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1、引言

 

      彈載電子器件要承受很大的過載沖擊，特別是炮彈發(fā)射平臺的彈體在發(fā)射時，其主要受上萬g 的后坐力沖擊和幾百g 的橫向離心作用。

 

      發(fā)射后的沖擊主要表現(xiàn)為在碰到目標(biāo)時的沖擊，尤其是侵徹類彈藥如鉆地彈、打擊坦克裝甲的動能彈等，通常以每秒幾千英尺的高速穿入地面、混凝土、巖石、金屬或其他堅硬物質(zhì)，其運動的平均加速度高達(dá)兩萬g，最大沖擊加速度甚至達(dá)十萬g 乃至數(shù)十萬g。

 

      在這種情況下，為保證彈載電子器件的正常工作，防止由于沖擊過載導(dǎo)致的器件受損或連接失效，抗高過載特性成為彈載的電子分系統(tǒng)、電子部件設(shè)計時一項必不可少的基本要求，必須采用一定的措施對其進(jìn)行抗沖擊處理。

 

      為提高電子部件的抗過載能力, 通常對電路、安裝印刷電路板及部件外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體灌封, 即采用合適的灌封材料填充到電子部件中，將電子部件內(nèi)部元器件之間及外結(jié)構(gòu)等所有的空隙良好填充。

 

      本文針對一種金屬氣密封裝的混合集成電路在應(yīng)用于某彈載高發(fā)射過載沖擊環(huán)境時出現(xiàn)的功能失效現(xiàn)象，進(jìn)行了機理分析、仿真驗證，并且給出了改進(jìn)措施。

 

2、集成電路失效現(xiàn)象及定位

 

      采用金屬氣密封裝的混合集成電路，安裝應(yīng)用于某彈載高發(fā)射過載沖擊（沖擊加速度峰值為8000g～10000g、沖擊脈沖寬度為2.5 ms）環(huán)境，出現(xiàn)了功能失效。

 

失效檢查如下：

 

      1）在顯微鏡下首先對電路進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)金屬封裝的引腳處玻璃絕緣子存在裂紋及碎裂現(xiàn)象；

 

      2）進(jìn)行粒子碰撞噪聲檢測（PIND），發(fā)現(xiàn)金屬封裝內(nèi)部存在多余物；

 

      3）對電路進(jìn)行開蓋，在顯微鏡下鏡檢，發(fā)現(xiàn)金屬封裝腔體內(nèi)的多余物為玻璃絕緣子碎裂后的顆粒。

 

      失效電路照片如圖1 所示。玻璃絕緣子裂紋、碎裂導(dǎo)致氣密性封裝腔體內(nèi)出現(xiàn)自由可移動粒子，即存在可動多余物，而該器件安裝在導(dǎo)彈應(yīng)用環(huán)境，處于高速變相運動、劇烈震動狀態(tài)，這些自由粒子會不斷碰撞，產(chǎn)生隨機干擾，使電路出現(xiàn)了功能失效。失效現(xiàn)象非常直觀，因此，失效明確定位于金屬封裝的玻璃絕緣子機械損傷。

 

      另外，玻璃絕緣子裂紋、碎裂還同時導(dǎo)致集成電路密封性失效。

 

 

3、機理分析

 

      玻璃絕緣子機械損傷屬于機械應(yīng)力失效，由于該電路應(yīng)用于沖擊加速度峰值為8000g～10000g、沖擊脈沖寬度為2.5 ms 的機械過載環(huán)境，因此推斷是機械沖擊導(dǎo)致的失效。機理分析重點是對電路在部件中的安裝、部件結(jié)構(gòu)及部件抗機械沖擊等方面進(jìn)行分析。

 

3.1 產(chǎn)品封裝及安裝結(jié)構(gòu)概述

 

      產(chǎn)品封裝形式及在系統(tǒng)中的安裝三維示意圖如圖2 所示（箭頭方向為機械沖擊過載應(yīng)力方向）。由圖2 可見，該集成電路為采用平行縫焊的28 線雙列金屬氣密封裝，產(chǎn)品安裝在印刷線路板（PCB）上，印刷線路板再嵌入到外面的固定框架內(nèi)。

 

      部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮了8000g 以上的機械沖擊過載，因此設(shè)計采用了一種環(huán)氧樹脂膠，對安裝框架、焊接PCB 及集成電路三者進(jìn)行粘接加固，對部件內(nèi)部空隙進(jìn)行填充。

 

 

3.2 失效機理分析

 

      圖3 為失效產(chǎn)品在部件中環(huán)氧膠粘接及填充情況的照片。由圖3 可知，加固的環(huán)氧膠充填存在以下兩個問題：

 

      1） 集成電路與PCB 之間未能完全充滿膠，存在空洞和縫隙，未能達(dá)到良好的一體化結(jié)構(gòu)狀態(tài)；

 

      2）安裝框架與PCB 板之間也沒有完全充滿膠，存在空洞和縫隙，未能達(dá)到良好的一體化結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

 

 

      電路在8000g 以上的高過載機械應(yīng)力作用下，以上兩個部位空洞和縫隙的存在，導(dǎo)致應(yīng)力在空洞和縫隙處都不能連續(xù)均勻地傳遞，造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致PCB 及集成電路的封裝發(fā)生形變，而金屬封裝的引腿為Φ0.45 mm 的可伐材料，引腳與外殼的絕緣采用的是玻璃材料，玻璃的材料特性決定了該處是金屬封裝抗機械應(yīng)力的最薄弱處，因此出現(xiàn)了玻璃絕緣子損傷現(xiàn)象。

 

4、仿真驗證

 

      為了驗證第3節(jié)的分析，采用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真驗證。采用proe 建模，模型導(dǎo)入ANSYS 力學(xué)仿真模塊中進(jìn)行仿真，模型的X 方向為彈頭方向，Y方向為垂直于金屬封裝蓋板方向。在X 方向施加8000g 慣性載荷，對引腳以及底邊施加約束。有限元模型如圖4（a）所示。

 

      通過提取集成電路封裝形變來評價高過載對集成電路的影響，分析結(jié)果如下：

 

      1）8000g 沖擊導(dǎo)致的集成電路形變?nèi)鐖D4（b）所示，可以看出，集成電路的金屬封裝外殼出現(xiàn)形變（顏色越深，形變越大）；

 

      2）8000g沖擊導(dǎo)致的Y 方向形變?nèi)鐖D4（c）所示，可以看出，集成電路封裝出現(xiàn)翹曲變形，這將導(dǎo)致引腳處應(yīng)力集中。

 

 

      由仿真結(jié)果可見，機械沖擊過載應(yīng)力導(dǎo)致集成電路封裝金屬外殼形變，金屬外殼形變使脆性的玻璃絕緣子出現(xiàn)機械性損傷后碎裂。

 

      由于集成電路與PCB 及安裝框架的粘接加固環(huán)氧膠未能充填良好，存在空洞及縫隙，未能達(dá)到結(jié)構(gòu)的一體化狀態(tài)，應(yīng)力在填充環(huán)氧樹脂的空洞和縫隙處都不能連續(xù)均勻地傳遞，造成應(yīng)力集中，集中的應(yīng)力導(dǎo)致了縫隙處引腳及玻璃絕緣子失效。

 

5、原因及糾正措施

 

      產(chǎn)品安裝后的部件采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘接、填充及加固，環(huán)氧樹脂膠比較黏稠，流動性差，在粘接及填充加固操作時，小縫隙處容易因膠流不進(jìn)去而導(dǎo)致填充膠出現(xiàn)縫隙及空洞，造成集成電路安裝后的部件未能達(dá)到良好的一體化效果。

 

      針對以上原因，采取的糾正措施就是保證膠填充充分、均勻，保證無縫隙及空洞。

 

具體措施如下：

 

      1）設(shè)置部件環(huán)氧膠加固填膠為關(guān)鍵工序，制定了詳細(xì)的填膠操作控制規(guī)范；

 

      2）膠料混合后,采用真空設(shè)備進(jìn)行排泡處理,真空與常壓交替進(jìn)行, 在膠料不溢出的前提下,真空度盡量高；

 

      3）設(shè)計了專用的膠滴注工藝裝置，解決集成電路與印刷電路板間以及與安裝框架間微小縫隙膠填充均勻性、充分性問題；

 

      4）設(shè)置關(guān)鍵檢驗點，對膠填充均勻性、充分性進(jìn)行嚴(yán)格檢驗。

 

      通過以上措施，完全避免了環(huán)氧樹脂膠填充的縫隙、空洞問題，解決了該金屬封裝集成電路在高機械沖擊過載應(yīng)力下的失效現(xiàn)象。

 

6、結(jié)論

 

      高機械沖擊過載環(huán)境應(yīng)用的電路裝配焊接在PCB 上成為電子部件后，通過灌封使電子部件達(dá)到完全一體化結(jié)構(gòu)是提高抗過載能力的必要工藝。灌封工藝過程控制非常關(guān)鍵，灌封工藝設(shè)計不合理或者操作不當(dāng)都會導(dǎo)致灌封后部件出現(xiàn)縫隙、空洞等問題，不能達(dá)到良好的一體化結(jié)構(gòu)效果，達(dá)不到抗機械沖擊過載要求。