某制导弹药电子延时器长贮退化原因探析

赵铁山， 齐杏林， 郑波， 王铄

（1.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 050003；3.国营第三〇四厂军代室， 山西 长治 046000）

某制导弹药电子延时器长贮退化原因探析

赵铁山1， 齐杏林1， 郑波2， 王铄3

（1.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 050003；3.国营第三〇四厂军代室， 山西 长治 046000）

通过对某制导弹药电子延时器进行失效模式分析及仿真模拟，探寻可能出现的长贮失效模式与原因。以自然贮存9年的电子延时器为样本，制订了步进温度应力加速退化试验方案，开展试验并对试验结果进行分析，得出可能导致产品退化的各种原因。

电子延时器；长贮；加速退化；制导弹药

0 引言

某制导弹药采用双战斗部串联起爆机制，弹头撞击目标后先引爆前置战斗部摧毁反应装甲，延时一定的时间后输出信号引爆主战斗部摧毁目标。延时功能由电子延时器完成，如果延时过短，反应装甲尚未完全摧毁，主战斗部的毁伤效果将大打折扣；如果延时过长或无输出，不能及时地引爆主战斗部，则无法完成预期目标，所以电子延时器虽小但是属于该制导弹药的关重件，亟须对其可靠性进行研究。另一方面，弹药的特殊性决定了其在和平时期贮存时间远大于使用时间，且一旦投入使用，无论其工作是否正常， 寿命都将终止[1]。 通过对典型部件开展长贮失效研究可以摸清影响弹药贮存可靠性的主要因素，对将来产品和类似产品的改进和研发都有十分重要的军事和经济效益。

1 电子延时器失效模式分析

电子延时器主要由延时芯片和连接电缆组成，延时芯片内的集成电路完成延时功能，其组成框图如图1所示。

图1 电子延时器电路组成框图

利用失效模式及影响分析（FMEA）对电子延时部件可能出现的失效模式进行分析，如表1所示。

表1 电子延时器失效模式及影响分析

对延时器电路进行仿真，发现当延时电路中某电容C 1容值发生微小变化时，其延时时间将产生相当可观的变化。 图2和图3分别是当C 1为标称值和增大1 nF时的延时时间。 图中左端标尺位置是触发脉冲，由负电位跳变到地电位；右端标尺位置是输出电压信号，两个标尺之间的时间间隔即延时时间。

从仿真结果可以看出， 当 C 1增加 1 nF 时，延时时间增加了将近 57 μs， 远远超过了阈值范围。

图2 电容为标称值时的延时时间图

图3 电容增大时的延时时间

图4 延时器电路末端构成

输出电压的大小等于正电源电压和电路末级压降的差值，取决于电路末级的压降。电路末级是由两个三极管 V 1、 V 2， 二极管 V 3 和电阻 R 1 组成的达林顿管（如图4 所示）。

通电后三极管即工作在饱和状态，实质上起到开关的作用。电源电压不变，输出电压呈下降趋势， 说明在 R 1和 V 1、 V 2上的压降增大。 调整R 1阻值增大或减小时，输出电压会发生微弱的变化，然而增大到一定值后输出电压不再变化。仅仅改变R 1的阻值不会出现试验中得到的结果，所以退化很可能发生在两个三极管上。

2 加速退化试验方案

2.1 样本选择

研究产品的长贮性能最简单也是最准确的方法是基于大样本量的自然条件下的贮存寿命试验，但是目前一方面弹药更新换代频繁，另一方面弹药产品日益健壮，可靠性日益增长，一般包含有极高可靠性的元器件，这些产品在寿命试验中通常只有少量失效或者没有失效出现[2]， 现实条件不允许花十年甚至几十年的时间获得自然储存寿命信息。故本文综合两种方法的优点，选择已自然贮存9年的5个电子延时器为样本进行加速退化试验，旨在掌握自然贮存规律的基础上加速其退化过程，得到更多的产品信息。

2.2 应力和施加方式

根据实际的储存情况，在库房条件下，产品处于包装筒和包装箱的两重密封包装的环境，受湿度和机械应力的影响较小，主要受到温度应力作用，因此选择温度为试验应力；为了缩短试验时间，采用步进的应力施加方式。

2.3 试验剖面设计

a）起始温度应力

战技指标规定， 产品使用温度范围为-40～50℃，在加速试验中，温度起始应力一般设置为技术规范的应力极限或略低于技术规范的应力极限。如按照此要求，则本试验的起始温度应力应设置为50℃； 但考虑实际情况， 同时为了提高试验效率，起始应力设置为60℃。

b）应力周期与水平

根据国军标 GJB 5103-2004[3]， 弹药元件加速寿命试验试验总时间T按试验对象战术技术指标规定的储存寿命值的 1/20～1/40 确定。 战术技术指标规定产品的储存寿命为 10 a， 但是因为样本已储存 9 a， 所以总时间 T∈ [1/40 a， 1/20 a]=[220 h， 450 h]。 考虑产品在规定战技指标时对储存寿命的保守估计， 试验总时间取最大值 450 h 为宜。步进加速寿命试验一般应力水平不少于4个，加速退化试验亦可参照此标准，选定4个步进应力水平。 以往经验表明在80℃以下， 产品能保证失效机理不变， 故最高应力设置为80℃， 按照温度等间隔原则确定的4个温度应力水平为第一应力水平S1=60 ℃（333 K）； 第二应力水平 S2=67 ℃（340 K）； 第三应力水平 S3=74 ℃（347 K）； 第四应力水平 S4=80 ℃（353 K）。 各应力水平下试验时间按4:3:2:1 确定， 即 T1=180 h； T2=135 h； T3=90 h；T4=45 h。

c）检测间隔及检测时间

综合考虑效率、精度、成本等因素，根据低应力检测间隔长，高应力间隔短的原则，确定在每个步进周期均匀选定 10个检测点。 检测时应使产品冷却到室温下进行。

d）试验剖面图

根据上述分析，可以画出步进加速退化试验的试验剖面图，如图5所示。

图5 加速退化试验剖面图

3 长贮退化原因分析

对延时器两个重要指标的延时时间和输出电压进行了检测， 结果如图6、 7所示。 战技指标规定延时时间的阈值为 τ=（300±15）μs， 输出电压的阈值为 V0≥8.1 V。

图6 延时时间折线图

图7 输出电压折线图

由图6、 7可以看出样本的延时时间普遍在一定的范围内波动，但是整体没有显示出明显的退化趋势，波动主要是检测误差造成的，输出电压则有明显的下降趋势。

已知C 1为某型号的贴片陶瓷电容，均匀分布的高温、低温或相对缓慢温变均不会对电容体造成损伤。 只有温度快速变化（温度冲击）和电容体内的温度不平衡分布（温度梯度）时会使电容受热不均，各部膨胀幅度不同，从而产生破坏性应力， 导致电容失效[4]。 长贮条件下温变速率较缓慢，陶瓷电容受温度影响甚微。 除了C 1以外， 延时电路中3个分压电阻阻值变化时也会影响延时时间，但是程度远不及电容。温度变化确会导致电阻阻值变大，但是长贮条件下的温度变化一般不会对电阻产生损伤累积效应。所以在战技指标规定的贮存寿命期内库存温度变化对电子延时器延时时间的影响较小。

由于器件封装，故试验中途不能对三极管进行检测，试验结束后对样本拆封，用万用表检测样本中C 1容值发现与仿真结果一致，延时时间较长的样本C 1容值相对于延时时间较短的样本要稍大，但是都在标称值5%范围内浮动。

输出电压下降最明显的1#样本，采用更换同类型三极管的方法，测试表明更换前输出电压为8.12 V， 接近阈值下限； 更换后输出电压达到11.42 V， 相差 3.3 V 之多。 虽然拆封和更换原件会使检测环境有所改变， 但是 3.3 V 的差值不可能主要由测量误差、焊接或干扰信号造成，可以认为是由于三极管自身器件老化导致。三极管内部的退化机理有待进一步地试验研究，就本次试验结果，三极管退化的原因可能由以下两个因素单独或组合导致。

a）贮存地年温差较大， 长年累月相当于速率缓慢的温度循环，而试验本身检测次数较多，而检测时间的间隔较短， 特别是第四应力阶段每隔4.5 h检测一次， 再加上冷却时间， 总共不超过 6 h，元器件相当于处于高温和室温交变应力的作用下，形成了加速模拟自然温变的条件，对于长期贮存的样本来说，由于不同材料的热膨胀系数的不同，温度循环会对器件不同材料接触面产生应力差循环，从而造成损伤积累。

b）半导体器件在制作过程中都会在不同程度上引入各种缺陷，包括晶格缺陷、表面杂质等。静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象[5]。 目前弹药包装大量采用高压聚乙烯塑料，玻璃钢等材料，容易产生和积聚静电。本次所选样本经历事件如图8所示。

图8 样本经历事件流程图

整个储运期间可能会经历若干次搬运作业，摩擦、 振动产生的 ESD 会使这些缺陷在器件内部扩大，会对器件的参数、功能造成各种影响，从而导致器件退化或失效[6]。

另外，静电放电也是造成电容失效的主要原因之一，但是与末级三极管不同，电路中 C 1两端有大电阻存在，瞬间电流得到很大的削弱，试验结果也印证了这点。

4 结论

失效模式分析预测电子延时器可能发生的失效为延时时间超差和输出电压不足，仿真结果表明电容C 1是决定延时时间的主要元器件，电路末级三极管 V 1、 V 2是决定输出电压的主要元器件； 然后以自然贮存9 a的电子延时器为样本开展步进温度应力退化试验并对试验结果进行分析。试验结果表明，样本延时时间基本保持稳定，无明显的退化现象，温度变化对电子延时器延时时间的影响较小；由于C 1两端有大电阻存在，静电放电对其影响较小。不同的材料在温变循环下，因应力差循环和静电放电单独或组合作用都是造成输出电压退化的主要可能原因。

[1] 李明伦， 李东阳， 郑 波. 弹 药储存可靠 性 [M]. 北京：国防工业出版社， 1997.

[2] 邓爱民， 陈循， 张春华， 等.加速退化试验技术综述[J].兵工学报， 2007， 28（8）： 1002-1007.

[3]GJB 5103-2004， 弹药元件加速寿命试验方法 [S].

[4] 刘锐， 陈亚兰， 唐万军， 等.片式多层陶瓷电容失效模式研究 [J].微电子学， 2013， 43（3）:449-452.

[5] 刘尚合， 武占成， 朱长清， 等. 静电放电及危害防护[M].北京： 北京邮电大学出版社， 2004.

[6] 杨洁.高频小功率硅双极结型晶体管 ESD 潜在性失效的研究 [D].石家庄： 军械工程学院， 2009.

美制造出世界首台碳纳米管计算机

据报道，美国斯坦福大学的工程师在新一代电子设备领域取得了突破性的进展，首次采用碳纳米管建造出计算机原型，比现在基于硅芯片模式的计算机更小、更快且更节能。美国国家科学基金会纳米技术高级顾问米哈伊尔称此举为 “一项重要的科学突破”。 该研究结果发表在最近出版的 《自然》杂志上。

晶体管不断地缩小，以使一个芯片上可以排列更多。但随着晶体管变得越来越细小，在狭窄的空间里就会浪费更多的电力，产生更多的热量。而研究表明，碳纳米管可以非常有效地指挥和控制电力。加州大学伯克利分校电子电路及系统的世界级专家拉贝艾说：“碳纳米管一直被认为是硅晶体管潜在的继任者。毫无疑问，这项研究将引导研究人员去探索如何在未来 10年内开发出更小、 更高效节能的处理器。”

大约 15年前， 碳纳米管首次被制成晶体管，在数字电子系统主体作开关。但是，其固有的两个缺陷一直阻挠着其实际的应用，现在，研究团队采取双管齐下的办法将其攻克。

斯坦福大学电气工程师和计算机科学家米特拉教授介绍说，首先，碳纳米管不是以整齐、平行线的方式生长，若尝试在晶片上将其排列就会得到“一碗面”； 研究人员使 99.5%的碳纳米管对齐建立芯片， 并设计了一个巧妙的算法绕过余下 0.5%歪斜的部分。碳纳米管的第2个缺陷是其内持续导电的 “金属纤维”， 它不像其他半导体可以关掉电流。 为了抹去这些 “劣迹” 元素， 他们关掉了所有“好的” 碳纳米管， 然后给余下 “坏的” 泵满电，直至气化。结果便得到一个有效的电路。

他们利用这种 “不受缺陷影响的设计” 组装了具有 178 个晶体管的基础计算机。 该碳纳米管计算机可执行一些如计数和数字排序等任务，并运行一个基本的操作系统。

瑞士洛桑联邦理工学院电气工程学院主任乔瓦尼·德·米凯利教授强调了这一世界性成就的两个关键技术：首先，将基于碳纳米管电路的制造过程落实到位。其次，建立了一个简单而有效的电路，表明使用碳纳米管的计算是可行的。下一代芯片设计研究联盟、 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校纳雷什教授评价道，虽然碳纳米管计算机可能还需要数年时间才趋于成熟，但这一突破已经凸显未来碳纳米管半导体以产业规模生产的可能性。

随着半导体芯片越做越小，人们担心，传统的摩尔定律（芯片上的晶体管密度每隔一年半就翻一倍）将走到尽头，而告别传统硅芯片的世界首台碳纳米管计算机旋即横空出世，这不仅意味着摩尔定律将会延寿； 另外 “硅” 作为计算时代的 “王者”的地位或将不保， 硅谷的未来可能不再 “姓硅”。不管怎样，计算设备的体积越来越小，价格越来越便宜，性能越来越强大的趋势不会改变，对广大消费者来说都是利好消息。

（摘自科学中国-中国网）

Long-term-storage Degradation Causes of Guided M unition’s Electronic Delayer

ZHAO Tie-shan1， QIXing-lin1， ZHENG Bo2， WANG Shuo3
（1.Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China；2.Ordnance Technology Research Institute of Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050000， China；3.Changzhi304 Martial Representative Office， Changzhi046000， China）

A failure mode and effect analysis and simulation are carried out to find out the probable failuremode and causes which is then proved by step-stress accelerated degradation test w ith electronic delayer sam ples of real-world-storage for 9 years.The probable causes of degradation are presented by analyzing the test result.

electronic delayer； long-term-storage； accelerated degradation； guided munition

TP 347

:A

:1672-5468（2014）01-0041-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.009

2013-09-30

2013-10-18

赵铁山（1989-）， 男， 回族， 浙江绍兴人， 军械工程学院硕士研究生， 研究方向为弹药可靠性与失效分析。