侵彻武器引信控制电路国产元器件选型问题研究

魏成典

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

侵彻武器的通常工作过程是先由侵彻壳体（弹头）穿透防护层（一般包括混凝土、船舷、甲板等），进入掩体内或舰船内部，然后在引信的控制下延迟起爆。因为侵入目标内部起炸，这一类型的爆炸能够获得比外爆式武器更大的破坏效果[1]。侵彻武器安装有外爆式武器所不具有的引信起爆控制电路，为实现起爆时机的主动、精确选择，达到最大破坏效果，就要用到多种电子元器件。

常规侵彻武器引信用到的电子元器件所实现的功能并不复杂，所以不需要使用性能太尖端的产品，目前国产元器件在电性能已能满足需求；而侵彻武器本身所处的特殊的力学环境成了影响元器件可靠性的主要因素。

在此从需求和对策两个方面对侵彻武器控制电路的元器件选型问题展开探讨。首先介绍典型侵彻武器生命周期中面临的力学环境；然后分别从封装材料的选择、封装形式的选择和筛选检验的方法三个方面提出满足力学环境要求的应对措施，从而进行选型思路的探讨。

2 侵彻武器引信控制电路环境力学分析

侵彻武器除了弹道飞行以及侵彻过程外，和其他武器一样，生命周期中也包括制造、运输、勤务处理等过程，在整个生命周期内会经历一些比较复杂、严苛的物理环境。其中主要的也是最难应对的是包括振动和冲击过载在内的力学环境。这主要是由侵彻武器的使用方法决定的，因为控制电路要随弹体一起发射、飞行并侵彻到目标当中，所以要和弹体承受相同的振动和冲击。

2.1 发射过程后坐力分析

以炮弹发射过程为例，弹体收到的后座冲击力与炮膛内压力成正相关，根据火炮弹道基本方程，可得到膛内发射压力与时间的变化曲线[2]如图1。

图1 炮弹发射过程膛内压力变化示意图

其中第1 时期为弹体开始加速的过程，在Pm处达到最大；而后随着弹体后方空间加大导致火药燃烧产生的压力逐渐小于因体积增大而减小的压力，膛内压力开始下降，直至火药燃烧逐渐完全，膛内压力减小至Pk。从第2 时期开始则是火药燃烧的内能做功。最后进入后效期，弹体飞出炮膛。

一般来说，榴弹炮在发射过程中，其后坐加速度可达10-25kg，部分舰炮榴弹后坐加速度达50kg，其中小口径榴弹后坐加速度甚至能够达到7kg。表1给出了常见类型弹体的后坐加速度。

表1 常见弹体后坐加速度

2.2 侵彻过程冲击力分析

侵彻过程的冲击力计算须考虑的因素较发射过程来说要多一些，不仅要考虑弹体与目标碰撞瞬间的速度，同时对于碰撞的姿态、角度以及目标的相关特性参数也要有所考虑。一般根据经验计算得出的侵彻阻力如表2 所示。

表2 常见弹体侵彻阻力加速度

综上，从环境力学的角度来看，在控制电路选型时，应重点考虑器件的抗冲击和抗过载能力。

3 环境力学应对措施

3.1 封装材料的选择

传统军品器件一般采用陶瓷封装，其优点主要有：气密性好，对内部芯片有较好的保护作用；在电、热、机械特性等方面极其稳定；信号路径较短，寄生参数、噪声少，延时特性较好。

但在侵彻武器中使用的器件面临着更加特殊的力学环境。陶瓷封装具有较高的刚性和脆性，同时由于在封装好的管壳内部使用的是惰性气体填充，对管壳缺少刚性支撑，因此对高过载和冲击缺乏抵御能力，在高过载过程中易致应力损害。

塑料封装形式则恰恰相反，封装和使用时用环氧树脂、热树脂等材料填充在器件周围，具有良好的浸润性及机械防护支撑性能，抵抗严酷冲击和振动的能力比较强。

为更好地应对生命周期中的振动和冲击，最大限度地保证器件的可靠性[3]，考虑在器件封装时采取塑料封装形式。除抗过载能力较强之外，采用塑料封装材料还具有如下优点：介电性能优于陶瓷；消除了内部引线下垂导致的短路问题；相同体积情况下重量更轻；更适用于小尺寸封装；成本更低。相应地，如果采用塑料封装，由于塑料封装材料、工艺等本身的特性，也可能在密封性、抗潮湿和抗腐蚀等方面较陶瓷封装有一定的差距[4]。

综合考虑抗应力能力、电性能、尺寸和成本，塑料封装材料对于大规模生产的量产侵彻武器来讲更具有优势。

3.2 封装形式的选择

在选择封装形式时主要应考虑以下两点因素：

1) 元器件体积的限制

在实际应用中，因弹体体积限制，控制电路的面积大小不可能无限制拓展，其中包含的元器件数量、体积大小也会受到限制，因此要选择体积较小的封装形式。而考虑到在有限的电路面积中尽可能多地容纳更多元器件，或者将同样数量的元器件装在面积尽可能小的电路板中，往往采用电路板双面布线布局，因而在这一点上更倾向于SMT 类型的封装形式，而不考虑直插式的封装形式。

2) 连接方式对环境应力的抗性

按连接方式的不同，主要可分为有引线封装和无引线封装。在对抗环境应力方面，这两种封装形式分别面临着不同的问题，在此以QFP 和QFN 两种适合小尺寸封装的形式为例进行对比如下：

QFP 封装由于引线的存在，能吸收一部分振动引起的形变，较为有效地避免芯片本体的受力。但反过来，在振动或加速度过载环境中，引线与芯片本体的接合点就成了力学支撑点，从而成为连接的薄弱环节。有研究表明，QFP 封装在振动和加速度过载条件下的失效有70%以上为引线的根部断裂。

QFN 封装由于没有引线，只能通过器件自身的盘栅与焊盘焊接，这样一方面无法通过引线来缓冲应力，另一方面由于盘栅和焊盘均被器件本身遮挡覆盖，给焊接的可靠性和检测带来难度和挑战，进而为可靠性留下隐患，容易出现焊点开裂现象[5-6]。

二者比较，QFP 封装在振动和加速度过载条件下的失效更偏向于引线根部断裂，而QFN 封装则更偏向于焊点开裂。从其他方面来讲，QFN 器件具有体积较小、电性能较好的优势。

综合上述两点考虑，可知塑封器件无论选择有引线还是无引线的封装形式，都会在原材料特性、制造工艺、贮存环境等等方面存在失效风险。对于元器件厂商来说，很难从根本上完全杜绝失效的发生，因此就需要在筛选检验环节有针对性地设置项目，剔除失效器件，提高整体可靠性[7]。

4 筛选检验方法

军品级塑封器件在筛选检验的过程中主要遵循GJB 7400-2011 中的相关规定[8]，详见表3。

其中包括的筛选项目有：温度循环、老炼、电测试、X 射线、超声检测等。由于塑封材料的非密闭性和高温玻璃化转换特性，在以上项目中，高温贮存（150℃，1000h）和盐雾（盐汽）两项对于塑封器件来说最为严苛，也最不易通过。但在有些应用场景中对这两项的要求并不高，所以在实际应用过程中可以与用户沟通具体使用条件，根据实际情况适当放宽检验考核标准。

如果要获取更高可靠性的塑封器件，可以考虑进行HAST（加速稳态湿热试验），在130℃、85%RH、100h 条件下进行筛选考核。

5 结 束 语

元器件选型问题终究是各方面因素和风险的平衡问题。塑封器件由于在材料和工艺方面的改进和提高，以及本身在尺寸、重量、成本、可用性、性能以及工艺和设计方面的先进性， 正在越来越多地被用于军用元器件领域。侵彻武器引信控制电路在适当的应用环境下可以考虑国产塑封器件，一来可节约成本，二来可从需求端拉动国内塑封生产链条的发展，减少对国外产品的过度依赖。