空間用元器件熱真空試驗(yàn)評價(jià)方法研究

陽 輝，白 樺，劉燕芳，哈文慧，張 東

（1.北京圣濤平北科檢測技術(shù)有限公司，北京 100088；2.北京自動測試技術(shù)研究所，北京 100088；3.湖南大學(xué)電氣工程學(xué)院，長沙 410082）

1 概述

環(huán)境試驗(yàn)是航天器研制工作中不可缺少的重要組成部分，它對暴露產(chǎn)品中隱藏的缺陷、保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性起了重要的作用。熱真空試驗(yàn)是空間環(huán)境模擬試驗(yàn)中非常重要的一項(xiàng)試驗(yàn)，國內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)在對于衛(wèi)星組件、分系統(tǒng)、整星的鑒定和驗(yàn)收中，熱真空試驗(yàn)是必做的試驗(yàn)項(xiàng)目，并制定了相關(guān)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[1～3]。

空間用元器件做為宇航工程基礎(chǔ)性資源，及早進(jìn)行熱真空試驗(yàn)評價(jià)，可以在更早階段暴露產(chǎn)品中隱藏的缺陷，避免重大損失，具有積極的作用。元器件在熱真空環(huán)境下失效導(dǎo)致衛(wèi)星任務(wù)失敗的案例屢有報(bào)道[4]。例如，1978年發(fā)射的國際紫外探測器（IUE），由于熱設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等原因，使得這顆紫外探測器衛(wèi)星上計(jì)算機(jī)的4k和8k存儲器碎裂；1978年發(fā)射的日本廣播實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（BSE），因?yàn)樾胁ü茈娫锤邏弘娀》烹姡斐杀Ｗo(hù)電路失效，無法向行波管供電，導(dǎo)致衛(wèi)星于1980年壽命結(jié)束；1983年美國的陸地衛(wèi)星（Landsat-4），4個(gè)太陽電池陣中有2個(gè)電源電纜損壞，故障原因是熱循環(huán)使導(dǎo)體出現(xiàn)應(yīng)力，而后導(dǎo)致電纜損壞；1987年發(fā)射的美國地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星GOES-7，在1993年4月衛(wèi)星的數(shù)據(jù)收集平臺問訊（DCPI）系統(tǒng)出現(xiàn)異常，在每天星食期后約1小時(shí)，1號S-波段接收機(jī)不能接收來自指令和數(shù)據(jù)捕獲（CDA）站的詢問信號，后發(fā)現(xiàn)接收機(jī)的頻率穩(wěn)定度超出需要值±5kHz的限制，原因是星食期后衛(wèi)星溫度較低；1993年歐空局發(fā)射的歐洲氣象衛(wèi)星（Meteosat），輻射計(jì)連續(xù)發(fā)生故障，經(jīng)分析是儀器上形成的冰破壞了儀器的光學(xué)表面。

目前，歐美國家對于元器件級的熱真空試驗(yàn)方法開展了大量的試驗(yàn)研究。我國也在航天工程用元器件的鑒定檢驗(yàn)中，根據(jù)航天用戶的要求，對部分產(chǎn)品開展了熱真空試驗(yàn)評價(jià)[5]。由于元器件級熱真空試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的缺項(xiàng)，在制定試驗(yàn)方案時(shí)，主要參考的是衛(wèi)星組件、分系統(tǒng)及整星的熱真空試驗(yàn)方法。衛(wèi)星組件、分系統(tǒng)及整星的熱真空試驗(yàn)應(yīng)力條件設(shè)置主要依據(jù)衛(wèi)星任務(wù)的特點(diǎn)，根據(jù)最高和最低預(yù)視溫度進(jìn)行相應(yīng)的加嚴(yán)考核。而對于空間用元器件，由于其作為重要的戰(zhàn)略資源，僅針對特定的衛(wèi)星任務(wù)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，勢必限制了試驗(yàn)評估結(jié)果的通用性，造成不必要的重復(fù)試驗(yàn)。本文在空間用元器件熱真空環(huán)境應(yīng)力及相關(guān)失效模式分析的基礎(chǔ)上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對空間用元器件熱真空試驗(yàn)評價(jià)方法進(jìn)行技術(shù)探討。

2 空間用元器件熱真空環(huán)境應(yīng)力分析

航天器表面的器（組）件直接暴露在宇宙空間，根據(jù)離地軌道的不同，大氣壓力下降約九個(gè)數(shù)量級，即真空度從10-2Pa提高到10-11Pa。在地球同步軌道上的通信衛(wèi)星暴露在10-12Pa的極高真空下。因此，對于不同軌道的航天器，航天器外露元器件實(shí)際所處的真空度變化范圍很大。對于安裝在航天器的各個(gè)非密封艙中的器件，由于排氣孔流導(dǎo)的限制和艙內(nèi)各種材料的出氣，使艙內(nèi)壓力比艙外高出幾個(gè)數(shù)量級。艙內(nèi)壓力與軌道高度、排氣孔通導(dǎo)、艙內(nèi)材料出氣、軌道運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，在入軌后幾百小時(shí)內(nèi)，一般約10-1Pa～10-6Pa。對于密封艙內(nèi)的元器件，艙內(nèi)雖然存在一定的氣體，但在軌道上氣體的對流傳熱不起作用。不同真空度下空間用元器件有不同的物理效應(yīng)，詳見表1，例如從常壓進(jìn)入真空，對于密封元器件產(chǎn)生內(nèi)外壓差；在氣壓小于10-2Pa時(shí)熱對流模式可以忽略。

航天器的空間熱環(huán)境主要是指冷黑和太陽輻照環(huán)境，不考慮太陽與航天器的輻射，宇宙空間的能量密度約為10-5W/m2，相當(dāng)于溫度為3K的黑體所發(fā)出的能量。太空中航天器的熱輻射全被太空所吸收，沒有二次反射，這一環(huán)境即為冷黑環(huán)境，也叫熱沉。主要外熱源是太陽電磁輻射（相當(dāng)于一個(gè)6 000K的黑體輻射），陽光照射時(shí)能產(chǎn)生100℃的高溫，無陽光照射時(shí)可以降到-200℃以下的超低溫，在航天器陰陽面轉(zhuǎn)換時(shí)，艙內(nèi)外的溫度波動使元器件遭受溫度循環(huán)應(yīng)力。航天器的艙內(nèi)溫度根據(jù)需要一般控制在-70℃～50℃的范圍內(nèi)，暴露在艙外的電子設(shè)備溫度范圍一般在-120℃～150℃。某些材料在冷黑環(huán)境中會產(chǎn)生老化和脆化，影響元器件的性能。而航天用關(guān)鍵集成電路、探測器、行波管、固態(tài)微波器件等根據(jù)航天器的運(yùn)行軌道、在航天器中的位置和工作模式，其熱環(huán)境又有所不同。航天器空間熱環(huán)境示意圖如圖1所示，空間軌道溫度范圍如表2所示。

元器件在航天任務(wù)期間除了受到熱應(yīng)力和真空應(yīng)力外，還受到電應(yīng)力作用。元器件主要有連續(xù)工作和間歇工作兩種狀態(tài)，任務(wù)期間對于組件和分系統(tǒng)進(jìn)行開、關(guān)機(jī)操作，元器件將遭受開、關(guān)電應(yīng)力。

3 空間用元器件熱真空試驗(yàn)評價(jià)方法

熱真空試驗(yàn)是一種環(huán)境模擬試驗(yàn)，也是綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)。參照組件、分系統(tǒng)、整星的熱真空試驗(yàn)方法，試驗(yàn)要素主要有如下幾點(diǎn)：（1）試驗(yàn)真空度；（2）極限溫度；（3）極限溫度保持時(shí)間；（4）溫變速率；（5）電應(yīng)力和工作時(shí)間；（6）試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)；（7）監(jiān)測參數(shù)；（8）失效判據(jù)。試驗(yàn)程序如圖2所示。

組件、分系統(tǒng)、整星的熱真空試驗(yàn)一般程序基本適用于元器件級熱真空試驗(yàn)，但在試驗(yàn)要素方面應(yīng)結(jié)合元器件特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究。組件分系統(tǒng)、整星試驗(yàn)真空度要求氣壓小于1.3×10-3Pa，在該真空度下，熱對流模式可以忽略，因此對于大多數(shù)元器件熱真空試驗(yàn)可以使用該條件，但對于傳感器類元器件還需認(rèn)真考慮。例如，某型煙霧傳感器在載人飛船宇航員出艙時(shí)發(fā)出火災(zāi)誤報(bào)警，事后分析可能是出艙時(shí)氣壓瞬間小于1.3×10-5Pa，而地面試驗(yàn)時(shí)的真空度沒有覆蓋該范圍，因而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該潛在故障。

對于極限溫度的確定，組件分系統(tǒng)、整星試驗(yàn)主要在最高和最低預(yù)視溫度上加嚴(yán)10℃做為考核條件，由于預(yù)視溫度與具體的航天任務(wù)及航天器熱設(shè)計(jì)相關(guān)，建議在廣泛調(diào)研元器件在航天器所處的環(huán)境條件基礎(chǔ)上，結(jié)合元器件自身特點(diǎn)，提出試驗(yàn)溫度條件，使得通過熱真空試驗(yàn)考核的元器件產(chǎn)品能夠適用于各種航天任務(wù)，避免重復(fù)試驗(yàn)。

我們開展大量元器件熱真空試驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對于空間用集成電路產(chǎn)品，建議采用如表3所示的溫度條件。

4 試驗(yàn)案例

4.1 DC/DC混合集成電路熱真空試驗(yàn)案例

試驗(yàn)樣品為5只通過GJB2438B[6]規(guī)定的B級質(zhì)量要求鑒定試驗(yàn)的產(chǎn)品。產(chǎn)品采用厚膜混合集成工藝，輸入電壓范圍VI為-0.5V～50V，功耗PD為18W，輸出功率PO為50W。外殼工作溫度范圍TC為-55℃～125℃。封裝形式為扁平外殼，封裝類型為平行縫焊，外殼外型為金屬扁平外殼。

熱真空試驗(yàn)條件為氣壓≤1.3×10-3Pa；試驗(yàn)最高溫度+125℃，最低溫度-55℃，溫變速率≥1℃/min，由安裝在樣品外殼表面非熱源處測溫傳感器記錄試驗(yàn)溫度；在最高溫度停留6.5h、最低溫度停留2.5h；從室溫開始經(jīng)歷低溫—高溫構(gòu)成一個(gè)完整的溫度循環(huán)過程；循環(huán)次數(shù)為10次；電應(yīng)力：在最高溫度、最低溫度斷電0.5h后加電，對樣品施加28V電壓，負(fù)載為滿載（50W）；試驗(yàn)監(jiān)測：器件穩(wěn)定工作后測試器件輸入電流和輸出電壓；試驗(yàn)抽真空過程中通過熱真空試驗(yàn)箱目視樣品并持續(xù)監(jiān)測輸入電流以發(fā)現(xiàn)可能的真空放電現(xiàn)象，試驗(yàn)應(yīng)力剖面見圖3。試驗(yàn)結(jié)束72h內(nèi)在室溫常壓下恢復(fù)進(jìn)行常溫電性能測試并根據(jù)GJB548方法1014進(jìn)行密封試驗(yàn)，其中細(xì)檢漏試驗(yàn)條件A1，粗檢漏試驗(yàn)條件C1。

試驗(yàn)裝置及測量儀器的連接結(jié)構(gòu)圖見圖4，主要測量儀器有直流電源（帶電流表）和電壓表。

結(jié)果顯示，5只試驗(yàn)樣品在抽真空過程中未發(fā)現(xiàn)真空放電現(xiàn)象，在最高溫度、最低溫度下加電啟動正常，試驗(yàn)結(jié)束后終點(diǎn)電測試參數(shù)滿足要求，密封試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4.2 單片集成電路熱真空試驗(yàn)案例

試驗(yàn)樣品為5只通過GJB548B[7]規(guī)定的B級質(zhì)量要求鑒定試驗(yàn)的雙向收發(fā)器單片集成電路。產(chǎn)品采用體硅工藝，封裝形式為48引線陶瓷雙列扁平封裝（CFP48），電源電壓（VDD）為3.0V～3.6V或4.5V～5.5V，輸入電壓（VIN）為0～VDD，A端口16路輸入或3.3V輸出，B端口16路，輸入或5V輸出，工作環(huán)境溫度范圍–55℃～+125℃。

本次熱真空試驗(yàn)條件為氣壓≤1.3×10-3Pa；試驗(yàn)最高溫度+125℃，最低溫度-55℃，溫變速率≥1℃/min，由安裝在樣品夾具PCB板非熱源處測溫傳感器記錄試驗(yàn)環(huán)境溫度；在最高溫度停留6.5h、最低溫度停留2.5h；從室溫開始經(jīng)歷低溫—高溫構(gòu)成一個(gè)完整的溫度循環(huán)過程；循環(huán)次數(shù)為10次。電應(yīng)力：在最高溫度、最低溫度斷電0.5h后加電；電源電壓VDD=（5±0.5）V；B端口輸入1×（1±5%）MHz方波信號，0～5V TTL電平；試驗(yàn)監(jiān)測：器件穩(wěn)定工作后測試器件輸入電流和A端口輸出波形；試驗(yàn)抽真空過程中通過熱真空試驗(yàn)箱目視樣品并持續(xù)監(jiān)測輸入電流以發(fā)現(xiàn)可能的真空放電現(xiàn)象，試驗(yàn)應(yīng)力剖面見圖3。試驗(yàn)結(jié)束72h內(nèi)在室溫常壓下恢復(fù)進(jìn)行常溫電性能測試并根據(jù)GJB548方法1014進(jìn)行密封試驗(yàn)，其中細(xì)檢漏試驗(yàn)條件A1，粗檢漏試驗(yàn)條件C1。

由于試驗(yàn)資源的限制，熱真空設(shè)備留給試驗(yàn)5只試驗(yàn)樣品的電連接接口只有12路。為了解決電接口數(shù)限制的問題，除采取共用電源和信號源的措施外，在試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)上采用A端口與B端口間的循環(huán)輸入，具體為初始信號由1B1端口進(jìn)，對應(yīng)的1A1端口輸入信號進(jìn)入1B2，依次類推，最后監(jiān)測2A8信號波形，電路連接圖見圖5。通過監(jiān)測的2A8信號波形可以反映總共32路A、B端口功能是否正常。

試驗(yàn)裝置及測量儀器的連接結(jié)構(gòu)詳見圖6，主要測量儀器有直流電源（帶電流表）、信號發(fā)生器和示波器。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，5只試驗(yàn)樣品在抽真空過程未發(fā)現(xiàn)真空放電現(xiàn)象，在最高溫度、最低溫度下加電啟動正常，試驗(yàn)結(jié)束后的終點(diǎn)電測試參數(shù)滿足要求，密封試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

5 結(jié)果與討論

本文對空間用元器件熱真空試驗(yàn)評價(jià)方法進(jìn)行了探討，針對國產(chǎn)空間用DC/DC混合集成電路及雙向收發(fā)器單片集成電路開展了熱真空試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過熱真空試驗(yàn)，可以對空間用元器件熱真空環(huán)境下的性能和可靠性進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)，為航天用戶單位合理選擇元器件產(chǎn)品提供依據(jù)。

［1］MIL-STD-1540D-1999.Product verification requirements for launch, upper stage, and space vehicles[S].

［2］ECSS-E-10-03A-2002. Space engineer[S].

［3］GJB1027-1990.衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)要求[S].

［4］航天器故障專集 [M]，航天總公司第五研究院512所.

［5］陽輝，白樺，劉燕芳.空間用晶體振蕩器熱真空性能研究[J].電子與封裝，2011,11（2）:22-25.

［6］GJB2438A-2002.混合集成電路通用規(guī)范[S].

［7］GJB548B-2005.微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].