星載無源微波器件加速壽命試驗(yàn)方法研究

魏彥江，周祎，楊光，敬小東，官朝暉，雷鳴

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

星載無源微波器件是航天器有效載荷系統(tǒng)的重要組成部分，包括隔離器、環(huán)形器、微波開關(guān)、濾波器、多工器等多種類型。隨著航天器在軌使用壽命要求越來越長，無源微波器件高可靠、長壽命指標(biāo)也越來越高。目前，高、中軌衛(wèi)星要求無源微波器件壽命至少在10 a以上[1]。高可靠性是設(shè)計(jì)出來的，但怎樣驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性和長壽命也非常重要。一方面，星載器件產(chǎn)品的樣本數(shù)量比較少；另一方面，產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴。如何在短時(shí)間、小樣品數(shù)下來驗(yàn)證產(chǎn)品能夠滿足在軌10 a以上長壽命具有重要工程意義，因此開展加速壽命試驗(yàn)研究工作勢在必行[2]。

1 失效機(jī)理和薄弱環(huán)節(jié)

要想對(duì)無源微波器件進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，首先要看該產(chǎn)品是否具有加速性，即產(chǎn)品失效機(jī)理的一致性如何[3]，失效過程是否規(guī)律，產(chǎn)品是否服從同樣的壽命分布。加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)之初，要先對(duì)產(chǎn)品失效機(jī)理和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析[4]。

某型號(hào)星載隔離器產(chǎn)品如圖1所示。該產(chǎn)品在衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)中位于功率放大器之后，主要對(duì)功率放大器進(jìn)行保護(hù)，防止大功率反射對(duì)功率放大器造成損壞，改善功率放大器輸出駐波。要求產(chǎn)品能長時(shí)間穩(wěn)定地正向通過大功率微波信號(hào)，能吸收大功率反射信號(hào)。隔離器失效機(jī)理和薄弱環(huán)節(jié)分析，主要基于星載隔離器的故障模式影響分析（FMEA），明確影響其可靠性的薄弱點(diǎn)和關(guān)鍵元器件，通過對(duì)關(guān)鍵元器件的失效機(jī)理分析，評(píng)估其是否具備加速壽命試驗(yàn)的要求。

圖1 某星載隔離器實(shí)物 Fig.1 A space isolator

隔離器功能層次與結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。根據(jù)分析隔離器的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等多個(gè)維度的FMEA，此隔離器的薄弱環(huán)節(jié)主要為連接器焊點(diǎn)、介質(zhì)和電阻器。連接器焊點(diǎn)的壽命與通過功率的容量成反比，主要失效機(jī)理是隔離器通過功率過高，造成焊點(diǎn)溫度過高熔化或低氣壓放電。介質(zhì)的壽命與溫度成反比，與氣壓成正比，主要失效機(jī)理是溫度過高、氣壓過低，造成熱真空釋氣，從而引起介質(zhì)的介電常數(shù)和介電損耗正切發(fā)生變化，最終影響電路的匹配，使隔離器性能下降。電阻器的壽命與溫度、通過功率的容量成反比，主要失效機(jī)理是溫度過高造成阻值變化，通過功率過高造成電阻燒毀。

圖2 隔離器功能層次與結(jié)構(gòu)層次 Fig.2 The function and structure level of isolator

由此可見，影響隔離器的連接器焊點(diǎn)、電阻器、介質(zhì)壽命的因素主要為溫度和功率?？梢酝ㄟ^對(duì)隔離器施加溫度應(yīng)力和功率應(yīng)力來加速隔離器的性能退化，從而預(yù)測隔離器的可靠性和壽命。

2 加速壽命試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

美國羅姆航展中心在1967年對(duì)加速壽命試驗(yàn)給出了統(tǒng)一定義。加速壽命試驗(yàn)是指基于合理的工程假設(shè)與建立在與失效物理法則有關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)上的合理的統(tǒng)計(jì)假設(shè)，將通過經(jīng)濟(jì)且準(zhǔn)確的手段在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的可靠性信息轉(zhuǎn)化成試驗(yàn)研究對(duì)象在額定的應(yīng)力水平下操作時(shí)的可靠性特征值的定量可重復(fù)的試驗(yàn)方法[5]。簡言之，加速壽命試驗(yàn)保持了失效機(jī)理不變的條件，加大試驗(yàn)應(yīng)力來縮短了試驗(yàn)周期，采用加速應(yīng)力水平來進(jìn)行產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)，從而縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本。加速壽命試驗(yàn)屬于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)范疇，試驗(yàn)中對(duì)產(chǎn)品所加的應(yīng)力，可以是溫度、濕度、電壓、電流、功率和機(jī)械應(yīng)力等[6-8]。

目前，加速壽命試驗(yàn)主要有以下幾種類型：恒應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、循環(huán)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和隨機(jī)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)[9]。恒應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的理論和方法都比較成熟，統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度相對(duì)較高，一般要求樣本數(shù)較多，試驗(yàn)時(shí)間比較長。序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的時(shí)間比較短，樣本數(shù)也少，但是其統(tǒng)計(jì)和處理方法不夠成熟，試驗(yàn)精度不高，并且對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求也很高，試驗(yàn)成本高。步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)雖然試驗(yàn)時(shí)間短、樣本數(shù)少，但是對(duì)試驗(yàn)前的參數(shù)優(yōu)化要求高，往往一個(gè)新產(chǎn)品很難掌握初始應(yīng)力。另外，對(duì)應(yīng)力的步進(jìn)量也需要合理設(shè)置，否則也比較難以獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果。循環(huán)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求高，且試驗(yàn)的理論與統(tǒng)計(jì)分析方法尚處于摸索和發(fā)展階段，限制了其應(yīng)用范圍。隨機(jī)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求極高，試驗(yàn)理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法都處于發(fā)展初期，在工程實(shí)踐中大多用恒定應(yīng)力來替代[10-16]。文中綜合產(chǎn)品特點(diǎn)，選擇采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，并且為了能夠提供試驗(yàn)效率，設(shè)計(jì)了多應(yīng)力加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

產(chǎn)品在工作過程中經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力是非常復(fù)雜的，對(duì)電子產(chǎn)品來說，會(huì)受到溫度、電應(yīng)力、振動(dòng)和濕度等應(yīng)力的影響。這些應(yīng)力的綜合效果就影響了產(chǎn)品的使用壽命，因此在加速壽命試臉中，多應(yīng)力加速模型的建立有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。但多應(yīng)力環(huán)境是極其復(fù)雜的，不可能將它們同時(shí)都和產(chǎn)品的壽命聯(lián)系起來，不同應(yīng)力之間的耦合作用也是相當(dāng)復(fù)雜的。為了簡化問題，常常針對(duì)不同產(chǎn)品只考慮對(duì)其影響最大的幾種應(yīng)力[17]。

電子產(chǎn)品的壽命主要是受到溫度和電應(yīng)力的影響，當(dāng)今多應(yīng)力模型研究的一個(gè)主要趨勢就是研究器件級(jí)的溫度和電應(yīng)力加速模型。由于電子器件結(jié)構(gòu)本身相對(duì)簡單，所以最簡單也最常用的一種方法就是忽略應(yīng)力間的相互影響，將單應(yīng)力加速模型相乘，直接得到溫度電應(yīng)力的加速模型[18]。根據(jù)以上分析，溫度與壽命的關(guān)系服從阿倫尼斯模型（Arrhenius），電應(yīng)力與壽命的關(guān)系服從逆幕率模型（Inverse），忽略應(yīng)力之間的影響，可以直接相乘得到多應(yīng)力模型[19-20]。

隔離器的壽命與溫度、功率之間多應(yīng)力影響變化相關(guān)，可用廣義艾林模型的化學(xué)反應(yīng)速度方程[21]（1）給出：

式中：T為溫度應(yīng)力；S為功率應(yīng)力；f1為考慮到由于非溫度應(yīng)力的存在而對(duì)能量分布調(diào)整的修正因子，f1=eCS；f2為考慮到由于非溫度應(yīng)力的存在對(duì)激活能調(diào)整的修正因子，f2=eDS/kT（C為待定常數(shù)；D為待定常數(shù)）；R0為當(dāng)只有溫度應(yīng)力時(shí)的艾林模型，如式（2）所示。

式中：R0表示在溫度為T時(shí)的反應(yīng)速度；E為物質(zhì)在溫度T時(shí)的激活能；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=0.8617×10–4eV/K；A為試驗(yàn)待定常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

因此，式（1）可以表示為式（3）：

如果將隔離器功率應(yīng)力和溫度應(yīng)力之間相互影響的因素不予考慮，則功率應(yīng)力不對(duì)溫度應(yīng)力的激活能產(chǎn)生影響，因此式（3）中的常數(shù)D為0，則式（3）可以表示為：

從式（4）中可以看出，當(dāng)假設(shè)功率應(yīng)力和溫度應(yīng)力不相互作用，溫度應(yīng)力對(duì)隔離器壽命的影響服從阿倫尼斯模型要素，而功率應(yīng)力對(duì)隔離器壽命的影響服從逆冪律模型要素（即功率應(yīng)力只對(duì)隔離器產(chǎn)品的材料制造特性產(chǎn)生影響，從而可以用恒定溫度下電壓對(duì)數(shù)來表示，即逆冪律模型）。式（4）即為溫度-功率雙應(yīng)力加速壽命數(shù)學(xué)模型。

通過式（4）可知，隔離器的加速壽命試驗(yàn)中的加速系數(shù)可表示為：

對(duì)于加速壽命模型，當(dāng)加速應(yīng)力水平高于產(chǎn)品額定工作水平時(shí)，屬于加速壽命工作，V取值大于1；當(dāng)加速應(yīng)力水平等于或者低于產(chǎn)品額定工作水平時(shí)，此時(shí)不屬于加速壽命工作，對(duì)產(chǎn)品壽命不影響，因此V取值等于0。

簡化后，加速系數(shù)可以表示為：

式（6）即為隔離器加速壽命試驗(yàn)采用的雙應(yīng)力加速模型中的加速系數(shù)公式，作為加速壽命試驗(yàn)和壽命評(píng)估的數(shù)學(xué)理論依據(jù)。

3 加速壽命試驗(yàn)方案

3.1 加速應(yīng)力

加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)力水平選擇非常重要，應(yīng)該高于產(chǎn)品規(guī)范，但不應(yīng)超過產(chǎn)品工作極限，以保障產(chǎn)品失效機(jī)理一致，而不引入新的失效模式和機(jī)理，如圖3所示。

圖3 加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力范圍[18] Fig.3 Stress range of accelerated life test[18]

對(duì)隔離器進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證其是否滿足在軌10 a以上的壽命要求。綜合考慮隔離器產(chǎn)品在軌工作特性及目前地面加速試驗(yàn)的條件，在試驗(yàn)方案中進(jìn)行雙應(yīng)力（溫度應(yīng)力和功率應(yīng)力）加速壽命試驗(yàn)。采用雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)可以在維持產(chǎn)品正常工作的失效機(jī)理的前提下，加速試驗(yàn)時(shí)間，減少試驗(yàn)成本。

對(duì)于溫度應(yīng)力的選擇，由于隔離器實(shí)際在軌工作溫度低于35 ℃，技術(shù)指標(biāo)中要求隔離器的鑒定級(jí)溫度為70 ℃，考慮產(chǎn)品要滿足在鑒定級(jí)溫度條件下達(dá)到一級(jí)降額設(shè)計(jì)，所以溫度應(yīng)力選擇為70 ℃。這個(gè)溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在軌正常工作溫度，而且不超過產(chǎn)品鑒定級(jí)溫度要求，也可以保證產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)檫^溫度應(yīng)力帶來損害而影響有效判斷在軌工作10 a的壽命。通過數(shù)學(xué)模型分析及隔離器產(chǎn)品本身熱設(shè)計(jì)的仿真，選擇70 ℃試驗(yàn)溫度作為加速的溫度應(yīng)力，滿足該加速壽命試驗(yàn)的需求。

對(duì)于功率應(yīng)力的選擇，由于隔離器實(shí)際在軌工作時(shí)的承受功率低于150 W，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)中額定功率要求為180 W，功率耐受要求為215 W。選擇215W的功率水平作為加速壽命試驗(yàn)中功率加速應(yīng)力，是產(chǎn)品在軌正常工作功率水平的1.4倍，即使按照產(chǎn)品額定功率180 W的水平，也已經(jīng)達(dá)到了其1.2倍的水平。同理，本加速壽命試驗(yàn)不是極限應(yīng)力試驗(yàn)，選擇既不偏離產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)和降額使用的合理指標(biāo)范圍，又在指標(biāo)范圍內(nèi)選取合理的加速應(yīng)力水平，控制試驗(yàn)的加速量級(jí)，在現(xiàn)有時(shí)間、財(cái)力、物力、人力的范圍內(nèi)，得到合理、可行、可信的加速試驗(yàn)判據(jù)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)時(shí)間

隔離器加速壽命試驗(yàn)需要合理的試驗(yàn)時(shí)間來反應(yīng)產(chǎn)品經(jīng)過加速壽命試驗(yàn)后滿足在軌工作10 a以上的壽命指標(biāo)，該試驗(yàn)時(shí)間取決于加速系數(shù)的確定。由數(shù)學(xué)模型加速系數(shù)公式（6）可知，需要確定激活能的數(shù)值。由于隔離器屬于無源微波器件，國內(nèi)外文獻(xiàn)資料均沒有給出該類產(chǎn)品的激活能數(shù)值，參考MIL-HDBK-338B《電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)》和ECSS-Q-HB-30-01A《最壞情況分析》中對(duì)各種電子元器件的激活能給出的取值，隔離器加速壽命試驗(yàn)的激活能取值為0.8 eV。

隔離器加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)中，溫度應(yīng)力為70 ℃，功率應(yīng)力為215 W；隔離器的額定工作參數(shù)中，溫度應(yīng)力為35 ℃，功率應(yīng)力為180 W，激活能選取為0.8 eV。將數(shù)值帶入式（6）得：T1=308.16 K，T2=343.16 K，V=1.19。求解出加速系數(shù)AF=71.32。

產(chǎn)品預(yù)計(jì)壽命和加速壽命試驗(yàn)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。從表1中可以看出，加速壽命試驗(yàn)選擇1300 h即可滿足產(chǎn)品在軌工作10 a以上的壽命預(yù)計(jì)。由于加速壽命試驗(yàn)采取的數(shù)學(xué)模型中，對(duì)激活能的選擇和雙加速應(yīng)力的影響進(jìn)行了簡化和保守計(jì)算，所以隔離器真實(shí)在軌工作壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于加速壽命試驗(yàn)中得出的結(jié)果。

表1 產(chǎn)品預(yù)計(jì)壽命和加速試驗(yàn)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 Tab.1 Correspondence between product life and accelerated test life

根據(jù)隔離器產(chǎn)品的特性及失效模式，隔離器在經(jīng)過加速壽命試驗(yàn)后，常溫電性能指標(biāo)滿足如下要求：正向功率加載情況下正向損耗增加不超過0.3 dB，駐波不超過1.35，可以判斷為隔離器能夠滿足在軌10 a以上工作壽命指標(biāo)要求。

在現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和數(shù)學(xué)模型可信度下，采取本試驗(yàn)方案中的加速壽命試驗(yàn)是合理可行的，對(duì)于星載無源微波器件的壽命研究具有工程研究價(jià)值。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分見表2。隔離器加速壽命試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。加速壽命試驗(yàn)溫度監(jiān)測布局如圖5所示。

圖4 加速壽命試驗(yàn)系統(tǒng) Fig.4 Accelerated life test system

表2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成 Tab.2 Test system composition

4 加速壽命試驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D3所示方案搭建加速壽命試驗(yàn)場景，如圖6和圖7所示。利用溫箱自帶的溫度傳感器按照?qǐng)D5所示對(duì)隔離器溫度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測軟件界面如圖8所示，溫度數(shù)據(jù)如圖9所示。設(shè)計(jì)了自動(dòng)測試軟件對(duì)輸入和反射功率進(jìn)行監(jiān)測，如圖10和圖11所示。

圖5 加速壽命試驗(yàn)溫度監(jiān)測 Fig.5 Temperature monitoring for accelerated life testing

圖6 加速壽命試驗(yàn)場景1 Fig.6 Real scene 1 of accelerated life test

圖7 加速壽命試驗(yàn)場景2 Fig.7 Real scene 2 of accelerated life test

圖8 溫度監(jiān)測界面 Fig.8 Temperature monitoring interface

圖9 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù) Fig.9 Temperature monitoring data

圖10 輸入功率監(jiān)測數(shù)據(jù) Fig.10 Input power monitoring data

圖 11 反射功率監(jiān)測數(shù)據(jù) Fig.11 Reflected power monitoring data

從溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看出，在溫箱溫度為70 ℃時(shí)，隔離器外表面溫度不超過71.5 ℃，隔離器連接器表面溫度不超過72 ℃，并且溫度能夠達(dá)到熱平衡，隔離器工作狀態(tài)穩(wěn)定。從隔離器輸入功率監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隔離器輸入功率為215～222 W，波動(dòng)主要是由于功率放大器輸出功率波動(dòng)引起的，屬于正常波動(dòng)范圍。從隔離器反射功率監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，反射功率在0.26～0.32 W變化，主要是由于輸入功率波動(dòng)引起的，屬于正常變化范圍。

加速壽命試驗(yàn)表明，隔離器在70 ℃環(huán)境中，承受大于215 W連續(xù)波功率連續(xù)工作超過1300 h后，產(chǎn)品工作正常穩(wěn)定，性能指標(biāo)合格，順利通過試驗(yàn)設(shè)定的考核過程。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合加速數(shù)學(xué)模型表明，被試產(chǎn)品滿足型號(hào)項(xiàng)目中長壽命高可靠的要求，能夠滿足在軌工作10 a以上的要求。

從隔離器加速壽命試驗(yàn)前后，正向損耗、反向損耗、電壓駐波比和額定功率容量指標(biāo)（見表3）來看，試驗(yàn)前后指標(biāo)變化均在技術(shù)指標(biāo)要求合格范圍內(nèi)，并且變化范圍都比較小。其隔離器正向損耗變化了0.07 dB，說明加速壽命試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品電性能老化有一定影響。正是由于隔離器指標(biāo)設(shè)計(jì)余量較大，加速壽命試驗(yàn)之后，產(chǎn)品依然能夠滿足性能指標(biāo)要求，也說明隔離器能夠滿足在軌工作10 a的壽命指標(biāo)。

表3 加速壽命試驗(yàn)前后性能指標(biāo)對(duì)比 Tab.3 Performance index comparison before and after accelerated life test

5 結(jié)語

文中以某型號(hào)星載隔離器為例，通過建立溫度應(yīng)力和功率應(yīng)力雙應(yīng)力同時(shí)作用的雙應(yīng)力加速退化模型，設(shè)計(jì)了合理可行的加速壽命試驗(yàn)，為星載無源微波器件高可靠長壽命驗(yàn)證提供了參考和借鑒。當(dāng)然，本次加速壽命試驗(yàn)樣本少，置信度偏低，在研究過程中，引入了一些假設(shè)，對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡化以滿足工程可操作性，試驗(yàn)結(jié)果僅供參考。課題組將繼續(xù)深入研究，結(jié)合在軌產(chǎn)品實(shí)際工作情況，不斷修正模型，使可靠性評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。