彈載激光探測(cè)器失效模式分析及預(yù)防措施研究

李玉寶，劉 兵，鄧 敏，楊 川

(駐209所軍事代表室，成都 610041)

0 引言

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，作為制導(dǎo)“眼睛”的激光探測(cè)器也得到了廣泛的運(yùn)用。由于炮彈用激光探測(cè)器，其使用環(huán)境和工作條件與安裝在地面設(shè)備上的激光探測(cè)器有很大不同，其一旦失效則直接影響到炮彈的制導(dǎo)作用，嚴(yán)重降低作戰(zhàn)效能。但目前的可靠性設(shè)計(jì)中往往考慮的影響因素不全，對(duì)潛在的失效模式及后果分析不充分，導(dǎo)致預(yù)計(jì)可靠性與實(shí)際可靠性有較大的差異[1]。因此，采用 FMEA 方法[2]，針對(duì)彈載激光探測(cè)器的特點(diǎn)，進(jìn)行失效模式及影響分析并采用系統(tǒng)有效的預(yù)防措施，是提高彈用激光探測(cè)器可靠性的有效途徑[3]。文中從彈載激光探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)、基本原理和特點(diǎn)入手，采用故障樹分析方法[4]，重點(diǎn)分析了彈載激光探測(cè)器交付安裝后的主要失效模式及影響，并提出了預(yù)防措施。

1 基本原理、結(jié)構(gòu)及功能

1.1 基本原理

彈載激光探測(cè)器的基本原理是，從目標(biāo)反射回的微弱激光信號(hào)，經(jīng)殼體光窗入射到光敏芯片上，通過(guò)硅雪崩二極管的量子效率增益作用將目標(biāo)距離的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并濾波和整形處理后輸出，成為彈體飛行軌道的控制信號(hào)。

1.2 典型結(jié)構(gòu)及功能

彈載激光探測(cè)器，配備載體和作戰(zhàn)任務(wù)不同，其型號(hào)不同，結(jié)構(gòu)略有不同，但一般均包含三大部分，即帶透視光窗的殼體、光敏芯片(APD芯片)和前置放大電路，如圖 1所示。

圖1 激光探測(cè)器典型結(jié)構(gòu)圖

帶透視光窗的殼體，為T0封裝的密封結(jié)構(gòu)，由光窗、管座和管帽組成。光窗采用上窗口玻璃外封結(jié)構(gòu)，要求激光透過(guò)率高且抗沖擊強(qiáng)度好，保證反射激光能準(zhǔn)確入射到光敏芯片上;管座帶有金屬底座燒結(jié)的管角，定位安裝光敏芯片和前放電路快，實(shí)現(xiàn)電連接;管帽內(nèi)充氮?dú)夂蟛捎脙?chǔ)能封焊，保障光敏芯片和前放電路與外界氣密封接又直接承載炮射沖擊力。

光敏芯片，是探測(cè)器的核心元件，常采用具有增益效果的硅單晶作為基質(zhì)材料的達(dá)通型硅雪崩二極管，將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。

前置放大電路，由厚膜電路基片、片式電阻、電容及晶體管芯等元件通過(guò)厚膜混合集成而成。其功能是將經(jīng)APD光敏芯片轉(zhuǎn)化成的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并整形輸出。

2 主要特點(diǎn)

彈載激光探測(cè)器相對(duì)于裝載在地面設(shè)備上的探測(cè)器具有使用條件更惡劣、儲(chǔ)存性、可靠度要求更高等特點(diǎn)。

1)工作時(shí)間短。隨彈體發(fā)射，一般飛行末端開始工作，經(jīng)短暫工作數(shù)十秒后隨任務(wù)終結(jié)而消亡。加上所有生產(chǎn)過(guò)程及檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間，其通電工作時(shí)間也不超過(guò)1h。

2)一次性使用，不可維修和檢測(cè)。采用全封裝結(jié)構(gòu)，隨彈體一次性使用，裝彈后無(wú)法維修，難以定量的檢測(cè)其探測(cè)精度。

3)使用環(huán)境惡劣。特別是要承受彈體發(fā)射時(shí)的高過(guò)載強(qiáng)沖擊，如某型激光探測(cè)器要承受15000g以上的軸向過(guò)載沖擊。

4)精度要求高。探測(cè)器的入射光窗很小，為保證探測(cè)不失真，就必須確保APD芯片的P面進(jìn)光區(qū)與雪崩倍增區(qū)高度重合，光刻對(duì)準(zhǔn)精度要求很高;同時(shí)光敏面到光窗的距離精度決定了光路精度，直接影響到光敏芯片所能接受的反射光的質(zhì)量。

5)殼體內(nèi)的潔凈度要求高。要求光敏芯片的硅片必須保持高潔凈度才能保證進(jìn)光面增透和背光面增反以提高量子效率。一旦遭污染，則會(huì)量子效率降低，探測(cè)靈敏度下降。

3 失效模式、影響及原因分析

根據(jù)彈載激光探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)、功能可以看出，可能導(dǎo)致失效的環(huán)節(jié)有4個(gè):光敏芯片、前置電路、帶光窗殼體及元件的粘結(jié)和引線鍵合。只要任何一個(gè)環(huán)節(jié)失效都會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器無(wú)法正常工作。

潛在的失效可能在生產(chǎn)、儲(chǔ)存與使用的任何一個(gè)過(guò)程出現(xiàn)[3－5]，由于生產(chǎn)過(guò)程的失效可以通過(guò)出廠檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并剔除，封裝上彈后則無(wú)法檢測(cè)和維修，一旦在儲(chǔ)存和使用中發(fā)生失效則會(huì)導(dǎo)致炮彈制導(dǎo)功能的喪失。文中側(cè)重分析激光探測(cè)器交付安裝后的主要失效模式及影響。

探測(cè)器的失效按后果影響可分為完全失效和部分失效[1－4]。完全失效是指沒(méi)有電信號(hào)輸出，喪失制導(dǎo)功能;部分失效是雖能工作且有電信號(hào)輸出，但探測(cè)靈敏度降低，信號(hào)失真，導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)探測(cè)距離等信息計(jì)算出現(xiàn)偏差。

常見的失效模式，按失效原因可分為自然物理失效、工作失效和老化失效三大類[1－3]。自然物理失效，是指由器件、零件自身固有的缺陷導(dǎo)致的失效;工作失效，是指在工作條件下由于受到外界機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、電應(yīng)力等作用下，超過(guò)其所能承載的過(guò)應(yīng)力導(dǎo)致的脫落、損壞和燒毀等，產(chǎn)生永久失效;老化失效，一是指因長(zhǎng)期使用導(dǎo)致磨損、疲勞致使功能下降或喪失，二是指長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，由于器件內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)或零件殘余應(yīng)力的釋放，以及受到外界環(huán)境的侵蝕、污染等，導(dǎo)致功能下降或喪失(彈載激光探測(cè)器的老化失效屬于后者)。而在實(shí)際的應(yīng)用中，不同階段的失效往往是一種或幾種失效模式的綜合體現(xiàn)[3－5]。

3.1 電子元器件物理失效

光敏芯片及晶體管芯等電子元器件失效將導(dǎo)致喪失探測(cè)功能，屬于完全失效。其原因，一是器件本身固有缺陷的自然失效，常發(fā)生于工作早期[5];二是工作失效，因工作過(guò)程中大電流作用而燒毀，多發(fā)生于突發(fā)性強(qiáng)光照射產(chǎn)生較大光電流或電源異常產(chǎn)生大電流;三是老化失效。長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，器件自身老化或因殼體密封失效使內(nèi)部器件受污染、腐蝕導(dǎo)致失效。

3.2 光窗玻璃裂紋或破碎

光窗裂紋如發(fā)生在生產(chǎn)過(guò)程中或儲(chǔ)存期間，一般是因其封裝后內(nèi)應(yīng)力消除不徹底，由殘余應(yīng)力導(dǎo)致[5－6]，直接影響探測(cè)器的密封性和工作時(shí)的抗過(guò)載沖擊能力。裂紋或破碎若發(fā)生在炮射強(qiáng)沖擊后，其原因一是玻璃選材不當(dāng)，抗沖擊強(qiáng)度不夠;二是殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，存在應(yīng)力集中而缺乏緩沖措施[3]。光窗破碎后的玻璃碎渣會(huì)由于過(guò)載力的作用飛進(jìn)殼體撞擊和破壞內(nèi)部電路導(dǎo)致探測(cè)器完全失效。光窗裂紋會(huì)降低玻窗透光率導(dǎo)致靈敏度降低，雖仍有信號(hào)輸出，但信號(hào)失真已部分失效。

3.3 殼體變形

一是殼體加工、封裝等過(guò)程中殘余內(nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致變形;二是炮射沖擊力導(dǎo)致變形[3]。內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的變形往往會(huì)影響光窗平面度、光敏面到光窗的距離及APD芯片的P面進(jìn)光區(qū)與雪崩倍增區(qū)的重合度，導(dǎo)致探測(cè)精度下降的部分失效。炮射沖擊力導(dǎo)致的變形，可能導(dǎo)致光軸偏斜，影響探測(cè)精度。

3.4 元件的粘結(jié)和引線鍵合失效

表現(xiàn)為炮射強(qiáng)沖擊使元件脫落，導(dǎo)致電路失去有效連接及芯片損壞，無(wú)信號(hào)輸出，是完全失效[3－7]。由于探測(cè)器除了電子元件及電路間用金絲和硅鋁絲鍵合外，還普遍大量采用了包括導(dǎo)電膠和絕緣環(huán)氧膠來(lái)粘接APD支架和電容等元件及加固，元件脫落往往是因粘接強(qiáng)度不夠?qū)е?。其原因，一是粘接劑選材不當(dāng)，其耐高低溫能力及抗剪切力差;二是粘接面積小，粘接膠劑量不足;三是粘結(jié)膠老化，或在生產(chǎn)過(guò)程中粘接劑因多次開封使用氧化，粘接性能下降。

3.5 密封性失效

探測(cè)器對(duì)內(nèi)部的潔凈度要求很高，目前廣泛采用充氮封裝，內(nèi)部電路及芯片均處于氮?dú)饷芊猸h(huán)境內(nèi)。密封性失效有二種模式，一是炮射強(qiáng)沖擊使殼體變形或玻窗裂紋漏氣，此時(shí)離器件工作直至消亡的時(shí)間很短，不會(huì)產(chǎn)生大的影響，可視為部分失效;二是漸進(jìn)失效。儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，因使用環(huán)境變化及內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致殼體變形等，使殼體內(nèi)氮?dú)庵鸩叫孤?，?nèi)部電路及芯片等不能得到氮?dú)獾挠行ПＷo(hù)，使其內(nèi)部受到外界環(huán)境中的水氣和帶電粒子及內(nèi)部粘接膠的揮發(fā)元素的長(zhǎng)時(shí)間作用影響，則可能使器件和芯片銹蝕和污染，喪失電氣功能[7－8]。漸進(jìn)型密封失效的影響及危害性極大，不僅直接影響到探測(cè)器的儲(chǔ)存性，其失效還將衍生其它的失效。

3.6 環(huán)氧膠粘結(jié)劑的揮發(fā)污染

探測(cè)器使用的粘接膠大都具有揮發(fā)性，其逐步揮發(fā)出來(lái)的物質(zhì)顆粒在密封殼體內(nèi)難免會(huì)附著在光窗玻璃上造成污染[9]，影響光窗透光性。若揮發(fā)物質(zhì)含有重金屬雜質(zhì)，則會(huì)污染光敏芯片的硅片，導(dǎo)致量子效率降低致使靈敏度降低。同時(shí)其揮發(fā)的個(gè)別有害物質(zhì)可能還會(huì)腐蝕電子器件，致使電性能下降。特別是在高溫或密封性失效失去氮?dú)獗Ｗo(hù)后，其影響會(huì)更加明顯。

從以上分析可以看出導(dǎo)致失效的主要“原兇”是過(guò)載沖擊力、殘余內(nèi)應(yīng)力、老化和污染等，是日積月累的漸變失效。由于生產(chǎn)周期短，在出廠檢驗(yàn)中難以發(fā)現(xiàn)和剔除，給彈的使用可靠性帶來(lái)了很大的隱患。

4 預(yù)防措施與對(duì)策

4.1 嚴(yán)格選材，實(shí)施減額設(shè)計(jì)，提高元器件的使用可靠性

電子器件應(yīng)選用成熟的高可靠度軍用器件，并根據(jù)降額設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。光窗玻璃選擇上，應(yīng)選擇光透性及溶封性能好、強(qiáng)度高的電子玻璃材料，如2619電子玻璃的綜合性能較好[8－10]。

4.2 加大篩選，剔除早期缺陷，降低自然失效率

“養(yǎng)彈千日，用在一刻”。因是一次性使用器件，有效工作時(shí)間短，可增加篩選周期次數(shù)和適當(dāng)增加篩選嚴(yán)酷度，使器件盡早進(jìn)入壽命和適當(dāng)增加篩選嚴(yán)酷度，使器件盡早進(jìn)入壽命周期的“青壯年”穩(wěn)定期(即壽命“浴盆曲線”的中期)，最大限度地剔除早期缺陷[6]。這樣可大大降低光敏芯片及晶體管芯等電子元器件的自然物理失效。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)，控制去應(yīng)力工藝，消除或減少管殼變形

圖2 斜頂管帽結(jié)構(gòu)

一是殼體結(jié)合部或轉(zhuǎn)彎處，應(yīng)多采用圓弧拱形結(jié)構(gòu)，避免銳角，減少應(yīng)力集中[5－6];二是由于火炮發(fā)射的主要沖擊力是軸向，首先作用在管帽上，可采用管帽頂斜面結(jié)構(gòu)(如圖2)，將軸向沖擊力向徑向分解，以管帽側(cè)壁的變形緩沖和減弱對(duì)光窗及管座的軸向沖擊破壞[7];三是對(duì)容易形成內(nèi)應(yīng)力的壓鑄、焊接和封裝等特殊工藝，要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，減少內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)增加去應(yīng)力工序[8];四是因殘余內(nèi)應(yīng)力在初期的釋放并導(dǎo)致變形最明顯[9]，適當(dāng)延長(zhǎng)管殼成型至器件封裝的時(shí)間周期，留足殘余應(yīng)力的時(shí)效釋放時(shí)間，有利于發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力的變形并校正或剔除;五是在探測(cè)器與安裝基體間采取緩沖措施，減少剛性沖擊[7－11]。

4.4 加固器件，增加器件鍵合粘接強(qiáng)度，提高其連接的抗過(guò)載沖擊能力

激光探測(cè)器的元器件鍵合，目前通常的工藝手段是在用金絲和硅鋁絲鍵合后采用導(dǎo)電銀漿粘接。但導(dǎo)電銀漿粘接的抗剪切強(qiáng)度較弱，且在高溫條件下其粘接強(qiáng)度明顯趨弱[9]，影響抗高溫過(guò)載沖擊能力。通過(guò)對(duì)多種粘接膠的理化性能分析和對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，表明環(huán)氧絕緣膠的耐高溫性和抗高剪切強(qiáng)度性能明顯優(yōu)于導(dǎo)電銀漿[9]。某加榴炮末敏彈激光探測(cè)器，對(duì)于管座與墊片及墊片與電路基片不需要考慮導(dǎo)電性的粘接面采用了DG－2膠進(jìn)行加固;對(duì)電容及管芯支架在完成電路鍵合和銀漿粘接后，再用耐高溫和具有高剪切強(qiáng)度的CD－308、DG－4環(huán)氧絕緣膠進(jìn)行外圍點(diǎn)膠加固，增大粘接面積，其粘接強(qiáng)度比導(dǎo)電銀漿粘接強(qiáng)度增加2～3倍，經(jīng)15000g的高溫過(guò)載試驗(yàn)驗(yàn)證，性能良好。

4.5 慎選粘膠，控制其副作用，減少隱患

采用膠粘接，雖能有效加固器件，提高抗過(guò)載沖擊能力，但也帶來(lái)了副作用，一是粘膠易于揮發(fā)，造成污染;二是粘膠容易老化，經(jīng)長(zhǎng)期儲(chǔ)存后可能失效而失去加固作用[9]。因此在設(shè)計(jì)上選擇粘膠時(shí)應(yīng)充分考慮以下因素，一是粘膠的揮發(fā)性及其物理化學(xué)成分，揮發(fā)的元素中是否含有重金屬，特別是銅、鐵、錳等元素，防止重金屬雜質(zhì)的污染降低量子效率及腐蝕金屬膜層;二是粘膠的老化失效問(wèn)題。在目前普遍缺乏有效儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的情況下，應(yīng)進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，以掌握其有效壽命;三是粘接膠的揮發(fā)在初期最大，在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)留足粘接后與封裝的時(shí)間間隔，使膠粘劑充分揮發(fā)后再封裝，以減少其揮發(fā)污染。

4.6 增加儲(chǔ)存后密封性檢測(cè)手段

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，使用前必須進(jìn)行探測(cè)器密封性檢測(cè)。若密封性失效，即使此時(shí)電性能合格，該探測(cè)器也不能使用。但目前尚沒(méi)有裝彈儲(chǔ)存后對(duì)探測(cè)器密封性檢測(cè)的手段，對(duì)使用可靠性帶來(lái)了很大隱患。因此應(yīng)加強(qiáng)可測(cè)試性設(shè)計(jì)，一是從設(shè)計(jì)上增加裝機(jī)后探測(cè)器檢測(cè)口，進(jìn)行非破壞性檢測(cè);二是隨機(jī)抽樣，進(jìn)行破壞性解剖檢測(cè)，確定密封性的保持程度，以評(píng)價(jià)該批探測(cè)器的可用度。

5 結(jié)論

彈載激光探測(cè)器，具有一次性使用、裝彈后不可檢測(cè)、不可維修等特點(diǎn)，決定了其必須具有很強(qiáng)的儲(chǔ)存性和可靠性。但由于生產(chǎn)周期較短，殘余內(nèi)應(yīng)力、污染、老化和密封泄漏等漸變失效因子是日積月累的過(guò)程，在出廠檢驗(yàn)中難以發(fā)現(xiàn)和剔除，很容易被忽視，給彈的使用可靠性帶來(lái)了很大的隱患。采用FMEA方法，進(jìn)行失效模式及影響分析，并采用減額設(shè)計(jì)、增加篩選次數(shù)、優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)和工藝、采用環(huán)氧絕緣膠并增大粘接面積來(lái)加固元器件等系統(tǒng)有效的預(yù)防措施，是提高彈用激光探測(cè)器可靠性的有效途徑。

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