基于性能退化模型的空間電子學(xué)設(shè)備加速壽命試驗研究與應(yīng)用

伏洪勇，黨 煒，李 鍇

(1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094;2.中國科學(xué)院光電研究院，北京100094)

1 引言

空間應(yīng)用系統(tǒng)主要研制空間有效載荷，其性能要求高，創(chuàng)新性和探索性強，采用新技術(shù)、新工藝、新器件、新材料等是必然的選擇，在可靠性和壽命上面臨極大的挑戰(zhàn)。盡管設(shè)計人員在設(shè)計階段會考慮許多影響可靠性和壽命的因素，但空間環(huán)境因素、產(chǎn)品運控工況復(fù)雜，不通過試驗驗證很難對不確定因素進行準確把握和有效防范。因此，作為空間有效載荷重要組成部分的電子學(xué)整機系統(tǒng)，其可靠性和壽命也需要重點關(guān)注。

對電子學(xué)整機系統(tǒng)的可靠性驗證方法國內(nèi)外研究比較多，有許多比較成熟的方法［1］，但對于空間小子樣(有時甚至只有1件)產(chǎn)品，工程研制周期短且受經(jīng)費嚴重制約，完全采用批量產(chǎn)品的做法，顯然難以為航天工程所接受。探索適合空間電子學(xué)整機系統(tǒng)加速壽命試驗的有效方法是當前亟待解決的問題，基于空間應(yīng)用系統(tǒng)的實際需求和背景，本文以性能退化模型為基礎(chǔ)提出空間電子學(xué)整機系統(tǒng)加速壽命試驗方法，以評估整機系統(tǒng)在正常工作應(yīng)力下的性能退化量，為空間電子學(xué)整機系統(tǒng)可靠性試驗提供一種技術(shù)途徑。

2 加速壽命試驗原理

2.1 加速性判斷準則

在進行加速壽命試驗時，首先需要判斷產(chǎn)品是否具有加速性。加速性就是指在加速試驗過程中，受試產(chǎn)品在短時間高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長時間低應(yīng)力作用下表現(xiàn)的特性是一致的。目前最常用的判斷產(chǎn)品是否存在加速性的3 個條件為［2］:

1)失效機理的一致性，即在加速應(yīng)力下和正常使用應(yīng)力下，產(chǎn)品組成單元的失效機理不發(fā)生變化;

2)加速壽命過程中的加速失效具有規(guī)律性，即在加速失效過程中，產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間存在一個確定的函數(shù)關(guān)系(加速模型)，或未知但客觀存在的某種關(guān)系;

3)失效分布的同一性，即在不同應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一形式的分布，如威布爾分布的形狀參數(shù)m保持不變，正態(tài)分布的標準差σ保持不變。

失效機理的一致性是加速試驗的必要條件，但不是充分條件;失效分布的同一性是對加速失效規(guī)律性的具體化和定量化。

2.2 常用加速壽命模型及加速系數(shù)

物質(zhì)失效模型比較多，空間產(chǎn)品電子學(xué)產(chǎn)品失效熱應(yīng)力是主要的影響因素，空間電子學(xué)整機系統(tǒng)常常采用溫度應(yīng)力加速試驗進行可靠性余量鑒定和應(yīng)力篩選。本文結(jié)合實際空間工程中的可行性和具體情況，主要介紹以溫度應(yīng)力為主的電子學(xué)產(chǎn)品失效機理模型。

1)阿倫尼斯模型及加速系數(shù)

1889年，阿倫尼斯(Arrhenius)在研究溫度對酸催化蔗糖水解轉(zhuǎn)化反應(yīng)的基礎(chǔ)上總結(jié)出:某產(chǎn)品性能退化速率與激活能的指數(shù)成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成反比。其數(shù)學(xué)描述為［3］公式(1)。

式(1)中:M—產(chǎn)品某特性值的退化量;t—反應(yīng)時間(產(chǎn)品壽命);—溫度在T時的退化速率，退化速率是時間t的線性函數(shù);k—波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/℃;T—熱力學(xué)絕對溫度;A—常數(shù);Ea—失效機理激活能，以eV為單位，同一類元器件的同一種失效模式為常數(shù)。

令M0為產(chǎn)品初始狀態(tài)性能退化量，經(jīng)時間t后，產(chǎn)品的性能退化量為M(若退化量達到M就認為產(chǎn)品失效，則t即為產(chǎn)品的壽命)，則在時間t內(nèi)，產(chǎn)品的累積性能退化量如式(2)所示。

對(2)式進一步計算處理，可得如(3)所示等式。

式(3)中，K—性能退化率，其余符號定義與(1)式相同。根據(jù)加速系數(shù)的定義，可以推導(dǎo)如(4)所示加速系數(shù)的表達式。

式(4)中，AF—加速系數(shù);Luse—產(chǎn)品在使用環(huán)境下的壽命;Lstress—產(chǎn)品在加速試驗環(huán)境下的壽命;Kuse—產(chǎn)品在使用環(huán)境下的性能退化率;Kstress—產(chǎn)品在加速試驗環(huán)境下的性能退化率;Tuse—產(chǎn)品在使用環(huán)境下的溫度;Tstress—產(chǎn)品在加速試驗環(huán)境下的溫度;其余符號與(1)式相同。通過(4)式可知，對于很少出現(xiàn)失效的長壽命產(chǎn)品，可以依據(jù)(2)、(3)式的性能退化量相同來計算加速試驗的加速系數(shù)，進而設(shè)計加速試驗。

2)Norris-Landzberg模型及加速系數(shù)

在1969年，Norris＆Landzberg根據(jù) Coffin-Manson模型研究集成電路焊接工藝可靠性問題時給出了其加速模型。Coffin-Manson模型［4］的數(shù)學(xué)描述如式(5)所示。

式(5)中，Nf—產(chǎn)品至失效的循環(huán)數(shù);ΔT—產(chǎn)品的循環(huán)溫度差;C0—材料依賴常數(shù);n—與材料有關(guān)的常數(shù)(一般情況下，易碎材料取值3～10，韌性材料取值1.2～2.5;硬金屬材料取值1～2)。Coffin-Manson模型主要描述的是在熱循環(huán)應(yīng)力下低周疲勞壽命模型，1969年，Norris＆Landzberg在該模型基礎(chǔ)上研究集成電路焊接工藝可靠性問題時，提出了式(6)所示的焊點工藝加速系數(shù)計算方法［5］。

3)Peck模型及加速系數(shù)

1986年，D.S.Peck在匯總多穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，在85℃/85%RH條件下研究塑封器件壽命情況的分析基礎(chǔ)上，給出了塑封器件的壽命關(guān)系式，其數(shù)學(xué)描述如式(7)所示［6］。

式(7)中，tL—產(chǎn)品壽命;C—標度常數(shù);RH—相對濕度，按%表示;n—經(jīng)驗常數(shù)，與封裝材料有關(guān)，一般取值范圍為2～12;其余符號同(1)式定義。

根據(jù)加速系統(tǒng)的定義可知，濕熱應(yīng)力加速試驗下的加速系數(shù)如式(8)所示。

式(8)中，RHuse—使用環(huán)境下相對濕度(%);RHstress—加速應(yīng)力環(huán)境下相對濕度(%);其余符號同(2)式和(5)式的定義。通過(8)式可知，Peck模型可以理解為濕度和溫度的雙應(yīng)力加速壽命模型，溫度應(yīng)力主要是基于阿倫尼斯(Arrhenius)模型的性能退化模型。

3 電子學(xué)整機系統(tǒng)加速壽命試驗方法

空間應(yīng)用系統(tǒng)研究是以科學(xué)創(chuàng)新為首要目標，有效載荷是實現(xiàn)科學(xué)創(chuàng)新目標的首要手段，其載荷產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是科學(xué)目標能否實現(xiàn)的關(guān)鍵，因此空間應(yīng)用系統(tǒng)始終應(yīng)將產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性放在重要位置。對于采用了新技術(shù)、新工藝、新器件、新材料的創(chuàng)新性載荷，特別是其中的關(guān)鍵單機、組件或關(guān)鍵工藝，將根據(jù)工程需要，按照加速壽命試驗的基本思路在加大應(yīng)力情況下加快產(chǎn)品性能退化直至失效，以達到縮短試驗時間的目的。以往工程經(jīng)驗和部分文獻資料表明:對于空間電子學(xué)整機系統(tǒng)設(shè)計加速壽命試驗主要存在以下兩大難點:

1)整機系統(tǒng)因器件、部件、材料種類多，組成復(fù)雜，失效模式多，很難建立整機系統(tǒng)在加速應(yīng)力條件下與正常使用條件下的失效關(guān)系模型，很難將加速壽命理論直接應(yīng)用到整機系統(tǒng);

2)對于空間長壽命產(chǎn)品，一般在很長的時間內(nèi)也極少出現(xiàn)失效，因此傳統(tǒng)的基于失效數(shù)據(jù)的加速壽命試驗處理方法用于這類產(chǎn)品進行加速壽命試驗時會遇到一些困難［3］。

基于空間應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷在進行加速壽命試驗時遇到的上述兩個問題，本文提出利用“水桶原理”將整機系統(tǒng)加速壽命試驗轉(zhuǎn)化為薄弱環(huán)節(jié)的加速壽命試驗，即基于產(chǎn)品的故障模式和失效機理分析，尋找整機系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)最薄弱環(huán)節(jié)選用合適的性能退化加速模型計算加速因子，來設(shè)計加速壽命試驗激發(fā)整機系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的失效模式，實現(xiàn)可靠性增長和任務(wù)滿足度評價。整機系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)將是具體的組件、器件、材料或工藝，只要試驗施加的應(yīng)力不太大的情況下(工程上整機不超過鑒定級溫度，溫度敏感組件不超過其允許最高溫度)，一般會滿足加速性原則;采用性能退化加速模型進行加速試驗設(shè)計，將不再重點關(guān)心產(chǎn)品試驗是否失效，而是按在正常使用應(yīng)力與加速應(yīng)力下性能退化量等效的原則來設(shè)計加速試驗。根據(jù)這一原理的整機系統(tǒng)加速壽命試驗工作流程見圖1。

確定整機系統(tǒng)加速壽命試驗方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為確定加速因子，一般有兩種方法:①根據(jù)現(xiàn)有加速模型進行分析計算獲得;②通過試驗確定的模型獲得。第一種方法確定的加速因子不是特別準確;第二種方法雖然比較準確，但需要大量的試驗樣本、時間和經(jīng)費支持［7］。因此，工程上通常采用第一種方法來獲得加速系數(shù)，對于恒定溫度應(yīng)力、循環(huán)溫度應(yīng)力和濕熱應(yīng)力可以參照本文介紹的計算方法計算獲得，但其難點在于激活能的獲取。目前，美國國防部可靠性信息分析中心公布了電容器、電阻器、半導(dǎo)體分離器件、微電路、光電器件、繼電器、開關(guān)、連接器等元器件的激活能［8］。因激活能與器件的材料、工藝或失效模式及失效機理有關(guān)，采用這些公布的數(shù)據(jù)可能會對加速系數(shù)的準確性有一定影響，圖2給出了激活能(Ea)分別為0.5 eV、0.6 eV和0.7 eV的情況下按阿倫尼斯(Arrhenius)加速模型分析計算的加速系數(shù)與溫度應(yīng)力水平的關(guān)系。

圖1 整機系統(tǒng)加速應(yīng)力試驗工作流程Fig.1 The flow chart of the equipment accelerated test

圖2 不同激活能的加速系數(shù)Fig.2 Acceleration coefficient for various activation energies

從圖2可知，在溫度不是特別高和激活能不是特別大的情況下，不同的激活能在相同溫度水平下的加速系數(shù)是比較接近的。另有研究表明［2］，在溫度為500 K以下時，對于某種失效機理，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)，這也保證了加速壽命試驗等效性能退化量的可行性。因此在工程上，只要激活能取的比較合適(最好取廠家或研究人員提供的直接測試數(shù)據(jù)［9-12］)，在試驗溫度應(yīng)力不太高的情況(如設(shè)備鑒定級溫度)，根據(jù)整機系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)采用本文介紹的加速性能退化模型分析計算加速系數(shù)來制定電子學(xué)整機系統(tǒng)的加速壽命試驗方案是可行的。

4 實例分析

1)某有效載荷電子學(xué)整機系統(tǒng)按阿倫尼斯加速模型設(shè)計加速應(yīng)力試驗

某有效載荷電子設(shè)備需要實現(xiàn)激光通信，在軌需要累計運行3000 h，采用加速應(yīng)力進行準加速壽命試驗，定性驗證設(shè)備在軌完成任務(wù)的能力或?qū)崿F(xiàn)可靠性增長。

經(jīng)分析，該設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)為AlGaAs/GaAs激光器組件，不僅失效率高，而且壽命也比較低。對其失效模式和失效機理、任務(wù)環(huán)境剖面等進行分析后，決定采用恒定熱真空加速應(yīng)力試驗，以阿倫尼斯(Arrhenius)加速模型理論為基礎(chǔ)(見式(4))，參考國外公布的該類型器件的激活能數(shù)據(jù)［12］，設(shè)計了試驗方案，確定的試驗參數(shù)如表1所示。

表1 激光器加速試驗方案Table 1 Accelerated tests for lasers

按表1確定的加速試驗方案完成了加速試驗，用250 h加速應(yīng)力試驗來等效了3000 h長時間試驗。通過該試驗有效暴露激光器光纖缺陷，改進后重新順利通過該試驗，兩次試驗的性能測試結(jié)果如圖3所示，準加速壽命試驗實現(xiàn)了產(chǎn)品可靠性增長。

2)某有效載荷電子學(xué)整機系統(tǒng)按Norris-Landzberg加速模型設(shè)計加速應(yīng)力試驗

某有效載荷電子學(xué)設(shè)備因采用了多片大規(guī)模ICs，在軌按運控要求每天工作4次，需要運行10 000 h，每次工作溫度變化范圍為20℃，采用加速應(yīng)力進行準加速壽命試驗，定性驗證設(shè)備在軌完成任務(wù)的能力或?qū)崿F(xiàn)可靠性增長。

經(jīng)分析，該設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)為ICs焊接工藝，其焊點的熱疲勞壽命將決定整機系統(tǒng)的壽命。對其失效模式和失效機理、任務(wù)環(huán)境剖面等進行分析后，以Norris-Landzberg加速模型理論為基礎(chǔ)(見式(6))，參考國外公布的該類焊點的激活能數(shù)據(jù)［13］，設(shè)計了試驗方案，確定的試驗參數(shù)如表2所示。

圖3 激光器兩次試驗功率監(jiān)測情況Fig.3 The result of the lasers power

表2 ICs焊點加速試驗方案Table 2 Accelerated tests for ICs solder dots

因此，用200 h加速應(yīng)力試驗來等效10 000 h長時間試驗，大大的縮短了試驗時間，節(jié)省了經(jīng)費。

3)某有效載荷電子學(xué)整機系統(tǒng)按Peck模型設(shè)計加速應(yīng)力試驗

某有效載荷電子學(xué)設(shè)備因其核心器件基本為塑封微電路，在入軌前需要在35℃/60%RH的條件內(nèi)存放6個月，采用加速應(yīng)力進行準加速壽命試驗，驗證設(shè)備在存儲期間其可靠性是否受環(huán)境的影響。

經(jīng)分析，該設(shè)備在存儲條件下的薄弱環(huán)節(jié)為塑封器件，其受潮濕的情況將決定整機系統(tǒng)的壽命。對其失效模式和失效機理等進行分析后，以Peck加速模型理論為基礎(chǔ)(見式(7))，參考國外公布的該類型器件的激活能數(shù)據(jù)［14］，設(shè)計了試驗方案，確定的試驗參數(shù)如表3所示。

表3 塑封微電路加速試驗方案Tab.3 Accelerated tests for the plastic encapsulated microcircuit

因此，用108 h加速應(yīng)力試驗提前驗證地面儲存條件對單機性能的影響，試驗完成后其性能測試結(jié)果見圖4所示，性能無退化跡象。

圖4 產(chǎn)品試驗后的性能測試結(jié)果Fig.4 The result of the equipment performance after testing

5 結(jié)論

空間應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷基本都為創(chuàng)新性有效載荷，國內(nèi)無現(xiàn)成經(jīng)驗可借鑒，對于采用新技術(shù)、新工藝等新手段的電子學(xué)整機系統(tǒng)開展專項的可靠性驗證或增長試驗是必要的，但需要工程可接受，采用加速壽命試驗是一種比較好的解決措施。目前，國內(nèi)外比較成熟的加速壽命試驗方法都是基于失效數(shù)據(jù)的，而空間用設(shè)備壽命長、可靠性高、很少出現(xiàn)失效，本文提出針對空間應(yīng)用的電子學(xué)整機系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)按性能退化模型設(shè)計加速壽命試驗是一種比較好的解決方案，當然，該方法對于其它電子學(xué)產(chǎn)品也可借鑒使用。但在實際工程中應(yīng)用時，需要注意以下問題:

1)本文介紹的加速模型主要為產(chǎn)品特征性能參數(shù)在正常應(yīng)力和加速應(yīng)力下退化量相同而導(dǎo)出的加速系數(shù)，不需要產(chǎn)品在不同應(yīng)力下的壽命數(shù)據(jù);

2)整機系統(tǒng)比較復(fù)雜，當某薄弱環(huán)節(jié)在復(fù)雜的環(huán)境條件下不具有加速性時，不能通過本文介紹的方法去推導(dǎo)整機系統(tǒng)的性能退化歷時時間;

3)采用分析計算的方法確定加速系數(shù)時，需要考慮激活能等參數(shù)的不確定性，合理進行取舍，確保試驗充分有效;

4)在實際的工程應(yīng)用中，應(yīng)對任務(wù)剖面要求的任務(wù)時間留有足夠的余量，確保試驗結(jié)果的可信性。

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