基于Arrhenius模型的星載電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)技術(shù)

王文平，王向暉，張慶君，董 杰，尚 山，田 巍

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094； 2.航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司，北京 100076）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)航天器的研制正在經(jīng)歷由單星科研試驗(yàn)到多星組網(wǎng)裝備應(yīng)用模式的重大轉(zhuǎn)型過(guò)程，航天型號(hào)單機(jī)產(chǎn)品在技術(shù)功能、性能，以及研制規(guī)模、數(shù)量等方面都有較大幅度提升，產(chǎn)品研制周期越來(lái)越短，對(duì)單機(jī)產(chǎn)品高可靠和長(zhǎng)壽命的需求也愈加迫切，需要開(kāi)展相應(yīng)的高效試驗(yàn)技術(shù)研究工作。在可靠性試驗(yàn)方面，必須研究能夠縮短試驗(yàn)時(shí)間、快速評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性水平的新方法，才能滿足型號(hào)研制對(duì)產(chǎn)品壽命和可靠性不斷提升的需求[1]。

加速壽命試驗(yàn)（accelerated life testing,ALT）通過(guò)采取逐步遞進(jìn)的方法，使被試產(chǎn)品在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)經(jīng)受越來(lái)越高量級(jí)的溫度、振動(dòng)和電壓（流）等方面的應(yīng)力，以便通過(guò)試驗(yàn)找出產(chǎn)品的固有設(shè)計(jì)缺陷或者薄弱環(huán)節(jié)，并有針對(duì)性地進(jìn)行完善改進(jìn)。作為可靠性試驗(yàn)領(lǐng)域最重要的研究?jī)?nèi)容之一，加速壽命試驗(yàn)技術(shù)能夠快速評(píng)估有高可靠、長(zhǎng)壽命需求的產(chǎn)品的可靠性水平，并最終確定產(chǎn)品極限耐受力，已經(jīng)在航天、航空和武器電子等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[2-5]。

加速壽命試驗(yàn)技術(shù)力求在保持產(chǎn)品失效機(jī)理不變的前提下，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得電子產(chǎn)品的失效模式、產(chǎn)品壽命與試驗(yàn)應(yīng)力關(guān)系的信息，從而可節(jié)約大量地面試驗(yàn)時(shí)間，提高產(chǎn)品研制效率[6-7]。對(duì)于星載電子產(chǎn)品，采用溫度應(yīng)力進(jìn)行加速試驗(yàn)是一種效率較高、操作便捷且在航天型號(hào)研制中較常使用的長(zhǎng)壽命加速試驗(yàn)方法。

高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星“高分三號(hào)”作為我國(guó)首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星，是首顆設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)8年的低軌遙感衛(wèi)星[8-9]。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理單元（data processing unit,DPU）產(chǎn)品研制中，如果直接對(duì)衛(wèi)星DPU開(kāi)展長(zhǎng)壽命試驗(yàn)，存在試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。本文在總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用航天電子產(chǎn)品壽命與空間溫度之間的關(guān)系，以空間環(huán)境溫度作為恒定的加速變量建立基于阿倫尼斯（Arrhenius）模型的電子產(chǎn)品壽命加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，旨在反映航天電子產(chǎn)品在環(huán)境溫度影響下的老化特性[10]，并探索采用該加速壽命試驗(yàn)技術(shù)來(lái)驗(yàn)證DPU產(chǎn)品在軌壽命的方法，為DPU壽命的快速評(píng)估提供切實(shí)可行的解決方案。

1 加速壽命試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

“高分三號(hào)”衛(wèi)星的DPU使用了集成電路、電阻、電容、二極管、MOS管、熔斷器、連接器等電子元器件。已在驗(yàn)收試驗(yàn)中剔除了電子元件的早期失效和物理加工缺陷，因此累積應(yīng)力造成的電路短路、斷路和元器件失效是引起設(shè)備失效的主要原因。

根據(jù)研究分析結(jié)果，影響DPU壽命的主要因素是所用元器件的結(jié)溫，而8年壽命末期電路的老化、參數(shù)漂移以及整星熱控條件的變化，可能會(huì)對(duì)元器件結(jié)溫造成一定影響。同時(shí)，結(jié)溫的變化不是孤立的，與元器件所處的電路環(huán)境、工作頻率等實(shí)際狀態(tài)有關(guān)，比如設(shè)備采用的DSP和FPGA在全壽命周期內(nèi)均處于運(yùn)行狀態(tài)，而控制加/斷電的接口電路在正常情況下一般不工作。由于溫度應(yīng)力對(duì)電路有累積效應(yīng)，可能造成元器件提前失效，而一旦元器件出現(xiàn)故障就會(huì)影響DPU的壽命。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展高溫加速壽命試驗(yàn)有3種方法：1）多應(yīng)力法評(píng)估試驗(yàn)法；2）可靠性預(yù)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)法；3）激活能預(yù)估驗(yàn)證試驗(yàn)法。本文采用激活能預(yù)估驗(yàn)證試驗(yàn)法，開(kāi)展了基于Arrhenius模型的加速壽命試驗(yàn)，通過(guò)控制環(huán)境條件，使用溫度作為加速變量完成DPU的壽命驗(yàn)證。

1.2 試驗(yàn)配置

加速壽命試驗(yàn)在滿足溫度范圍要求的高溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行。DPU加速壽命試驗(yàn)的參試設(shè)備包括：

1）DPU：1臺(tái)，包含DSP軟件和FPGA軟件；

2）地檢設(shè)備：地面檢測(cè)儀（含計(jì)算機(jī)、檢測(cè)軟件和配套電纜）；

3）直流穩(wěn)壓電源：2臺(tái)（或1臺(tái)雙路輸出），輸出 0～32 V、0～3 A。

DPU及試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備連接關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 DPU 及試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備連接關(guān)系圖Fig.1 DPU and test equipment connection relationship

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 試驗(yàn)溫度

DPU的工作溫度為-15～50 ℃，結(jié)合衛(wèi)星在軌的實(shí)際工作溫度，將該單機(jī)的使用溫度TU定為50 ℃（323 K）；為避免改變?cè)O(shè)備失效模式，取加速溫度TA為 80 ℃（353 K）。

1.3.2 試驗(yàn)時(shí)間

根據(jù)Arrhenius模型，DPU壽命試驗(yàn)的加速因子AF（即設(shè)備在工作溫度下壽命與在加速溫度下壽命的比值）的計(jì)算公式為

式中：EA為激活能；k為玻耳茲曼常量（8.623×10–5eV/K）。

激活能的預(yù)估主要依據(jù)航天型號(hào)工程經(jīng)驗(yàn)提出。根據(jù)ESA標(biāo)準(zhǔn)ECSS-Q-30-1(2002)給出的典型激活能值，半導(dǎo)體器件中砷化鎵的激活能為1.4 eV，硅的激活能為1.1 eV?？紤]到衛(wèi)星DPU內(nèi)部元器件集成度較高，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，本試驗(yàn)選取的激活能值為1.0 eV。因此，計(jì)算得到

由此可知，星載DPU完成8年壽命試驗(yàn)需要進(jìn)行的加速試驗(yàn)時(shí)間為t=8×365×24÷21.143≈3315 h。即，若DPU在3315 h的試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)功能和性能等方面的問(wèn)題，就認(rèn)為其能夠滿足型號(hào)8年工作壽命的要求。

1.3.3 試驗(yàn)剖面

DPU加速壽命試驗(yàn)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 DPU 加速壽命試驗(yàn)剖面圖Fig.2 The map of DPU accelerated life test

1）試驗(yàn)壓力：常壓；

2）試驗(yàn)溫度：80～82 ℃；

3）開(kāi)始和結(jié)束階段的平均變溫速率：3～5 ℃/min；

4）連續(xù)試驗(yàn)時(shí)間：3315 h。

1.4 試驗(yàn)判據(jù)及過(guò)程處理

1.4.1 試驗(yàn)故障判據(jù)

若試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)以下1種或多種現(xiàn)象，則判定為故障：

1）穩(wěn)態(tài)工作功耗偏離正常值10%以上；

2）模擬遙測(cè)數(shù)據(jù)異常；

3）1553B總線遙測(cè)異常；

4）出現(xiàn)誤指令。

1.4.2 處理原則

1）試驗(yàn)中出現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)報(bào)告，并做好故障現(xiàn)象的詳細(xì)記錄；

2）檢測(cè)設(shè)備故障應(yīng)首先中斷試驗(yàn)，待檢測(cè)設(shè)備故障排除后再繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，故障前后試驗(yàn)時(shí)間累加；

3）試驗(yàn)件產(chǎn)品出現(xiàn)故障應(yīng)中斷試驗(yàn)，在查明故障原因并采取改進(jìn)措施后再繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，故障前后試驗(yàn)時(shí)間累加；

4）試驗(yàn)過(guò)程允許中斷，但當(dāng)2次中斷間隔期間設(shè)備工作時(shí)間少于4 h時(shí)，中斷間隔期間的試驗(yàn)時(shí)間無(wú)效。

1.4.3 壽命有效的判定準(zhǔn)則

1）壽命試驗(yàn)?zāi)┢?，產(chǎn)品的對(duì)外指令和數(shù)據(jù)接口性能滿足技術(shù)要求。包括數(shù)傳通道LVDS接口、一次電源接口、遙控接口、測(cè)控通道1553B總線接口。

2）壽命試驗(yàn)?zāi)┢?，產(chǎn)品的各項(xiàng)功能正常。包括：衛(wèi)星星務(wù)數(shù)據(jù)的記錄、回放和擦除；衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)的記錄、回放和擦除；衛(wèi)星星務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

3）模擬遙測(cè)接口異常僅作為一種故障模式，不作為壽命判據(jù)，但該故障僅限于模擬遙測(cè)接口電路的硬件故障，并且不能影響設(shè)備主要功能和性能指標(biāo)。

4）壽命試驗(yàn)期間暴露的軟件設(shè)計(jì)缺陷不作為壽命判據(jù)。

5）壽命試驗(yàn)?zāi)┢?，F(xiàn)LASH芯片的壞塊數(shù)量超過(guò)3276塊（芯片總塊數(shù)為32768塊，壞塊數(shù)達(dá)到3276塊時(shí)，有效容量為 3.6 GByte），則判定該產(chǎn)品不能滿足8年壽命。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)DPU在加速壽命試驗(yàn)前、后分別進(jìn)行詳細(xì)全面的功能和性能測(cè)試，在加速壽命試驗(yàn)期間每天進(jìn)行1次主要的功能和性能測(cè)試，測(cè)試情況記錄參見(jiàn)表1。

表1 DPU 加速壽命試驗(yàn)功能和性能測(cè)試情況Table 1 Test results for functions and performances of DPU in ALT

試驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)工作功耗偏離正常值＜10%，模擬遙測(cè)數(shù)據(jù)正常，1553B總線遙測(cè)正常，并且沒(méi)有出現(xiàn)誤指令。鑒定件在鑒定試驗(yàn)期間和加速壽命試驗(yàn)后，數(shù)傳通道LVDS接口、一次電源接口、遙控接口、測(cè)控通道1553B總線接口工作正常，遙測(cè)數(shù)據(jù)的記錄、回放和擦除，以及星務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理功能正常。試驗(yàn)期間，產(chǎn)品沒(méi)有發(fā)生故障，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)芯片的壞塊沒(méi)有增加。

結(jié)果表明，DPU鑒定件在加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。說(shuō)明衛(wèi)星DPU產(chǎn)品通過(guò)了壽命試驗(yàn)的驗(yàn)證考核，滿足型號(hào)對(duì)于高可靠和長(zhǎng)壽命的工作要求。

3 在軌運(yùn)行情況

“高分三號(hào)”衛(wèi)星于2016年8月10日從太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，屬于典型的新一代SAR衛(wèi)星，設(shè)計(jì)在軌壽命長(zhǎng)達(dá)8年，能夠全天候、全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè)。目前，經(jīng)過(guò)地面加速壽命試驗(yàn)驗(yàn)證的DPU在軌工作穩(wěn)定。該衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌穩(wěn)定運(yùn)行為我國(guó)未來(lái)高性能SAR衛(wèi)星的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)加速壽命試驗(yàn)原理，采用激活能預(yù)估驗(yàn)證試驗(yàn)法，基于Arrhenius模型，使用溫度作為加速變量，開(kāi)展了“高分三號(hào)”衛(wèi)星DPU的地面加速壽命試驗(yàn)；并對(duì)加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑囼?yàn)方法、環(huán)境、條件和試驗(yàn)判據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。地面試驗(yàn)結(jié)果表明DPU通過(guò)了加速壽命試驗(yàn)的考核，應(yīng)能滿足衛(wèi)星8年長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。當(dāng)前，衛(wèi)星DPU在軌穩(wěn)定運(yùn)行接近2年。

加速壽命試驗(yàn)技術(shù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)用較低的成本快速預(yù)估產(chǎn)品的可靠性，可應(yīng)用于高可靠、長(zhǎng)壽命航天電子、電氣和機(jī)電組件的研制，在未來(lái)航天產(chǎn)品研制中具有廣闊的應(yīng)用前景[12-13]。

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