高冲击下电子线路灌封材料的缓冲机理及措施
2017-06-03安长俊周家婕
安长俊++周家婕
摘 要电子线路灌封材料的选取首先是非常重要的，电子线路的灌封是一道非常重要的工艺，为了提高电子线路在高冲击下，有较强的震动下，能够可靠的工作，这就需要选择一种电子线路灌封材料，这种材料必须具有较好的缓冲吸能效果，同时也必须具有一定的灌封工艺才能够满足材料的使用性能。电子线路灌封材料的缓冲，主要依靠的是能量的吸收与应力波的传播，只有在这两个方面进行研究，才能够更好地研究电子线路灌封材料，为以后我国的发展作出一定的贡献。此次论文针对电子线路灌封材料在高冲击下的缓冲机理进行了一定的研究分析，得出了一些材料的缓冲原理，以及为了后期更好的发挥作用，所应用到的一些缓冲措施进行了描述。
【关键词】高冲击 电子线路灌封材料 缓冲机理
现在国际竞争日趋激烈，国际武器装备朝着更加先进的方向发展，为了提高武器的先进性，现在大多数武器都追求较高的速度与大功率。在武器有较高的速度与功率的同时，也带来了一些问题，例如速度较高时具有较高的冲击性与振动性，武器在使用的过程中存在冲击与振动，将会使得电子器件受损严重，电子器件的受损严重就会进一步影响到武器的精度和使用效率，为了减少在高速度与大功率的条件下对武器的精度和使用效率所造成的影响，就必须选用缓冲吸能效果比较好的电子灌封材料，从而减少这种不利的影响。
1 电子线路灌封材料的缓冲机理
电子线路灌封材料在进行缓冲的过程中，就是能量吸收的过程，利用能量稀松来减弱或隔离武器发射或撞击目标时，电子线路所受到的，冲击，就比如灌封材料具有较强的粘弹性，例如硅橡胶，在硅橡胶受到外界应力的冲击下，会发生分子链的变形，而分子链之间也会产生一定的位移，在外界的冲击力消失之后，受到变形的分子，还要恢复原形。根据能量守恒原理，此时就必须交所受的外力释放出来，但是材料的变形不能完全地还原为起初的样子，这时候就能够一定的冲击能量，此时的变形与所能能够吸收的外界力成正比例关系。 如下图所示可以进一步进行分析得出：
图1为典型的低密度多孔缓冲材料的应力应变曲线，它包括3个阶段：弹性变形A→B；屈服平台B→C；材料压实区C→D。表明材料在进入C-D区之前经过了B-C区，即材料在压实之前经过了一个屈服平台，说明材料具有吸能缓冲作用。而且鉴于这个平台的比值较低，所以材料在被压实之前不可能传递高于平台的力 。
灌封材料在另一方面还能有效的将物体所受撞击力时的应力波进行衰减，在物体受到外力冲击的情况下，材料的弹性变形会将一部分作用力进行有效的隔离与衰减。此外电子线路灌封材料的粘彈性，也会使应力波在传播的过程中逐渐的衰减，直至消失。有实验曾经表明，常用灌封材料的波阻抗低，仅有钢材的0.001-0.0001倍，在冲击波，从弹性载体投射到灌封材料中时，应力幅值减少，约0.001-0.0001倍。图2为某种密度聚氨酯泡沫塑料在SHPB实验中经历了应变率为102～103/s的冲击时，输入杆输出与杆上典型的应力波形，从图中可以看出，透射波形的长度远远超过入射脉冲的长度，透射波的强度福祉叫入射波的小许多，因此泡沫材料在受到外界的冲击下，由于泡沫材料的缓冲效果使得应力波在穿过其后产生了较大的衰减。
2 电子线路灌封材料的选择
在对电子线路灌封材料进行选择的时候，要根据电子产品所处的环境以及电子产品将来所使用到的性能进行选择，一定要将各种电子不同材料的性能，发挥到极点，从而满足产品所设计的要求 。在进行灌封材料选取时，一定要选择灌封材料必须是缓冲吸能效果好、应力波传播衰减速度快、幅值大的材料，对于灌封材料选取，可以从下面几个方面进行选择。
2.1 电子灌封材料的选择
首先要对不同种类的材料缓冲吸效果有正确的判断，要对材料进行各种实验分析，在进行实验完成后要选择材料的吸能率较高的，因为材料的吸能率高，表示材料所缓冲吸能的效果好。有时要根据实验所得出的结果作出能量吸收图，来帮助设计者进行直观的观察，从而做出正确的选择。能量吸收图，能够直观地表示出电子线路缓冲材料，在不同密度与应变率的条件下它的性能状态 。可以用吸能曲线和能量吸收图，表示低密度多孔材料的吸收特性，这两种特性由实验测得。首先测出材料应力应变曲线，曲线上屈服平台趋势下所围成的面积即为材料受力过程中所吸收的能量，用E表示材料的吸能率，I表示理想吸能率，其数学表达式为：
（1）
（2）
从此公式中，我们能够明显的看出E、I值越大材料的吸能特性越好。所谓的吸能曲线，是指吸能效率图和吸能理想图，当需要综合了缓冲材料在不同密度，应变率条件下的最佳吸能状态点时，应借助于能量吸收图。能量吸收图，表示了某一密度范围内单位体积泡沫塑料吸收的能量与峰值应力的关系，如果选择了临界损伤应力，能量吸收图给出不超过应力峰值而吸收最大能量的泡沫材料的密度。图3是给出的聚氨酯泡沫塑料的能量吸收图，Ey为基体材料的杨氏模量。
2.2 应力波在粘弹性材料中传播系数和衰减指数的确定
泡沫材料在应力波加载条件下的缓冲效果，由传播系数和衰减指数表示。以一个端部受到的轴向撞击的一维线性粘弹性杆为例，粘弹性杆在轴向应力的作用下，产生轴向应变和横向应变，应力应变关系为 ：
（3）
式中：
Y（t）为材料的松弛模量，
V是泊松比，
r2g是截面对x轴的回转半径的平方；
其中杆的运动方程为：
（4）
几何方程为：
（5）
（3）～（5）式作傅氏变换可以得到控制方程为：
（6）
式中：
（7）
ω为角频率；
E*w为材料的复数杨氏模量。
控制方程的解为：
（8）
（9）
其中，，为某一横截面处沿X轴正向和负向传播的波，引起的轴向应变的傅里叶变化，可由实验测得，在该点贴应变片，测出由于撞击产生的互不重叠的入射波和自由端的反射波，进行傅氏变换得出。
γ（ω）是一个重要参数，反映了材料本身引起的应力波的衰减和弥散，我们将其称为传播系数，在传播系数进行确定时，使用两种方法，第一种方法是我们知道杆材料的复数模量E*w，以及杆材料的密度，波松比，截面半径等，然后借助公示（7）计算求出，第二种方法是由实验进行测量测得，在已知自由端处应力为零，然后我们设杆x=l，由方程（9）得出，
（10）
因此我们只要测得杆上一点处的，就可以根据不同频率计算出γ（ω），进而可以确定杆材料的衰减指数，和波数k（w）或相数c（w）。
； （11）
； （12）
； （13）
在有应力波的条件下，电子线路的灌封材料的缓冲性能效果，是由传播系数与衰减指数所决定的，引力波所受到的应力应变关系有一定的方程能够正确的描述出他们的关系。电子线路灌封技术的电子器件，与所选择的材料的热膨胀系数如果不一致的话，就会在它们之间形成一定的内应力，此时在灌封电路降温的同时，电子器件便会受到压应力，就会导致电子线路发生一定的裂缝 。
2.3 填料加入量的控制
是一种典型的环氧树脂固化物的内应力随玻璃化转变温度Tg的变化示意图。通常要求有较高的Tg以确保灌封体有良好的可靠性，特别是当灌封电路体在高温条件下工作或可能发生热循环的情况。试验表明，每种混合料都有一个适当的填料浓度，在此浓度下混合料的热膨胀系数和弹性模量都具有最佳值，既达到低应力状态，又具有较高的Tg。通过控制填料的加入量，可以改变灌封电路体的热膨胀系数，达到调节应力的目的。
3 电子线路灌封材料的缓冲措施
在武器弹丸发生作用的时候，如果引线电路没有正確的缓冲措施，这个时候一旦弹丸开始发生作用就会发生剧烈的振动，设备中的元器件在受到这个剧烈的振动后，因为受力的情况，这就会导致设备中的元器件受到很大程度的损坏，众所周知元器件在武器中的作用是不可忽视的，它关乎着整个武器能否正确的发挥作用的全部过程，一旦设备中的元器件受到一定程度的损坏，甚至是微弱的损坏这将会进一步影响到程序输出过程中的错误，所以为了防止元器件受到损失导致程序输出错误的发生。所以为了保护设备中的元器件不受到外界力的冲击时所损坏某些器件，影响设备的准确率，这就必须通过以下途径来进行电子线路缓冲。
（1）电子元器件一定要选用具有抗高过载能力的，抗高过载能力的电子元器件在受到外界冲击时，能够有较强的自我抵抗能力，防止电子元器件因为受到外部的，撞击，导致自身的某些线路断开，甚至是焊点脱落，抗高过载能力能够保护电子元器件，保证电子元器件在高冲击下具有一定的使用寿命。
（2）电子元器件在电路板上要有一定合理的布局，使得他们在电路板上的质量分布均匀。元器件的质量中心，尽量为电路板的中心位置，防止在运动过程中，会因为离心力而受到损害。电子元器件一旦受到离心力的作用，将会受到巨大的损害，电子元器件的质量中心如果偏离电路板的中心位置，这在离心力的作用下会严重的导致其某些器件，在旋转运行过程中受到质量偏移问题，导致因为离心力的作用将某些元器件而甩落。
（3）有一些质量较大的电子元器件，他们在电路板上印刷时，要采用固定的结构，必须要将引线进行捆扎，并根据一定的距离进行捆绑固定，这是因为这些较重的元器件与离心力作用发生时会导致其脱落，由前面可知，离心力将会导致电子元器件的线路断裂或者是元器件的断脚、脱焊等都有可能发生，所以为了防止电子元器件在离心力的作用下发生这种问题，一定要将电路板在进行印刷时将其固定，用导线或者线束及电缆进行捆扎，这样就能够有效地保障电子元器件受到离心力作用，发生断线或者是脱焊的问题存在。
（4）电子线路灌封材料还必须具有一定的工艺性，工艺性较好的灌封材料才能够根据罐封装形式，走线等来保证灌封的质量，避免产生固化应力。电子线路灌封材料中电子模块元器件，在封装时它的形式各不相同，而且电子模块元器件的大小也不同，因此它的封装形式是不同的。而且有一部分是相互重叠的，这部分重叠的地方，他们的线路走向是十分密集的，为了保证电子线路灌封的质量，这就要求灌封材料在，常温下具有较好的流动性，较强的固化收缩率，借此来避免产生固化应力，减小进电子模块元器件的损伤。
（5）引信承受的过载超过50000g重力加速度时，比如在弹丸侵彻混凝土或钢板时，电路图需要用两级缓冲，其中第一级采用灌封材料，将电路模块固化与铝制壳体内，该壳体固定在由V型或W型钢性缓冲弹簧组成的二级缓冲体上，当过载超过某一极限时，刚性弹簧产生较大的塑性变形，达到减小过载峰值的作用。
4 结论
高冲击下电子线路灌封材料是比较关键的制作材料。本文通过以上对电子线路灌封材料的缓冲机理进行了分析研究，得出了电子线路灌封材料，是由于灌封材料具有一定的能量吸收能力，其次还具有能力衰减与弥散的能力。后面又根据灌封材料的性能进行了灌封材料的选取，根据电器元件的不同，使用性能与工作环境进行材料的选择。文章的最后又对电子元器件的缓冲措施进行了一定的论述，为了保护电子线路在高冲击下受到破坏，需要选用具有较高的抗过载能力，，还要求电子元件有合理的质量分布，还要讲究电子元器件灌封材料的工艺性，对于质量较大的电子元件进行元件的捆绑等措施。因此电子元件进行得出了要想将武器的速度与功率进行提高，就必要要将武器中的电子元器件采取一定的保护措施，与选择措施。从而保证电子元器件在使用的过程中不会存在问题导致失败。
参考文献
[1]卢子兴，田常津，韩铭宝，等.聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的压缩力学性能研究[J].爆炸与冲击，1995，15（04）：382-388.
[2]吴晓莉，张河.高冲击下电子线路灌封材料的缓冲机理及措施研究[J].包装工程，2004，25（01）：44-46.
[3]卢子兴，赵明洁.泡沫塑料力学性能研究进展[J].力学与实践，1998，20（02）：1-9.
[4]哈恩华，寇开昌，陈立新.环氧灌封材料的研究进展[J].化工进展，2003，22（10）：1057-1060.
[5]高华，赵海霞.灌封技术在电子产品中的应用[J].电子工艺技术，2003，24（06）：257-259.
[6]张丽珍，唐建生.环氧树脂复合材料制品内应力的形成和降低[J].广东科技，2004（05）：45-47.
[7]赵怀东，刘文静.有机硅凝胶在灌封技术中应用[J].航天制造技术，2002.
[8]刘静安.铝材在交通运输工业中的开发与应用[J].四川有色金属，2001（02）：21-29
作者简介
安长俊（1983-），男，江苏省扬州市人。硕士学位。讲师。现为江海职业技术学院信息工程系教师，主要从事电气与电子技术研究。
周家婕（1983-），女，江苏省江都区人。硕士学位。实验师。现为江海职业技术学院信息工程系实验教师，主要从事电工与电子技术教学与研究。
作者单位
江海职业技术学院 江苏省扬州市 225000
