某电子设备振动环境功能失效分析

杜尚勇，何文灿，张云翔

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036）

机载电子设备在使用过程中会受到各种机械力（如振动、冲击等）的作用，影响电子设备的可靠性。据国外资料介绍，航空电子设备故障29%～41%由机械负荷的作用引起。为了检查电子设备是否能承受其振动环境的考验，模拟电子设备在真实环境下的工况，进行振动、冲击试验，以确保电子设备在真实环境下可靠地工作。

1 故障情况

某设备进行振动/冲击试验，振动前指标测试正常，试验从Y轴水平方向开始。振动过程中，完成一次指标测试后约30 min，观察到低波段支路周期自检故障，同时该支路频谱监视波形异常，信号无法分选输出。

振动试验开始前和进行中，都进行了数据测试，设备工作正常，在继续振动过程中，突发故障。通过统自检信息进行分析，故障初定位于变频接收机内部频率合成器模块。更换后，分机工作正常，故障定位为频率合成器故障。

打开故障模块，对内进行目检，发现原本焊接在A3电源转换板输出OUT（+9 V）上的20号红色高温导线脱落。用万用表测试导线两端电阻，为0.2～0.6 Ω，满足设计值，其余低频电缆均导通。由此可判定低频电缆异常，如图1所示。

图1 低频电线断开情况 Fig.1 Low frequency wire disconnection diagram

将该故障高温导线脱落端重新焊接到电源转换板上，对模块进行测试，输出信号及频谱正常，故障排除。导致本次故障的原因是频率合成器内部20号红色高温导线断裂。

2 失效分析

2.1 导线断裂原因分析

模块腔体内部存在连接焊点处的电缆断裂，故障点印制板上的焊盘为表贴焊盘，导线为高温导线AF-250-0.1。其在模块内的操作主要有以下几个步骤：1）导线下线及预走线；2）导线剥线处理；3）导线与焊盘焊接；4）焊盘清洗并涂覆三防；5）导线走线整理及点胶加固。上述步骤中对导线断开有影响的步骤是2）、3）和5）。

2.1.1 导线芯线损伤

导线剥线时，芯线损伤，会降低导线强度。在振动过程中，可能造成导线从损伤处断裂。故障件导线断裂，使用显微镜对其根部断裂处进行观察，如图2所示。

图2 故障导线断裂面及焊点 Fig.2 Fault wire fracture surface and solder joint diagram

如果存在芯线损伤，断面长期暴露，会发生氧化变暗现象。从故障件可知，导线断裂处与焊盘均有7根芯线，与导线应有芯线数量一致，且断裂面清晰。排除本故障件导线有芯线损伤的可能。

2.1.2 焊点及虚焊分析

从图2还可看出，导线断裂处位于绝缘皮根部，而导线与印制板焊接的焊点形貌完好，且焊点处无焊盘脱落、剥离现象，排除故障件焊点虚焊造成导线断裂的可能。电源转换板内印制板上的焊盘为表贴焊盘，与之焊接的导线为高温导线，导线的截面直径为0.36 mm。焊盘引出导线宽度一般为焊盘宽度的1/3～ 1/2，最小为0.13 mm，应从焊盘中间引出。故障处的焊盘宽度（2.2 mm）大于3倍的导线截面直径，因此故障处焊盘大小的设计与导线规格的选择符合可制造性规范。

2.1.3 导线走线及固定情况

故障件的走线及加固状态如图1所示，工艺文件中有点胶加固要求的细化说明。现场检查故障件实物发现，模块内其余线束上有点胶加固，但是在断裂导线处未点胶，并且操作空间狭小，与旁侧的射频电缆装配存在一定的干涉。

振动试验时，由于加速度原因，焊接点到固定点中间的导线会发生甩动。当外界振动量级较高时，依靠导线自身摆动释放的应力有限，这一系列的因素会引起导线焊点附近应力集中，反复振动过程中产生疲劳，最终就有可能导致导线根部因应力过大而断裂。

2.2 导线振动仿真分析

利用ANSYS仿真软件工具对频率合成器模块进行了有限元建模，通过分析获取其导线断裂处的应力和变形。主要从如下2个角度进行分析。

1）结构振动模态：包括频率和变形模式，评估结构基本动力学特性。

2）随机振动分析：在随机振动条件下，分析结构的随机振动响应情况，并根据3σ准则对随机振动响应进行估算，评估结构强度特性。

频率合成器的主体结构由铝合金（5A06）组成，整体尺寸约为185 mm×165 mm×20 mm。主要由盒体、频率合成器单元、印制板和导线等组成。

随机振动试验条件见表1。根据导线的断裂情况，最后选取相对应的方向进行仿真分析。结构通过锁紧条安装到外部结构上，刚性、平面安装。计算中采用的结构材料力学性能参数见表2。

表1 功能试验量值 Tab.1 Function test value

力学分析主要考虑导线一端与印制板焊接良好，另外一端与盒体固定不佳的情况，如图3所示。主要用于观察导线一端不能良好固定的受力情况。

图3 连接局部示意 Fig.3 Connection part diagram

随机振动激励下，导线的应力和变形云图见图4，导线焊接面应力云图见图5。通过仿真计算，导线的大变形量为1.13 mm。最大变形量出现在自由端，较大位移会对边缘的器件产生不良影响。导线的最大应力为97.88 MPa，满足导线的强度要求。本次仿真最大应力位置在导线焊接处，而表贴导线的焊接强度在45 MPa左右，因此，焊接处已经断裂脱落。综合仿真分析的结果，如果导线一端与印制板焊接良好，另外一端固定不佳，将会在焊接处产生较大的集中应力，在长时间振动条件下会造成导线断裂。

图4 随机振动激励下的导线应力和变形云图 Fig.4 (a) Stress and (b) deformation nephogram of conductor under random vibration excitation

图5 随机振动激励下的导线焊接面应力云图 Fig.5 Stress nephogram of wire welding surface under random vibration excitation

3 解决措施及验证情况

通过以上分析以及现场实物检查，为了防止此类情况出现，采取以下改进措施。

3.1 设计优化

为避免印制板上焊接的低频导线与旁侧的射频电缆产生干涉，低频导线需从印制板上方走线。对设计图纸进行了更改，设计图纸优化措施如下：接线图 的技术要求中，增加印制板焊点用3145硅橡胶固定，允许导线从印制板上方走线；将接线图的技术要求完整添加到装配图的技术要求中。

3.2 工艺优化

细化工艺文件，增加工艺简图，明确模块内低频导线走线路径及点胶加固位置。根据设计改进点，对模块内导线走线的要求进行细化。明确点胶的操作要求，固定点距离焊点应不超过20 mm。对线缆、半刚性电缆等沿走线方向每隔30～60 mm固定一次，点胶时胶体必须透底，且与支撑处有效粘连。增加工艺简图，明确导线走线及点胶位置。

通过以上改进，可更直观地指导操作人员，有效提高产品制造的一致性与可靠性。

3.3 现场操作培训

将此故障现象作为案例，对现场操作规范、纪律及本模块涉及的各项操作注意事项进行培训。

3.4 验证情况

实施改进后，抽选后续模块，按照试验故障时的振动试验条件对分机进行振动试验，设备状态正常。

4 结语

通过分析某机载电子设备振动试验下功能失效的原因，逐级分析定位到故障器件。结合理论分析，运用仿真软件，找到了振动故障的原因。从设计、工艺、操作3个方面提出了解决措施，并得到了验证，有效地提高了设备的可靠性，可作为同类故障处理参考。