基于抗高過載的印制電路板防護技術研究

馬軍偉,劉娜娜,劉 揚,趙瑞陽,楊心儀

(西安北方光電科技防務有限公司,陜西 西安 710043)

隨著現代精確制導技術的不斷發展,發展精度高、射程遠、作用效果好的制導武器具有很高的軍用價值和作戰使用價值,彈載高過載炮彈技術的發展一直是各國制導炮彈大力發展的核心與前沿技術。目前,世界各軍事強國均在開展常規武器彈藥的制導升級工作,其主要目的是提高武器打擊威力和命中精度,末制導炮彈在發射時會產生很大的軸向過載,要求制導產品的光、機件及電路板都要有耐高過載能力。因此,在產品設計過程中,從總體結構設計、裝調、電路板焊接、灌封等方面都應進行全面的技術研究,實現產品在進行炮射試驗時可以定量地進行測量與分析,為設計改進提供依據。炮射產品抗高過載技術的研究是近年來軍工行業研究的重點,增強產品電子部件元器件自身質量穩定性,提高焊接質量,優化多電子部件艙體灌封防護技術,形成逐級遞進的立體減振緩沖裝調技術,為炮射產品抗高過載能力的提升提供技術支撐。

1 提升印制板焊接質量

炮射產品主要由光學部分、機械結構、電子部件組成,為提高其抗高過載能力,加固和隔離是常用的方法,在實際生產裝調中元器件加支撐座、加墊片、點膠技術趨于成熟,且在軍品、民品領域得到廣泛應用。經查證,某型制導炮彈發射時,在炮膛內受炸藥爆炸而獲得動力,彈丸發射初速約為550 m/s時,其過載達10 000g[1],對發射初速為900 m/s的艦炮制導炮彈而言[2-4],其過載不小于20 000g。由此可見,彈上制導系統需承受相當高的過載,這就對彈上慣性器件、彈上電子設備等提出了苛刻的要求,即必須承受高過載。制導產品抗高過載,實現精準打擊目標,其自身抗高過載的能力必須提高,從而實現炮彈整體抗高過載。

在炮彈發射過程中,導引頭隨殼體施加的高過載做強迫運動,承受很大的沖擊力,這些載荷在作用過程中都是變化的,炮彈在發射過程中高過載特性曲線如圖1所示。

圖1 發射過程高過載特性曲線

由圖1可見,彈藥發射過程中,過載特性可近似分解為3個簡單的過載脈沖,其過載峰(即高過載環境產生的慣性力)為:

(1)

式中,Api(i=1,2,3)為過載峰值;τi(i=1,2,3)為過載截止時間;ωai=π/τi(i=1,2,3)。

為了提高彈藥在高過載條件下的生存能力,除了設計上選用質量等級高、可靠性較高的材料、元器件,并對其進行嚴格的篩選外,就是利用工藝手段提高電子器件焊接質量[5],也是航空、航天制造行業內通用的做法。

1.1 提高元器件性能

電子元器件是構成電子系統或電子設備的最小單元,直接影響電子系統的可靠性和穩定性。

炮彈在彈體發射以及侵徹目標過程中,需承受很高的過載沖擊力,另外還伴隨有振動、噪聲等外在環境,這些因素對炮彈產品電子元件帶來很大的破壞作用,嚴重的還將使電子設備和慣性器件失效[6],無法正常工作,因此必須提高炮彈產品內電子元件的抗沖擊特性。目前電子器件的檢測方法存在不足,導致元器件入場驗收存在缺陷,因此,對現有驗收過程實施DMAIC方法[7](界定DEFINE、測量MEASURE、分析ANALYZE、改進IMPROVE、控制CONTROL),對器件可靠性依次進行鑒別、測試、分析、改進及長效控制,以便保證元器件性能穩定可靠。

1.2 改善印制電路板焊接方法

在現代電子產品中,印制電路板是所有元器件的載體,是電子產品實現各種功能的基礎。電子部件是由印制電路板和元器件組成實現某一特定功能的單元。為提高且保證焊接質量和效率,目前已實現自動化焊接,焊接過程涉及焊膏印刷、貼裝元件、回流焊等環節(見圖2)。

圖2 電子裝聯焊接過程

為提高元器件焊接質量,在保證元器件質量的前提下,焊接過程采取的措施如下:1)保證焊料的質量可靠、穩定,焊膏印刷過程嚴格執行工藝要求;2)回流焊保證溫度曲線的科學合理,符合焊接工藝要求。

通過研究,總結出如下2項固化的焊接技術。

1)焊料預制和焊接過程優化技術:通過適配規格預成形焊片的使用,保證同一塊電路板不同焊盤、不同元器件焊端要求的焊料量,焊接后使焊料量與引線端子腳趾部吃錫量持平、腳跟部爬錫量達到肩高的1/3的最佳匹配(見圖3)。

圖3 二端元件焊接目視檢查標準示意圖

2)預置強度的真空焊接技術:通過研究真空強度與焊點空洞率的關系,以及不同條件下達到預置真空強度的時間,合理設置真空時間和強度,在保證焊點空洞率小于15%的前提下,使產品焊接界面合金層(IMC)處于1.0～4.6 μm之間,焊接強度達到最佳[8]。

通過上述2種常規焊接方法的使用,可有效保證產品焊接的可靠性和穩定性。

2 多電路板艙體防護技術

對器件和印制電路板進行強化保護,即用機械和電氣性能良好的灌封材料對電路板進行灌封強化,使之成為一個完整的剛體,從內部提高整個系統的可靠性和抗過載能力。

灌封技術是對多電路板艙體內部與電子元器件進行的一種無孔整體包裝,使其固化成模塊,灌封后,產品內部的電子元器件將呈現為一個整體,沖擊載荷通過更大的面積傳遞出去,降低電子器件的載荷,提高部件的抗高過載性能;同時灌封材料的彈性變形和阻尼作用能夠有效吸收沖擊能力,圖4所示為灌封材料的應力應變曲線,包含3個階段:彈性變形、屈服平臺、材料壓實。材料在壓實前要經歷一個較長的屈服平臺,這個性質決定了灌封材料的緩沖吸能性質,并且材料的屈服平臺值比較小,材料在被壓實前不會傳遞高于平臺值的力。由于灌封材料具有粘彈效應和橫向慣性效應,使得應力波在傳播過程中會發生幅值衰減和波形彌散作用。用于電路板灌封的材料主要有兩類:環氧樹脂和有機硅,其中聚氨酯材料以其硬度低、彈性好、粘結力強和電性能好等特點,成為彈載電子系統灌封的主要材料。

圖4 灌封材料應力應變曲線

西安導引科技有限責任公司史明東等研究總結出,為提高灌封的整體剛性可采取的具體措施如下:1)盡可能選取比重低、強度高的原材料,并盡可能減小系統的體積,即整個測試系統裝置的長度;2)在結構一定的條件下,應將承壓能力好、強度高的部件或不重要的元器件放在測試裝置底部,而強度低和非常重要的元器件應放在測試裝置的上部,且盡量均勻分布器件,以免由于內部應力分布不平衡而造成斷裂、變形等。

為適應抗高過載要求,電路板之間應填充聚氨酯硬泡塑料,以抵消電路板及其電子元器件經受的瞬時沖擊。隨著抗高過載技術指標提升,需研究聚氨酯灌封料的配方優化設計技術、發泡工藝技術及灌封工藝技術[9],掌握與產品使用、試驗環境變化相匹配的聚氨酯灌封材料設計技術。以某產品為例,灌封工藝流程如圖5所示。

圖5 灌封工藝流程

根據聚氨酯材料合成原理,通過調整聚醚原料和助劑的配比,控制材料合成時發泡倍率、發泡溫度及乳白時間、拉絲時間、表干時間,研制出適應于炮彈導引頭電子艙使用性能要求的聚氨酯灌封料。

3 優化產品裝配工藝

只有經過合格的裝配,才能成為質量和性能都滿足要求的產品,與通常的機械產品相比,炮彈裝配工藝復雜,裝配操作難度大,因此對裝配工藝提出了更高的要求,如何從現有的裝配工藝方案中優化出一個最佳的方案,其關鍵是掌握產品性能要求及產品抗過載原理。

利用被動緩沖技術,篩選并設計出合適的緩沖材料,存儲或耗散沖擊能量,減小沖擊傳遞到需過載保護的設備上的沖擊脈沖幅值,或調節器件之間裝調間隙,使產品成為一個剛體,使設備上的動應力小于其失效極限值和材料的強度極限,達到對設備的抗高過載。根據動力學第二定律有:

(2)

由式2可得:

(3)

式中,ptmax是彈丸所受膛壓峰值。

因此在炮彈產品外形結構無法改變的情況下,要提高抗高過載的能力,必須提高產品的整體剛度和炮彈承受膛壓的能力[10-11]。

為提高產品整體剛度,裝配過程常采取的措施如下:1)提供先進的工裝設備,如兩軸轉臺、機械臂、數顯儀表等,為產品裝配提供硬支持;2)嚴格控制零部件之間的裝配間隙,保證裝配精度,實現部件間緊密接觸和應力轉移。

4 措施實施及效果分析

4.1 電路板及電路板艙體采取改善措施

通過元器件入場驗收采取DMAIC方法,有效保障了元器件自身質量可靠穩定,電路板焊料預制、施加優化分配技術和元器件點膠涂覆、底部填充技術,具有一般性。為驗證本方法的可靠性,隨機抽取了10具某產品電子部件(單塊印制電路板需焊接器件數量為212個,焊接器件總數為212×10=2 120 (個)),與未使用本方法焊接的歷史數據進行對比(見表1)。

表1 改善前后不良數據統計表

經分析得,使用本方法后電子部件一次交驗合格率提高了10%以上,降低了返工返修,節約了人力、物力,經濟價值顯著。

4.2 產品裝配工藝采取改善措施

針對產品裝配過程的工藝,利用被動緩沖技術,篩選并設計出合適的緩沖材料,存儲或耗散沖擊能量,減小沖擊傳遞到需過載保護的設備上的沖擊脈沖幅值,或調節器件之間裝調間隙,使產品成為一個完整的剛體,在裝配過程中,嚴格執行工藝作業指導,控制零部件之間的裝配間隙,保證裝配精度,實現部件間緊密接觸和應力轉移,最終達到抗高過載的目的。

5 結語

本文通過對某炮彈導引頭的抗高過載裝調技術研究,分別從電子部件元器件的篩選、電路板焊接以及電子部件艙體灌封技術的研究,結合優化導引頭裝配工藝,實現產品抗高過載能力的提升,通過實踐應用,利用上述方法,可顯著提高產品的穩定性和抗高過載能力。研究表明,該方法可推廣應用于軍工行業炮射產品的防護,社會價值深遠。