿模擬高g值沖擊試驗，對電子雷管內(nèi)的MEMS芯片和晶振芯片進行破壞性物理分析，從而確定在高g值的沖擊下的失效模式和失效機理。

MEMS芯片指的是微機電系統(tǒng)，它是由傳感器、 電源、信號處理器、控制電路、I/O接口等集成于一體的微型電路器件，具有高度的集成化、智能化、功能化等特點。研究MEMS芯片的抗過載性是基于其功能所決定的，主要是通過計算機進行建模模擬和試驗測試，前者適合在芯片設(shè)計階段進行模擬分析，而后者是在芯片加工完成后對芯片的質(zhì)量和設(shè)計效果進行驗證抗過載性。試驗驗證的方法主要指利用霍普金森桿通過子彈撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波模擬出高g值的沖擊環(huán)境，對芯片進行沖擊試驗，最后用顯微鏡來觀察芯片的受損情況。

晶振芯片又稱晶體振蕩器，主要目的是保證頻率高度穩(wěn)定的交流信號，在電子雷管內(nèi)部，晶振芯片主要的作用是與雷管內(nèi)部的振蕩器相連接，對其提供穩(wěn)定的傳輸信號，在電子雷管延時時保證傳輸準(zhǔn)確的時間脈沖，保證雷管的準(zhǔn)時爆破。

利用霍普金森桿對兩種芯片進行沖擊試驗，把測試芯片安裝在霍普金森桿的尾部，壓縮空氣推 動子彈，當(dāng)子彈撞擊時產(chǎn)生應(yīng)力波，記錄下應(yīng)力波的數(shù)據(jù)對測試芯片進行研究。因為數(shù)字芯片和晶振芯片的結(jié)構(gòu)有些不同，所以二者承受的應(yīng)變脈沖有所不同，試驗結(jié)果也有所不同。但是應(yīng)變脈沖達到一定數(shù)值后，二者都發(fā)生了結(jié)構(gòu)損傷。在高g值的沖擊下，機械結(jié)構(gòu)部分（如晶振芯片中的微梁，數(shù)字芯片中的十字梁、邊框）都遭到破壞，導(dǎo)致芯片失效。

3 等離子體對電子雷管芯片的影響

等離子體是一種由正負離子所形成的氣體物質(zhì)，主要是一部分的電子被剝離原子和原子團在經(jīng)過電離所產(chǎn)生的，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。隨著近些年工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，等離子體在芯片制造、清洗等方面得到了極大的應(yīng)用。在礦山爆破工程中會使用大量的雷管進行延時爆破，爆炸的同時可能會產(chǎn)生等離子體，有可能影響其他正在工作的電子雷管。研究等離子體對電子雷管芯片的影響也是十分深遠。

試驗采用傳統(tǒng)霍普金森桿，利用2A12鋁彈丸以不同的速度撞擊鋁靶板制造出等離子體，采用郎繆爾三探針計算分析制造出等離子體的電子溫度和分布密度。當(dāng)鋁彈撞擊靶板時產(chǎn)生的等離子體會對運行中的電子雷管芯片產(chǎn)生干擾，甚至?xí)男酒碾姶牛瑸榱朔乐箤嶒炇覟R射碎片對芯片的傷害，把芯片放置于IC插槽內(nèi)并焊接在PCB板上。超高速撞擊所產(chǎn)生的等離子體在膨脹過程中，正離子擴散的速度遠低于電子的速度而形成電荷分離現(xiàn)象，從而造成雙極性電場。在雙極性電場的作用下，電子相對正離子前沿運動形成電子振蕩等離子體膨脹，在這種雙極性電子振蕩作用下可能引發(fā)磁脈沖，從而對電子元器件形成電磁干擾效應(yīng)。此外，當(dāng)被剝離原子的帶點電子附著在粉塵粒子上，隨帶電粉塵沉積在電子器件中產(chǎn)生附加電流，從而影響芯片的正常工作。

4 其他因素對電子雷管的影響

在大規(guī)模爆破作業(yè)中，延時爆炸的安全可靠性以及精確性關(guān)系到爆破的效果是否滿足預(yù)期。當(dāng)采用起爆網(wǎng)絡(luò)時，由于雷管數(shù)量龐大，延時段數(shù)多，這就對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的雷管抗沖擊性提出了更高的要求。因為爆破時所產(chǎn)生的沖擊波對周圍未爆的炸點產(chǎn)生強烈的沖擊和超壓。現(xiàn)如今國外學(xué)者主要研究兩個方面：一是研究晶體振蕩器在高強度沖擊下的保護，二是研究其他抗沖擊的振蕩器，通過穩(wěn)頻技術(shù)來提高其精度和穩(wěn)定性，從而達到高精度計時的目的。黃小亮等設(shè)計了一種將單一的晶體振蕩器和諧振振蕩器結(jié)合起來的方案，可以滿足在抗沖擊性的同時保證計時的精準(zhǔn)。設(shè)計方案主要是將晶體振蕩器作為校正振蕩器，諧振振蕩器作為工作振蕩器使用。即在電子雷管延期爆破開始前用晶體振蕩 器來校正和鎖定諧振振蕩器，在爆破程序開始后用諧振振蕩器來控制計數(shù)器工作，從而實現(xiàn)電子雷管延期的耐沖擊性能，并取得更好的高精度計時爆破效果。

在劉偉、黃嵩的研究中，進行了基于PLC的電雷管腳線耐磨性能測試系統(tǒng)設(shè)計，電子雷管腳線位于其尾部，與內(nèi)部電點火元器件相連，若在工程爆破時，因為電雷管腳線磨損導(dǎo)致其短路，而無法引爆，造成盲炮，這會對作業(yè)人員的生命和財產(chǎn)造成無法估計的損害。電子雷管腳線耐磨性是當(dāng)其絕緣層受到外界荷載作用時，防止磨透和損壞的能力，是衡量其可靠性的重要指標(biāo)之一。國外一些國家已經(jīng)對電子雷管腳線的耐磨性制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，且有與此對應(yīng)的測試方法和測試設(shè)備。由于我國仍舊采用手工操作的方式進行檢測，不僅效率低而且精準(zhǔn)度上也有一定的差距。本文利用PLC的傳功結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個自動化程度較高的檢測系統(tǒng)，用來測試所生產(chǎn)的電子雷管腳線是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足了民爆安全管理的要求，同時提升了行業(yè)內(nèi)監(jiān)管水平，保證了從業(yè)人員安全。

除了以上情況影響電子雷管的正常爆炸，雷管殼的抗彎能力也是電子雷管能否正常運行的一大因素。當(dāng)數(shù)碼電子雷管受到外界載荷作用造成彎曲時，可能會損壞電子雷管，更嚴(yán)重也可能導(dǎo)致爆炸，電子雷管抵抗機械載荷的敏感程度是其重要指標(biāo)之一。世界各地在使用、運輸雷管時意外爆炸或者失效的情況時有發(fā)生，其中有相當(dāng)一部分是因為雷管壁受到了機械性彎曲所導(dǎo)致的。國外已進行抗彎性研究，并制定了相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法。但我國還沒有建立其相關(guān)的試驗方法。張沖借鑒國外的標(biāo)準(zhǔn)，采用PLC編程，實現(xiàn)了工業(yè)雷管抗彎性能的自動化，提高了效率和安全性。

5 結(jié)論

（1）電子雷管芯片在不同條件下進行沖擊試驗，對芯片的損傷會有不同的結(jié)果。當(dāng)芯片受到等離子體造成的電磁干擾時，可能會對工作中的芯片造成瞬態(tài)軟損傷干擾行為，也有可能對正在工作中的邏輯芯片造成影響，有失真的情況存在。當(dāng)芯片受到靜電放電時，腳-腳形式會導(dǎo)致芯片內(nèi)部損壞，但不會導(dǎo)致雷管發(fā)火；當(dāng)靜電對數(shù)碼電子雷管以腳-殼形式放電時，對數(shù)碼電子雷管造成威脅的只有靜電放電時形成的靜電放電通道。當(dāng)芯片受到?jīng)_擊時，其焊腳經(jīng)過一次撞擊不會發(fā)生脫落，但是經(jīng)過多次撞擊后發(fā)生脫離，沖擊對焊腳有疊加的效果。當(dāng)芯片受到機械沖擊時，晶振芯片和數(shù)字芯片會發(fā)生機械損傷導(dǎo)致芯片失效，然而因為焊接問題，晶振芯片也會發(fā)生焊點的脫落導(dǎo)致芯片失效。

（2）由于芯片保護材料不同，也有著不同的結(jié)果，隨著科技發(fā)展會出現(xiàn)更好的保護芯片的材料，本文只是對目前的一種材料進行分析；由于芯片全部都焊接在PCB板上，對其要求較高，若發(fā)生高強度的沖擊，PCB板可能會發(fā)生形變等問題。

（3）在工程作業(yè)中，影響電子雷管爆炸的原因有很多，比如腳線、外殼等，隨著國家出臺一系列關(guān)于電子雷管的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格把控電子雷管的質(zhì)量，在大力推動電子雷管的同時保證其安全可靠性，可以更好地提高爆破效率和保障從業(yè)人員的生 命財產(chǎn)安全。