引信典型電子部件長(zhǎng)儲(chǔ)性能加速退化試驗(yàn)方法

吳英偉，齊杏林，鄭　波，趙鐵山

(1.解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊　050003;2.總裝軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊　050000)

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引信典型電子部件長(zhǎng)儲(chǔ)性能加速退化試驗(yàn)方法

吳英偉1，齊杏林1，鄭波2，趙鐵山1

(1.解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003;2.總裝軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊050000)

針對(duì)目前引信電子部件儲(chǔ)存性能退化或失效原因研究較少、儲(chǔ)存失效原因尚不明確的問題，提出了引信典型電子部件長(zhǎng)儲(chǔ)性能加速退化試驗(yàn)方法。該方法通過對(duì)兩個(gè)已經(jīng)儲(chǔ)存10年的引信典型電子部件樣本開展加速退化試驗(yàn)，定位了易發(fā)生退化或失效的元器件。失效原因分析表明，隨著時(shí)間推移，電子部件零點(diǎn)漂移退化趨勢(shì)越發(fā)明顯，而其他參數(shù)則相對(duì)穩(wěn)定，電阻元件本身白噪聲可能導(dǎo)致電阻元件性能退化。同時(shí)，長(zhǎng)儲(chǔ)導(dǎo)致鍵合絲斷開可能會(huì)造成運(yùn)算放大器性能退化，影響引信可靠性。確定了長(zhǎng)儲(chǔ)后的引信電子部件在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電阻元件和運(yùn)算放大器。

典型；電子部件；長(zhǎng)期儲(chǔ)存；性能退化

0　引言

電子部件在引信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，以引信典型電子部件為例，電子部件可以將連續(xù)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，主要進(jìn)行信號(hào)放大、整形和濾波，進(jìn)而形成控制信號(hào)，對(duì)引信起到控制作用。電子部件一旦出現(xiàn)故障，引信將不能可靠起爆戰(zhàn)斗部，影響甚至導(dǎo)致整個(gè)彈藥系統(tǒng)失效，然而，目前針對(duì)引信電子部件儲(chǔ)存性能退化或失效原因研究較少，儲(chǔ)存失效原因尚不明確。針對(duì)此問題，本文提出了引信典型電子部件長(zhǎng)儲(chǔ)性能加速退化試驗(yàn)方法。

1　電子部件失效模式預(yù)測(cè)及性能檢測(cè)

引信典型電子部件由電子元器件和其塑封材料組成，電路部分組成如圖1所示。

圖1　電子部件電路框圖Fig.1　Circuit diagram of electronic device

1.1失效模式預(yù)測(cè)

電子部件的多條電路通道都是由阻容元件、三極管和運(yùn)算放大器組成，都屬于電子元器件，雖然失效模式有差別，但是失效原因都是元器件的失效，而且不同電路中包含的電子元件數(shù)量相當(dāng)，所以電子部件的失效可能發(fā)生在任一元件。依據(jù)FMEA對(duì)電子部件進(jìn)行失效分析，其失效模式可以歸納為：

1)在進(jìn)行信號(hào)放大過程中，整形電路發(fā)生失效，導(dǎo)致輸出信號(hào)幅度偏低甚至無輸出；

2)濾波電路發(fā)生失效，電壓傳輸未經(jīng)濾波，導(dǎo)致輸出電壓過高；

3)標(biāo)定(或校正)電路發(fā)生失效，將導(dǎo)致輸出電壓難以滿足要求。

1.2電子部件檢測(cè)

根據(jù)部件失效模式預(yù)測(cè)，有針對(duì)性的選取檢測(cè)項(xiàng)目，通過電子裝置檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，獲得其性能退化的數(shù)據(jù)。具體檢測(cè)方法如圖2所示，檢測(cè)項(xiàng)目以及檢測(cè)部位如表1所示。

圖2　電子裝置檢測(cè)方法示意圖Fig.2　Diagram of electronic device detecting method

檢測(cè)項(xiàng)目含義檢測(cè)部位正負(fù)消耗電流電子裝置電路在正負(fù)電壓作用下分別消耗的電流值板間連接零點(diǎn)漂移沒有信號(hào)輸入、只加電源時(shí),電子裝置的輸出電壓各級(jí)運(yùn)放傳輸系數(shù)四個(gè)頻率信號(hào)的響應(yīng)能力,輸出電壓和輸入頻率的比值帶通電路運(yùn)放脈動(dòng)幅度同一信號(hào)輸入時(shí)輸出電壓最大最小值之差低通濾波電路運(yùn)放輸出電壓差大信號(hào)和小信號(hào)分別輸入時(shí)輸出的電壓差整形電路電容輸出相位差大信號(hào)和小信號(hào)分別輸入時(shí)輸出的相位差限幅放大電路電容

2　加速退化試驗(yàn)方法

加速退化試驗(yàn)是在失效機(jī)理不變前提下，通過高應(yīng)力水平下產(chǎn)品性能退化數(shù)據(jù)去外推和預(yù)測(cè)正常應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命特征，可以有效解決傳統(tǒng)可靠性壽命試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低和費(fèi)用高的問題[1]。為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和成本，本試驗(yàn)選取兩個(gè)已經(jīng)儲(chǔ)存10年的引信典型電子部件進(jìn)行加速退化試驗(yàn)，定時(shí)檢測(cè)正負(fù)消耗電流I、零點(diǎn)漂移UO、傳輸系數(shù)k、脈動(dòng)幅度UF、輸出電壓差UC、以及輸出相位差φ。

結(jié)果顯示，兩個(gè)樣本的UF、UC、k和φ始終維持在穩(wěn)定水平，無明顯退化趨勢(shì)。I變化趨勢(shì)如圖3、圖4所示；UO變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖3　1#電子裝置消耗電流趨勢(shì)圖Fig.3　Current trend of electronic device sample 1#

圖4　2#電子裝置消耗電流趨勢(shì)圖Fig.4　Current trend of electronic device sample 2#

圖5　電子裝置零點(diǎn)漂移趨勢(shì)圖Fig.5　Zero drift trend of electronic device sample

由圖3和圖4可以看出，1#、2#兩個(gè)電子部件樣本正負(fù)消耗電流變化規(guī)律十分相近。針對(duì)正消耗電量，兩個(gè)樣本都穩(wěn)定在50mA，1#樣本最大值50.841mA，最小值49.283mA；2#樣本最大值50.776mA，最小值49.613mA。針對(duì)負(fù)消耗電流，1#樣本在37.746mA附近波動(dòng)，最小值34.244mA，最大值40.034mA；2#樣本在35.877mA附近波動(dòng)，最小值30.621mA，最大值38.145mA?？梢钥闯觯?fù)消耗電流的波動(dòng)幅度明顯較大。由圖5可以看出，兩個(gè)樣本零點(diǎn)漂移均發(fā)生了較明顯的變化，說明隨著時(shí)間推移，電子部件零點(diǎn)漂移有明顯的退化趨勢(shì)。

加速退化試驗(yàn)必須保證退化機(jī)理不變才能真實(shí)反應(yīng)部件實(shí)際退化機(jī)理。因此，對(duì)退化機(jī)理不變性進(jìn)行檢驗(yàn)。在溫度應(yīng)力下，部件零點(diǎn)漂移退化速率用Arrhenius方程[2-4]表示為：

(1)

式中M代表退化速率，Q代表激活能，A代表常數(shù)，E表示活化能，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

圖6　零點(diǎn)漂移與-1/T關(guān)系Fig.6　Relation between -1/T and ln (dM/dt) of zero drift

3　失效原因分析

零點(diǎn)漂移是由電子部件電路的整體特性決定的，理想情況下各電子元件都是理想器件，在沒有輸入的情況下，電路輸出應(yīng)該為零。實(shí)際上電子元件都是非理想器件，零漂、溫漂普遍存在，長(zhǎng)期儲(chǔ)存后由于電子元件的老化，零漂、溫漂現(xiàn)象更加明顯。

零點(diǎn)漂移由于電路存在噪聲電壓而產(chǎn)生，與電路中每一個(gè)元件均有關(guān)，電阻元件自體存在白噪聲，相互之間也會(huì)產(chǎn)生干擾噪聲；大量的運(yùn)算放大器分布在每個(gè)電路中，一個(gè)元件產(chǎn)生噪聲會(huì)經(jīng)本電路和下級(jí)電路多次放大。長(zhǎng)儲(chǔ)后，電子元件會(huì)發(fā)生老化，導(dǎo)致噪聲增大，電子元件基數(shù)較大，退化會(huì)進(jìn)行累積，所以退化趨勢(shì)會(huì)更加明顯。下面對(duì)電阻元件和運(yùn)算放大器性能退化機(jī)理進(jìn)行分析。

3.1電阻元件失效機(jī)理分析

不同的電子器件產(chǎn)生的噪聲類型不盡相同，但是所有電子器件都存在熱(白)噪聲。熱噪聲是由電子的熱振動(dòng)引起的，所以與溫度相關(guān)，溫度越高熱噪聲越大。高溫檢測(cè)時(shí)溫度高于常溫，所以各電子器件的熱噪聲比常溫時(shí)大，最終表現(xiàn)為高溫時(shí)整個(gè)電路的噪聲電壓比常溫時(shí)要大。

電阻中自由電子和振動(dòng)離子之間熱量相互作用導(dǎo)致白(熱)噪聲的產(chǎn)生[5]，其功率可由約翰遜公式得到：

P=k×T×BW

(2)

用電壓源的平方表示熱電壓,即：

e2=4kTR×BW

(3)

式(2)、式(3)中，P為噪聲功率；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；BW為系統(tǒng)帶寬；e2為熱電壓；R為電阻。

長(zhǎng)儲(chǔ)后電阻阻值會(huì)增大，由式(3)可知，熱電壓會(huì)隨著電阻的增大而升高，進(jìn)而導(dǎo)致熱噪聲增大，且溫度越高越明顯。

增大電路中某些電阻的阻值模擬長(zhǎng)期儲(chǔ)存造成的阻值增大。利用Multism軟件對(duì)電路進(jìn)行熱噪聲仿真分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7　噪聲功率譜密度曲線Fig.7　NPSD curve of circuit

圖7中曲線代表輸出噪聲功率譜密度，由圖可見在低頻率域內(nèi)，輸出噪聲較大，隨著頻率增大，輸出噪聲慢慢減小。增大電阻阻值后輸出噪聲平均值在0.51mV左右，說明長(zhǎng)期儲(chǔ)存會(huì)增大電路的熱噪聲。

3.2運(yùn)算放大器失效機(jī)理分析

運(yùn)算放大器芯片通過導(dǎo)電膠與底座粘結(jié)在一起，儲(chǔ)存過程中，導(dǎo)電膠性能會(huì)發(fā)生退化，導(dǎo)致導(dǎo)電膠粘結(jié)力退化甚至喪失，可能造成芯片與底座發(fā)生部分或完全分離，一旦經(jīng)受來自外界機(jī)械作用力，鍵合絲就可能斷開[6-7]，致使運(yùn)算放大器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，且隨著儲(chǔ)存時(shí)間推移，零點(diǎn)漂移越大，性能退化越明顯。

此外，儲(chǔ)存條件下，運(yùn)算放大器會(huì)受到溫度和濕度共同作用，不同溫度和濕度的循環(huán)對(duì)芯片產(chǎn)生拉伸和壓縮應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致在不同材料接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力差，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生疲勞累積，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后，疲勞累積失效可能會(huì)使芯片破裂或剝離；同時(shí)，溫濕度共同作用也會(huì)在三極管內(nèi)引線鍵合界面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕效應(yīng)，從而產(chǎn)生微裂紋，累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致引線鍵合點(diǎn)處與引線柱脫離，這兩點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器產(chǎn)生失效[8-9]。

4　結(jié)論

本文提出了引信典型電子部件長(zhǎng)儲(chǔ)性能加速退化試驗(yàn)方法。該方法選取兩個(gè)已經(jīng)儲(chǔ)存10年的引信典型電子部件開展加速退化試驗(yàn)，并定時(shí)檢測(cè)正負(fù)消耗電流I、零點(diǎn)漂移UO、傳輸系數(shù)k、脈動(dòng)幅度UF、輸出電壓差UC、以及輸出相位差φ。失效原因分析表明，兩樣本正負(fù)消耗電流變化規(guī)律十分相近，負(fù)消耗電流波動(dòng)幅度相對(duì)較大，且隨著時(shí)間推移，電子部件零點(diǎn)漂移退化趨勢(shì)越發(fā)明顯，而其他參數(shù)則相對(duì)穩(wěn)定，說明電路整體設(shè)計(jì)較合理，長(zhǎng)儲(chǔ)后雖然存在老化，但電路整體性能仍然較好。

進(jìn)一步分析得到電路中電阻元件本身白噪聲可能導(dǎo)致電路中電阻元件性能退化，長(zhǎng)儲(chǔ)可能導(dǎo)致鍵合絲斷開，造成運(yùn)算放大器性能退化，影響引信可靠性。所以，長(zhǎng)儲(chǔ)后的引信電子部件在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電阻元件和運(yùn)算放大器。

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Accelerated Degradation Test Method for Fuze Electronic Device Long Term Storage Performance

WU Yingwei1，QI Xinglin1，ZHENG Bo2，ZHAO Tieshan1

(1. Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003, China;2. Ordnance Technology Research Institute， Shijiazhuang 050000, China)

Aiming at the problem that there is little study about storage performance degradation for fuze electronic device and the storage failure reason is not clear, an accelerated degradation test method for long-term-storage performance of typical electronic device was presented. The method carried out the accelerated degradation test based on two typical electronic devices which had been stored for 10 years, and then located the components which were easy to degradation or failure. Failure analysis showed that the degradation trend of zero drift was obvious over time, and the other parameters were relatively stable. The white noise from the resistance itself might lead to the degradation of the resistance, at the same time, long storage might result in the broken of bonding wire and caused the degradation of the operational amplifier, then influenced the reliability of the fuze. It was determined that the resistances and operational amplifiers should be concerned when testing fuze electronic devices after long storage.

typical; electronic device; long term storage; performance degradation

2016-02-17

吳英偉(1991—)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，研究方向：信息感知與控制。E-mail:15203214303@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0020-04