航天磁性器件失效分析與篩選試驗(yàn)

王少寧，張保平，陳昶文

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

在航天產(chǎn)品中廣泛使用了磁性器件，尤其是衛(wèi)星和飛船等航天器電源系統(tǒng)中的電源變換器(也稱(chēng)二次電源或DC－DC模塊電源)。磁性器件包括變壓器，以及共模/差模電感器等。變壓器在電源變換器中起著功率變換、電氣隔離的重要作用，電感器使用在產(chǎn)品的輸入端和輸出端，起到輸入/輸出濾波作用。

由于各個(gè)電源變換器的功能、輸入/輸出電壓和輸出功率的差別，導(dǎo)致產(chǎn)品中使用的各種磁性器件的使用條件、加工工藝及性能參數(shù)各不相同，所以形成了磁性器件很難形成標(biāo)準(zhǔn)器件的狀況。給器件的生產(chǎn)和使用帶來(lái)了不確定性和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。而磁性器件在電源變換器中都是關(guān)鍵器件，如果器件發(fā)生失效往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的功能失效。通過(guò)對(duì)國(guó)外航天變壓器、電感器以及國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的檢測(cè)和使用可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)比，分析了航天變壓器和電感器的主要失效模式及原因，并提出針對(duì)保證航天磁性器件可靠性和質(zhì)量的篩選試驗(yàn)要求。

2 航天磁性器件的失效分析

失效是指元器件功能終止或性能參數(shù)超出容許的范圍，不能完成規(guī)定任務(wù)的一種狀態(tài)。磁性器件是航天器電子產(chǎn)品，尤其是電源產(chǎn)品中基本而關(guān)鍵的器件。它在制造過(guò)程中由于材料、工藝的缺陷，質(zhì)量控制不當(dāng)，可能會(huì)形成器件的固有缺陷。在器件使用過(guò)程中由于時(shí)間及其它應(yīng)力的關(guān)系將導(dǎo)致器件失效。

2.1 國(guó)外航天磁性器件失效統(tǒng)計(jì)和分析

由于磁性器件為非標(biāo)準(zhǔn)器件，在產(chǎn)品中又起著重要作用的特殊性，美國(guó)航空航天局(NASA)從1971年～2005年所使用的航天磁性器件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)包括器件制造商數(shù)據(jù)、器件篩選實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)及用戶(hù)數(shù)據(jù)。

按照磁性器件制造和使用流程分類(lèi)，可將失效發(fā)生來(lái)源分為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和電裝［1］。

設(shè)計(jì)造成的磁性器件失效主要包括:器件的參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，如電感量設(shè)計(jì)偏低，不能滿(mǎn)足使用要求;選用了不合格的材料，包括漆包線(xiàn)規(guī)格及磁性材料規(guī)格型號(hào)，導(dǎo)致器件不能滿(mǎn)足使用要求;不正確的篩選試驗(yàn);不正確或詳細(xì)的電裝要求，如對(duì)器件的安裝和焊接沒(méi)有考慮力學(xué)、散熱等條件要求，在使用中發(fā)生器件失效。

生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的器件失效主要包括:不能滿(mǎn)足要求的加工工藝;使用了不合格或有質(zhì)量缺陷的原材料，如有微裂紋的磁環(huán)、漆膜受損的漆包線(xiàn);生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制不當(dāng)，造成器件的潛在損傷;不正確的器件標(biāo)識(shí)。

電裝產(chǎn)生失效的原因包括:不符合要求的電裝質(zhì)量，如虛焊或焊接溫度不受控制造成對(duì)器件內(nèi)部焊接點(diǎn)的損傷;不滿(mǎn)足力學(xué)要求的安裝方式;操作不當(dāng)，如器件引腿的折斷。

由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和電裝引起的磁性器件失效百分比統(tǒng)計(jì)表如圖1所示。

圖1 美國(guó)航天磁性器件失效百分比統(tǒng)計(jì)表

可以看到，磁性器件在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷是失效的主要原因。但是也得出在每3個(gè)失效器件中，就有一個(gè)是由設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的。美國(guó)航天磁性器件的生產(chǎn)歷史很早，仍有這么多設(shè)計(jì)缺陷，值得引起航天磁性器件設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注，從設(shè)計(jì)源頭減少器件的失效。

磁性器件的失效模式主要有:開(kāi)路、短路、性能不合格、其他。按照這4種失效模式統(tǒng)計(jì)失效發(fā)生的比例如圖2所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到，磁性器件的開(kāi)路故障占器件失效模式的比例超過(guò)50%，其次性能不合格，例如電感量超標(biāo)、耐壓不合格等占到了約四分之一。

2.2 國(guó)內(nèi)航天磁性器件失效統(tǒng)計(jì)和分析

我國(guó)航天磁性器件的生產(chǎn)和使用也已有近20年的歷史，由于大部分磁性器件，尤其是變壓器都是由單機(jī)研制單位自己設(shè)計(jì)，再由專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家加工生產(chǎn)，最后交付用戶(hù)裝機(jī)使用，加工單位分散、使用單位眾多，因此對(duì)失效的數(shù)據(jù)積累工作欠缺。所以磁性器件的失效案例和數(shù)據(jù)有限，通過(guò)對(duì)本單位航天磁性器件檢驗(yàn)不合格和使用時(shí)發(fā)生失效的統(tǒng)計(jì)，得到在產(chǎn)品生產(chǎn)完成后的檢驗(yàn)中發(fā)生不合格的比例普遍較高，約占3%。不合格主要包括:外觀檢查、性能參數(shù)、絕緣耐壓，主要失效模式的比例如圖3所示。外觀檢查主要包括:外形尺寸、標(biāo)識(shí)、重量，性能參數(shù)主要包括:開(kāi)路、短路、電感量、匝比等。其中性能參數(shù)是國(guó)內(nèi)磁性器件，尤其是變壓器的主要失效模式，約占90%以上，此外對(duì)有高壓要求的磁性器件，在器件生產(chǎn)初期，絕緣耐壓不合格占較大比例，但在工藝和設(shè)計(jì)改進(jìn)后，不合格率顯著下降。

圖2 美國(guó)航天磁性器件失效模式分類(lèi)百分比統(tǒng)計(jì)表

美國(guó)磁性器件的失效率約為0.1%，國(guó)產(chǎn)航天磁性器件失效率約為5%，遠(yuǎn)高于美國(guó)。主要表現(xiàn)在器件的加工能力和技術(shù)水平差距，器件的設(shè)計(jì)差距和使用差距。國(guó)產(chǎn)磁性器件的性能參數(shù)失效高達(dá)89%，有設(shè)計(jì)原因和生產(chǎn)原因，設(shè)計(jì)原因主要包括對(duì)器件參數(shù)不能滿(mǎn)足使用要求，例如繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)及電感量參數(shù)的范圍確定不合理，造成驗(yàn)收測(cè)試不合格，或在器件電裝后由磁性器件參數(shù)不當(dāng)，引起產(chǎn)品性能不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求等，說(shuō)明了我們的設(shè)計(jì)師在磁性器件的設(shè)計(jì)上還存在欠缺，最終導(dǎo)致器件不合格或在使用過(guò)程中發(fā)生失效。造成器件失效的生產(chǎn)原因主要是由于國(guó)內(nèi)磁性器件生產(chǎn)廠(chǎng)家加工水平參差不齊，質(zhì)量控制能力較低，由于加工工藝缺陷、工藝不固化，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生對(duì)原材料的潛在損壞等，如器件繞制過(guò)程中對(duì)尖銳物、烙鐵頭等漆包線(xiàn)的漆膜造成破損，都將導(dǎo)致包括器件外形尺寸、性能參數(shù)、絕緣耐壓等各種不合格及失效發(fā)生，或者在器件使用過(guò)程中隨著機(jī)械應(yīng)力及溫度應(yīng)力的作用，使器件性能參數(shù)發(fā)生變化甚至功能失效。

圖3 國(guó)產(chǎn)航天磁性器件失效模式分類(lèi)百分比統(tǒng)計(jì)表

由于航天產(chǎn)品的整體質(zhì)量意識(shí)和要求的不斷提高，國(guó)產(chǎn)磁性器件的失效率在近幾年也有了很大改善，器件設(shè)計(jì)師通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)不斷完善性能參數(shù)要求，減少了設(shè)計(jì)原因的失效率。生產(chǎn)廠(chǎng)家也不斷提高加工工藝的研究和質(zhì)量控制，大幅提高了由生產(chǎn)原因產(chǎn)生的器件不合格及失效率。

例如在電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元產(chǎn)品中，使用的具有耐高壓絕緣的磁性器件，使用電壓達(dá)到1 000 V以上，設(shè)計(jì)要求器件的絕緣耐壓不小于3 000 V。在該器件的加工初期，絕緣耐壓的合格率只有50%，通過(guò)原因分析，改進(jìn)了絕緣防護(hù)工藝設(shè)計(jì)，完全解決了高耐壓絕緣問(wèn)題，并且在加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，杜絕漆包線(xiàn)的漆皮在加工過(guò)程中受損，避免將有缺陷的漆包線(xiàn)使用到器件加工中，最終鑒定耐壓測(cè)試達(dá)到了5 000 V。在該器件正式裝機(jī)使用后，沒(méi)有發(fā)生一起器件失效。

3 航天磁性器件的篩選試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)磁性器件的失效分析，絕大部分的失效是由于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及不當(dāng)?shù)难b機(jī)引起的，這也說(shuō)明可以通過(guò)完善設(shè)計(jì)、可靠的工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，可以避免很多磁性器件的失效。但仍然不能杜絕由于原材料或人為因素導(dǎo)致的潛在質(zhì)量缺陷，這將導(dǎo)致器件在后期的使用中發(fā)生失效，并且會(huì)造成代價(jià)較高的損失。

為了保證元器件的可靠性，特別是對(duì)航天產(chǎn)品，為了滿(mǎn)足整機(jī)及整星可靠性要求，必須將在使用條件下可能出現(xiàn)失效的元器件剔除。因此，最有效的做法就是對(duì)磁性器件進(jìn)行篩選試驗(yàn)。篩選是通過(guò)對(duì)元器件施加各種環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，將元器件中各種缺陷引發(fā)的早期失效激發(fā)出來(lái)的試驗(yàn)。因此篩選可以暴露器件的各種早期失效而剔除，是提高整機(jī)可靠性的有效途徑。

3.1 航天磁性器件篩選試驗(yàn)現(xiàn)狀

失效可以為連結(jié)性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。每種失效對(duì)應(yīng)器件的缺陷各不相同，而篩選試驗(yàn)的方法一起的失效模式也不同，所以元器件的篩選試驗(yàn)先后順序?qū)Y選結(jié)果也有影響。NASA采用了MILSTD－981B《空間飛行用自定義磁性器件的設(shè)計(jì)制造和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其中規(guī)定了航天磁性器件篩選試驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)先順序如下［2］:

溫度沖擊→老化→密封(適用時(shí))→絕緣耐壓(也稱(chēng)介質(zhì)耐電壓)→感應(yīng)電壓→絕緣電阻→電性能→X光檢測(cè)→外觀和機(jī)械檢查。

美國(guó)不同的磁性器件制造商對(duì)MIL－STD－981篩選試驗(yàn)中的各項(xiàng)目重要性意見(jiàn)也不同，大部分制造商認(rèn)為:將絕緣耐壓和電性能列為最優(yōu)的試驗(yàn)項(xiàng)目，再根據(jù)應(yīng)用差異，選擇篩選試驗(yàn)項(xiàng)目及排序，而X光檢查和密封被認(rèn)為是最后排列的要求，只有在特殊要求時(shí)，才需要進(jìn)行。并且通過(guò)大量的數(shù)據(jù)表明，器件在溫度沖擊試驗(yàn)中失效數(shù)多于其他試驗(yàn)，絕緣擊穿和不正確的焊接及安裝引發(fā)的失效多發(fā)生在使用中。

我國(guó)在1992年參考美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)制定了GJB1435《開(kāi)關(guān)電源變壓器總規(guī)范》國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，但由于磁性器件應(yīng)用環(huán)境和條件差異較大，各航天用戶(hù)又根據(jù)自身的特殊要求，在國(guó)軍標(biāo)的基礎(chǔ)上，各自制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。所以針對(duì)磁性器件的溫度沖擊、老化、絕緣耐壓、感應(yīng)電壓、絕緣電阻、電性能、X光檢查等并不是全部都作為篩選項(xiàng)目。而是根據(jù)自身要求將其中一部分作為篩選項(xiàng)目，試驗(yàn)排序也是參考標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定［3－4］。

目前，國(guó)內(nèi)航天磁性器件對(duì)電性能、絕緣電阻、絕緣耐壓、外觀檢查均作為篩選項(xiàng)目，并進(jìn)行100%檢驗(yàn)。對(duì)于通用、批量生產(chǎn)的電感器將溫度沖擊和老化定為比做篩選項(xiàng)目。數(shù)量少、單件產(chǎn)品用的磁性器件質(zhì)量管理和控制由單機(jī)研制單位負(fù)責(zé)，沒(méi)有統(tǒng)一要求。

3.2 航天磁性器件篩選試驗(yàn)建議

由于航天磁性器件與單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊密相連，使其品種多，使用條件差異大，造成器件的篩選試驗(yàn)各不相同，不能對(duì)器件的質(zhì)量和可靠性起到有效的控制，容易導(dǎo)致在產(chǎn)品應(yīng)用后期發(fā)生由于磁性器件失效產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。因此，針對(duì)航天磁性器件的特殊性和高質(zhì)量、高可靠性要求，并根據(jù)器件制造商具體的能力分析，提出滿(mǎn)足航天要求的器件篩選試驗(yàn)，以及符合實(shí)際的試驗(yàn)排序。具體建議如下:

(a)磁性器件的外觀檢查、性能參數(shù)及絕緣耐壓必須進(jìn)行100%的出廠(chǎng)測(cè)試和用戶(hù)復(fù)驗(yàn)測(cè)試;

(b)對(duì)電壓低于100 V的磁性器件，必須進(jìn)行抽樣鑒定試驗(yàn)，鑒定試驗(yàn)包括至少包括溫度沖擊和老化;

(c)對(duì)電壓高于100 V及工作壽命大于5年的磁性器件，必須進(jìn)行100%的溫度沖擊和老化篩選試驗(yàn);

(d)溫度沖擊試驗(yàn)的低溫不高于－55℃，高溫不低于85℃，循環(huán)次數(shù)不少于10次，老化溫度不低于85℃;

(e)對(duì)有安裝接口的磁性器件，必須開(kāi)展相關(guān)的振動(dòng)、沖擊等力學(xué)篩選試驗(yàn);

(f)有條件制造商及器件用戶(hù)可以開(kāi)展X光檢查、DPA檢查和壽命試驗(yàn);

(i)按照經(jīng)濟(jì)性和覆蓋性原則，容易篩選試驗(yàn)放在兩頭做。性能參數(shù)測(cè)試成本低而便宜，并且考慮其它試驗(yàn)后性能的變化，可以將性能參數(shù)測(cè)試放在最前面和其它試驗(yàn)后面進(jìn)行;

(j)其次對(duì)重要指標(biāo)，并且容易觸發(fā)失效的篩選試驗(yàn)放在前面進(jìn)行，絕緣耐壓是高壓變壓器的重要性能，并且是發(fā)生失效率較高的項(xiàng)目，可以?xún)?yōu)先測(cè)試;

(k)失效概率最大的篩選試驗(yàn)先做，可以在完成性能測(cè)試后即可進(jìn)行溫度沖擊;(h)最后考慮時(shí)間性，時(shí)間長(zhǎng)的篩選試驗(yàn)后做，老化試驗(yàn)可以放在最后進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)美國(guó)和國(guó)內(nèi)航天磁性器件的失效統(tǒng)計(jì)和分析，得到了航天磁性器件容易發(fā)生失效的主要原因和失效模式，從磁性器件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和電裝各方面如何降低器件失效率提供了有效參考。并且提出了針對(duì)暴露早期失效，提高器件及整機(jī)產(chǎn)品的可靠性，而進(jìn)行磁性器件篩選試驗(yàn)的建議。希望得到我國(guó)航天磁性器件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用單位的關(guān)注，制定適合航天磁性器件的設(shè)計(jì)、制造和篩選試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有效降低航天磁性器件的失效率，滿(mǎn)足我國(guó)航天高可靠和長(zhǎng)壽命的要求。

［1］孔學(xué)東，恩云飛.電氣元器件失效分析技術(shù)與典型案例［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［2］Department of defense.MIL－STD－981.Design，Manufacturing and Quality Standards for Custom Electromagnetic Devices for Space Applications［S］.2000.

［3］中國(guó)電子工業(yè)總公司.GJB1434.開(kāi)關(guān)電源變壓器總規(guī)范［S］.北京:機(jī)械電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所，1992.

［4］中國(guó)電子工業(yè)部.GJB360A.電子及電氣元件試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)電子標(biāo)準(zhǔn)化所，2006.