真空電子器件的失效模式及原因分析

宋波

摘要：真空電子器件廣泛應用于通信設備、醫(yī)療電子、成像器件、探測器、國防等領域，在一些關鍵領域發(fā)揮著不可替代的作用。由于真空電子器件是在真空高電壓環(huán)境下工作的，制造工藝復雜，工藝要求嚴格，所使用的材料是特殊的和多樣的。因此，真空電子器件的失效模式是多種多樣的，各種失效模式的機理是不同的，理論和實際問題亟待解決。這就成了真空環(huán)境下提高電子設備質量和可靠性的瓶頸。真空電子器件失效模式和原因分析是提高其質量和可靠性的重要手段。

關鍵詞：失效模式；失效原因

1陰極發(fā)射能力差

陰極是真空電子器件的心臟，其性能是決定器件可靠性的關鍵因素。陰極發(fā)射的下降是陰極的退化結果。其主要原因有：陰極發(fā)射能力差、負載重。（a）目前國外的陰極發(fā)射能力是連續(xù)發(fā)射大于10 A/cm²，脈沖為20～30 A/cm²。如果陰極發(fā)射能力差，并且使用過大的電流密度，則陰極會過載并加速其老化。（b）陰極的制造工藝落后。國外有先進的技術設備和全過程質量監(jiān)控方法。同時，先進的陰極表面處理和表面涂覆技術得到了廣泛的應用。不同的材料、工藝和結構可以用來改變和控制陰極發(fā)射能力。國內微波管生產廠家，除了個別研究機構、廠家整體水平還停留在80年代，部分進口技術仍處于摸索階段，此外，還存在一些特殊材料缺乏的問題。（c）陰極分解活化工藝規(guī)范較差，缺乏嚴格的試驗方法。國外對陰極材料、配方、工藝規(guī)范、陰極表面條件和陰極發(fā)射性能有嚴格的分析、檢測和控制方法。由于國內基礎工業(yè)落后，缺乏監(jiān)測手段，難以提高技術水平，選擇最佳工藝。因此，很難保證陰極特性的可控性和穩(wěn)定性。（d）陰極溫度過高（氧化物陰極為850攝氏度，鋇鎢陰極為1050～1100攝氏度），國產陰極發(fā)射能力往往不足，為達到較高的發(fā)射水平，往往陰極工作溫度并不在最佳工作溫度，活性物質的過量損耗導致過早發(fā)射。（e）管內真空惡化，陰極工作環(huán)境惡化，陰極逐漸中毒，排放降低。

2燈絲斷裂

用于微波真空電子器件的大電流密度陰極往往使用增加燈絲的功率以保證其工作溫度（850～1100℃），但燈絲的工作溫度達到1100～1400℃，容易引起燈絲斷裂。主要原因有：（a）熱絲材料質量差，加工工藝不合理。熱絲主要由鎢、鉬等高熔點金屬制成，在高工作溫度下，如果在制作過程中應力去除不當，或材料本身有缺陷，如開裂和脆化，則會被燒毀。（b）熱絲的工作溫度過高，絕緣層開裂，粉末斷裂，導致短路燒毀。在許多情況下，為了獲得更大的電流，管子趨向于增加燈絲的加熱功率，從而增加燈絲的熱負荷。此外，由于陰極發(fā)射性能的低水平，在設計中經常使用高溫陰極，從而增加燈絲負載。（c）陰極燈絲結構不良，加熱效率低。如果燈絲與陰極之間的熱接觸不良，則加熱效率低。同樣的，為了保證陰極的工作溫度，燈絲的功率往往過大，使得燈絲的工作溫度過高。

3打火和擊穿

當電極間電壓超過一定值時，就會發(fā)生打火和擊穿。瞬時放電和快速放氣將產生沖擊波并釋放聲音，這通?？梢员黄渌姌O或吸氣劑迅速吸收。當點火嚴重時，極間等離子體放電的電流密度將非常大，從而導致電極間電壓的擊穿。打火和擊穿的主要原因是：（a）電極形狀和電極表面光滑，無毛刺，表面電場均勻，擊穿電壓較高，相反，易放電和打火。當電極間距在極高真空（10^-7Pa）時，1毫米的間隙可以承受50千伏的電壓。表面光滑的電極具有最高的耐擊穿電壓，表面越多毛刺擊穿電壓也越低。同時，與單間隙相比，多間隙的耐壓比單間隙更大，間隙越多，擊穿電壓也越高。如果電極的外形設計和電極安裝距離不合理，在真空電子管工作過程中，外部原因（如電極上的異物的出現(xiàn)）會導致管內發(fā)生打火和擊穿。（b）電極材料和表面鍍層材料的熔點較低，含有揮發(fā)性物質，如陰極活性物質蒸發(fā)；真空管管壁表面不光滑毛刺等吸附氣體；另外排氣臺使用的真空泵也可能對管內造成油氣污染（c）目前國內對真空電子管進行動態(tài)老練和穩(wěn)定性老練，目的就是充分活化陰極，進一步除氣，改善管內真空，希望可以消除電極上的灰塵、毛刺和蒸發(fā)出的活性顆粒，提高絕緣強度。從而穩(wěn)定電氣參數(shù)。真空電子器件的特點就包含了多種材料、形狀復雜、工藝復雜等特點，受到環(huán)境和設備的影響，如某機載雷達用行波管，500余零件、40余種材料、100多條焊縫。而全管生產設備100余臺，工序總耗時超過3000h。在加工過程中，如果制造過程中某些材料的選擇不當或工藝過程中發(fā)生一些缺陷沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理，就會出現(xiàn)失效現(xiàn)象。（d）散熱不良，例如，收集級擊穿是由散熱不良引起的，工作溫度過高，導致絕緣材料表面放氣，導致管內真空度變差，擊穿電壓降低，放電打火甚至嚴重擊穿。目前國內已逐步改善工藝，通過增加效率、管體與底板直接焊接等方法提高了散熱性能，增加管體工作的穩(wěn)定性。

4管內真空下降

管內真空度是影響微波真空電子器件質量可靠性的關鍵因素之一。微波真空電子器件的正常真空度應優(yōu)于1×10^-6Pa。如果真空度變差，陰極工作環(huán)境惡化，則會導致陰極的逐漸中毒，從而降低電子發(fā)射。真空變差也可能導致管內高壓打火和擊穿，嚴重時可使陰極損壞不能工作。造成管內真空度下降的原因主要有兩個：（a）真空電子器件管內的零件材料的形狀和結構的復雜性決定了管內排氣很難真正的排干凈。生產過程中的污染對產品有很大影響，目前國內產品零件生產后需要經過清洗，組裝一般是在超凈間完成的，就是為了減少管內污染。零件表面容易吸收各種固體和氣態(tài)顆粒，在裝配和焊接過程中，管子具有“死空間”。排氣過程不能完全去除，導致電子管在工作或儲存過程中會長期持續(xù)性的放氣。b）慢性漏氣慢性漏氣是指管外氣體慢慢漏入管內。在現(xiàn)有的條件下，早期漏氣難以發(fā)現(xiàn)。只有在管子使用或存放中，在一定的外部應力下發(fā)生工作故障，這是屬于可靠性的問題。常見發(fā)生故障場景是在環(huán)境試驗如振動、高低溫應力試驗、熱真空試驗條件下等。其原因是：（a）金屬焊縫缺陷氣體泄漏；（b）陶瓷和金屬密封表面的微觀組織質量較差，造成了長期的漏氣，真空電子器件行業(yè)目前還沒有完全理解這一問題。在微波真空電子器件中，電子槍、集電極和能量傳輸裝置往往都使用陶瓷與金屬封接。封接表面的微觀結構如果質量較差，將嚴重影響產品的質量和可靠性。

5柵極發(fā)射

柵控行波管的一個經常發(fā)生的問題是柵極發(fā)射，它將會直接影響到真空電子管的參數(shù)和壽命。產生柵極發(fā)射的原因是：（a）柵極截獲。如果控制柵和陰影柵沒有精準的安裝控制，則從陰極發(fā)射的電子將被直接截獲形成柵極電流。（b）本身柵極很靠近陰極，陰極的工作溫度又比較高。從而柵極在高溫下往往也會發(fā)射、漏電，增加了柵流（c）陰極的活性物質在高溫下會蒸發(fā)，沉積在溫度相對較低的柵極。另外，陰極表面的毛刺造成的打火，往往也會造成一定的活性物質濺射。在合適的溫度下活性增加的柵極也會發(fā)射電子。

6自然老化

這種自然老化是指產品異常失效未達到規(guī)定的使用壽命。主要原因有設計不合理、選材不當、工藝不合理、使用不當?shù)仍?。這種故障模式的原因是復雜的，往往難以準確地確定。往往在設計研制鑒定階段，通過試驗的方法，改進相應的設計及工藝要求。

7其它失效模式

上述失效模式具有一定的規(guī)律性和必然性，是研究的重點。其他故障模式，如振動損壞和電極導線故障，更清楚直接也更容易采取適當?shù)拇胧?。也有一些故障現(xiàn)象，例如真空電子管工作功率性能變差，分析可以是以上失效原因的一個綜合。

結束語

本文討論了真空電子器件的常見失效模式和失效原因。希望能起到拋磚引玉的作用，引起同行的重視并進行更深入的研究，進一步促進真空電子器件的質量和可靠性的提高。

（作者單位：南京三樂集團有限公司）