航天器電子產(chǎn)品加速試驗技術(shù)現(xiàn)狀及探討

王 浩，黃小凱，楊曉寧，陳金明

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

航天器電子產(chǎn)品加速試驗技術(shù)現(xiàn)狀及探討

王 浩，黃小凱，楊曉寧，陳金明

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

隨著電子產(chǎn)品在航天器中占比越來越高，采用加速試驗來進行航天器電子產(chǎn)品的可靠性驗證與評估成為一種高效的手段。文章綜述了加速試驗技術(shù)在航天器各層次電子產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并且根據(jù)航天器研制特點梳理了航天器電子產(chǎn)品加速試驗類型及加速試驗設(shè)計方法，給出了我國在該領(lǐng)域開展研究工作的建議。

航天器；電子產(chǎn)品；加速試驗；評述

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0　引言

隨著光機電一體化技術(shù)在航天器中的廣泛應(yīng)用，以及航天器功能密集度的日益提高，電子產(chǎn)品在航天器中所占比重越來越大。在對相關(guān)資料的研究后發(fā)現(xiàn)，國外1975年—2007年間的272次衛(wèi)星故障統(tǒng)計中，電子產(chǎn)品的故障占故障總數(shù)的54%，我國航天器發(fā)射和入軌后故障率最高的同樣是電子產(chǎn)品。因此，航天器電子產(chǎn)品的可靠性研究工作是當前的重點。

為了提高航天器的可靠性與安全性，我國現(xiàn)行的航天試驗標準體系以GJB450A《裝備可靠性工作通用要求》及QJ1408A《航天產(chǎn)品可靠性保證要求》為頂層標準，頒布了一系列可靠性標準，如可靠性試驗方面的QJ3127—2000《航天產(chǎn)品可靠性增長試驗指南》和QJ3138—2001《航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》等。在試驗設(shè)計與評價方法上，采用老煉試驗、可靠性增長和環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）等傳統(tǒng)的試驗方法，從很大程度上保證了任務(wù)的成功率。但是，隨著航天器研制任務(wù)的大幅度增加，以及在軌運行時間要求的不斷提高，傳統(tǒng)的可靠性試驗技術(shù)在試驗時間和經(jīng)費的約束下，已經(jīng)遠遠不能滿足產(chǎn)品發(fā)展的需求。

加速試驗是在不改變失效機理的前提下，用增大環(huán)境/工作應(yīng)力量值達到縮短試驗時間并獲得試驗實際效果的試驗方法［1］，包括高加速壽命試驗（highly accelerated life testing，HALT）、高加速應(yīng)力篩選（highly accelerated stress screening，HASS）、加速壽命試驗（accelerated life testing，ALT）和加速退化試驗（accelerated degradation testing，ADT）。利用加速試驗技術(shù)，可以快速暴露產(chǎn)品的設(shè)計和工藝缺陷，有效消除早期失效，還可以利用所獲得的產(chǎn)品壽命與可靠性信息預(yù)測或評估產(chǎn)品正常使用的壽命與可靠性水平。

本文通過調(diào)研，系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)航天器電子產(chǎn)品的加速試驗現(xiàn)狀、類型及設(shè)計方法。

1　航天器電子產(chǎn)品加速試驗現(xiàn)狀

目前，民用電子產(chǎn)品的加速試驗技術(shù)發(fā)展十分迅速，應(yīng)用也很廣泛。國外Qual Mark公司、Otis Elevator 公司、Hobbs Engineering公司、Boeing公司和HP公司在加速試驗技術(shù)的研究上處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)，在計算機和通信設(shè)備領(lǐng)域，工信部電子五所、北京航空航天大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和華為公司等單位也取得了許多突出的成績。在航天領(lǐng)域，電子產(chǎn)品的加速試驗主要集中于材料級、元器件級和組件級，對于部件及以上級別的研究較少。

1.1材料級、元器件級加速試驗

付琬月等［2］利用加速試驗技術(shù)，分別開展了GaAs MMIC功率放大器芯片在高溫環(huán)境應(yīng)力下和電應(yīng)力作用下的加速試驗，實現(xiàn)了極限評估與失效模式的驗證。中國電子科技集團公司第十五研究所對國內(nèi)自主開發(fā)的一種可應(yīng)用于航天領(lǐng)域的剛撓印制板進行了加速試驗，經(jīng)過振動、沖擊、加速度、熱沖擊和高低溫循環(huán)等試驗項目，暴露了工藝和技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，為提高產(chǎn)品健壯性提供了設(shè)計依據(jù)［3］。陳文華等通過對電連接器進行失效分析，建立了可靠性模型，開展了加速壽命試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到了電連接器在隨機振動應(yīng)力作用下的可靠性特征估計值［4］。Jinyu J.Ruan等針對MEMS器件的ESD試驗，設(shè)計了一套小型的加速試驗與測量設(shè)備［5］。

1.2組件級加速試驗

Song F F等以M型行波管為對象研究微波管的加速試驗技術(shù)，并得到了M型行波管在電流密度為1.5A/cm2時的加速應(yīng)力上限值［6］。石士進等對某衛(wèi)星型號用電源控制器（PCU）進行HALT，通過失效分析尋找薄弱環(huán)節(jié)，將試驗對象聚焦于3個模塊，這也是組件級及以上級別航天器電子產(chǎn)品的主要加速試驗方法［7］。

1.3虛擬加速試驗技術(shù)

在航天器電子產(chǎn)品的研制階段，虛擬加速試驗技術(shù)也開始起到重要作用。虛擬加速試驗是利用計算機仿真建模、通信網(wǎng)絡(luò)等虛擬試驗環(huán)境，對試驗對象建立模型并施加虛擬加速應(yīng)力進行試驗的研究技術(shù)。文獻［8］利用有限元法建立了印制板的三維有限元模型，然后通過虛擬加速試驗研究了焊點對熱循環(huán)試驗各剖面參數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)的一般規(guī)律，從而為熱循環(huán)試驗的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

2　航天器電子產(chǎn)品加速試驗類型

根據(jù)試驗?zāi)康牡牟煌ǘㄐ?定量），可將航天器電子產(chǎn)品的加速試驗分為工程試驗和統(tǒng)計試驗。

2.1工程試驗

工程試驗的目的是確定產(chǎn)品設(shè)計、工藝、元器件等方面是否存在缺陷、是否滿足可靠性要求，及可靠性是否還可以提高等工程問題，是一種定性的加速試驗技術(shù)。按照航天產(chǎn)品任務(wù)階段劃分，還可以將該類試驗分為用于研制階段的HALT，以及用于生產(chǎn)階段的HASS。

從試驗技術(shù)角度來看，HALT利用逐步提高應(yīng)力的方法對試驗對象施加各種加速應(yīng)力，來激發(fā)故障和暴露設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，為提高產(chǎn)品固有可靠性提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，HALT技術(shù)要求通過再設(shè)計解決試驗中暴露出的問題，然后提高試驗量級再試驗，反復(fù)迭代，直到產(chǎn)品的健壯性到達某一約束條件（如試驗時間、經(jīng)費和技術(shù)水平等）。

HASS技術(shù)是剔除生產(chǎn)階段航天器電子產(chǎn)品早期故障的試驗方法。在工程項目中，HASS與HALT一般結(jié)合在一起應(yīng)用，根據(jù)HALT得到的產(chǎn)品應(yīng)力極限，HASS以略低于應(yīng)力極限的試驗量級進行試驗，可以縮短試驗時間，提高可靠性驗證的充分性。

2.2統(tǒng)計試驗

統(tǒng)計試驗包括ALT和ADT，其目的是定量評估產(chǎn)品的可靠性與壽命信息。

ALT是一種基于產(chǎn)品失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計試驗。在合理的工程及統(tǒng)計假設(shè)基礎(chǔ)上，利用加速模型和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將加速應(yīng)力下的產(chǎn)品失效數(shù)據(jù)進行外推，得到產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下的各種可靠性和壽命信息。

ADT是一種基于產(chǎn)品退化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計試驗。該試驗方法主要應(yīng)用于性能具有退化特征的航天器電子產(chǎn)品，建立加速應(yīng)力與產(chǎn)品性能退化之間的關(guān)系模型，外推和預(yù)測產(chǎn)品正常使用下的可靠性與壽命信息，因此ADT也稱為偽失效試驗或偽壽命試驗。

3　航天器電子產(chǎn)品加速試驗設(shè)計

加速試驗方法的理論基礎(chǔ)為失效物理技術(shù)（physics of failure，PoF）。PoF這一概念正式提出是在20世紀60年代，為了解決機載電子產(chǎn)品的低可靠性問題，1952年—1957年間，美國國防部進行了著名的AGREE可靠性分析，總結(jié)了一套失效分析技術(shù)，隨后，NASA將其應(yīng)用于航天領(lǐng)域。PoF是從微觀角度分析應(yīng)力、時間對產(chǎn)品元件材料的退化和失效所造成的影響。加速試驗方法根據(jù)PoF理論，將研究對象的可靠性與壽命特征等內(nèi)在信息，通過可觀測的物理、化學(xué)變化等外部信息聯(lián)系起來。

按照試驗大綱的設(shè)計流程，加速試驗的設(shè)計包括產(chǎn)品失效分析、試驗樣本選擇、試驗剖面設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)分析等4部分內(nèi)容。

3.1產(chǎn)品失效分析

在加速試驗的設(shè)計中，對于產(chǎn)品失效模式和失效機理的分析是整個試驗的核心。根據(jù)鏈條原理，電子產(chǎn)品的可靠性與壽命由其內(nèi)部最薄弱的元器件決定。由于航天器電子產(chǎn)品的多樣性，以及運行環(huán)境的復(fù)雜性，為了確保試驗的充分性，早期可靠性試驗大綱要求根據(jù)環(huán)境預(yù)示的結(jié)果進行模擬環(huán)境試驗。

隨著數(shù)據(jù)及經(jīng)驗的積累，各類電子產(chǎn)品所涉及的失效模式、失效機理、可靠性試驗和篩選方法已經(jīng)形成了相應(yīng)的標準和規(guī)范。NASA的PRP （preferred reliability practices）文件中EEE器件篩選部分，將半導(dǎo)體、電容器、電阻及其他類電子元器件（如電感器、晶體管、變壓器等）所對應(yīng)的篩選方法（共22項）和標準進行了匯總，總結(jié)得到了8類主要的失效機制以及每類失效機制的權(quán)重和篩選方法［9］。從該文件的研究結(jié)果中可以看出，熱與力是暴露EEE器件潛在缺陷的最有效環(huán)境應(yīng)力。對于部分電子產(chǎn)品，試驗過程中還需要施加相應(yīng)形式的電應(yīng)力，以暴露產(chǎn)品潛在缺陷和評估可靠性［10-11］。如利用電涌試驗，可以激勵可靠性水平較低的電容器出現(xiàn)雪崩擊穿，以剔除早期失效［12］。相關(guān)文獻［13-14］還指出，空間粒子輻射環(huán)境所造成的總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)也是導(dǎo)致航天器電子產(chǎn)品失效的重要因素。

因此，熱、力、電與粒子輻射等應(yīng)力是導(dǎo)致航天器電子產(chǎn)品失效的主要環(huán)境應(yīng)力，也是加速試驗中的主要加速應(yīng)力。

3.2試驗樣本選擇

航天器電子產(chǎn)品加速試驗設(shè)計中，試驗樣本按照試驗?zāi)康目梢苑譃榭蒲性嚰c工程試件。

科研試件是指以理論研究和新產(chǎn)品適用性為目的的試驗樣本。由于航天用電子產(chǎn)品的成本遠高于其他行業(yè)，而樣本量的多少對試驗結(jié)果的精確度有很大影響，所以，科研試件一般會定位在元器件級、部件級和組件級，樣本量也隨著產(chǎn)品層次提高而相應(yīng)地減少，主要用于任務(wù)的研制階段?？蒲性嚰x擇上遵循以下原則［6，15］：

1）樣本質(zhì)量要求屬于A類器件，以保證試驗結(jié)果的可信度；

2）同種類產(chǎn)品的試驗樣本選擇，應(yīng)擴大各型號間差異（如工藝復(fù)雜程度、材料和結(jié)構(gòu)特點等）；

3）樣本在試驗前要求完好；

4）針對失效分析得出的產(chǎn)品的主要失效模式和失效機理，可以適當簡化樣本結(jié)構(gòu)。

NASA在對CMOS微電路M38510開展加速試驗研究時，根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜程度和代表性，將試驗對象確定為CD4011A（用于邏輯與非門）、CD4013A（用于D型雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器）和CD4024A（用于二進制計數(shù)器）。Song F F等人以M型行波管為對象研究微波管的加速試驗技術(shù)，通過失效分析將主要失效機制定位于陰極Ba的蒸發(fā)，在樣本的選擇中，簡化掉螺旋結(jié)構(gòu)以降低研究復(fù)雜度［6］。

工程試件指型號任務(wù)分系統(tǒng)級與系統(tǒng)級的試驗樣本。該類試驗樣本特別是正樣產(chǎn)品，具有小子樣的特性，技術(shù)狀態(tài)應(yīng)與技術(shù)條件規(guī)定相一致。

3.3試驗剖面設(shè)計

試驗的剖面設(shè)計是整個試驗的主要內(nèi)容，指導(dǎo)著整個試驗過程的進行。試驗剖面的設(shè)計是否恰當直接決定著試驗的效率。剖面設(shè)計主要分為應(yīng)力施加方式、應(yīng)力水平、樣本量和試驗時間等4項要素。

3.3.1應(yīng)力施加方式

航天器電子產(chǎn)品加速試驗的應(yīng)力施加方式主要包括恒定應(yīng)力、步進應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力。

恒定應(yīng)力是對每組試驗樣本施加不同等級應(yīng)力，并保持至達到試驗要求。由于試驗操作和數(shù)據(jù)分析方法較為簡單，恒定應(yīng)力的施加方式廣泛用于壽命評估，及對特定應(yīng)力敏感的產(chǎn)品篩選，是目前航天產(chǎn)品在進行加速壽命試驗時常采用的方法。

步進應(yīng)力是對試驗樣本按從低到高水平依次施加加速應(yīng)力，直到達到試驗要求。步進應(yīng)力是產(chǎn)品極限摸底和提高固有可靠性的常用試驗方法；與恒定應(yīng)力相比，步進應(yīng)力的試驗方法需要的樣本數(shù)量較少，加速效率較高。但是，從壽命評估角度來看，從試驗數(shù)據(jù)中分離出每級加速應(yīng)力相對應(yīng)的壽命信息依然是當前的研究重點與難點。

循環(huán)應(yīng)力是指試驗應(yīng)力按照規(guī)定的變化速率、上/下限及保持時間來施加，直至試驗規(guī)定時間或?qū)崿F(xiàn)試驗?zāi)繕?。熱循環(huán)、熱沖擊和周期隨機振動等常用的篩選或鑒定試驗方法均采用循環(huán)應(yīng)力施加方式。從激發(fā)效果來看，循環(huán)應(yīng)力最好，但是這種試驗方法很難給出定量的結(jié)論。

3.3.2應(yīng)力水平

加速試驗應(yīng)力水平的設(shè)計包括應(yīng)力極限、數(shù)量與步長等3個主要因素。

應(yīng)力極限為在不改變產(chǎn)品失效機理基礎(chǔ)上能夠施加的最大（?。┲怠．敭a(chǎn)品處于應(yīng)力極限時，激勵效率是最高的。但是，由于航天器電子產(chǎn)品的多樣性，目前對于應(yīng)力極限的研究多為元器件和材料級，組件級電子產(chǎn)品失效機理復(fù)雜，郭秀才等［16］以電路盒為對象對應(yīng)力極限進行了探索性的研究。

應(yīng)力水平的數(shù)量依據(jù)工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)處理的可操作性應(yīng)在3～5個之間。

應(yīng)力步長要隨著應(yīng)力增大而減小，使樣本更容易出現(xiàn)性能退化。GB 2689.1—1981中提供了熱應(yīng)力與電應(yīng)力恒定應(yīng)力加速試驗的步長設(shè)計方法。但是，隨著對步進應(yīng)力、雙應(yīng)力甚至三應(yīng)力加速試驗技術(shù)的研究，試驗方案的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)成為了研究熱點。汪亞順等［17］通過引入Monte Carlo仿真的統(tǒng)計模擬思想，構(gòu)建基于仿真的加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計理論框架，并提出了典型加速壽命試驗、加速退化試驗方案的仿真及優(yōu)化設(shè)計方法。潘剛等［18］同樣采用 Monte Carlo方法對加速試驗進行仿真模擬，以總的試驗費用作為約束條件，建立了雙應(yīng)力交叉步降加速退化試驗優(yōu)化設(shè)計模型，對應(yīng)力水平等要素的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

3.3.3樣本量

樣本量的設(shè)計主要針對統(tǒng)計試驗。從統(tǒng)計學(xué)角度而言，樣本量越大，結(jié)論越接近真實值。由于航天器電子產(chǎn)品（特別是分系統(tǒng)級以上的產(chǎn)品）的小子樣特性，樣本量主要由實際情況決定。對于試驗件數(shù)量充足的加速壽命試驗（如元器件級或部件級），樣本量通常由置信度等總體要求所決定。恒定應(yīng)力加速壽命試驗要求每個應(yīng)力水平下的樣本數(shù)量不少于10個，特殊產(chǎn)品不少于5個［19］。由于低應(yīng)力水平失效率較低，對于試驗時間較短的截尾試驗，低應(yīng)力水平投入的樣本量應(yīng)多于高應(yīng)力水平樣本，以避免出現(xiàn)應(yīng)力水平下無失效的情況。

3.3.4試驗時間

加速試驗的試驗時間設(shè)計通常依據(jù)試驗?zāi)康暮鸵蟆?/p>

HALT等用于研制階段的加速試驗，在產(chǎn)品達到可靠性目標之前，試驗時間以暴露出產(chǎn)品缺陷和薄弱環(huán)節(jié)為準。HASS等用于產(chǎn)品生產(chǎn)階段的加速試驗，試驗時間需要通過前期的試驗獲得，如對帶有典型缺陷的試驗件施加適當?shù)募铀賾?yīng)力，可以得到該條件下的篩選時間。

以定量評估為目的的統(tǒng)計試驗，為了獲得精確的結(jié)果，試驗件的樣本量往往比較大。但是由于試驗經(jīng)費和時間等原因的限制，使試驗件全部達到規(guī)定的失效標準是非常困難的。所以，在試驗時間設(shè)計的時候需要設(shè)置截尾條件，包括定時截尾和定數(shù)截尾。

1）定時截尾。即試驗（應(yīng)力）進行到規(guī)定時間時結(jié)束（停止施加）。該截尾方法可以在試驗前明確試驗時間，有利于整個試驗計劃的制定和安排。

2）定數(shù)截尾。即試驗（應(yīng)力）進行到規(guī)定失效個數(shù)時結(jié)束（停止施加）。由于試驗件失效帶有隨機性，不容易事先得到試驗時間，試驗計劃的制定和試驗過程的控制存在一定難度，該截尾方法的應(yīng)用具有局限性。

此外，對于試驗時間參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，如熱循環(huán)試驗的高、低溫保持時間，多應(yīng)力試驗中各種應(yīng)力的施加時間等，航天領(lǐng)域已經(jīng)開展了一些研究工作并取得了一定的成果［20-21］。

3.4試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)研究角度的不同，試驗數(shù)據(jù)分析方法分為基于失效機理的數(shù)據(jù)分析方法和基于數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)分析方法2種。前者是從失效機理的角度，利用應(yīng)力對產(chǎn)品產(chǎn)生的物理化學(xué)變化規(guī)律，分析試驗數(shù)據(jù)。后者是從統(tǒng)計學(xué)的角度，利用各種數(shù)據(jù)融合理論（如最小二乘法、貝葉斯理論、最大似然估計和支持向量機等）分析試驗數(shù)據(jù)。

4　結(jié)束語

目前，我國航天領(lǐng)域電子產(chǎn)品的加速試驗技術(shù)還處于嘗試階段，應(yīng)用范圍較小，沒有形成系統(tǒng)的試驗體系。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所對加速試驗技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用進行了大量研究工作，并獲得了多項成果。但是，隨著當前型號對航天器電子產(chǎn)品高可靠長壽命驗證技術(shù)要求的提高，在加速試驗技術(shù)領(lǐng)域仍然有許多工作亟待開展：

1）對歷史故障和異常數(shù)據(jù)進行信息挖掘，為航天器電子產(chǎn)品失效分析提供使用數(shù)據(jù)支撐；

2）在產(chǎn)品的研制階段，深入分析材料級、元器件級和部件級電子產(chǎn)品的潛在缺陷，通過試驗—分析—改進—再試驗方法提高組件級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級產(chǎn)品的固有可靠性水平；

3）制定組件級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級產(chǎn)品的加速試驗規(guī)范或標準，形成系統(tǒng)的航天電子產(chǎn)品加速試驗體系。

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（編輯：王 洋）

Current status of accelerated test techniques for spacecraft electrical products

Wang Hao，Huang Xiaokai，Yang Xiaoning，Chen Jinming
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

The accelerated test becomes an efficient method for reliability verification and assessment of spacecraft electrical products，which account for a major proportion of spacecraft failures.This paper reviews the current status of the accelerated test techniques used in every level of spacecraft electrical products，including the types and the methods for designing the accelerated test according to the characteristics of spacecraft developments.Finally，some suggestions are presented for the related researches in China.

spacecrafts； electrical products； accelerated test； review

V416

A

1673-1379（2015）05-0509-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.05.010

2015-05-22；

2015-09-22

王 浩（1983—），男，博士研究生，研究方向為航天產(chǎn)品高可靠長壽命試驗技術(shù)；E-mail: shenhengwh@163.com。指導(dǎo)教師：陳金明（1963—），男，研究員，博士生導(dǎo)師，從事航天器環(huán)境工程與試驗等研究工作。