某制導(dǎo)彈藥電子延時器長貯退化原因探析

趙鐵山， 齊杏林， 鄭波， 王鑠

（1.軍械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050003； 2.總裝軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊 050003；3.國營第三〇四廠軍代室， 山西 長治 046000）

某制導(dǎo)彈藥電子延時器長貯退化原因探析

趙鐵山1， 齊杏林1， 鄭波2， 王鑠3

（1.軍械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050003； 2.總裝軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊 050003；3.國營第三〇四廠軍代室， 山西 長治 046000）

通過對某制導(dǎo)彈藥電子延時器進(jìn)行失效模式分析及仿真模擬，探尋可能出現(xiàn)的長貯失效模式與原因。以自然貯存9年的電子延時器為樣本，制訂了步進(jìn)溫度應(yīng)力加速退化試驗方案，開展試驗并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出可能導(dǎo)致產(chǎn)品退化的各種原因。

電子延時器；長貯；加速退化；制導(dǎo)彈藥

0 引言

某制導(dǎo)彈藥采用雙戰(zhàn)斗部串聯(lián)起爆機制，彈頭撞擊目標(biāo)后先引爆前置戰(zhàn)斗部摧毀反應(yīng)裝甲，延時一定的時間后輸出信號引爆主戰(zhàn)斗部摧毀目標(biāo)。延時功能由電子延時器完成，如果延時過短，反應(yīng)裝甲尚未完全摧毀，主戰(zhàn)斗部的毀傷效果將大打折扣；如果延時過長或無輸出，不能及時地引爆主戰(zhàn)斗部，則無法完成預(yù)期目標(biāo)，所以電子延時器雖小但是屬于該制導(dǎo)彈藥的關(guān)重件，亟須對其可靠性進(jìn)行研究。另一方面，彈藥的特殊性決定了其在和平時期貯存時間遠(yuǎn)大于使用時間，且一旦投入使用，無論其工作是否正常， 壽命都將終止[1]。 通過對典型部件開展長貯失效研究可以摸清影響彈藥貯存可靠性的主要因素，對將來產(chǎn)品和類似產(chǎn)品的改進(jìn)和研發(fā)都有十分重要的軍事和經(jīng)濟效益。

1 電子延時器失效模式分析

電子延時器主要由延時芯片和連接電纜組成，延時芯片內(nèi)的集成電路完成延時功能，其組成框圖如圖1所示。

圖1 電子延時器電路組成框圖

利用失效模式及影響分析（FMEA）對電子延時部件可能出現(xiàn)的失效模式進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 電子延時器失效模式及影響分析

對延時器電路進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)延時電路中某電容C 1容值發(fā)生微小變化時，其延時時間將產(chǎn)生相當(dāng)可觀的變化。 圖2和圖3分別是當(dāng)C 1為標(biāo)稱值和增大1 nF時的延時時間。 圖中左端標(biāo)尺位置是觸發(fā)脈沖，由負(fù)電位跳變到地電位；右端標(biāo)尺位置是輸出電壓信號，兩個標(biāo)尺之間的時間間隔即延時時間。

從仿真結(jié)果可以看出， 當(dāng) C 1增加 1 nF 時，延時時間增加了將近 57 μs， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了閾值范圍。

圖2 電容為標(biāo)稱值時的延時時間圖

圖3 電容增大時的延時時間

圖4 延時器電路末端構(gòu)成

輸出電壓的大小等于正電源電壓和電路末級壓降的差值，取決于電路末級的壓降。電路末級是由兩個三極管 V 1、 V 2， 二極管 V 3 和電阻 R 1 組成的達(dá)林頓管（如圖4 所示）。

通電后三極管即工作在飽和狀態(tài)，實質(zhì)上起到開關(guān)的作用。電源電壓不變，輸出電壓呈下降趨勢， 說明在 R 1和 V 1、 V 2上的壓降增大。 調(diào)整R 1阻值增大或減小時，輸出電壓會發(fā)生微弱的變化，然而增大到一定值后輸出電壓不再變化。僅僅改變R 1的阻值不會出現(xiàn)試驗中得到的結(jié)果，所以退化很可能發(fā)生在兩個三極管上。

2 加速退化試驗方案

2.1 樣本選擇

研究產(chǎn)品的長貯性能最簡單也是最準(zhǔn)確的方法是基于大樣本量的自然條件下的貯存壽命試驗，但是目前一方面彈藥更新?lián)Q代頻繁，另一方面彈藥產(chǎn)品日益健壯，可靠性日益增長，一般包含有極高可靠性的元器件，這些產(chǎn)品在壽命試驗中通常只有少量失效或者沒有失效出現(xiàn)[2]， 現(xiàn)實條件不允許花十年甚至幾十年的時間獲得自然儲存壽命信息。故本文綜合兩種方法的優(yōu)點，選擇已自然貯存9年的5個電子延時器為樣本進(jìn)行加速退化試驗，旨在掌握自然貯存規(guī)律的基礎(chǔ)上加速其退化過程，得到更多的產(chǎn)品信息。

2.2 應(yīng)力和施加方式

根據(jù)實際的儲存情況，在庫房條件下，產(chǎn)品處于包裝筒和包裝箱的兩重密封包裝的環(huán)境，受濕度和機械應(yīng)力的影響較小，主要受到溫度應(yīng)力作用，因此選擇溫度為試驗應(yīng)力；為了縮短試驗時間，采用步進(jìn)的應(yīng)力施加方式。

2.3 試驗剖面設(shè)計

a）起始溫度應(yīng)力

戰(zhàn)技指標(biāo)規(guī)定， 產(chǎn)品使用溫度范圍為-40～50℃，在加速試驗中，溫度起始應(yīng)力一般設(shè)置為技術(shù)規(guī)范的應(yīng)力極限或略低于技術(shù)規(guī)范的應(yīng)力極限。如按照此要求，則本試驗的起始溫度應(yīng)力應(yīng)設(shè)置為50℃； 但考慮實際情況， 同時為了提高試驗效率，起始應(yīng)力設(shè)置為60℃。

b）應(yīng)力周期與水平

根據(jù)國軍標(biāo) GJB 5103-2004[3]， 彈藥元件加速壽命試驗試驗總時間T按試驗對象戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的儲存壽命值的 1/20～1/40 確定。 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定產(chǎn)品的儲存壽命為 10 a， 但是因為樣本已儲存 9 a， 所以總時間 T∈ [1/40 a， 1/20 a]=[220 h， 450 h]。 考慮產(chǎn)品在規(guī)定戰(zhàn)技指標(biāo)時對儲存壽命的保守估計， 試驗總時間取最大值 450 h 為宜。步進(jìn)加速壽命試驗一般應(yīng)力水平不少于4個，加速退化試驗亦可參照此標(biāo)準(zhǔn)，選定4個步進(jìn)應(yīng)力水平。 以往經(jīng)驗表明在80℃以下， 產(chǎn)品能保證失效機理不變， 故最高應(yīng)力設(shè)置為80℃， 按照溫度等間隔原則確定的4個溫度應(yīng)力水平為第一應(yīng)力水平S1=60 ℃（333 K）； 第二應(yīng)力水平 S2=67 ℃（340 K）； 第三應(yīng)力水平 S3=74 ℃（347 K）； 第四應(yīng)力水平 S4=80 ℃（353 K）。 各應(yīng)力水平下試驗時間按4:3:2:1 確定， 即 T1=180 h； T2=135 h； T3=90 h；T4=45 h。

c）檢測間隔及檢測時間

綜合考慮效率、精度、成本等因素，根據(jù)低應(yīng)力檢測間隔長，高應(yīng)力間隔短的原則，確定在每個步進(jìn)周期均勻選定 10個檢測點。 檢測時應(yīng)使產(chǎn)品冷卻到室溫下進(jìn)行。

d）試驗剖面圖

根據(jù)上述分析，可以畫出步進(jìn)加速退化試驗的試驗剖面圖，如圖5所示。

圖5 加速退化試驗剖面圖

3 長貯退化原因分析

對延時器兩個重要指標(biāo)的延時時間和輸出電壓進(jìn)行了檢測， 結(jié)果如圖6、 7所示。 戰(zhàn)技指標(biāo)規(guī)定延時時間的閾值為 τ=（300±15）μs， 輸出電壓的閾值為 V0≥8.1 V。

圖6 延時時間折線圖

圖7 輸出電壓折線圖

由圖6、 7可以看出樣本的延時時間普遍在一定的范圍內(nèi)波動，但是整體沒有顯示出明顯的退化趨勢，波動主要是檢測誤差造成的，輸出電壓則有明顯的下降趨勢。

已知C 1為某型號的貼片陶瓷電容，均勻分布的高溫、低溫或相對緩慢溫變均不會對電容體造成損傷。 只有溫度快速變化（溫度沖擊）和電容體內(nèi)的溫度不平衡分布（溫度梯度）時會使電容受熱不均，各部膨脹幅度不同，從而產(chǎn)生破壞性應(yīng)力， 導(dǎo)致電容失效[4]。 長貯條件下溫變速率較緩慢，陶瓷電容受溫度影響甚微。 除了C 1以外， 延時電路中3個分壓電阻阻值變化時也會影響延時時間，但是程度遠(yuǎn)不及電容。溫度變化確會導(dǎo)致電阻阻值變大，但是長貯條件下的溫度變化一般不會對電阻產(chǎn)生損傷累積效應(yīng)。所以在戰(zhàn)技指標(biāo)規(guī)定的貯存壽命期內(nèi)庫存溫度變化對電子延時器延時時間的影響較小。

由于器件封裝，故試驗中途不能對三極管進(jìn)行檢測，試驗結(jié)束后對樣本拆封，用萬用表檢測樣本中C 1容值發(fā)現(xiàn)與仿真結(jié)果一致，延時時間較長的樣本C 1容值相對于延時時間較短的樣本要稍大，但是都在標(biāo)稱值5%范圍內(nèi)浮動。

輸出電壓下降最明顯的1#樣本，采用更換同類型三極管的方法，測試表明更換前輸出電壓為8.12 V， 接近閾值下限； 更換后輸出電壓達(dá)到11.42 V， 相差 3.3 V 之多。 雖然拆封和更換原件會使檢測環(huán)境有所改變， 但是 3.3 V 的差值不可能主要由測量誤差、焊接或干擾信號造成，可以認(rèn)為是由于三極管自身器件老化導(dǎo)致。三極管內(nèi)部的退化機理有待進(jìn)一步地試驗研究，就本次試驗結(jié)果，三極管退化的原因可能由以下兩個因素單獨或組合導(dǎo)致。

a）貯存地年溫差較大， 長年累月相當(dāng)于速率緩慢的溫度循環(huán)，而試驗本身檢測次數(shù)較多，而檢測時間的間隔較短， 特別是第四應(yīng)力階段每隔4.5 h檢測一次， 再加上冷卻時間， 總共不超過 6 h，元器件相當(dāng)于處于高溫和室溫交變應(yīng)力的作用下，形成了加速模擬自然溫變的條件，對于長期貯存的樣本來說，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)的不同，溫度循環(huán)會對器件不同材料接觸面產(chǎn)生應(yīng)力差循環(huán)，從而造成損傷積累。

b）半導(dǎo)體器件在制作過程中都會在不同程度上引入各種缺陷，包括晶格缺陷、表面雜質(zhì)等。靜電放電（ESD）是指帶電體周圍的場強超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強時，因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體上的靜電荷部分或全部消失的現(xiàn)象[5]。 目前彈藥包裝大量采用高壓聚乙烯塑料，玻璃鋼等材料，容易產(chǎn)生和積聚靜電。本次所選樣本經(jīng)歷事件如圖8所示。

圖8 樣本經(jīng)歷事件流程圖

整個儲運期間可能會經(jīng)歷若干次搬運作業(yè)，摩擦、 振動產(chǎn)生的 ESD 會使這些缺陷在器件內(nèi)部擴大，會對器件的參數(shù)、功能造成各種影響，從而導(dǎo)致器件退化或失效[6]。

另外，靜電放電也是造成電容失效的主要原因之一，但是與末級三極管不同，電路中 C 1兩端有大電阻存在，瞬間電流得到很大的削弱，試驗結(jié)果也印證了這點。

4 結(jié)論

失效模式分析預(yù)測電子延時器可能發(fā)生的失效為延時時間超差和輸出電壓不足，仿真結(jié)果表明電容C 1是決定延時時間的主要元器件，電路末級三極管 V 1、 V 2是決定輸出電壓的主要元器件； 然后以自然貯存9 a的電子延時器為樣本開展步進(jìn)溫度應(yīng)力退化試驗并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。試驗結(jié)果表明，樣本延時時間基本保持穩(wěn)定，無明顯的退化現(xiàn)象，溫度變化對電子延時器延時時間的影響較?。挥捎贑 1兩端有大電阻存在，靜電放電對其影響較小。不同的材料在溫變循環(huán)下，因應(yīng)力差循環(huán)和靜電放電單獨或組合作用都是造成輸出電壓退化的主要可能原因。

[1] 李明倫， 李東陽， 鄭 波. 彈 藥儲存可靠 性 [M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 1997.

[2] 鄧愛民， 陳循， 張春華， 等.加速退化試驗技術(shù)綜述[J].兵工學(xué)報， 2007， 28（8）： 1002-1007.

[3]GJB 5103-2004， 彈藥元件加速壽命試驗方法 [S].

[4] 劉銳， 陳亞蘭， 唐萬軍， 等.片式多層陶瓷電容失效模式研究 [J].微電子學(xué)， 2013， 43（3）:449-452.

[5] 劉尚合， 武占成， 朱長清， 等. 靜電放電及危害防護[M].北京： 北京郵電大學(xué)出版社， 2004.

[6] 楊潔.高頻小功率硅雙極結(jié)型晶體管 ESD 潛在性失效的研究 [D].石家莊： 軍械工程學(xué)院， 2009.

美制造出世界首臺碳納米管計算機

據(jù)報道，美國斯坦福大學(xué)的工程師在新一代電子設(shè)備領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，首次采用碳納米管建造出計算機原型，比現(xiàn)在基于硅芯片模式的計算機更小、更快且更節(jié)能。美國國家科學(xué)基金會納米技術(shù)高級顧問米哈伊爾稱此舉為 “一項重要的科學(xué)突破”。 該研究結(jié)果發(fā)表在最近出版的 《自然》雜志上。

晶體管不斷地縮小，以使一個芯片上可以排列更多。但隨著晶體管變得越來越細(xì)小，在狹窄的空間里就會浪費更多的電力，產(chǎn)生更多的熱量。而研究表明，碳納米管可以非常有效地指揮和控制電力。加州大學(xué)伯克利分校電子電路及系統(tǒng)的世界級專家拉貝艾說：“碳納米管一直被認(rèn)為是硅晶體管潛在的繼任者。毫無疑問，這項研究將引導(dǎo)研究人員去探索如何在未來 10年內(nèi)開發(fā)出更小、 更高效節(jié)能的處理器?！?/p>

大約 15年前， 碳納米管首次被制成晶體管，在數(shù)字電子系統(tǒng)主體作開關(guān)。但是，其固有的兩個缺陷一直阻撓著其實際的應(yīng)用，現(xiàn)在，研究團隊采取雙管齊下的辦法將其攻克。

斯坦福大學(xué)電氣工程師和計算機科學(xué)家米特拉教授介紹說，首先，碳納米管不是以整齊、平行線的方式生長，若嘗試在晶片上將其排列就會得到“一碗面”； 研究人員使 99.5%的碳納米管對齊建立芯片， 并設(shè)計了一個巧妙的算法繞過余下 0.5%歪斜的部分。碳納米管的第2個缺陷是其內(nèi)持續(xù)導(dǎo)電的 “金屬纖維”， 它不像其他半導(dǎo)體可以關(guān)掉電流。 為了抹去這些 “劣跡” 元素， 他們關(guān)掉了所有“好的” 碳納米管， 然后給余下 “壞的” 泵滿電，直至氣化。結(jié)果便得到一個有效的電路。

他們利用這種 “不受缺陷影響的設(shè)計” 組裝了具有 178 個晶體管的基礎(chǔ)計算機。 該碳納米管計算機可執(zhí)行一些如計數(shù)和數(shù)字排序等任務(wù)，并運行一個基本的操作系統(tǒng)。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院電氣工程學(xué)院主任喬瓦尼·德·米凱利教授強調(diào)了這一世界性成就的兩個關(guān)鍵技術(shù)：首先，將基于碳納米管電路的制造過程落實到位。其次，建立了一個簡單而有效的電路，表明使用碳納米管的計算是可行的。下一代芯片設(shè)計研究聯(lián)盟、 伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校納雷什教授評價道，雖然碳納米管計算機可能還需要數(shù)年時間才趨于成熟，但這一突破已經(jīng)凸顯未來碳納米管半導(dǎo)體以產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的可能性。

隨著半導(dǎo)體芯片越做越小，人們擔(dān)心，傳統(tǒng)的摩爾定律（芯片上的晶體管密度每隔一年半就翻一倍）將走到盡頭，而告別傳統(tǒng)硅芯片的世界首臺碳納米管計算機旋即橫空出世，這不僅意味著摩爾定律將會延壽； 另外 “硅” 作為計算時代的 “王者”的地位或?qū)⒉槐＃?硅谷的未來可能不再 “姓硅”。不管怎樣，計算設(shè)備的體積越來越小，價格越來越便宜，性能越來越強大的趨勢不會改變，對廣大消費者來說都是利好消息。

（摘自科學(xué)中國-中國網(wǎng)）

Long-term-storage Degradation Causes of Guided M unition’s Electronic Delayer

ZHAO Tie-shan1， QIXing-lin1， ZHENG Bo2， WANG Shuo3
（1.Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China；2.Ordnance Technology Research Institute of Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050000， China；3.Changzhi304 Martial Representative Office， Changzhi046000， China）

A failure mode and effect analysis and simulation are carried out to find out the probable failuremode and causes which is then proved by step-stress accelerated degradation test w ith electronic delayer sam ples of real-world-storage for 9 years.The probable causes of degradation are presented by analyzing the test result.

electronic delayer； long-term-storage； accelerated degradation； guided munition

TP 347

:A

:1672-5468（2014）01-0041-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.009

2013-09-30

2013-10-18

趙鐵山（1989-）， 男， 回族， 浙江紹興人， 軍械工程學(xué)院碩士研究生， 研究方向為彈藥可靠性與失效分析。