环境应力对装备质量的影响及应对措施＊

2013-08-10王文智张尊伟

舰船电子工程 2013年10期

王文智张尊伟

（1.中航工业西安航空计算技术研究所西安 710119）（2.东北电子技术研究所锦州 121000）

1 引言

长期以来，重功能轻质量，功能设计与质量设计严重脱节的现象贯穿了装备研制的全过程。该种研制模式（或思维方式）造成了装备可靠性低、故障多、维修频繁、维修工作量大、维修费用高等方面问题，并导致装备列装后迟迟不能形成战斗力。上世纪80年代以来，随着我军数种主战装备先后投入研制，装备质量问题受到军方和研制单位的高度重视，功能与质量一体化设计思想和设计措施已逐步得到推广，并广泛应用于装备的研制过程中，使我军装备质量有了较大的提高。

2 环境应力对装备质量的影响

由于装备应用环境[1]的复杂性和特殊性，装备质量、可靠性及战备完好性受到众多因素的影响。在影响装备质量与可靠性的诸多因素中，环境对装备来说是一个无法回避，必须加以考虑和重视的因素，下面仅对几种环境因素对装备质量的影响展开讨论。

2.1 高温环境

高温环境对装备质量的影响主要有以下几个方面：

2.1.1 材料膨胀系数的影响

由于各种材料的膨胀系数不同，导致材料变形程度不同。如果膨胀系数差别较大的材料以不同方式结合在一起，在温度发生变化时由于材料变形程度不同，将在材料间和结合方式上形成拉力或扭力，造成材料或结合方式的损坏，从而引起装备故障。

应用于某装备的金属封装的大规模表贴集成电路装焊到印制板（为非金属材料）表面，环境温度发生变化时，集成电路与印制板将产生不同程度的变形，集成电路与印制板间将通过连接方式（管脚和焊锡）产生一种拉力，该拉力将作用到集成电路、印制板间、管脚和焊锡四者之间，由于该拉力长期、持续的作用，导致焊锡疲劳并出现开焊现象，进而导致装备故障。

2.1.2 元器件电参数变化的影响

装备中所使用的各种元器件不同程度的损耗电能，并将电能转化成热能。该热能将导致元器件温度上升，并使元器件电参数发生变化，最终影响装备的电性能（例如：晶体管、集成电路中的PN结在高温状态下阻值变大在通过相同电流的情况下，产生的热量较大，结温升高，电阻值再变大，结温再升高，最终烧毁PN结，导致器件损坏并影响装备质量）。

2.2 低温环境

低温环境对装备质量的影响主要有以下几个方面：

2.2.1 非金属材料的影响

·低温环境下装备中所用的非金属材料弹性降低，并产生破裂，可能导致以该非金属材料为绝缘材料的绝缘功能降低或丧失，装备功能部件出现短接，导致装备故障；

·低温环境下装备中所用的非金属密封垫圈等柔韧性材料的弹性降低，并产生破裂，可能导致以该非金属材料为密封材料的密封功能降低或丧失，装备整体密封功能下降，导致装备故障；

·低温环境下装备中所用的非金属弹性降低，并产生破裂，可能导致以该非金属材料为绝缘介质的部件或元器件绝缘介质功能降低或丧失，高压部件或元器件发生放电而产生高压脉冲，该高压脉冲以辐射和传导方式引入低压电路中并烧毁低压电路，导致装备故障；

·低温环境下装备中所用的非金属材料弹性降低，可能导致以该非金属材料为主要功能部件的受力能力降低，该部件在承受相同外力时产生破裂，导致装备故障。

2.2.2 元器件电参数变化的影响

·低温环境下装备中所用的晶体管、集成电路PN结中电子活跃程度降低，形成的电流降低，驱动能力下降，导致装备功能丧失；

·低温环境下装备中所用的电阻阻值增大，提供的电流变小驱动能力下降，导致装备功能丧失；

·低温环境下装备中各功能部件参数发生变化，导致对电能的需求增加，在装备电源设计容量偏小的情况下将形成保护模式，导致装备功能丧失；

·低温环境下装备中各功能部件参数发生变化，导致对电能的需求增加，为保证装备正常工作，功率器件将增加功率输出，如此该器件将产生较大的热量，使结温升高，烧毁PN结，器件损坏，导致装备功能丧失。

2.3 振动环境

振动环境对装备质量的影响主要有以下几个方面：·振动环境对装备结构质量的影响主要是变形、弯曲、裂纹、断裂等；

·振动环境对装备工作性能的影响主要是使动作部件工作不正常（如继电器产生误动作）；

·使体积较大、重量较重的元器件管脚断裂；

·连接导线与机箱或导线之间产生摩擦而损坏，从而导致工作不正常、不稳定、甚至不能工作；

·振动环境对装备工艺质量的影响主要是紧固件松动、连接件和焊点脱开等。

2.4 低气压环境

低气压环境主要考核装备中使用的元器件气密特性及对装备功能的影响。因此，按装备使用元器件类型低气压环境对装备质量的影响主要有以下几个方面：

2.4.1 继电器

非固态继电器一般由线圈、数组触点组成，通过线圈工作方式的变化而改变数组触点接通和断开状态。一般情况下，该器件相关触点与电源连接，触点间的通／断将形成一种充放电模式。在非密封状态下可能产生火花和高温进而产生氧化，最终导致器件失效。

2.4.2 高压线包

绝缘介质的质量将影响高压线包的质量。一般情况下高压线包所灌封的材料既起到固定线圈的作用，又作为线圈的绝缘介质。如果灌封存在问题（材料的均匀性、灌封的气密性、线圈排布的均匀性等方面），在正常大气条件下，空气亦是高压线包的线圈之间或线圈与机箱之间的绝缘介质，在一定程度上弥补高压线包绝缘性能的不足，辅助阻止高压线包产生放电现象的产生；在低气压条件下，将出现真空状态，高压线包的绝缘特性降低，将可能导致高压线包线圈间或线圈与机箱间的击穿并产生放电现象，高压线包产生的放电将形成高压脉冲，该高压脉冲以辐射和传导方式引入低压电路中并烧毁低压电路，导致装备故障。

2.4.3 高压器件

高压器件内部一般充有惰性气体或灌封其它绝缘介质。一般情况下，高压器件内部各引线间的压差较大（特别是近距离压差较高的管脚）。在低气压环境条件下，绝缘介质发生变化、绝缘性能降低时，可能产生击穿现象并使器件失效，导致装备故障。

3 应对措施

针对上述几种主要环境因素对装备质量的影响，在装备研制中应采用如下各项质量控制措施和可靠性设计措施，以保证装备质量[2]。

3.1 可靠性设计与分析

装备可靠性工作[3]应包括可靠性分析和可靠性设计两部分。鉴于可靠性设计方法在众多可靠性设计文件均有介绍，本文只对可靠性分析工作加以阐述。可靠性分析工作建立在装备功能需求分析及功能设计的基础上，通过对装备功能需求及功能设计进行可靠性分析，发现装备在总体功能和功能设计上存在的质量问题，并据此指导装备总体功能和功能设计的改进设计[4]。可靠性分析与装备功能设计是往复循环的过程，在装备研制的各个阶段均开展可靠性分析工作，并指导装备功能设计的改进工作。可靠性分析（主要针对装备的电气性能）工作主要有如下两方面：

3.1.1 可靠性预计

一般情况下，装备可靠性均有定量要求。通过对装备功能设计开展可靠性预计[5]工作，发现装备功能设计是否满足可靠性定量指标要求。通过可靠性预计，装备不满足可靠性指标要求时，需对功能设计进行改进设计。改进设计的主要设计方式有：开展环境设计，改善装备环境质量（针对低温环境开展升温设计，针对高温开展通风冷却设计及相关散热设计）；开展优化设计，充分利用各元器件资源实现多功能共用，并选用高性能元器件，减少元器件数量；开展集成化设计，优化装备构成，减少元器件数量，并提高设计、工艺质量；提高元器件质量等级，以提高元器件抗恶劣环境的能力。

3.1.2 故障模式影响及危害度分析

故障模式影响及危害度分析方法是近期装备研制过程中普遍要求的一种可靠性、安全性分析方法。该种分析方法重点突出各种故障方式对装备的影响程度，并根据分析结果要求装备改进设计以消除或降低该种故障模式对装备的影响程度。故障模式影响及危害度分析方法以装备元器件失效率为基础，结合元器件对装备功能影响程度开展分析，并根据分析结果指导装备改进功能设计的工作[6]。对于单点（不允许开展冗余设计）、危害等级较大的故障，应提高元器件质量等级并进一步开展降额设计工作。对于单点、危害等级较大的故障，开展冗余设计、降额设计工作，以进一步提高元器件质量等级。

3.1.3 可靠性仿真

可靠性仿真是对军事装备设计的一种可靠性分析与评估方法。通过对装备的热分布和振动应力分布的仿真分析，明确找出装备存在的设计缺陷，并对装备完善和改进设计、解决可能导致故障的各种设计缺陷，并最终提高装备的可靠性具有建设性的指导作用。

图1 可靠性仿真试验流程

可靠性仿真工作一般应用与装备的初级设计阶段，亦可应用于装备可靠性增长阶段。可靠性仿真一般分为五个步骤，流程图如图1所示。

通过某装备电源模块振动应力的可靠性仿真试验案例，说明可靠性仿真试验对装备设备的指导作用。表1分别说明了一阶、二阶和三阶模态[7～8]下，电源模块的谐振频率点及产生最大位移点的位置，图2为三阶模态仿真分析结果。

表1 电源模块谐振频率及位置

图2 电源模块三阶模态分析结果

表1、图2表明了装备电源模块存在的设计缺陷，装备根据仿真结果对电源模块进行了加装冷板、改变大型元器件安装方式等设计措施，解决了该设计缺陷。

3.2 抗温度环境的应对措施

为保证装备在规定的温度环境下正常工作，主要采用降额、余度和散热等设计措施，现介绍如下：

3.2.1 降额设计

降额设计是适当降低功能部件和元器件的使用应力值，以确保功能部件和元器件在高温、常温和低温环境下，参数特性发生漂移后的输出特性不超出自身应力范围和不被损坏，从而保证装备正常工作。例如装备中使用的电阻器件应对其功率进行降额设计，电容器件应对其耐压能力进行降额设计，晶体管应对其功率及耐压进行降额设计，集成电路应对其驱动能力进行降额设计，电源模块输出功率应大于装备常温实际使用功率的40%（在低温环境下，装备实际使用功率大于常温使用功率的20%）。

3.2.2 容差设计

高温、常温和低温环境下，由于元器件参数特性发生漂移，前级元器件输出信号在时间、幅度、功率等方面将有一定的变化范围，后级元器件应能接收并正确识别前级元器件的具有一定的变化范围输出信号，从而保证装备在各种温度环境下正常工作。

3.2.3 热设计

装备中使用的元器件不同程度地损耗电能，并将电能转化成热能，该热能将导致元器件温度上升，并使元器件电参数发生变化，最终影响装备的电性能。装备研制过程中需开展如下各项热设计措施：

·开展装备热分析工作，了解、掌握各分机的功耗和热容量，并据此开展有针对性的热设计工作；

·针对功耗和热容量较小的分机，采用自然环境冷却设计方式，机箱表面结构应采用易于散热的结构方式（例如暖器片结构形式）；

·各功能模块的印制板应采用表面表贴金属冷板的设计方式，元器件通过导热绝缘胶与冷板紧密连接，确保元器件产生的热量通过冷板传导到机箱；

·功能模块的安装方式应实现金属冷板与机箱最大面积的接触，以利于热量通过冷板传导到机箱；

·功能模块设计中，应合理布置热容量较大的元器件，不应使其排布过于集中而不利于散热，而使局部过热，导致材料变形较大造成装备故障。