衛(wèi)星電子組件高加速壽命試驗技術

郭秀才，馮偉泉，鄭會明，楊力坡，李樹鵬，馬騰飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術重點實驗室，北京100094）

0 引言

近年來，國外廣泛采用高加速壽命試驗（HALT）來提高產品的固有可靠性，實際上，這是一種向產品施加超過其設計規(guī)范規(guī)定的應力的一種過應力試驗。它在發(fā)現(xiàn)產品設計缺陷方面，可以從傳統(tǒng)試驗的幾周或幾個月縮短至幾天甚至幾小時[1]，能夠暴露產品在該應力下的幾乎所有故障，從而大大縮短研制周期、生產周期并降低成本。

目前，國內航天系統(tǒng)還沒有在產品研制上開展HALT。傳統(tǒng)的試驗方法由于時間長、費用高、效果差等問題，已無法滿足衛(wèi)星研制的要求，因此，HALT是可靠性試驗發(fā)展的必然趨勢，是提高衛(wèi)星組件質量和可靠性的有效手段。

本文闡述了HALT的基本內容，在衛(wèi)星典型電子組件上進行了試驗研究，并得到如何在衛(wèi)星組件上實施HALT的方法。

1 溫度高加速壽命試驗的原理

外界應力作用下，產品內部缺陷處所產生的應力比完好處的應力大得多且集中，可迅速累積起疲勞損傷，使缺陷擴展，并能方便地檢測出來，而完好部分則基本不受影響[2]。通常，電子組件的熱失效機理主要是元器件在高溫下性能退化或損壞，是溫度交變導致熱疲勞，熱應力和熱疲勞造成了元器件的物理損傷。

根據(jù)基本加速模型——米勒（Miner）模型，熱膨脹導致的機械應力強度與循環(huán)次數(shù)有關。以溫度變化速率和循環(huán)次數(shù)（篩選總時間）的關系為例，當溫度變化速率為5 /min℃時，需循環(huán)440次；溫度變化速率為40 /min℃時，僅需循環(huán)1次[2]。

2 試驗剖面設計

2.1 HALT剖面應力設計范圍[3]

應力設計范圍見圖1。

圖1 剖面應力設計范圍Fig.1 Design range for profile stress

圖中：規(guī)范限為規(guī)定的產品工作應力限（使用環(huán)境）；設計限為產品的設計應力限，在該限內產品可正常工作；工作限為產品實際工作應力限，在該限內產品可正常工作；生存限為產品生存應力限，在該限內產品仍可工作，但性能已不正常，應力值降低到工作限時仍可正常工作；破壞限為產品破壞應力限，在該限內產品工作不正常，超過該限則無論應力如何降低，產品都不能正常工作。

2.2 試驗剖面應力設計

HALT所用的應力并不是產品壽命期環(huán)境所遇到的應力，而是高于產品壽命期的儲存、運輸和使用中將遇到的最大的應力（規(guī)范應力）。通常在試驗過程中，施加的應力可以加大到對其發(fā)現(xiàn)的缺陷用已有技術能力（材料、工藝、設計）無法改進為止。根據(jù)剖面應力設計范圍設計HALT剖面，一般有降溫剖面、升溫剖面和溫度擺動試驗剖面等等。

3 組件在溫度高加速環(huán)境中的失效分析

熱應力在 HALT中引發(fā)的環(huán)境效應一般分為低溫環(huán)境效應、高溫環(huán)境效應和變溫效應。失效和故障分析是試驗的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)組件在試驗中出現(xiàn)的故障和問題，對組件進行改進和完善，繼續(xù)增加應力量值，使組件逐步提高可靠性，成為更健壯的產品。

4 組件溫度的控制方法

通常產品的 HALT是控制產品周圍的環(huán)境溫度，而衛(wèi)星組件的HALT應以組件本身的溫度為控制點，這樣將使衛(wèi)星組件承受更大的熱應力和更嚴酷的考驗。

對單板或開蓋的組件（其內部電路板直接暴露在試驗箱空氣中），控制板上的溫度；對于未開蓋的組件（電路板在組件盒內），應將控溫傳感器固定在組件遠離熱源處的安裝角上[4]。

由于航天產品的特殊性，試件停留時間的選取原則是：對單板或開蓋的組件，可以不用溫度保持時間，停留時間即為性能測試時間；對未開蓋的組件，通常需要考慮溫度保持時間，停留時間為溫度保持時間和性能測試時間之和。

為確保試驗的有效性，進行了冷透熱透試驗研究，試驗結果表明所有模擬試件在30 min內即可冷透熱透。

5 試驗方案

5.1 試驗設備

試驗使用溫度試驗箱，其技術指標為

1）容積：0.45 m3；

2）溫度范圍：+180～-150 ℃；

3）最大升降溫速率：＞35 /min℃。

5.2 試驗件

研究對象應具備典型性和代表性，確保在該產品上適用的高加速試驗技術在其他衛(wèi)星電子產品基本適用。

選擇衛(wèi)星小型電路盒（尺寸為 180 mm×140 mm×120 mm，重量為3 kg）作為試驗試件，電路種類上包括有數(shù)字電路、模擬電路和模/數(shù)轉換電路等，具有星上電子產品的代表性和典型性，所使用的元器件大部分為國產元器件。試件的地面測試設備由信號源及測試上位機、信號調理箱和電源等組成。試件的環(huán)境試驗溫度為-25～60 ℃；變溫速率為3～5 /min℃。

5.3 試驗技術要求

1）試驗的順序：首先確定試件的上、下工作限；然后確定其上、下生存限；最后再確定試件的上、下破壞限。

a.在工作限和生存限確定過程中，先進行降溫階段應力試驗。設定起始溫度，每次降一個臺階溫度，溫度穩(wěn)定后維持一段時間；變溫和恒溫過程中測試組件功能，一切正常則將溫度再降一個臺階，依此類推直至應力達到要求。在完成低溫應力試驗后，按照相同程序進行高溫應力試驗。

b.在破壞限確定過程中，先進行升溫階段應力試驗，試驗過程同a所述。

c.確定好極限應力溫度值后，在上、下溫度限之間進行冷熱擺動試驗，驗證組件的上、下應力極限溫度值。

2）溫度步進應力

a.起點：高溫為30 ℃，低溫為15 ℃。

b.停留時間：35 min（小型電路盒屬于未開蓋的試件，其冷透或熱透時間小于30 min，性能測試時間大于5 min）。

c.變溫速率：試件最大升降溫速率。

3）在HALT中，為監(jiān)測小型電路盒的工作狀態(tài)，試驗中試件一直處于通電狀態(tài)，全程對試件功能進行監(jiān)視和性能測量，且不能只監(jiān)視指示器功能，必須測量關鍵性能參數(shù)。

5.4 試驗流程

試驗流程見圖2。

圖2 試驗流程圖Fig.2 Block diagram of test process

5.5 試驗應力極限確定步驟

5.5.1 工作限確定步驟

小型電路盒工作限確定步驟見表1。

表1 工作限確定步驟Table 1 Steps for determining the operation limit

在高低溫工作限步進試驗完成之后，以最大速率在工作限內之間進行冷熱擺動試驗，試驗每次外擴溫度10 ℃。

5.5.2 生存限確定步驟

小型電路盒生存限確定步驟見表2。

表2 生存限確定步驟Table 2 Steps for determining the survival limit

在高低溫生存限步進試驗完成之后，以最大速率在上下生存限內縮一個步長之后的溫度范圍之間進行冷熱擺動試驗，試驗每次外擴溫度10 ℃。

5.5.3 破壞限確定步驟

小型電路盒破壞限確定步驟見表3。

表3 破壞限確定步驟Table 3 Steps for determining the destruction limit

考慮到衛(wèi)星電子產品一般在高溫時被破壞的較多，因此在確定生存限后，首先直接以最大速率升溫到生存限上限溫度，然后根據(jù)上表所述參數(shù)進行溫度應力施加。

5.6 試件正常工作判據(jù)

小型電路盒根據(jù)測試設備發(fā)送的控制器指令進行相應工作，同時地面測試設備通過串口接收小型電路盒工作狀態(tài)，并檢測其輸出的信號。根據(jù)得到的信息，根據(jù)與控制器指令和預期值是否一致來判斷小型電路盒是否處于正常工作狀態(tài)。

根據(jù)試件的組成和功能以及測試的內容和正常值范圍，故障判據(jù)分為主要故障判據(jù)和次要故障判據(jù)。

5.7 試驗終止的依據(jù)

通常情況下，試驗終止的依據(jù)有兩點：

1）溫度達到了試件的破壞限，試件出現(xiàn)的故障使其主要功能不能正常實現(xiàn)；

2）試驗已經達到了現(xiàn)有設備的能力極限而造成試驗中斷。

6 試驗過程及結果

6.1 試件工作限試驗

進行了降溫試驗（25～-25 ℃、-25～-45 ℃、-45～-95 ℃和-98～-111 ℃）、升溫試驗（25～60 ℃、60～80 ℃、90～119 ℃和119～125 ℃）和擺動試驗（-25～60 ℃、-45～80 ℃、-75～110 ℃和-111～110 ℃）。

1）降溫試驗（-45～-95℃）

從-45℃開始，步長-3 ℃，降溫至-95 ℃，試驗曲線見圖3。

圖3 工作限降溫步進試驗Fig.3 Temperature step decrease test for operation limit

2）升溫試驗（25～60℃）

從25 ℃開始，步長10 ℃，升溫至60 ℃，試驗曲線見圖4。

圖4 工作限升溫步進試驗Fig.4 Temperature step increase test for operation limit

3）擺動試驗（-75～110 ℃）

從-45 ℃開始，依次經過 90 ℃、-55 ℃、100 ℃、-65 ℃、110 ℃和-75 ℃，試件降溫速率 ＞9 /min℃，升溫速率 ＞8.5 /min℃，試驗曲線見圖5。

圖5 工作限擺動試驗Fig.5 Temperature swing test for operation limit

在確定工作限的步進試驗過程中，發(fā)現(xiàn)試件的下工作限在低溫-114 ℃，上工作限在高溫113 ℃。在此范圍之外，測試參數(shù)出現(xiàn)異常，但不影響試件主要功能。在110～-111 ℃的擺動試驗過程中測試參數(shù)正常，說明變溫速率對電路盒性能影響較小。

6.2 試件生存限和破壞限試驗

進行了降溫試驗（-114～-140℃）、升溫試驗（128～146℃、149～173℃）和循環(huán)試驗（-110～110℃、-140～170℃），其中：

1）降溫試驗（-114～-140℃）

步長2 ℃，試件升溫14 /min℃，降溫13 /min℃，低溫停留時間 35 min。如果出現(xiàn)故障，則升溫至-100 ℃；如果連續(xù)10 min內無故障，則繼續(xù)下一個步長。溫度視為-114 ℃、-100 ℃、-116 ℃、-100 ℃、-118 ℃、-100 ℃……試驗曲線見圖6。

圖6 降溫步進試驗Fig.6 Temperature step descending test

2）升溫試驗（149～173 ℃）

步長3 ℃，停留時間35 min，試件升溫8 /min℃，降溫12 /min℃。如果出現(xiàn)故障，則降溫至100 ℃，否則繼續(xù)下一個步長。溫度依次為149 ℃、100 ℃、152 ℃、100 ℃、155 ℃、100 ℃……試驗曲線見圖7。

圖7 升溫步進試驗Fig.7 Temperature step ascending test

3）循環(huán)試驗（-140～170 ℃）

試件升溫8 /min℃，降溫12 /min℃，循環(huán)5次，試驗曲線見圖8。

圖 8 循環(huán)試驗Fig.8 Thermal cycling test

在確定生存限的步進試驗過程中，在低溫-128 ℃保持15 min后，試件通訊出現(xiàn)中斷，試件功能完全喪失；在高溫173 ℃保持時，試件也出現(xiàn)通訊中斷，試件功能完全喪失。因此確定生存限下限為-128 ℃，生存限上限為173 ℃。

在確定破壞限的步進試驗過程中，發(fā)現(xiàn)試件的下破壞限低于-140 ℃，上破壞限高于173 ℃。

6.3 冷熱交變試驗

在冷熱交變試驗中，停留時間35 min，溫度范圍為-60～100 ℃，試件升溫速率8 /min℃，降溫速率5 /min℃，循環(huán)了264次。試驗過程中測試數(shù)據(jù)正常，說明試件因熱應力能夠暴露的潛在缺陷基本排除，已達故障“浴盆曲線”的底部，進入穩(wěn)定期，也驗證了米勒模型的正確性。

根據(jù)試驗停止的判據(jù)，小型電路盒HALT進行到試件溫度高溫為173 ℃、低溫為-140 ℃，已經達到了試驗設備的溫度極限。

對試件因溫度造成的失效和故障進行分析是試驗的重要環(huán)節(jié)，針對出現(xiàn)的故障，分析產生的原因，對試件進行改進和完善，以提高可靠性。

7 結束語

本文將衛(wèi)星小型電路盒作為典型組件，建立HALT試驗模型，制定試驗剖面，通過不斷增加試驗應力的等級，往復迭代，確定其工作應力極限和生存應力極限。對出現(xiàn)的故障和失效機理進行分析研究，找出原因和解決辦法，修改設計，從而進一步提高產品質量。研究成果可用于衛(wèi)星電子、電氣和機電組件的研制。

航天器主要工作在外層空間，有很高的可靠性要求[5]，而HALT技術有助于滿足這種要求。配置專用HALT設備，特別是使用綜合環(huán)境試驗條件，可以大大縮短產品研制周期、迅速投入使用并明顯地降低研制成本；能夠快速得到產品因試驗環(huán)境引起的幾乎所有故障模式，從而有針對性地改進設計以確保在使用中不出故障，達到衛(wèi)星高可靠、長壽命的目的。

（References）

[1]祝耀昌.可靠性試驗及其發(fā)展綜述[J].航天器環(huán)境工程, 2007, 24(5)： 261-269

Zhu Yaochang.Reliability tests and their developments[J].Spacecraft Environment Engineering, 2007, 24(5)：261-269

[2]祝耀昌.高加速應力試驗[R].中國空間技術研究院,2009 Zhu Yaochang.High acceleration stress test [R].China Academy of Space Technology, 2009

[3]QJ 3138—2001, 航天產品環(huán)境應力篩選試驗指南[S],2001-11

[4]GJB 1027A—2005, 運載器、上面級和航天器試驗要求[S], 2005-12

[5]劉峰.試論航天器可靠性試驗[J].航天器環(huán)境工程,2002, 19(4)： 1-5

Liu Feng, Discussion on spacecraft environmental reliability test[J].Spacecraft Environment Engineering,2002, 19(4)： 1-5