某慣性傳感器組件抗高過載失效分析及改進*

蘇亞慧,黃艷輝,王峙衛

(中國兵器工業第214研究所, 安徽蚌埠 233000)

0 引言

彈載電子產品無論是在發射、飛行過程都要承受很大的過載沖擊,會達到上萬g甚至達十萬g乃至數十萬g。在這種情況下,為保證彈載電子產品正常工作,抗高過載特性成為彈載電子分系統、電子部件設計時的一項最基本要求。

MEMS慣性傳感器組件以其高性能、低成本、小型化等特點廣泛應用于武器裝備的制導系統,特別適用于常規制導彈藥,如制導炮彈、迫彈、火箭彈等[1-2]。文中針對一種慣性傳感器組件,在應用于130 mm彈載試驗時出現的功能失效現象,進行了機理分析、仿真驗證,并給出了改進措施。

1 失效現象及分析定位

1.1 失效現象

一只MEMS慣性測量組件在130 mm彈載試驗(11 500g持續時間12 ms)后出現失效,具體表現為組件上電后無數據輸出,電流小,僅為2 mA,正常為240 mA左右。

1.2 外觀檢查

在顯微鏡下對MEMS慣性測量組件進行外部檢查,外引線、外殼均無異常。

1.3 電性能復測

對失效的MEMS慣性測量組件進行復核測試,測試結果為:電流2 mA,無輸出數據,與實彈搭載出現的失效現象一致。

1.4 開蓋前初步定位

1.4.1 組件原理分析

MEMS慣性測量組件原理框圖如圖1所示。組件由3個單軸MEMS陀螺儀板、3個單軸MEMS加速度計(簡稱加計)板和ARM主控板組成,其中ARM主控板具備電源轉換、控制與信號處理及串口電平轉換等功能,ARM主控板作為主設備,MEMS陀螺儀板和加速度計板作為從設備通過SPI進行數據通信,ARM控制器向從設備發出控制信號,同時讀取來自從設備的陀螺和加計數據,并完成溫度、標度與g靈敏度補償計算,最后轉換成串口信號通過RS422輸出。

圖1 組件原理框圖

根據組件原理分析,造成組件失效的原因有3種可能性:1)電源線或地線斷路;2)主控板上電源模塊失效;3)組件內部框架或PCB板在高沖擊下變形或斷裂失效。

1.4.2 電路阻抗分析

對失效組件引出端之間的阻抗進行測試,并與完好組件引出端阻抗進行對比。對比測試結果,發現失效組件與完好組件引出端阻抗差別很小,初步判斷電源線或地線斷路的概率較小,組件內電源模塊失效的概率也較小,組件內部主控板失效的概率大。

1.4.3 稱重分析

在高沖擊下組件內部主控板失效,可能的原因之一是內部灌封不充分不均勻,在沖擊時受力不均,出現了機械變形或斷裂。取一完好的組件與失效組件在同一個電子秤上稱重,結果顯示失效組件較完好組件輕18 g,說明失效組件內灌封膠量偏少。由此初步分析,認為失效組件內部灌封膠少,灌封不充分,導致組件內部框架或PCB板在高沖擊下出現了變形直至斷裂。

1.5 組件拆解分析

為進一步分析,將失效的組件外殼拆解。組件拆解過程為:打開鋁殼→露出主控板→去除主控板→露出內支架→去除上層傳感板→檢查內支架填充→檢查內支架以外部分的填充→檢查內支架下方填充。拆解過程中發現組件內灌封膠未充滿,主控板PCB板斷裂,斷裂的主控板如圖2所示。

圖2 PCB板出現翹曲、斷裂失效

1.6 失效原因定位

由阻抗測試、稱重以及拆解過程可知,經過11 500g持續時間12 ms的彈載試驗后,失效樣品的主控板出現了翹曲變形、斷裂,最終導致組件失效。

2 失效機理分析

2.1 組件結構分析

MEMS慣性測量組件包括3個MEMS加速度計PCB模塊、3個MEMS陀螺儀PCB模塊、1個異形金屬支撐架、1個金屬外殼底座和1個金屬外殼殼蓋等主要組成部分。內部設計方案為3個單軸高精度MEMS陀螺儀以及3個單軸高精度加速度計正交安裝在骨架上,骨架上方安裝有信號處理功能的主控板。整體結構如圖3所示。

圖3 組件結構示意圖

為提高慣性組件的抗過載能力, 通常對電路、安裝印刷電路板及部件外殼結構進行整體灌封[3], 即采用合適的灌封材料填充到電子部件中,將電子部件內部元器件之間及外結構等所有的空隙良好填充。考慮灌封膠流淌的順暢性,在主控板上設計三處鏤空,其中兩處靠近PCB板邊緣,在灌封不充分時,成為整個板的受力薄弱處,在經過高沖擊試驗時,易造成變形或斷裂失效。

2.2 力學仿真分析

為了驗證上述分析,采用ANSYS有限元軟件進行仿真驗證。在ANSYS中建立的組件沖擊過載仿真模型,如圖4所示。通過在組件底面模擬施加11 500g持續時間12 ms沖擊載荷,分析了組件結構及內部器件在高過載條件下的應力和應變情況。為簡化仿真,假設11 500g沖擊載荷為三角波形,其隨時間變化曲線如圖5所示。

圖4 組件外殼結構ANSYS仿真模型

圖5 仿真模擬施加的沖擊載荷曲線

ANSYS仿真計算出的組件外殼底部加速度隨時間變化曲線如圖6,應力隨時間變化曲線如圖7,可見組件在3 ms時刻經歷最大峰值約為11 500g的沖擊載荷。應力隨時間變化曲線與輸入載荷變化曲線相同,因此若仿真結果得出的組件外殼結構在3 ms時刻的最大應力小于材料極限強度,才能認為組件外殼具備抗相應沖擊過載的能力。

圖6 組件外殼加速度值隨時間變化曲線

圖7 組件外殼應力值隨時間變化曲線

當組件未采取灌封填充時,ANSYS仿真計算得出的3 ms時刻組件內部剖面加速度分布如圖8,應力分布如圖9。

圖8 未灌封的組件在3 ms時加速度云圖

圖9 未灌封的組件在3 ms時應力云圖

可見施加沖擊應力載荷時,組件內部結構的最大應力約為550 MPa。該最大應力大于組件內部材料的強度極限,因此未灌封的組件結構無法滿足11 500g的抗沖擊過載。從仿真分析可知,在灌封不充分時,組件內部無保護緩沖,主控板受力薄弱處極易出現變形或斷裂失效。

3 設計改進及驗證

針對上述失效現象,采取了以下改進措施:1)PCB板加厚到2.0 mm,重新設計版圖,加寬灌封膠流淌孔與PCB邊緣的距離;2)罐封加注罐封膠時壓力加強,使罐封更加均勻;3)加強罐封一致性控制,每次灌膠量保持一致,減小差異性。

組件進行設計更改后,為了驗證改進的有效性,在實驗室進行錘擊試驗,將組件固定在落錘上,采用相同的齒數對其進行沖擊,試驗現場如圖10所示。

圖10 組件落錘試驗安裝圖

試驗中利用PCB公司加速度計3503A1060KG傳感器進行標定,在示波器中得到過載曲線,將電壓峰值進行換算,得到峰值28 261g、脈寬40 μs的過載曲線,如圖11所示。

落錘試驗后再進行測試,組件功能完好,數據輸出如圖12所示,說明改進措施是有效的。

圖12 組件數據正常輸出圖

4 結論

MEMS慣性測量組件試樣過載試驗后出現失效主要是由于內部主控板在沖擊試驗后出現變形斷裂所致。經過對主控板的版圖設計改進,并在工藝過程注意灌封時控制灌封膠的用量以及壓力,可以有效避免此失效的發生,從而可以有效提高組件的抗高過載能力。