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《航天電子對抗》2016年第6期

摘要：航天電子產(chǎn)品具有長壽命、小子樣、失效機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)，難以通過傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法對其貯存期進(jìn)行評估。通過對元器件進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)，給出了一種元器件的退化方程、偽失效壽命、加速因子以及激活能的計(jì)算方法，然后在元器件加速貯存試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于失效率的航天電子產(chǎn)品加速因子算法，該算法只需得到整機(jī)元器件數(shù)量、失效率激活能即可計(jì)算加速因子，最后對某控制器進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的貯存期評估方法的正確性以及工程適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；貯存期；加速試驗(yàn)；評估

1引言

當(dāng)前，航天導(dǎo)彈武器系統(tǒng)電子產(chǎn)品通常具有“長期貯存，一次使用”的特點(diǎn)，貯存期通常可達(dá)十余年，是衡量導(dǎo)彈武器的一個(gè)重要指標(biāo)。在研制階段需要對電子產(chǎn)品的貯存期進(jìn)行評估，獲取貯存可靠性信息。目前，國內(nèi)外通常采用的貯存期評估方法是對產(chǎn)品進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)，加速貯存試驗(yàn)是在試驗(yàn)中對樣本施加超過自然貯存條件的環(huán)境應(yīng)力，采集并記錄相關(guān)參數(shù)的失效或退化數(shù)據(jù)，在一定條件下對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，外推出正常應(yīng)力下的貯存可靠性指標(biāo)。加速貯存試驗(yàn)分為加速壽命試驗(yàn)和加速退化試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)以試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效樣本數(shù)作為評估依據(jù)，需要的樣本數(shù)量較多，而加速退化試驗(yàn)以樣本的退化數(shù)據(jù)作為評估依據(jù)，所需樣本數(shù)量較少。航天電子設(shè)備通常由整機(jī)電路及金屬件結(jié)構(gòu)件組成。

為了獲取電子產(chǎn)品的貯存期信息，必須先分別對電路、非金屬件及金屬件金屬結(jié)構(gòu)件的失效模式、失效機(jī)理及貯存期進(jìn)行評估。國內(nèi)大部分的研究內(nèi)容還主要集中在對電子元器件、金屬材料及非金屬材料進(jìn)行加速試驗(yàn)，對電子產(chǎn)品的整機(jī)加速試驗(yàn)的研究、方法還比較少。由于金屬結(jié)構(gòu)件的貯存可靠性元大于電子元器件，本文主要對電子產(chǎn)品的整機(jī)進(jìn)行貯存期研究。航天電子產(chǎn)品整機(jī)級加速貯存試驗(yàn)方法是從元器件老化試驗(yàn)中發(fā)展而來的，但也存在差別。電子產(chǎn)品整機(jī)中通常包含種類各異的電子元器件，在相同試驗(yàn)應(yīng)力下，整機(jī)內(nèi)不同種類的電子元器件的加速因子（即老化速率的加速倍數(shù)）并不相同，如何通過元器件的加速因子得到整機(jī)加速貯存試驗(yàn)的加速因子是本文需要解決的問題。本文首先以典型電子元器件為例，介紹了其退化方程、偽失效壽命、加速因子以及激活能的計(jì)算方法，然后在元器件加速貯存試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于失效率的航天電子產(chǎn)品整機(jī)加速因子的計(jì)算方法，最后以某控制器為例說明其貯存期評估方法。

2電子元器件的加速壽命

影響電子元器件貯存壽命的因素有材料、工藝、結(jié)構(gòu)、封裝等，在同樣的貯存條件下，相同類型的元器件其壽命基本相同，因此，對同類型的元器件選取一個(gè)代表品種進(jìn)行試驗(yàn)，所得出的壽命信息就適用于該類型的所有元器件。本節(jié)以某開關(guān)二極管為例，說明其加速壽命評估以及加速因子、激活能的計(jì)算方法。

2．1試驗(yàn)應(yīng)力

選擇將樣品分為4組，采用步進(jìn)應(yīng)力加速貯存試驗(yàn)方法。步進(jìn)應(yīng)力加速貯存壽命試驗(yàn)溫度及時(shí)間分別為T1：150℃（0～900h）；T2：165℃（900～1700h）；T3：180℃（1700～2400h）；T4：195℃（2400～3000h）。在4個(gè)溫度下共設(shè)置23個(gè)測試點(diǎn)如下：T1測試節(jié)點(diǎn)：0、300、500、700、900h；T2測試節(jié)點(diǎn)：1060、1220、1360、1540、1700h；T3測試節(jié)點(diǎn)：1900、2000、2100、2200、2300、2400h；T4測試節(jié)點(diǎn)：2490、2580、2670、2760、2840、2920、3000h。開關(guān)二極管漏電流IR為敏感電參數(shù)，因此，通過IR對其壽命進(jìn)行評估。

2．2試驗(yàn)實(shí)施

在每個(gè)測試節(jié)點(diǎn)對4組樣品的漏電流進(jìn)行測試，對每次的測試數(shù)據(jù)分組。

2．3數(shù)據(jù)處理

2．3．1退化方程

退化方程可按以下步驟得出：1）繪制漏電流IR變化趨勢圖；2）對趨勢圖進(jìn)行擬合，得到退化曲線及方程。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，繪制4個(gè)應(yīng)力溫度下的退化曲線及方程如圖1～4所示。

2．3．2偽失效壽命

擬合曲線的“線性”擬合程度較好，因此，利用擬合直線方程y＝a＋bt中得出的a和b的值，外推各溫度下器件的偽失效壽命t。

2．3．3加速壽命方程

得到偽失效壽命后，利用概率圖確定壽命的分布類型，利用擬合曲線計(jì)算各個(gè)溫度下的中位壽命t（0．5），4個(gè)溫度下的中位壽命分別為10734．92、7279．093、5051．21、4518．42h。圖中縱坐標(biāo)為lnt（0．5），橫坐標(biāo)為1／T（e－4）。加速壽命曲線近似為直線，根據(jù)加速方程lnt（0．5）＝a＋b／T，推算出常溫25℃下，該二極管中位壽命為505812h，大約57年。

3電子產(chǎn)品整機(jī)加速因子研究

航天電子產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)首先要確定影響貯存的關(guān)鍵應(yīng)力，在此應(yīng)力下需要選擇相應(yīng)的加速模型進(jìn)行加速因子的計(jì)算。

3．1整機(jī)加速應(yīng)力的選擇

選擇合適的加速應(yīng)力直接決定了試驗(yàn)的有效性及加速效率，一般應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的失效機(jī)理與失效模式來選擇加速應(yīng)力；航天電子產(chǎn)品在貯存、運(yùn)輸、維修期間受到多種環(huán)境影響，故在選擇加速貯存試驗(yàn)加速應(yīng)力之前，應(yīng)作如下考慮。1）加速應(yīng)力所激發(fā)的失效機(jī)理要與實(shí)際使用狀態(tài)下的失效機(jī)理相同，即保證失效機(jī)理不改變。2）應(yīng)該選擇對失效過程起到影響最大的應(yīng)力作為加速應(yīng)力。3）加速應(yīng)力會導(dǎo)致產(chǎn)品同時(shí)存在幾種失效機(jī)理時(shí)，應(yīng)按照技術(shù)上的判斷，著重關(guān)注主要的失效機(jī)理。結(jié)合航天型號工程經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境溫度和濕度是決定產(chǎn)品貯存壽命及可靠性的主要因素。溫度對電子產(chǎn)品可能引起的熱效應(yīng)主要有如下幾個(gè)方面：1）固定電阻的阻值改變；2）溫度梯度不同和不同材料的膨脹不一致使電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性發(fā)生變化；3）變壓器和機(jī)電部件過熱；4）繼電器以及磁動或熱動裝置的吸合／釋放范圍變化；5）工作或貯存壽命縮短。濕度環(huán)境對電子產(chǎn)品的表面效應(yīng)，以及材料性質(zhì)的改變會產(chǎn)生影響。目前，還沒有成熟的濕度加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢砸谩Ｔ谠O(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)彈彈上電子設(shè)備大多需進(jìn)行密封性設(shè)計(jì)，因此濕度不是貯存的敏感應(yīng)力，本文主要考慮溫度應(yīng)力作為加速貯存的施加應(yīng)力。

3．2整機(jī)加速因子算法

Arrhenius模型廣泛應(yīng)用于與溫度有關(guān)的應(yīng)力加速貯存試驗(yàn)，但Arrhenius模型只適用于元器件，不能直接應(yīng)用于整機(jī)［10－11］。

4整機(jī)加速貯存試驗(yàn)方法

4．1整機(jī)加速方法

綜合考慮溫度和加速效果，選定80℃為該控制器的加速應(yīng)力溫度，其對應(yīng)的加速貯存試驗(yàn)時(shí)間T為T加速時(shí)間＝T貯存期／AFT。假設(shè)該控制器的貯存期為15年，為簡化試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒓铀僭囼?yàn)剖面如圖6所示。樣本為新出廠產(chǎn)品，其自然貯存壽命為0，需要進(jìn)行15個(gè)循環(huán)周期的加速試驗(yàn)，每個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)時(shí)間為365×24h／35．51＝246．7h，也即加速時(shí)間246．7h相當(dāng)于自然貯存1年。試驗(yàn)要求如下：產(chǎn)品在進(jìn)高溫箱前，需要進(jìn)行外觀檢查和2電性能檢查，檢查合格后方可進(jìn)入后續(xù)的高溫試驗(yàn)。高溫箱的升溫和降溫的速度是2℃／min，高溫箱中的溫度保持在80℃并恒溫0．5h后開始計(jì)時(shí)，每個(gè)循環(huán)周期后進(jìn)行電性能測試，測試時(shí)需將高溫箱的溫度降至常溫，常溫恒溫0．5h后，才可以開始測試。高溫加速試驗(yàn)的有效時(shí)間不應(yīng)含納測試和恒溫的時(shí)間。每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)周期結(jié)束后，需對產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，若15個(gè)循環(huán)周期測試均合格，則可以給出15年貯存期評估結(jié)論。

5結(jié)論

本文以元器件加速試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了元器件的貯存期、加速因子及激活能的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于元器件失效率和激活能的整機(jī)加速因子計(jì)算方法，該方法針對小樣本、故障模式多樣的高可靠航天電子產(chǎn)品的貯存期評估問題進(jìn)行研究，只需得到元器件種類及數(shù)量、元器件失效率、激活能即可計(jì)算加速因子。以某彈上控制器為例，給出了其加速試驗(yàn)及真實(shí)度評價(jià)方法。通過本文研究，可以對電子產(chǎn)品的貯存期進(jìn)行評估，具有一定的工程實(shí)踐意義。對于加速因子真實(shí)度的評價(jià)方法是本課題后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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作者：向剛1；苗靜2；邱豐1 單位：1．北京航天自動控制研究所，2．北京電子工程總體研究所