引信典型电子部件长储性能加速退化试验方法

吴英伟，齐杏林，郑　波，赵铁山

(1.解放军军械工程学院，河北 石家庄　050003;2.总装军械技术研究所，河北 石家庄　050000)



引信典型电子部件长储性能加速退化试验方法

吴英伟1，齐杏林1，郑波2，赵铁山1

(1.解放军军械工程学院，河北 石家庄050003;2.总装军械技术研究所，河北 石家庄050000)

针对目前引信电子部件储存性能退化或失效原因研究较少、储存失效原因尚不明确的问题，提出了引信典型电子部件长储性能加速退化试验方法。该方法通过对两个已经储存10年的引信典型电子部件样本开展加速退化试验，定位了易发生退化或失效的元器件。失效原因分析表明，随着时间推移，电子部件零点漂移退化趋势越发明显，而其他参数则相对稳定，电阻元件本身白噪声可能导致电阻元件性能退化。同时，长储导致键合丝断开可能会造成运算放大器性能退化，影响引信可靠性。确定了长储后的引信电子部件在进行检测时应重点关注电阻元件和运算放大器。

典型；电子部件；长期储存；性能退化

0　引言

电子部件在引信系统中起着至关重要的作用，以引信典型电子部件为例，电子部件可以将连续电脉冲信号转换成电信号，主要进行信号放大、整形和滤波，进而形成控制信号，对引信起到控制作用。电子部件一旦出现故障，引信将不能可靠起爆战斗部，影响甚至导致整个弹药系统失效，然而，目前针对引信电子部件储存性能退化或失效原因研究较少，储存失效原因尚不明确。针对此问题，本文提出了引信典型电子部件长储性能加速退化试验方法。

1　电子部件失效模式预测及性能检测

引信典型电子部件由电子元器件和其塑封材料组成，电路部分组成如图1所示。

图1　电子部件电路框图Fig.1　Circuit diagram of electronic device

1.1失效模式预测

电子部件的多条电路通道都是由阻容元件、三极管和运算放大器组成，都属于电子元器件，虽然失效模式有差别，但是失效原因都是元器件的失效，而且不同电路中包含的电子元件数量相当，所以电子部件的失效可能发生在任一元件。依据FMEA对电子部件进行失效分析，其失效模式可以归纳为：

1)在进行信号放大过程中，整形电路发生失效，导致输出信号幅度偏低甚至无输出；

2)滤波电路发生失效，电压传输未经滤波，导致输出电压过高；

3)标定(或校正)电路发生失效，将导致输出电压难以满足要求。

1.2电子部件检测

根据部件失效模式预测，有针对性的选取检测项目，通过电子装置检测试验台对其性能进行自动检测，获得其性能退化的数据。具体检测方法如图2所示，检测项目以及检测部位如表1所示。

图2　电子装置检测方法示意图Fig.2　Diagram of electronic device detecting method

检测项目含义检测部位正负消耗电流电子装置电路在正负电压作用下分别消耗的电流值板间连接零点漂移没有信号输入、只加电源时,电子装置的输出电压各级运放传输系数四个频率信号的响应能力,输出电压和输入频率的比值带通电路运放脉动幅度同一信号输入时输出电压最大最小值之差低通滤波电路运放输出电压差大信号和小信号分别输入时输出的电压差整形电路电容输出相位差大信号和小信号分别输入时输出的相位差限幅放大电路电容

2　加速退化试验方法

加速退化试验是在失效机理不变前提下，通过高应力水平下产品性能退化数据去外推和预测正常应力水平下产品的寿命特征，可以有效解决传统可靠性寿命试验时间长、效率低和费用高的问题[1]。为节省试验时间和成本，本试验选取两个已经储存10年的引信典型电子部件进行加速退化试验，定时检测正负消耗电流I、零点漂移UO、传输系数k、脉动幅度UF、输出电压差UC、以及输出相位差φ。

结果显示，两个样本的UF、UC、k和φ始终维持在稳定水平，无明显退化趋势。I变化趋势如图3、图4所示；UO变化趋势如图5所示。

图3　1#电子装置消耗电流趋势图Fig.3　Current trend of electronic device sample 1#

图4　2#电子装置消耗电流趋势图Fig.4　Current trend of electronic device sample 2#

图5　电子装置零点漂移趋势图Fig.5　Zero drift trend of electronic device sample

由图3和图4可以看出，1#、2#两个电子部件样本正负消耗电流变化规律十分相近。针对正消耗电量，两个样本都稳定在50mA，1#样本最大值50.841mA，最小值49.283mA；2#样本最大值50.776mA，最小值49.613mA。针对负消耗电流，1#样本在37.746mA附近波动，最小值34.244mA，最大值40.034mA；2#样本在35.877mA附近波动，最小值30.621mA，最大值38.145mA。可以看出，负消耗电流的波动幅度明显较大。由图5可以看出，两个样本零点漂移均发生了较明显的变化，说明随着时间推移，电子部件零点漂移有明显的退化趋势。

加速退化试验必须保证退化机理不变才能真实反应部件实际退化机理。因此，对退化机理不变性进行检验。在温度应力下，部件零点漂移退化速率用Arrhenius方程[2-4]表示为：

(1)

式中M代表退化速率，Q代表激活能，A代表常数，E表示活化能，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

图6　零点漂移与-1/T关系Fig.6　Relation between -1/T and ln (dM/dt) of zero drift

3　失效原因分析

零点漂移是由电子部件电路的整体特性决定的，理想情况下各电子元件都是理想器件，在没有输入的情况下，电路输出应该为零。实际上电子元件都是非理想器件，零漂、温漂普遍存在，长期储存后由于电子元件的老化，零漂、温漂现象更加明显。

零点漂移由于电路存在噪声电压而产生，与电路中每一个元件均有关，电阻元件自体存在白噪声，相互之间也会产生干扰噪声；大量的运算放大器分布在每个电路中，一个元件产生噪声会经本电路和下级电路多次放大。长储后，电子元件会发生老化，导致噪声增大，电子元件基数较大，退化会进行累积，所以退化趋势会更加明显。下面对电阻元件和运算放大器性能退化机理进行分析。

3.1电阻元件失效机理分析

不同的电子器件产生的噪声类型不尽相同，但是所有电子器件都存在热(白)噪声。热噪声是由电子的热振动引起的，所以与温度相关，温度越高热噪声越大。高温检测时温度高于常温，所以各电子器件的热噪声比常温时大，最终表现为高温时整个电路的噪声电压比常温时要大。

电阻中自由电子和振动离子之间热量相互作用导致白(热)噪声的产生[5]，其功率可由约翰逊公式得到：

P=k×T×BW

(2)

用电压源的平方表示热电压,即：

e2=4kTR×BW

(3)

式(2)、式(3)中，P为噪声功率；k为玻尔兹曼常数；T为温度；BW为系统带宽；e2为热电压；R为电阻。

长储后电阻阻值会增大，由式(3)可知，热电压会随着电阻的增大而升高，进而导致热噪声增大，且温度越高越明显。

增大电路中某些电阻的阻值模拟长期储存造成的阻值增大。利用Multism软件对电路进行热噪声仿真分析，结果如图7所示。

图7　噪声功率谱密度曲线Fig.7　NPSD curve of circuit

图7中曲线代表输出噪声功率谱密度，由图可见在低频率域内，输出噪声较大，随着频率增大，输出噪声慢慢减小。增大电阻阻值后输出噪声平均值在0.51mV左右，说明长期储存会增大电路的热噪声。

3.2运算放大器失效机理分析

运算放大器芯片通过导电胶与底座粘结在一起，储存过程中，导电胶性能会发生退化，导致导电胶粘结力退化甚至丧失，可能造成芯片与底座发生部分或完全分离，一旦经受来自外界机械作用力，键合丝就可能断开[6-7]，致使运算放大器产生零点漂移，且随着储存时间推移，零点漂移越大，性能退化越明显。

此外，储存条件下，运算放大器会受到温度和湿度共同作用，不同温度和湿度的循环对芯片产生拉伸和压缩应力，会导致在不同材料接触面上产生应力差，进而会产生疲劳累积，经过长时间储存后，疲劳累积失效可能会使芯片破裂或剥离；同时，温湿度共同作用也会在三极管内引线键合界面产生电化学腐蚀效应，从而产生微裂纹，累积效应会导致引线键合点处与引线柱脱离，这两点都会导致运算放大器产生失效[8-9]。

4　结论

本文提出了引信典型电子部件长储性能加速退化试验方法。该方法选取两个已经储存10年的引信典型电子部件开展加速退化试验，并定时检测正负消耗电流I、零点漂移UO、传输系数k、脉动幅度UF、输出电压差UC、以及输出相位差φ。失效原因分析表明，两样本正负消耗电流变化规律十分相近，负消耗电流波动幅度相对较大，且随着时间推移，电子部件零点漂移退化趋势越发明显，而其他参数则相对稳定，说明电路整体设计较合理，长储后虽然存在老化，但电路整体性能仍然较好。

进一步分析得到电路中电阻元件本身白噪声可能导致电路中电阻元件性能退化，长储可能导致键合丝断开，造成运算放大器性能退化，影响引信可靠性。所以，长储后的引信电子部件在进行检测时应重点关注电阻元件和运算放大器。

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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

吴英伟(1991—)，男，吉林长春人，硕士研究生，研究方向：信息感知与控制。E-mail:15203214303@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0020-04