高分三號(hào)衛(wèi)星X頻段固放壽命試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張高磊 吳言沛 胡曉曦

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100)

高分三號(hào)衛(wèi)星X頻段固放壽命試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張高磊 吳言沛 胡曉曦

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100)

首先對(duì)X頻段固態(tài)功率放大器(簡稱固放)的壽命進(jìn)行了相關(guān)分析。針對(duì)高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星的在軌使用工況,分析出其壽命期內(nèi)關(guān)鍵驗(yàn)證項(xiàng)目,并分別對(duì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。包含開關(guān)機(jī)電路的壽命分析及驗(yàn)證、大功率放大電路的壽命分析及驗(yàn)證、典型工藝的壽命分析及驗(yàn)證三個(gè)方面。其中大功率放大電路的壽命驗(yàn)證使用經(jīng)典的Arrhenius模型,以熱應(yīng)力作為加速因子,進(jìn)行加速驗(yàn)證。典型工藝選取導(dǎo)電膠粘接工藝,疲勞失效采用Confin-Manson模型進(jìn)行分析驗(yàn)證。通過相關(guān)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證,證明X頻段10 W固放可以滿足8年壽命要求。

高分三號(hào)衛(wèi)星;X頻段固放;壽命驗(yàn)證;熱應(yīng)力;Arrhenius模型;Confin-Manson模型

1 引言

星載固態(tài)功率放大器(以下簡稱固放)作為星載微波有源技術(shù)的標(biāo)志產(chǎn)品,是一個(gè)技術(shù)含量高、價(jià)值高、使用廣、綜合性強(qiáng)的復(fù)雜產(chǎn)品,國外主要宇航公司和星載微波產(chǎn)品供應(yīng)商都將此類產(chǎn)品和技術(shù)作為其核心技術(shù)和產(chǎn)品來發(fā)展并加以保護(hù)。在國際市場上,衛(wèi)星固放的主要供貨商有法國ALCATEL公司、日本NTS公司、德國TESAT公司和西班牙Mier公司等,這幾家在衛(wèi)星固放方面有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)、集成和測試能力。

之前,我國使用的X頻段固放主要來自國外,現(xiàn)在國產(chǎn)衛(wèi)星X頻段10 W固放已研制成功,在體積、質(zhì)量、效率等核心性能方面優(yōu)于同類型引進(jìn)產(chǎn)品,并通過了相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)考核,但在國產(chǎn)化X頻段固放的推廣上,因在軌數(shù)量和時(shí)長的欠缺,在可靠性、長壽命方面的數(shù)據(jù)積累不足,不能適應(yīng)如高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星8年長壽命高可靠的要求。因此需要設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn),對(duì)單機(jī)的壽命進(jìn)行相關(guān)分析驗(yàn)證。

本文以GF-3衛(wèi)星為例,探討了固放產(chǎn)品加速壽命驗(yàn)證技術(shù),對(duì)固放壽命分析方法進(jìn)行了研究,可為后續(xù)星載有源產(chǎn)品的壽命驗(yàn)證試驗(yàn)提供參考。

2 方案設(shè)計(jì)

加速壽命試驗(yàn)是為了縮短試驗(yàn)時(shí)間,在不改變故障模式和故障機(jī)理的條件下,用加大應(yīng)力的方法進(jìn)行的壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品和其他工業(yè)產(chǎn)品的壽命預(yù)測研究。

固放產(chǎn)品中沒有壽命短板器件,獲取實(shí)際失效數(shù)據(jù)的時(shí)間和成本代價(jià)都較高,在工程上難以實(shí)現(xiàn)。因此本文主要采用單樣本,設(shè)計(jì)相關(guān)加速壽命驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證其壽命滿足在軌8年的使用要求。

2．1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

X頻段固放主要用于GF-3等遙感類衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng),必須保證遙感類衛(wèi)星8年的在軌使用壽命。在8年工作期內(nèi),其核心指標(biāo)飽和輸出功率下降不超過0．5 d B。

根據(jù)GF-3衛(wèi)星X頻段10 W固放在軌工作實(shí)際狀態(tài),1天開關(guān)機(jī)9次,每次開機(jī)工作時(shí)間27 min,為滿足在軌8年工作要求,固放需要考核的指標(biāo)見表1。

表1 固放壽命考核試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 SSPA life test parameters

2．2 試驗(yàn)方法

X頻段10 W固放的主要作用是將前級(jí)微波信號(hào)放大至10 W,傳送至末級(jí)設(shè)備。其核心功能為功率放大,特點(diǎn)為大功耗、大熱耗。而在類似GF-3的遙感類衛(wèi)星的使用中,反復(fù)開關(guān)機(jī)為其典型的使用方式。

分別設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。包含開關(guān)機(jī)電路的壽命分析及驗(yàn)證、大功率微波放大電路的壽命分析及驗(yàn)證、典型工藝的壽命分析及驗(yàn)證三個(gè)方面。

1)開關(guān)機(jī)電路壽命分析及驗(yàn)證

固放開關(guān)機(jī)使用的是以光電耦合器為核心的開關(guān)電路。光電耦合器理論使用壽命很長,與常規(guī)的繼電器不同,沒有切換壽命限制。但為驗(yàn)證開關(guān)機(jī)電路以及整機(jī)電路的穩(wěn)定性,對(duì)整機(jī)開展開關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。參考相關(guān)引進(jìn)產(chǎn)品的指標(biāo),將開關(guān)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)定為10萬次。

2)大功率微波放大電路的壽命分析及驗(yàn)證

溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)利用產(chǎn)品壽命與溫度的關(guān)系,工程上以環(huán)境溫度作為恒定加速變量,建立基于Arrhenius模型[1]的壽命加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?該模型是在總結(jié)大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,描述了各類產(chǎn)品在溫度影響下的退化特性[2-4]。

加速因子是一個(gè)重要參數(shù),它表征當(dāng)高低不同的應(yīng)力水平施加于同一受試產(chǎn)品時(shí),導(dǎo)致產(chǎn)品失效加速程度的差異性,該參數(shù)確定后,可進(jìn)一步獲取不同加速應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)的等效試驗(yàn)時(shí)間,為加速壽命試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[5-7]。

固放功率放大電路的核心器件為末級(jí)功率放大晶體管,其功耗占整機(jī)的70%,也是整機(jī)溫度的最高點(diǎn)。高溫會(huì)使元器件電性能惡化,引起元器件失效從而導(dǎo)致設(shè)備可靠性變差。據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明,晶體管的可靠性隨溫度升高而按指數(shù)規(guī)律下降,溫度每升高10℃,可靠性大約降低50%。因此選取其中的核心元器件,來計(jì)算加速因子。此處選取的核心器件為末級(jí)功率晶體管。末級(jí)功率晶體管作為整機(jī)射頻鏈路的最后一級(jí)放大器件,是功率放大的核心器件。

加速因子計(jì)算如下:

式中:Ea為激活能(由廠家提供,Ea取1．47);k為波爾茲曼常數(shù),k＝0．000 086 159;T1、T2為晶體管正常使用時(shí)的結(jié)溫和加速試驗(yàn)中的結(jié)溫,℃。

X頻段固放星上最高工作溫度為50℃,為了保證試驗(yàn)的安全性及最大的加速因子,取試驗(yàn)時(shí)的最高溫為70℃,試驗(yàn)溫度容差為0～3℃。此時(shí)末級(jí)晶體管的殼溫、結(jié)溫見表2。

表2 不同工況末級(jí)晶體管殼溫、結(jié)溫表Table 2 Transistor shell temperature and junction temperature

將表2中的T1、T2代入式(1),可以計(jì)算出加速因子為9。根據(jù)計(jì)算可得:在試驗(yàn)溫度選取70℃時(shí),要等效在軌8年工作時(shí)間(11 826 h),需要進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)1 314 h,即54．75天。

此處因?qū)嶋H在軌溫度小于50℃,即留有使用溫度余量,所以不再增加試驗(yàn)時(shí)間的余量。

3)典型工藝的壽命分析及驗(yàn)證

X頻段固放產(chǎn)品中采用584-29導(dǎo)電膠粘接工藝,將微波基片、器件直接粘接到機(jī)殼上,其粘接質(zhì)量和壽命直接影響單機(jī)的性能與可靠性,是本產(chǎn)品的核心工藝。

而導(dǎo)電膠粘接工藝的主要失效模式為疲勞失效,表現(xiàn)形式為電阻增加。其壽命與溫度直接相關(guān),因此選用熱疲勞加速壽命試驗(yàn)(高低溫循環(huán)試驗(yàn)),當(dāng)其電阻率增加50%視為失效[8]。

本文中疲勞失效主要采用Confin-Manson模型[9]:

式中:c為疲勞延展指數(shù);h為粘接高度;LD為部件中心距離邊緣的最大距離;x為N次循環(huán)后可接受累積失效概率;Nf(x%)為x%失效率對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù);ΔTe為環(huán)境最大溫差;Δα為被粘接件的熱膨脹系數(shù)之差;εf為疲勞延展系數(shù);β為weibull形狀參數(shù)。

2．3 試驗(yàn)策劃

1)開關(guān)機(jī)試驗(yàn)及高溫加速壽命試驗(yàn)

使用一臺(tái)國產(chǎn)化X頻段10 W固放鑒定件整機(jī)作為樣品,串行進(jìn)行開關(guān)機(jī)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)和高溫加速壽命試驗(yàn),試驗(yàn)流程如圖1所示。開關(guān)機(jī)試驗(yàn)共進(jìn)行10萬次循環(huán)(開機(jī)、關(guān)機(jī)操作均10萬次),70℃高溫加速壽命試驗(yàn)(加電、通信號(hào)狀態(tài)下)共55天。

2)導(dǎo)電膠粘接工藝的壽命分析及驗(yàn)證

導(dǎo)電膠粘接工藝選用兩種粘接樣件,分別為晶體管管殼、微波介質(zhì)板。機(jī)殼尺寸參考產(chǎn)品尺寸,每個(gè)機(jī)殼上粘接16個(gè)微波介質(zhì)板和16個(gè)晶體管管殼,共2組。

由于試驗(yàn)條件所限,壽命試驗(yàn)過程中對(duì)每組16個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行了在線測阻。每3 min采集1次阻值,共進(jìn)行了2000個(gè)溫度循環(huán)。溫度范圍為－55～125℃,溫變速率15℃/min,到溫保持15 min。

3 試驗(yàn)總結(jié)

1)開關(guān)機(jī)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)

開關(guān)機(jī)試驗(yàn)中,電源為長期加電,通過控制指令發(fā)生器,對(duì)固放單機(jī)循環(huán)發(fā)送開機(jī)-關(guān)機(jī)指令,通過數(shù)字遙測盒,對(duì)固放的工作電流、開關(guān)機(jī)狀態(tài)遙測、電流遙測等信息進(jìn)行采集。通過近3個(gè)月的開關(guān)機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)前后固放產(chǎn)品開關(guān)機(jī)功能正常、其性能穩(wěn)定,性能比對(duì)見表3。

2)整機(jī)高溫加速壽命試驗(yàn)

高溫加速試驗(yàn)中,電源長期加電、微波信號(hào)源為連續(xù)單載波,固放輸出接大功率衰減器,定時(shí)觀測功率變化。因設(shè)備資源緊張,固放本身又為大散熱設(shè)備,因此不用溫箱,使用其自身作為加熱源。X頻段固放10 W工作在額定狀態(tài)時(shí),其熱耗為43 W左右,仔細(xì)控制固放的散熱狀態(tài),可以使固放在常溫工作臺(tái)上,其機(jī)殼溫度達(dá)到70℃,滿足試驗(yàn)需求。試驗(yàn)前后性能穩(wěn)定,其詳測指標(biāo)對(duì)比見表3。

表3 試驗(yàn)前后性能對(duì)比表Table 3 Performance comparison before and after experiment

續(xù) 表

3)核心工藝溫循加速壽命試驗(yàn)

用于熱疲勞加速壽命試驗(yàn)的樣件有兩組部件:微波基板和微波器件。試驗(yàn)過程對(duì)樣件的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,每3 min采集一次阻值,電阻率增加50%視為失效。

對(duì)所有樣件的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,表4給出了兩類部件在不同循環(huán)次數(shù)下的累積失效率。

表4 不同循環(huán)數(shù)下的累積失效率Table 4 Comulative failure rate under different cycle times

將試驗(yàn)條件下表4的數(shù)據(jù)代入式(2),可得εf＝2．14。

根據(jù)實(shí)際條件下的相關(guān)數(shù)據(jù),可知衛(wèi)星實(shí)際使用環(huán)境中微波基板粘接的平均壽命約32．6年,微波器件粘接的平均壽命約86年。

4 結(jié)束語

本文提出了一種固放整機(jī)產(chǎn)品壽命的評(píng)估方法,通過分析GF-3衛(wèi)星中固放的具體使用工況,設(shè)計(jì)了整機(jī)高溫加速試驗(yàn)、整機(jī)開關(guān)機(jī)試驗(yàn)和導(dǎo)電膠粘接溫循加速壽命試驗(yàn)。將較為復(fù)雜的整機(jī)壽命驗(yàn)證,分解為核心功能、典型使用方式、核心工藝分別進(jìn)行驗(yàn)證;并根據(jù)關(guān)鍵器件和關(guān)鍵工藝自身特性,分別設(shè)計(jì)了加速壽命試驗(yàn),給出了壽命驗(yàn)證方案。此方法對(duì)類似有源星上設(shè)備以及其他高可靠長壽命產(chǎn)品的壽命考核試驗(yàn)具有較重要參考意義。

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Design and Verification of Longevity Test Scheme of X-band SSPA for GF-3 Satellite

ZHANG Gaolei WU Yanpei HU Xiaoxi
(China Academy of Space Technology(Xi’an),Xi’an 710100,China)

In this paper,the factors influencing X-band solid state power amplifier(SSPA)life are analyzed．For the use of GF-3 satellites,the key validation items during its lifetime have been analyzed,then three tests are conducted to verity the switching circuit,microwave high-power circuit and typical technology．The test for microwave high-power circuit used thermal stress as an acceleration element,the Arrhenius model had been used to calculate the acceleration factor．The conductive adhesive had been selected for the typical process and the Confin-Manson model had been used to analyze its reliability．Through thee relevant life tests,the domestic X-band 10W SSPA of more than 8 years life on-orbit had been proved．

GF-3 satellite;X-band SSPA;longevity test;thermal stress;Arrhenius model;Confin-Manson model

TN834

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.021

2017-10-17;

2017-11-22

國家重大科技專項(xiàng)工程

張高磊,男,碩士,工程師,從事星載微波功率放大器研究工作。Email:zhanggaolei＠163．com。

(編輯:李多)