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    数码电子雷管抗冲击研究

    时间：2023-01-16 11:35:32来源：百花范文网本文已影响人

    孟彪，张雷，陈辉

    (1.新疆雪峰科技（集团）股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830000；

    2.新疆大学 地质与矿业工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830000)

    数码电子雷管又称电子雷管，是采用可编程逻辑控制器对起爆的过程时间进行控制的雷管。20世纪80年代开始研发数码电子雷管，到1990年代，国外的电子雷管技术得到了飞速发展，与此同时陆续出现了各种各样的电子雷管系统，这项技术逐渐成熟。我国电子雷管虽然起步早但是发展比较缓慢，在20世纪80年代研究出了我国一代的数码电子雷管，一直到2009年我国引进了第一条数码电子雷管的装配工作，填补了这方面的空白。近些年，随着我国经济和科技的发展，利用数码电子雷管进行爆破的工程逐渐增加，例如三峡大坝工程中利用数码电子雷管进行了精确的延时爆破，其爆破效果与设计的预期一致。从2017年开始，电子雷管的产量快速增长，到2021年时全国生产电子雷管的数量已经是2017年的21.6倍，与此同时，电子雷管占工业雷管的总产量也逐年增加。

    电子雷管与普通雷管的最大区别是毫秒延期的不同，普通雷管利用火药进行延时，而数码电子雷管利用芯片进行控制。电子雷管主要由三部分组成，分别是雷管、编码器和起爆器。随着当今芯片技术的蓬勃发展，电子雷管芯片在不断更新，而因内部芯片失效导致爆炸失败的情况时有发生。因此检测电子雷管芯片的有效性是成功爆破的关键。导致芯片失效的原因有很多，比如撞击、灰尘、静电等，目前，研究电子雷管芯片是爆破领域的热点和难点之一。

    芯片的抗静电性是目前研究的热点之一，当芯片遇到静电时，可能会产生静电放电击穿芯片，导致其损坏、系统出错重启、三极管的烧毁等。如果静电对电子雷管芯片造成影响，可能会导致雷管失效或者使雷管的控制系统失效，达不到延时的效果，甚至可能发生生产安全事故。

    研究电子雷管的抗静电性主要采用静电感度仪，采用两种不同的放电方式对雷管进行不同电压的试验，研究不同放电的位置、次数和方式对雷管性能的影响，试验工作原理见图1。其中电子雷管和静电感度仪形成一个一阶电路，当进行静电试验时，进行一阶电路的时域分析，研究电路内部各个部分的电流电压并保证其有效，随后收集静电放电测试数据，研究不同地方放电时芯片失效率与电压的关系。

    2.1 霍普金森杆

    霍普金森杆试验最初只能测量冲击载荷下的脉冲波形，后来在此基础上发明了利用电容方法测量杆中的应力脉冲，1948年Kolsky发明了分离式霍普金森杆，现在很多学者利用霍普金森杆来研究 芯片的抗冲击性，检测芯片的焊脚、PCB板、芯片保护外壳等方面的强度。传统的霍普金森杆主要利用子弹撞击产生的近似半正弦的压应变脉冲延杆体传播，收集其数据观察试验结果并得出结论，而电磁霍普金森杆是利用电磁的驱动力替换了传统中子弹撞击产生的应力波。虽然二者都可以产生一定的应力波，但是传统的霍普金森杆受到子弹、气枪气压等限制，产生应力波的幅值波长也不同，而电磁霍普金森杆可以很好地实现（见图2）。利用传统霍普金森杆研究通过子弹撞击所产生的应力波具有一定的局限性。利用电磁霍普金森杆对电子雷管芯片进行冲击，可总结分析数码电子雷管芯片的抗冲击性。

    图1 测试仪工作原理

    图2 霍普金森杆

    2.2 电子雷管芯片焊点冲击

    随着近些年电力电子技术的突飞猛进，芯片由于其价格较低和自动化水平较高的优势在电子封装行业中有越来越多的应用。焊点主要成分为锡铅共晶焊料，主要用于芯片与其他电子器件和外部电路之间的连接，焊点的可靠性是决定芯片质量的关键一环。导致焊点脱落的原因有很多，其中机械振动冲击是焊点发生脱落的主要原因。传统的霍普金森杆在研究过程中利用两种不同的子弹冲击铝板所产生的压应变脉冲，研究运动速度和激光干涉系统的多普勒频移关系对芯片的焊点进行冲击试验，焊点受到多次冲击后产生叠加效应而脱落。芯片未加封时焊脚的抗冲击性较好，当加封完成后可能会影响其抗冲击性，需要进一步的试验验证。由于传统的霍普金森杆有一定的局限性，可利用电磁霍普金森杆对接下来的试验进行验证。

    2.3 电子雷管芯片抗冲击

    芯片检测是目前半导体的研究热点之一，在航天航空、手机电脑、汽车等领域都有广泛的使用，检测芯片的抗冲击性可以有效地验证芯片生产出来之后是否可以正常工作。检测芯片的抗冲击性可以利用霍普金森杆，现在大部分试验研究还是利用传统霍普金森杆通过子弹撞击产生的应力波进行检测。机械冲击、温度、湿度、灰尘等一些因素会导致芯片失效从而影响使用，在外面加装一层保护装置尤为重要，以前因为材料方面的限制，利用类似塑料的外壳进行保护，经过外部冲击后容易造成结构损坏，近些年经过发展，利用环氧模塑料这种复合型的材料进行保护。由于封装材料的不同，对芯片的保护程度也不一样，比如环氧模塑料可能因为外部冲击、温度、材料吸水、芯片高温所产生的蒸汽等因素的不同，对芯片保护的程度也不一样。本文主要针对机械冲击这种情况进行综述。

    2.3.1 保护材料和PCB板

    当芯片使用类似陶瓷进行保护时，机械振动可能会导致外壳结构损伤，甚至可能会出现外壳对芯片的二次伤害。可以利用霍普金森杆冲击试验来测试其保护壳的强度，但是随着科学技术的发展，这类封装材料已经被淘汰。当芯片使用塑料封装时，可能因为封装技术等问题出现保护材料脱落，但塑料封装的效果和其他材料保护性差不多，且具有廉价、成型工艺简单、可进行大量封装等特点，使其运用广泛。塑料封装虽然有很多优点，但也有不足之处，比如受到温度、湿度等外界环境问题导致其脱落、变形、失效等。也可能因为芯片工作时产生热量导致封装内部产生水蒸气，可能会影响芯片的有效性。

    现在各种电子元器件都是焊接在PCB上，因此PCB板是否可靠也是关键的一环。当PCB板受到机械振动、保护芯片的材料对PCB板造成变形、结构损伤时，可能会导致电路、雷管失效。

    2.3.2 电子雷管芯片抗冲击试验

    为了验证电子雷管内部的电子元件的质量材料等是否符合规定，利用霍普金森杆模拟高g值冲击试验，对电子雷管内的MEMS芯片和晶振芯片进行破坏性物理分析，从而确定在高g值的冲击下的失效模式和失效机理。

    MEMS芯片指的是微机电系统，它是由传感器、 电源、信号处理器、控制电路、I/O接口等集成于一体的微型电路器件，具有高度的集成化、智能化、功能化等特点。研究MEMS芯片的抗过载性是基于其功能所决定的，主要是通过计算机进行建模模拟和试验测试，前者适合在芯片设计阶段进行模拟分析，而后者是在芯片加工完成后对芯片的质量和设计效果进行验证抗过载性。试验验证的方法主要指利用霍普金森杆通过子弹撞击产生的应力波模拟出高g值的冲击环境，对芯片进行冲击试验，最后用显微镜来观察芯片的受损情况。

    晶振芯片又称晶体振荡器，主要目的是保证频率高度稳定的交流信号，在电子雷管内部，晶振芯片主要的作用是与雷管内部的振荡器相连接，对其提供稳定的传输信号，在电子雷管延时时保证传输准确的时间脉冲，保证雷管的准时爆破。

    利用霍普金森杆对两种芯片进行冲击试验，把测试芯片安装在霍普金森杆的尾部，压缩空气推 动子弹，当子弹撞击时产生应力波，记录下应力波的数据对测试芯片进行研究。因为数字芯片和晶振芯片的结构有些不同，所以二者承受的应变脉冲有所不同，试验结果也有所不同。但是应变脉冲达到一定数值后，二者都发生了结构损伤。在高g值的冲击下，机械结构部分（如晶振芯片中的微梁，数字芯片中的十字梁、边框）都遭到破坏，导致芯片失效。

    等离子体是一种由正负离子所形成的气体物质，主要是一部分的电子被剥离原子和原子团在经过电离所产生的，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。随着近些年工业技术的发展，等离子体在芯片制造、清洗等方面得到了极大的应用。在矿山爆破工程中会使用大量的雷管进行延时爆破，爆炸的同时可能会产生等离子体，有可能影响其他正在工作的电子雷管。研究等离子体对电子雷管芯片的影响也是十分深远。

    试验采用传统霍普金森杆，利用2A12铝弹丸以不同的速度撞击铝靶板制造出等离子体，采用郎缪尔三探针计算分析制造出等离子体的电子温度和分布密度。当铝弹撞击靶板时产生的等离子体会对运行中的电子雷管芯片产生干扰，甚至会毁坏芯片的电磁，为了防止实验室溅射碎片对芯片的伤害，把芯片放置于IC插槽内并焊接在PCB板上。超高速撞击所产生的等离子体在膨胀过程中，正离子扩散的速度远低于电子的速度而形成电荷分离现象，从而造成双极性电场。在双极性电场的作用下，电子相对正离子前沿运动形成电子振荡等离子体膨胀，在这种双极性电子振荡作用下可能引发磁脉冲，从而对电子元器件形成电磁干扰效应。此外，当被剥离原子的带点电子附着在粉尘粒子上，随带电粉尘沉积在电子器件中产生附加电流，从而影响芯片的正常工作。

    在大规模爆破作业中，延时爆炸的安全可靠性以及精确性关系到爆破的效果是否满足预期。当采用起爆网络时，由于雷管数量庞大，延时段数多，这就对网络内部的雷管抗冲击性提出了更高的要求。因为爆破时所产生的冲击波对周围未爆的炸点产生强烈的冲击和超压。现如今国外学者主要研究两个方面：一是研究晶体振荡器在高强度冲击下的保护，二是研究其他抗冲击的振荡器，通过稳频技术来提高其精度和稳定性，从而达到高精度计时的目的。黄小亮等设计了一种将单一的晶体振荡器和谐振振荡器结合起来的方案，可以满足在抗冲击性的同时保证计时的精准。设计方案主要是将晶体振荡器作为校正振荡器，谐振振荡器作为工作振荡器使用。即在电子雷管延期爆破开始前用晶体振荡 器来校正和锁定谐振振荡器，在爆破程序开始后用谐振振荡器来控制计数器工作，从而实现电子雷管延期的耐冲击性能，并取得更好的高精度计时爆破效果。

    在刘伟、黄嵩的研究中，进行了基于PLC的电雷管脚线耐磨性能测试系统设计，电子雷管脚线位于其尾部，与内部电点火元器件相连，若在工程爆破时，因为电雷管脚线磨损导致其短路，而无法引爆，造成盲炮，这会对作业人员的生命和财产造成无法估计的损害。电子雷管脚线耐磨性是当其绝缘层受到外界荷载作用时，防止磨透和损坏的能力，是衡量其可靠性的重要指标之一。国外一些国家已经对电子雷管脚线的耐磨性制定了一系列的标准，且有与此对应的测试方法和测试设备。由于我国仍旧采用手工操作的方式进行检测，不仅效率低而且精准度上也有一定的差距。本文利用PLC的传功结构设计了一个自动化程度较高的检测系统，用来测试所生产的电子雷管脚线是否符合国家标准，满足了民爆安全管理的要求，同时提升了行业内监管水平，保证了从业人员安全。

    除了以上情况影响电子雷管的正常爆炸，雷管壳的抗弯能力也是电子雷管能否正常运行的一大因素。当数码电子雷管受到外界载荷作用造成弯曲时，可能会损坏电子雷管，更严重也可能导致爆炸，电子雷管抵抗机械载荷的敏感程度是其重要指标之一。世界各地在使用、运输雷管时意外爆炸或者失效的情况时有发生，其中有相当一部分是因为雷管壁受到了机械性弯曲所导致的。国外已进行抗弯性研究，并制定了相关的产品标准和试验方法。但我国还没有建立其相关的试验方法。张冲借鉴国外的标准，采用PLC编程，实现了工业雷管抗弯性能的自动化，提高了效率和安全性。

    （1）电子雷管芯片在不同条件下进行冲击试验，对芯片的损伤会有不同的结果。当芯片受到等离子体造成的电磁干扰时，可能会对工作中的芯片造成瞬态软损伤干扰行为，也有可能对正在工作中的逻辑芯片造成影响，有失真的情况存在。当芯片受到静电放电时，脚-脚形式会导致芯片内部损坏，但不会导致雷管发火；
    当静电对数码电子雷管以脚-壳形式放电时，对数码电子雷管造成威胁的只有静电放电时形成的静电放电通道。当芯片受到冲击时，其焊脚经过一次撞击不会发生脱落，但是经过多次撞击后发生脱离，冲击对焊脚有叠加的效果。当芯片受到机械冲击时，晶振芯片和数字芯片会发生机械损伤导致芯片失效，然而因为焊接问题，晶振芯片也会发生焊点的脱落导致芯片失效。

    （2）由于芯片保护材料不同，也有着不同的结果，随着科技发展会出现更好的保护芯片的材料，本文只是对目前的一种材料进行分析；
    由于芯片全部都焊接在PCB板上，对其要求较高，若发生高强度的冲击，PCB板可能会发生形变等问题。

    （3）在工程作业中，影响电子雷管爆炸的原因有很多，比如脚线、外壳等，随着国家出台一系列关于电子雷管的标准，严格把控电子雷管的质量，在大力推动电子雷管的同时保证其安全可靠性，可以更好地提高爆破效率和保障从业人员的生 命财产安全。

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