弹载激光探测器失效模式分析及预防措施研究

李玉宝，刘 兵，邓 敏，杨 川

(驻209所军事代表室，成都 610041)

0 引言

随着精确制导技术的发展，作为制导“眼睛”的激光探测器也得到了广泛的运用。由于炮弹用激光探测器，其使用环境和工作条件与安装在地面设备上的激光探测器有很大不同，其一旦失效则直接影响到炮弹的制导作用，严重降低作战效能。但目前的可靠性设计中往往考虑的影响因素不全，对潜在的失效模式及后果分析不充分，导致预计可靠性与实际可靠性有较大的差异[1]。因此，采用 FMEA 方法[2]，针对弹载激光探测器的特点，进行失效模式及影响分析并采用系统有效的预防措施，是提高弹用激光探测器可靠性的有效途径[3]。文中从弹载激光探测器的典型结构、基本原理和特点入手，采用故障树分析方法[4]，重点分析了弹载激光探测器交付安装后的主要失效模式及影响，并提出了预防措施。

1 基本原理、结构及功能

1.1 基本原理

弹载激光探测器的基本原理是，从目标反射回的微弱激光信号，经壳体光窗入射到光敏芯片上，通过硅雪崩二极管的量子效率增益作用将目标距离的光信号转换成电流信号，再经放大电路转换为电压信号并滤波和整形处理后输出，成为弹体飞行轨道的控制信号。

1.2 典型结构及功能

弹载激光探测器，配备载体和作战任务不同，其型号不同，结构略有不同，但一般均包含三大部分，即带透视光窗的壳体、光敏芯片(APD芯片)和前置放大电路，如图 1所示。

图1 激光探测器典型结构图

带透视光窗的壳体，为T0封装的密封结构，由光窗、管座和管帽组成。光窗采用上窗口玻璃外封结构，要求激光透过率高且抗冲击强度好，保证反射激光能准确入射到光敏芯片上;管座带有金属底座烧结的管角，定位安装光敏芯片和前放电路快，实现电连接;管帽内充氮气后采用储能封焊，保障光敏芯片和前放电路与外界气密封接又直接承载炮射冲击力。

光敏芯片，是探测器的核心元件，常采用具有增益效果的硅单晶作为基质材料的达通型硅雪崩二极管，将入射光信号转化为电流信号。

前置放大电路，由厚膜电路基片、片式电阻、电容及晶体管芯等元件通过厚膜混合集成而成。其功能是将经APD光敏芯片转化成的微弱电流信号转换成电压信号并整形输出。

2 主要特点

弹载激光探测器相对于装载在地面设备上的探测器具有使用条件更恶劣、储存性、可靠度要求更高等特点。

1)工作时间短。随弹体发射，一般飞行末端开始工作，经短暂工作数十秒后随任务终结而消亡。加上所有生产过程及检验测试时间，其通电工作时间也不超过1h。

2)一次性使用，不可维修和检测。采用全封装结构，随弹体一次性使用，装弹后无法维修，难以定量的检测其探测精度。

3)使用环境恶劣。特别是要承受弹体发射时的高过载强冲击，如某型激光探测器要承受15000g以上的轴向过载冲击。

4)精度要求高。探测器的入射光窗很小，为保证探测不失真，就必须确保APD芯片的P面进光区与雪崩倍增区高度重合，光刻对准精度要求很高;同时光敏面到光窗的距离精度决定了光路精度，直接影响到光敏芯片所能接受的反射光的质量。

5)壳体内的洁净度要求高。要求光敏芯片的硅片必须保持高洁净度才能保证进光面增透和背光面增反以提高量子效率。一旦遭污染，则会量子效率降低，探测灵敏度下降。

3 失效模式、影响及原因分析

根据弹载激光探测器的典型结构、功能可以看出，可能导致失效的环节有4个:光敏芯片、前置电路、带光窗壳体及元件的粘结和引线键合。只要任何一个环节失效都会导致探测器无法正常工作。

潜在的失效可能在生产、储存与使用的任何一个过程出现[3－5]，由于生产过程的失效可以通过出厂检验发现并剔除，封装上弹后则无法检测和维修，一旦在储存和使用中发生失效则会导致炮弹制导功能的丧失。文中侧重分析激光探测器交付安装后的主要失效模式及影响。

探测器的失效按后果影响可分为完全失效和部分失效[1－4]。完全失效是指没有电信号输出，丧失制导功能;部分失效是虽能工作且有电信号输出，但探测灵敏度降低，信号失真，导致对目标探测距离等信息计算出现偏差。

常见的失效模式，按失效原因可分为自然物理失效、工作失效和老化失效三大类[1－3]。自然物理失效，是指由器件、零件自身固有的缺陷导致的失效;工作失效，是指在工作条件下由于受到外界机械应力、热应力、电应力等作用下，超过其所能承载的过应力导致的脱落、损坏和烧毁等，产生永久失效;老化失效，一是指因长期使用导致磨损、疲劳致使功能下降或丧失，二是指长期储存后，由于器件内部的物理化学反应或零件残余应力的释放，以及受到外界环境的侵蚀、污染等，导致功能下降或丧失(弹载激光探测器的老化失效属于后者)。而在实际的应用中，不同阶段的失效往往是一种或几种失效模式的综合体现[3－5]。

3.1 电子元器件物理失效

光敏芯片及晶体管芯等电子元器件失效将导致丧失探测功能，属于完全失效。其原因，一是器件本身固有缺陷的自然失效，常发生于工作早期[5];二是工作失效，因工作过程中大电流作用而烧毁，多发生于突发性强光照射产生较大光电流或电源异常产生大电流;三是老化失效。长期储存后，器件自身老化或因壳体密封失效使内部器件受污染、腐蚀导致失效。

3.2 光窗玻璃裂纹或破碎

光窗裂纹如发生在生产过程中或储存期间，一般是因其封装后内应力消除不彻底，由残余应力导致[5－6]，直接影响探测器的密封性和工作时的抗过载冲击能力。裂纹或破碎若发生在炮射强冲击后，其原因一是玻璃选材不当，抗冲击强度不够;二是壳体结构设计不合理，存在应力集中而缺乏缓冲措施[3]。光窗破碎后的玻璃碎渣会由于过载力的作用飞进壳体撞击和破坏内部电路导致探测器完全失效。光窗裂纹会降低玻窗透光率导致灵敏度降低，虽仍有信号输出，但信号失真已部分失效。

3.3 壳体变形

一是壳体加工、封装等过程中残余内应力释放导致变形;二是炮射冲击力导致变形[3]。内应力导致的变形往往会影响光窗平面度、光敏面到光窗的距离及APD芯片的P面进光区与雪崩倍增区的重合度，导致探测精度下降的部分失效。炮射冲击力导致的变形，可能导致光轴偏斜，影响探测精度。

3.4 元件的粘结和引线键合失效

表现为炮射强冲击使元件脱落，导致电路失去有效连接及芯片损坏，无信号输出，是完全失效[3－7]。由于探测器除了电子元件及电路间用金丝和硅铝丝键合外，还普遍大量采用了包括导电胶和绝缘环氧胶来粘接APD支架和电容等元件及加固，元件脱落往往是因粘接强度不够导致。其原因，一是粘接剂选材不当，其耐高低温能力及抗剪切力差;二是粘接面积小，粘接胶剂量不足;三是粘结胶老化，或在生产过程中粘接剂因多次开封使用氧化，粘接性能下降。

3.5 密封性失效

探测器对内部的洁净度要求很高，目前广泛采用充氮封装，内部电路及芯片均处于氮气密封环境内。密封性失效有二种模式，一是炮射强冲击使壳体变形或玻窗裂纹漏气，此时离器件工作直至消亡的时间很短，不会产生大的影响，可视为部分失效;二是渐进失效。储存时间长，因使用环境变化及内应力导致壳体变形等，使壳体内氮气逐步泄露，内部电路及芯片等不能得到氮气的有效保护，使其内部受到外界环境中的水气和带电粒子及内部粘接胶的挥发元素的长时间作用影响，则可能使器件和芯片锈蚀和污染，丧失电气功能[7－8]。渐进型密封失效的影响及危害性极大，不仅直接影响到探测器的储存性，其失效还将衍生其它的失效。

3.6 环氧胶粘结剂的挥发污染

探测器使用的粘接胶大都具有挥发性，其逐步挥发出来的物质颗粒在密封壳体内难免会附着在光窗玻璃上造成污染[9]，影响光窗透光性。若挥发物质含有重金属杂质，则会污染光敏芯片的硅片，导致量子效率降低致使灵敏度降低。同时其挥发的个别有害物质可能还会腐蚀电子器件，致使电性能下降。特别是在高温或密封性失效失去氮气保护后，其影响会更加明显。

从以上分析可以看出导致失效的主要“原凶”是过载冲击力、残余内应力、老化和污染等，是日积月累的渐变失效。由于生产周期短，在出厂检验中难以发现和剔除，给弹的使用可靠性带来了很大的隐患。

4 预防措施与对策

4.1 严格选材，实施减额设计，提高元器件的使用可靠性

电子器件应选用成熟的高可靠度军用器件，并根据降额设计准则进行降额设计。光窗玻璃选择上，应选择光透性及溶封性能好、强度高的电子玻璃材料，如2619电子玻璃的综合性能较好[8－10]。

4.2 加大筛选，剔除早期缺陷，降低自然失效率

“养弹千日，用在一刻”。因是一次性使用器件，有效工作时间短，可增加筛选周期次数和适当增加筛选严酷度，使器件尽早进入寿命和适当增加筛选严酷度，使器件尽早进入寿命周期的“青壮年”稳定期(即寿命“浴盆曲线”的中期)，最大限度地剔除早期缺陷[6]。这样可大大降低光敏芯片及晶体管芯等电子元器件的自然物理失效。

4.3 优化结构，控制去应力工艺，消除或减少管壳变形

图2 斜顶管帽结构

一是壳体结合部或转弯处，应多采用圆弧拱形结构，避免锐角，减少应力集中[5－6];二是由于火炮发射的主要冲击力是轴向，首先作用在管帽上，可采用管帽顶斜面结构(如图2)，将轴向冲击力向径向分解，以管帽侧壁的变形缓冲和减弱对光窗及管座的轴向冲击破坏[7];三是对容易形成内应力的压铸、焊接和封装等特殊工艺，要严格控制工艺参数，减少内应力，同时增加去应力工序[8];四是因残余内应力在初期的释放并导致变形最明显[9]，适当延长管壳成型至器件封装的时间周期，留足残余应力的时效释放时间，有利于发现残余应力的变形并校正或剔除;五是在探测器与安装基体间采取缓冲措施，减少刚性冲击[7－11]。

4.4 加固器件，增加器件键合粘接强度，提高其连接的抗过载冲击能力

激光探测器的元器件键合，目前通常的工艺手段是在用金丝和硅铝丝键合后采用导电银浆粘接。但导电银浆粘接的抗剪切强度较弱，且在高温条件下其粘接强度明显趋弱[9]，影响抗高温过载冲击能力。通过对多种粘接胶的理化性能分析和对比验证试验，表明环氧绝缘胶的耐高温性和抗高剪切强度性能明显优于导电银浆[9]。某加榴炮末敏弹激光探测器，对于管座与垫片及垫片与电路基片不需要考虑导电性的粘接面采用了DG－2胶进行加固;对电容及管芯支架在完成电路键合和银浆粘接后，再用耐高温和具有高剪切强度的CD－308、DG－4环氧绝缘胶进行外围点胶加固，增大粘接面积，其粘接强度比导电银浆粘接强度增加2～3倍，经15000g的高温过载试验验证，性能良好。

4.5 慎选粘胶，控制其副作用，减少隐患

采用胶粘接，虽能有效加固器件，提高抗过载冲击能力，但也带来了副作用，一是粘胶易于挥发，造成污染;二是粘胶容易老化，经长期储存后可能失效而失去加固作用[9]。因此在设计上选择粘胶时应充分考虑以下因素，一是粘胶的挥发性及其物理化学成分，挥发的元素中是否含有重金属，特别是铜、铁、锰等元素，防止重金属杂质的污染降低量子效率及腐蚀金属膜层;二是粘胶的老化失效问题。在目前普遍缺乏有效储存数据的情况下，应进行人工加速老化试验，以掌握其有效寿命;三是粘接胶的挥发在初期最大，在工艺设计中应留足粘接后与封装的时间间隔，使胶粘剂充分挥发后再封装，以减少其挥发污染。

4.6 增加储存后密封性检测手段

经过长期储存后，使用前必须进行探测器密封性检测。若密封性失效，即使此时电性能合格，该探测器也不能使用。但目前尚没有装弹储存后对探测器密封性检测的手段，对使用可靠性带来了很大隐患。因此应加强可测试性设计，一是从设计上增加装机后探测器检测口，进行非破坏性检测;二是随机抽样，进行破坏性解剖检测，确定密封性的保持程度，以评价该批探测器的可用度。

5 结论

弹载激光探测器，具有一次性使用、装弹后不可检测、不可维修等特点，决定了其必须具有很强的储存性和可靠性。但由于生产周期较短，残余内应力、污染、老化和密封泄漏等渐变失效因子是日积月累的过程，在出厂检验中难以发现和剔除，很容易被忽视，给弹的使用可靠性带来了很大的隐患。采用FMEA方法，进行失效模式及影响分析，并采用减额设计、增加筛选次数、优化壳体结构和工艺、采用环氧绝缘胶并增大粘接面积来加固元器件等系统有效的预防措施，是提高弹用激光探测器可靠性的有效途径。

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