引信起爆控制電路冗余設(shè)計(jì)技術(shù)研究

肖龍遠(yuǎn)，李豇，胡斌，黃琨

(中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

引信系統(tǒng)主要承擔(dān)安全控制、起爆控制兩大功能。安全控制功能阻止引信意外解保，主要通過(guò)串聯(lián)在起爆能量通道上的冗余、獨(dú)立的保險(xiǎn)件實(shí)現(xiàn)。起爆控制功能通過(guò)無(wú)線電、光、聲、磁等物理場(chǎng)探測(cè)識(shí)別彈目交會(huì)參數(shù)，自主識(shí)別目標(biāo)與起爆條件，按照預(yù)定的起爆模式發(fā)出起爆控制信號(hào)。對(duì)目標(biāo)傳感器信息進(jìn)行處理、決策的電路稱為起爆控制電路。由于起爆控制電路承擔(dān)著最終發(fā)出引爆指令的任務(wù)，其可靠性歷來(lái)受到工程設(shè)計(jì)者的高度重視。

起爆控制電路一般基于嵌入式微處理器實(shí)現(xiàn)，與其類似的產(chǎn)品包括彈載計(jì)算機(jī)、星載計(jì)算機(jī)等。起爆控制電路特點(diǎn)是：

1)貯存時(shí)間長(zhǎng)，工作時(shí)間短。引信系統(tǒng)的貯存期長(zhǎng)達(dá)10年以上，期間不加電。工作時(shí)間僅在彈目交匯的數(shù)分鐘到數(shù)秒間不等。

2)一次性動(dòng)作。盡管起爆控制電路是可以重復(fù)使用，但其最終動(dòng)作將導(dǎo)致火工品動(dòng)作，使得其自身也稱為一次性產(chǎn)品。加之彈目交匯區(qū)、最佳毀傷點(diǎn)范圍較小，僅有的一次動(dòng)作機(jī)會(huì)下，早動(dòng)(造成早炸)、晚動(dòng)(造成瞎火)都會(huì)使作戰(zhàn)效果大打折扣。

3)可靠性指標(biāo)要求極高。

4)具有可檢測(cè)性。引信安全控制電路在貯存和發(fā)射前是不允許直接加電檢測(cè)的。但起爆控制電路與安全性無(wú)關(guān)，具有可測(cè)試性。

對(duì)引信起爆控制電路的可靠性設(shè)計(jì)鮮見(jiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[1]針對(duì)集束彈藥引信進(jìn)行了研究，僅簡(jiǎn)單地假設(shè)了采用控制電路雙套并聯(lián)的模式，并未探討該模式對(duì)引信整體可靠性提升的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[2]對(duì)兩種冗余模式的引信可靠度進(jìn)行了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的預(yù)計(jì)，各模塊可靠性范圍是基于假設(shè)，且并未考慮長(zhǎng)期貯存剖面。對(duì)于彈載計(jì)算機(jī)，因其一次性消耗、無(wú)人操縱、執(zhí)行任務(wù)相對(duì)單一、飛行時(shí)間短等特點(diǎn)，多采用無(wú)裕度配置方式[3]。而星載計(jì)算機(jī)常年在空間輻照環(huán)境下運(yùn)行，針對(duì)單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)一般采取多模冗余架構(gòu)[4]。

筆者根據(jù)起爆控制電路的可靠性特點(diǎn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和故障物理相結(jié)合的方法，詳細(xì)比較了雙套并聯(lián)冗余和非冗余方案(稱為單套設(shè)計(jì))的可靠性水平差異，結(jié)合電路設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了工程方案選擇建議。

1 起爆控制電路方案設(shè)計(jì)

給出某引信起爆控制電路的兩種設(shè)計(jì)方案：雙套并聯(lián)冗余方式；單套設(shè)計(jì)方案。

雙套并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)方案如圖1所示。采用了兩片微處理器，外配相應(yīng)的電源模塊、存儲(chǔ)器、總線控制器、AD芯片。為了便于雙套之間調(diào)度，采用串口進(jìn)行片間通信。假設(shè)系統(tǒng)采用了兩種目標(biāo)傳感器，分別采用總線接口和模擬信號(hào)與起爆控制電路相連。因?yàn)閮煞N傳感器采用了不同的物理場(chǎng)探測(cè)技術(shù)，所以是互補(bǔ)關(guān)系，傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)該綜合進(jìn)入到微處理器中進(jìn)行信息融合、決策，即交叉并聯(lián)模式。當(dāng)然，一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)處理器的模式也是一種選擇，即獨(dú)立并聯(lián)模式。微處理器的輸出驅(qū)動(dòng)能力較弱，一般需要進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)才能使得脈沖功率電路中的高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以處理器外配置功率驅(qū)動(dòng)電路。

單套設(shè)計(jì)方案相對(duì)簡(jiǎn)潔，如圖2所示。

根據(jù)兩種方案，分別設(shè)計(jì)兩種起爆控制電路。兩種電路所采用的元器件型號(hào)一致，暫不考慮軟件故障，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和故障物理方法比較兩種方案的可靠性差異。

2 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性預(yù)計(jì)

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性建模與預(yù)計(jì)方法充滿爭(zhēng)議，根源在于其所依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型的準(zhǔn)確性。但是，在進(jìn)行多方案比較和選擇，尤其是架構(gòu)設(shè)計(jì)階段缺乏產(chǎn)品的詳細(xì)物理模型和參數(shù)時(shí)，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果是有指導(dǎo)意義的[5-6]。

引信經(jīng)歷貯存剖面、運(yùn)輸剖面、檢測(cè)剖面、飛行工作剖面。引信主要受溫度、濕度影響，貯存剖面時(shí)間最長(zhǎng)；運(yùn)輸剖面受長(zhǎng)時(shí)間低頻振動(dòng)影響，但引信電路一般要承受較高量級(jí)的飛行力學(xué)環(huán)境，所以運(yùn)輸振動(dòng)影響相對(duì)來(lái)說(shuō)可以忽略；檢測(cè)剖面有數(shù)分鐘到數(shù)秒量級(jí)的電應(yīng)力，影響相對(duì)較??；飛行剖面需承受飛行力熱環(huán)境和電應(yīng)力，但時(shí)間極短?；谏鲜龇治?，引信可靠度可以表示為

R=R0R1，

(1)

式中：R0為引信的貯存可靠度；R1為引信工作可靠度。

因?yàn)橘A存期內(nèi)導(dǎo)彈需要檢測(cè)維修，引信系統(tǒng)產(chǎn)生的故障也將得到檢測(cè)，R0應(yīng)采用基本可靠性模型，無(wú)論單套還是雙套，均為所有元器件的全串聯(lián)模型。工作期間引信屬于一次性產(chǎn)品、不可維修，所以R1采用任務(wù)可靠性模型，單套方案采用串聯(lián)模型，而雙套并聯(lián)方案的可靠度為兩個(gè)單套方案并聯(lián)的結(jié)果。

單套實(shí)驗(yàn)電路共用元器件20種90個(gè)：電容器4型31個(gè)；微處理器、存儲(chǔ)器、CAN收發(fā)器、晶振、磁珠、電感、線性穩(wěn)壓器各1片；電阻7種46只；二極管1種5只；MOSFET為1只。根據(jù)元器件清單，對(duì)照GJB 299C—2006查找各元器件的工作剖面下的失效率，對(duì)照GJB/Z 108A—2006查找各元器件非工作剖面下的失效率，進(jìn)行預(yù)計(jì)。貯存壽命取10 a，加電工作時(shí)間1 min，預(yù)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠度預(yù)計(jì)結(jié)果

從預(yù)計(jì)結(jié)果看出，起爆控制電路單套設(shè)計(jì)方案比雙套并聯(lián)冗余方案全壽命期可靠度略高(0.99>0.98)。其原因是：極短工作時(shí)間(1 min)，雙套并聯(lián)不能帶來(lái)可靠度實(shí)質(zhì)性的增長(zhǎng)，反而由于其貯存時(shí)間極長(zhǎng)，貯存帶來(lái)的產(chǎn)品可靠度下降比較明顯，雙套并聯(lián)將帶來(lái)更大的貯存失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 基于故障物理的可靠性預(yù)計(jì)

故障物理(PoF，physics-of-failure)方法通過(guò)分析產(chǎn)品的故障模式，了解故障變化的本質(zhì)，研究故障產(chǎn)生的機(jī)理，建立材料、結(jié)構(gòu)等性能參數(shù)與環(huán)境應(yīng)力之間的關(guān)系模型，從而揭示故障發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程。與基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的預(yù)計(jì)方法不同，故障物理是對(duì)故障微觀層面的認(rèn)識(shí)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)有直接的指導(dǎo)意義。針對(duì)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，將所有的元器件、零部件和互連等看成是潛在故障點(diǎn)，分析這些潛在故障點(diǎn)可能存在的故障模式、故障機(jī)理，而后根據(jù)產(chǎn)品壽命周期的環(huán)境條件和工作應(yīng)力，確定可能發(fā)生的故障，并收集該故障所對(duì)應(yīng)的物理模型中的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等參數(shù)。

認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品故障機(jī)理后，一種方式可以建立產(chǎn)品的數(shù)字模型，利用計(jì)算機(jī)仿真得到各故障點(diǎn)的應(yīng)力，結(jié)合故障物理模型及概率化方法，得到可靠性指標(biāo)；另一種方式是采用基于服役應(yīng)力加載的試驗(yàn)方法，如加速壽命試驗(yàn)或可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，來(lái)評(píng)估壽命。筆者按照引信電路在壽命期內(nèi)承受的應(yīng)力類型進(jìn)行分類，并分別按照故障物理仿真和加速試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

3.1 溫濕度應(yīng)力導(dǎo)致的失效

只要在正常范圍內(nèi)，溫濕度應(yīng)力對(duì)元器件、焊點(diǎn)、印制板產(chǎn)生的影響是緩慢的過(guò)程，而引信的貯存時(shí)間最長(zhǎng)，因此主要考慮貯存期內(nèi)溫濕度應(yīng)力的影響。考慮到元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和多樣性，難以建立準(zhǔn)確的材料、結(jié)構(gòu)模型，筆者主要以加速試驗(yàn)的方式評(píng)估其貯存壽命。制造印制板組件后，根據(jù)所有元器件的材料、結(jié)構(gòu)特性，識(shí)別敏感參數(shù)。因元器件均進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)，所以對(duì)濕度不敏感，采用基于溫度為主的加速試驗(yàn)，獲得貯存壽命評(píng)估結(jié)論，主要器件情況如表2所示。

表2 元器件加速壽命試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，元器件、焊點(diǎn)、印制板的貯存壽命均能滿足20 a以上的要求，這與是否采用冗余并無(wú)關(guān)聯(lián)，或者說(shuō)，并不需要冗余設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)貯存壽命的不足。

3.2 力學(xué)環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致的失效

引信在壽命期內(nèi)的運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)、發(fā)射、飛行等剖面會(huì)經(jīng)受力學(xué)環(huán)境，某典型引信的周期力學(xué)環(huán)境可等效為“振動(dòng)1→沖擊1→振動(dòng)2→沖擊2→振動(dòng)3→沖擊3→加速度”的序貫環(huán)境試驗(yàn)條件。筆者采用的單個(gè)循環(huán)周期力學(xué)條件特征如表3所示。表中PSD是指功率譜密度(Power Spectral Density)。

表3 某引信生命周期內(nèi)力學(xué)環(huán)境條件

力學(xué)應(yīng)力主要對(duì)焊點(diǎn)造成疲勞損傷，最后導(dǎo)致斷裂。由隨機(jī)振動(dòng)引發(fā)的焊點(diǎn)疲勞失效屬于高周疲勞失效，其疲勞壽命計(jì)算可采用Steinberg模型[7]：

(2)

式中：N2為疲勞循環(huán)壽命，經(jīng)歷1次表3序貫環(huán)境試驗(yàn)條件稱為1個(gè)循環(huán)；N1為Steinberg方程的壽命，通常取2×107；b為焊料振動(dòng)疲勞因子，一般取0.156，針對(duì)不同焊料，根據(jù)其振動(dòng)試驗(yàn)S-N曲線的結(jié)果取值；Z1為Steinberg方程的位移(mm)，計(jì)算公式為

(3)

式中：t為印制板層的厚度(mm)；L為封裝體器件的長(zhǎng)度(mm)；B為平行于器件的PCB板層的長(zhǎng)度(mm)；c為不同封裝類型的器件常數(shù)，分別取值1.0(標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式封裝DIP)、1.26(小外形封裝SOP、塑封無(wú)引線芯片載體PLCC、方型扁平式封裝QFP)、1.5(球柵陣列BGA)、2.25(無(wú)引線芯片載體)；Z2為最大允許位移(mm)，計(jì)算公式為

(4)

式中：Pmax為指定的最大功率譜密度(g2/Hz)；Rxy為相對(duì)板層的器件曲率；fn為PCB板的固有頻率(Hz)。

根據(jù)環(huán)境條件，獲得最大功率譜密度，計(jì)算Z1、Z2，代入式(2)即可得到焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞循環(huán)壽命。

計(jì)算結(jié)果表明，板級(jí)電路上4個(gè)BGA封裝器件屬于最薄弱環(huán)節(jié)，其失效前循環(huán)數(shù)均低于10 000次，但遠(yuǎn)大于1 000次。4個(gè)DIP封裝失效前循環(huán)次數(shù)如表4所示，其中，損傷率均為10-3以下,遠(yuǎn)小于1，說(shuō)明距離失效裕量充足。

表4 DIP封裝失效前循環(huán)數(shù)

計(jì)算表明，只要元器件質(zhì)量合格、電裝工藝得到有效控制，引信電路板在引信典型力學(xué)環(huán)境條件剖面下有足夠的可靠性。

文獻(xiàn)[1]對(duì)集束彈藥引信電路板進(jìn)行了失效物理仿真，加載的條件包括：18 a可控的貯存環(huán)境、2 a失控貯存環(huán)境、公路運(yùn)輸、炮筒發(fā)射沖擊。仿真結(jié)果表明，20 a貯存期后，最薄弱點(diǎn)損傷率仍低于0.14，產(chǎn)品滿足壽命要求。

3.3 電應(yīng)力導(dǎo)致的失效

引信起爆控制電路在壽命周期內(nèi)面臨定期檢測(cè)和飛行過(guò)程加電工作兩種電應(yīng)力，兩者的加電時(shí)間都很短，基本小于1 min。

一般認(rèn)為集成電路主要的失效機(jī)理有4種，包括：熱載流子注入(HCI，Hot Carrier Injection)、負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI，Negative Bias Temperature Instability)、與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿(TDDB，Time Dependent Dielectric Breakdown)以及電遷移(EM，Electromigration)。根據(jù)文獻(xiàn)分析其失效時(shí)間：

1)熱載流子效應(yīng)。是MOS管漏端高能電子和空穴注入到柵氧引起器件的特性退化。文獻(xiàn)[8]對(duì)環(huán)形振蕩器進(jìn)行了仿真，該電路基于0.25 μm的CMOS工藝制造，電源電壓2.5 V。仿真結(jié)果表明，產(chǎn)生HCI效應(yīng)需要10 a以上加電工作。

2)負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性。高溫條件下，當(dāng)柵上加一負(fù)偏壓時(shí), PMOSFET器件的特性會(huì)發(fā)生顯著的退化。隨著器件尺寸的不斷減小，超深亞微米PMOSFET的NBTI效應(yīng)已經(jīng)成為限制器件可靠性的重要因素之一。文獻(xiàn)[9]對(duì)65 nm體硅工藝的PMOSFET進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，1 000 s后各項(xiàng)直流參數(shù)變化約5%。當(dāng)前引信電路主要集中在微米級(jí)工藝，該失效模式不顯著，且并未在工程中觀察到。

3)與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿。在長(zhǎng)時(shí)間低電壓作用下，電子產(chǎn)品柵極氧化層會(huì)逐漸發(fā)生擊穿效應(yīng)而失效。經(jīng)仿真和試驗(yàn)表明[10]，TDDB效應(yīng)的產(chǎn)生以年計(jì)。

4)電遷移。晶體管特征尺寸進(jìn)入到了納米級(jí)，但是電源電壓并沒(méi)有按相應(yīng)的比例降低，導(dǎo)致金屬互連線中的電流密度不斷增加。在外加電場(chǎng)影響下，陰極電子向陽(yáng)極方向流動(dòng)，已知電子、金屬離子相互碰撞會(huì)轉(zhuǎn)移動(dòng)量給金屬離子，促使金屬離子跟隨電子運(yùn)動(dòng)，引發(fā)質(zhì)量傳輸，實(shí)體上就會(huì)形成空洞或小丘，造成金屬導(dǎo)體斷路或者短路，這一現(xiàn)象稱為電遷移。典型計(jì)算表明，鋁合金互連線在電流密度5.3 GA/m2、105 ℃條件下工作10 a的EM失效概率小于0.13%。

上述分析表明，在引信起爆控制電路工作的數(shù)分鐘到數(shù)秒鐘內(nèi)，集成電路本身產(chǎn)生的失效可以忽略。

4 結(jié)論

極長(zhǎng)的貯存時(shí)間、極短的工作時(shí)間和一次性工作的特點(diǎn)，賦予了引信電路獨(dú)特的可靠性特點(diǎn)?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性預(yù)計(jì)表明，非冗余設(shè)計(jì)方案在全壽命周期內(nèi)的可靠度高于冗余方案。基于故障物理的可靠性試驗(yàn)和仿真表明，正常的貯存、運(yùn)輸、飛行所產(chǎn)生的力、熱、電應(yīng)力不足以引起引信起爆控制電路失效，無(wú)論是冗余設(shè)計(jì)還是非冗余設(shè)計(jì)電路，只要控制好初始缺陷，其可靠性是有足夠保證的。

除了對(duì)抗、侵徹等極端環(huán)境帶來(lái)的過(guò)應(yīng)力失效外，引信電路在實(shí)際工程中所出現(xiàn)的問(wèn)題大多可歸結(jié)為初始缺陷，這種缺陷無(wú)法通過(guò)冗余設(shè)計(jì)來(lái)預(yù)防，最佳的實(shí)踐是通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、通用化設(shè)計(jì)來(lái)降低設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷。非冗余設(shè)計(jì)方案將使得軟硬件簡(jiǎn)潔、電磁兼容性好，更有利于設(shè)計(jì)師聚焦產(chǎn)品固有質(zhì)量，且對(duì)引信小型化、低成本有著實(shí)質(zhì)性的改善。