高沖擊下電子線路灌封材料的緩沖機(jī)理及措施

安長俊++周家婕

摘 要電子線路灌封材料的選取首先是非常重要的，電子線路的灌封是一道非常重要的工藝，為了提高電子線路在高沖擊下，有較強(qiáng)的震動下，能夠可靠的工作，這就需要選擇一種電子線路灌封材料，這種材料必須具有較好的緩沖吸能效果，同時也必須具有一定的灌封工藝才能夠滿足材料的使用性能。電子線路灌封材料的緩沖，主要依靠的是能量的吸收與應(yīng)力波的傳播，只有在這兩個方面進(jìn)行研究，才能夠更好地研究電子線路灌封材料，為以后我國的發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。此次論文針對電子線路灌封材料在高沖擊下的緩沖機(jī)理進(jìn)行了一定的研究分析，得出了一些材料的緩沖原理，以及為了后期更好的發(fā)揮作用，所應(yīng)用到的一些緩沖措施進(jìn)行了描述。

【關(guān)鍵詞】高沖擊 電子線路灌封材料 緩沖機(jī)理

現(xiàn)在國際競爭日趨激烈，國際武器裝備朝著更加先進(jìn)的方向發(fā)展，為了提高武器的先進(jìn)性，現(xiàn)在大多數(shù)武器都追求較高的速度與大功率。在武器有較高的速度與功率的同時，也帶來了一些問題，例如速度較高時具有較高的沖擊性與振動性，武器在使用的過程中存在沖擊與振動，將會使得電子器件受損嚴(yán)重，電子器件的受損嚴(yán)重就會進(jìn)一步影響到武器的精度和使用效率，為了減少在高速度與大功率的條件下對武器的精度和使用效率所造成的影響，就必須選用緩沖吸能效果比較好的電子灌封材料，從而減少這種不利的影響。

1 電子線路灌封材料的緩沖機(jī)理

電子線路灌封材料在進(jìn)行緩沖的過程中，就是能量吸收的過程，利用能量稀松來減弱或隔離武器發(fā)射或撞擊目標(biāo)時，電子線路所受到的，沖擊，就比如灌封材料具有較強(qiáng)的粘彈性，例如硅橡膠，在硅橡膠受到外界應(yīng)力的沖擊下，會發(fā)生分子鏈的變形，而分子鏈之間也會產(chǎn)生一定的位移，在外界的沖擊力消失之后，受到變形的分子，還要恢復(fù)原形。根據(jù)能量守恒原理，此時就必須交所受的外力釋放出來，但是材料的變形不能完全地還原為起初的樣子，這時候就能夠一定的沖擊能量，此時的變形與所能能夠吸收的外界力成正比例關(guān)系。 如下圖所示可以進(jìn)一步進(jìn)行分析得出：

圖1為典型的低密度多孔緩沖材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，它包括3個階段：彈性變形A→B；屈服平臺B→C；材料壓實(shí)區(qū)C→D。表明材料在進(jìn)入C-D區(qū)之前經(jīng)過了B-C區(qū)，即材料在壓實(shí)之前經(jīng)過了一個屈服平臺，說明材料具有吸能緩沖作用。而且鑒于這個平臺的比值較低，所以材料在被壓實(shí)之前不可能傳遞高于平臺的力 。

灌封材料在另一方面還能有效的將物體所受撞擊力時的應(yīng)力波進(jìn)行衰減，在物體受到外力沖擊的情況下，材料的彈性變形會將一部分作用力進(jìn)行有效的隔離與衰減。此外電子線路灌封材料的粘彈性，也會使應(yīng)力波在傳播的過程中逐漸的衰減，直至消失。有實(shí)驗(yàn)曾經(jīng)表明，常用灌封材料的波阻抗低，僅有鋼材的0.001-0.0001倍，在沖擊波，從彈性載體投射到灌封材料中時，應(yīng)力幅值減少，約0.001-0.0001倍。圖2為某種密度聚氨酯泡沫塑料在SHPB實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷了應(yīng)變率為102～103/s的沖擊時，輸入桿輸出與桿上典型的應(yīng)力波形，從圖中可以看出，透射波形的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過入射脈沖的長度，透射波的強(qiáng)度福祉叫入射波的小許多，因此泡沫材料在受到外界的沖擊下，由于泡沫材料的緩沖效果使得應(yīng)力波在穿過其后產(chǎn)生了較大的衰減。

2 電子線路灌封材料的選擇

在對電子線路灌封材料進(jìn)行選擇的時候，要根據(jù)電子產(chǎn)品所處的環(huán)境以及電子產(chǎn)品將來所使用到的性能進(jìn)行選擇，一定要將各種電子不同材料的性能，發(fā)揮到極點(diǎn)，從而滿足產(chǎn)品所設(shè)計的要求 。在進(jìn)行灌封材料選取時，一定要選擇灌封材料必須是緩沖吸能效果好、應(yīng)力波傳播衰減速度快、幅值大的材料，對于灌封材料選取，可以從下面幾個方面進(jìn)行選擇。

2.1 電子灌封材料的選擇

首先要對不同種類的材料緩沖吸效果有正確的判斷，要對材料進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)分析，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)完成后要選擇材料的吸能率較高的，因?yàn)椴牧系奈苈矢撸硎静牧纤彌_吸能的效果好。有時要根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果作出能量吸收圖，來幫助設(shè)計者進(jìn)行直觀的觀察，從而做出正確的選擇。能量吸收圖，能夠直觀地表示出電子線路緩沖材料，在不同密度與應(yīng)變率的條件下它的性能狀態(tài) ?？梢杂梦芮€和能量吸收圖，表示低密度多孔材料的吸收特性，這兩種特性由實(shí)驗(yàn)測得。首先測出材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線上屈服平臺趨勢下所圍成的面積即為材料受力過程中所吸收的能量，用E表示材料的吸能率，I表示理想吸能率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（1）

（2）

從此公式中，我們能夠明顯的看出E、I值越大材料的吸能特性越好。所謂的吸能曲線，是指吸能效率圖和吸能理想圖，當(dāng)需要綜合了緩沖材料在不同密度，應(yīng)變率條件下的最佳吸能狀態(tài)點(diǎn)時，應(yīng)借助于能量吸收圖。能量吸收圖，表示了某一密度范圍內(nèi)單位體積泡沫塑料吸收的能量與峰值應(yīng)力的關(guān)系，如果選擇了臨界損傷應(yīng)力，能量吸收圖給出不超過應(yīng)力峰值而吸收最大能量的泡沫材料的密度。圖3是給出的聚氨酯泡沫塑料的能量吸收圖，Ey為基體材料的楊氏模量。

2.2 應(yīng)力波在粘彈性材料中傳播系數(shù)和衰減指數(shù)的確定

泡沫材料在應(yīng)力波加載條件下的緩沖效果，由傳播系數(shù)和衰減指數(shù)表示。以一個端部受到的軸向撞擊的一維線性粘彈性桿為例，粘彈性桿在軸向應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為 ：

（3）

式中：

Y（t）為材料的松弛模量，

V是泊松比，

r2g是截面對x軸的回轉(zhuǎn)半徑的平方；

其中桿的運(yùn)動方程為：

（4）

幾何方程為：

（5）

（3）～（5）式作傅氏變換可以得到控制方程為：

（6）

式中：

（7）

ω為角頻率；

E*w為材料的復(fù)數(shù)楊氏模量。

控制方程的解為：

（8）

（9）

其中，，為某一橫截面處沿X軸正向和負(fù)向傳播的波，引起的軸向應(yīng)變的傅里葉變化，可由實(shí)驗(yàn)測得，在該點(diǎn)貼應(yīng)變片，測出由于撞擊產(chǎn)生的互不重疊的入射波和自由端的反射波，進(jìn)行傅氏變換得出。

γ（ω）是一個重要參數(shù)，反映了材料本身引起的應(yīng)力波的衰減和彌散，我們將其稱為傳播系數(shù)，在傳播系數(shù)進(jìn)行確定時，使用兩種方法，第一種方法是我們知道桿材料的復(fù)數(shù)模量E*w，以及桿材料的密度，波松比，截面半徑等，然后借助公示（7）計算求出，第二種方法是由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量測得，在已知自由端處應(yīng)力為零，然后我們設(shè)桿x=l，由方程（9）得出，

（10）

因此我們只要測得桿上一點(diǎn)處的，就可以根據(jù)不同頻率計算出γ（ω），進(jìn)而可以確定桿材料的衰減指數(shù)，和波數(shù)k（w）或相數(shù)c（w）。

； （11）

； （12）

； （13）

在有應(yīng)力波的條件下，電子線路的灌封材料的緩沖性能效果，是由傳播系數(shù)與衰減指數(shù)所決定的，引力波所受到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有一定的方程能夠正確的描述出他們的關(guān)系。電子線路灌封技術(shù)的電子器件，與所選擇的材料的熱膨脹系數(shù)如果不一致的話，就會在它們之間形成一定的內(nèi)應(yīng)力，此時在灌封電路降溫的同時，電子器件便會受到壓應(yīng)力，就會導(dǎo)致電子線路發(fā)生一定的裂縫 。

2.3 填料加入量的控制

是一種典型的環(huán)氧樹脂固化物的內(nèi)應(yīng)力隨玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的變化示意圖。通常要求有較高的Tg以確保灌封體有良好的可靠性，特別是當(dāng)灌封電路體在高溫條件下工作或可能發(fā)生熱循環(huán)的情況。試驗(yàn)表明，每種混合料都有一個適當(dāng)?shù)奶盍蠞舛?，在此濃度下混合料的熱膨脹系?shù)和彈性模量都具有最佳值，既達(dá)到低應(yīng)力狀態(tài)，又具有較高的Tg。通過控制填料的加入量，可以改變灌封電路體的熱膨脹系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)應(yīng)力的目的。

3 電子線路灌封材料的緩沖措施

在武器彈丸發(fā)生作用的時候，如果引線電路沒有正確的緩沖措施，這個時候一旦彈丸開始發(fā)生作用就會發(fā)生劇烈的振動，設(shè)備中的元器件在受到這個劇烈的振動后，因?yàn)槭芰Φ那闆r，這就會導(dǎo)致設(shè)備中的元器件受到很大程度的損壞，眾所周知元器件在武器中的作用是不可忽視的，它關(guān)乎著整個武器能否正確的發(fā)揮作用的全部過程，一旦設(shè)備中的元器件受到一定程度的損壞，甚至是微弱的損壞這將會進(jìn)一步影響到程序輸出過程中的錯誤，所以為了防止元器件受到損失導(dǎo)致程序輸出錯誤的發(fā)生。所以為了保護(hù)設(shè)備中的元器件不受到外界力的沖擊時所損壞某些器件，影響設(shè)備的準(zhǔn)確率，這就必須通過以下途徑來進(jìn)行電子線路緩沖。

（1）電子元器件一定要選用具有抗高過載能力的，抗高過載能力的電子元器件在受到外界沖擊時，能夠有較強(qiáng)的自我抵抗能力，防止電子元器件因?yàn)槭艿酵獠康?，撞擊，?dǎo)致自身的某些線路斷開，甚至是焊點(diǎn)脫落，抗高過載能力能夠保護(hù)電子元器件，保證電子元器件在高沖擊下具有一定的使用壽命。

（2）電子元器件在電路板上要有一定合理的布局，使得他們在電路板上的質(zhì)量分布均勻。元器件的質(zhì)量中心，盡量為電路板的中心位置，防止在運(yùn)動過程中，會因?yàn)殡x心力而受到損害。電子元器件一旦受到離心力的作用，將會受到巨大的損害，電子元器件的質(zhì)量中心如果偏離電路板的中心位置，這在離心力的作用下會嚴(yán)重的導(dǎo)致其某些器件，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中受到質(zhì)量偏移問題，導(dǎo)致因?yàn)殡x心力的作用將某些元器件而甩落。

（3）有一些質(zhì)量較大的電子元器件，他們在電路板上印刷時，要采用固定的結(jié)構(gòu)，必須要將引線進(jìn)行捆扎，并根據(jù)一定的距離進(jìn)行捆綁固定，這是因?yàn)檫@些較重的元器件與離心力作用發(fā)生時會導(dǎo)致其脫落，由前面可知，離心力將會導(dǎo)致電子元器件的線路斷裂或者是元器件的斷腳、脫焊等都有可能發(fā)生，所以為了防止電子元器件在離心力的作用下發(fā)生這種問題，一定要將電路板在進(jìn)行印刷時將其固定，用導(dǎo)線或者線束及電纜進(jìn)行捆扎，這樣就能夠有效地保障電子元器件受到離心力作用，發(fā)生斷線或者是脫焊的問題存在。

（4）電子線路灌封材料還必須具有一定的工藝性，工藝性較好的灌封材料才能夠根據(jù)罐封裝形式，走線等來保證灌封的質(zhì)量，避免產(chǎn)生固化應(yīng)力。電子線路灌封材料中電子模塊元器件，在封裝時它的形式各不相同，而且電子模塊元器件的大小也不同，因此它的封裝形式是不同的。而且有一部分是相互重疊的，這部分重疊的地方，他們的線路走向是十分密集的，為了保證電子線路灌封的質(zhì)量，這就要求灌封材料在，常溫下具有較好的流動性，較強(qiáng)的固化收縮率，借此來避免產(chǎn)生固化應(yīng)力，減小進(jìn)電子模塊元器件的損傷。

（5）引信承受的過載超過50000g重力加速度時，比如在彈丸侵徹混凝土或鋼板時，電路圖需要用兩級緩沖，其中第一級采用灌封材料，將電路模塊固化與鋁制殼體內(nèi)，該殼體固定在由V型或W型鋼性緩沖彈簧組成的二級緩沖體上，當(dāng)過載超過某一極限時，剛性彈簧產(chǎn)生較大的塑性變形，達(dá)到減小過載峰值的作用。

4 結(jié)論

高沖擊下電子線路灌封材料是比較關(guān)鍵的制作材料。本文通過以上對電子線路灌封材料的緩沖機(jī)理進(jìn)行了分析研究，得出了電子線路灌封材料，是由于灌封材料具有一定的能量吸收能力，其次還具有能力衰減與彌散的能力。后面又根據(jù)灌封材料的性能進(jìn)行了灌封材料的選取，根據(jù)電器元件的不同，使用性能與工作環(huán)境進(jìn)行材料的選擇。文章的最后又對電子元器件的緩沖措施進(jìn)行了一定的論述，為了保護(hù)電子線路在高沖擊下受到破壞，需要選用具有較高的抗過載能力，，還要求電子元件有合理的質(zhì)量分布，還要講究電子元器件灌封材料的工藝性，對于質(zhì)量較大的電子元件進(jìn)行元件的捆綁等措施。因此電子元件進(jìn)行得出了要想將武器的速度與功率進(jìn)行提高，就必要要將武器中的電子元器件采取一定的保護(hù)措施，與選擇措施。從而保證電子元器件在使用的過程中不會存在問題導(dǎo)致失敗。

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作者簡介

安長?。?983-），男，江蘇省揚(yáng)州市人。碩士學(xué)位。講師?，F(xiàn)為江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系教師，主要從事電氣與電子技術(shù)研究。

周家婕（1983-），女，江蘇省江都區(qū)人。碩士學(xué)位。實(shí)驗(yàn)師。現(xiàn)為江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系實(shí)驗(yàn)教師，主要從事電工與電子技術(shù)教學(xué)與研究。

作者單位

江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省揚(yáng)州市 225000