航天器用固態(tài)功率放大器加速壽命試驗方法研究

姚澤民，郭佳誠，王 浩，鄭慶平

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

航天器用固態(tài)功率放大器加速壽命試驗方法研究

姚澤民，郭佳誠，王 浩，鄭慶平

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

針對航天器電子產(chǎn)品的壽命預(yù)示問題，文章指出對航天器電子產(chǎn)品開展加速壽命試驗（ALT）研究，首先要利用故障模式、機理及影響分析（FMMEA），確定產(chǎn)品的主要失效機理和敏感應(yīng)力；然后利用理論分析或可靠性強化試驗確定產(chǎn)品的工作極限；最后設(shè)計出完整的試驗方案。針對航天器固態(tài)功率放大器進(jìn)行試驗，驗證了加速壽命試驗在航天器電子產(chǎn)品中的適用性。

故障模式、機理及影響分析；可靠性強化試驗；加速模型；激活能；壽命預(yù)示；固態(tài)功率放大器

0 引言

航天器平臺及有效載荷中含有大量電子類產(chǎn)品。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子類產(chǎn)品在航天器中所占比例越來越大。由于用戶對有關(guān)航天器的壽命要求逐步提高，如中低軌衛(wèi)星要求達(dá)到8年壽命，高軌衛(wèi)星要求達(dá)到15年壽命甚至更長，而常規(guī)壽命試驗方法對于長壽命可靠性驗證往往具有很多局限性。利用加速壽命試驗（ALT）技術(shù)開展壽命試驗可以大大縮短試驗時間，提高試驗效率，為航天器在軌長壽命高可靠穩(wěn)定運行奠定技術(shù)基礎(chǔ)。本文基于航天器電子產(chǎn)品加速壽命試驗技術(shù)原理，制定相關(guān)技術(shù)流程，并開展航天器固態(tài)功率放大器加速壽命試驗研究。

1 加速壽命試驗技術(shù)

航天器電子產(chǎn)品加速壽命試驗技術(shù)包括以下3個步驟：

1.1 故障模式、機理及影響分析

電子產(chǎn)品故障模式、機理及其影響分析（FMMEA）旨在定位產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，確定引發(fā)薄弱環(huán)節(jié)的可能的故障機理、敏感應(yīng)力，以及監(jiān)測參數(shù)與監(jiān)測方法。其技術(shù)流程見圖1所示。

圖1 電子產(chǎn)品FMMEA實施方案Fig. 1 FMMEA implementation schedule for electronic products

通過對航天電子產(chǎn)品進(jìn)行FMMEA，得出航天器電子產(chǎn)品主要的故障機理及其敏感環(huán)境應(yīng)力，為下一步開展可靠性強化試驗指明了方向。

1.2 確定產(chǎn)品的應(yīng)力極限

1）可靠性強化試驗。為確定進(jìn)行加速壽命試驗的合理加速應(yīng)力，需要對所研究的對象進(jìn)行可靠性強化試驗，弄清所要施加的應(yīng)力極限（工作限和破壞限）；注意防止在加速壽命試驗時，所要施加的應(yīng)力超出極限應(yīng)力，導(dǎo)致失效機理發(fā)生改變。可靠性強化試驗技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 電子產(chǎn)品可靠性強化試驗實施方案Fig. 2 Implementation schedule of reliability enhancement testing for electronic products

2）參照同類產(chǎn)品的最高應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗。如果產(chǎn)品不具備開展可靠性強化試驗的條件，可以參照同類產(chǎn)品進(jìn)行過的其他類型如鑒定試驗、老煉試驗等項目，給出產(chǎn)品失效機理不變的情況下的最高應(yīng)力，直接使用該應(yīng)力范圍進(jìn)行航天器電子產(chǎn)品加速壽命試驗。

1.3 加速壽命試驗設(shè)計

加速壽命試驗設(shè)計一般包括應(yīng)力水平、樣本量、加速模型、試驗時間、測試方法、失效判據(jù)及試驗結(jié)果分析等。

1）試驗應(yīng)力水平和樣本量

通過FMMEA，得出了試驗產(chǎn)品的主要故障模式及失效機理，又通過理論分析或可靠性強化試驗，明確了產(chǎn)品正常工作的應(yīng)力極限和破壞應(yīng)力極限。不同的試驗方法對試驗應(yīng)力水平和樣本量的要求不同。恒定應(yīng)力加速壽命試驗是將一定數(shù)量的受試產(chǎn)品分為幾組，每組固定在一定的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗，要求選取的各應(yīng)力水平都高于正常工作條件下的應(yīng)力水平，試驗做到各組受試產(chǎn)品均有一定數(shù)量的產(chǎn)品發(fā)生失效為止[1]。其優(yōu)點是統(tǒng)計分析精度高，得到的工程驗證最為充分；缺點是試驗樣品數(shù)量需求較多。步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗，它對受試產(chǎn)品施加的應(yīng)力是以階梯形式逐步提高，一直到全部試件失效[2]，該方法在工程實現(xiàn)上比恒定應(yīng)力試驗復(fù)雜，統(tǒng)計分析方法不如恒定應(yīng)力試驗成熟，并且統(tǒng)計分析算法比較復(fù)雜。序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗對受試產(chǎn)品施加的應(yīng)力是以等速直線上升，一直到全部試件失效[3]，序進(jìn)應(yīng)力試驗對設(shè)備的要求較高，需要專門的應(yīng)力控制設(shè)備來產(chǎn)生符合要求的應(yīng)力函數(shù)。

2）加速模型或加速因子

由以上試驗獲得的加速應(yīng)力的類型和大小，可以選擇合適的加速模型進(jìn)行計算，確定需要進(jìn)行試驗的總時間，不同的加速模型應(yīng)用不同的情況。

ALT加速模型可能是物理/化學(xué)模型，也可能是經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計模型。航天電子產(chǎn)品壽命一般為指數(shù)分布，加速模型常常采用 Arrhenius模型、Eyring模型、逆冪律模型等[4]。

Arrhenius模型的一般形式為

式中：C為模型常數(shù)；B=Ea/k，Ea為激活能，k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K。在該模型中，Ea是唯一的未知參數(shù)，它的選取合適與否直接關(guān)系著壽命評估的結(jié)果正確性。Arrhenius模型主要適用于溫度作為加速應(yīng)力的情況[5]。文獻(xiàn)[6]就是運用Arrhenius模型計算加速因子的方法推導(dǎo)并給出受試產(chǎn)品的儲存壽命綜合預(yù)計模型。

Eyring模型的一般形式為

式中：L(T)為壽命特征量；A和B為模型常數(shù)。Eyring模型主要考慮了溫度應(yīng)力以及其他應(yīng)力共同作為加速應(yīng)力時的情況。

逆冪律模型的一般形式為

其中：A和n為模型常數(shù)；S為應(yīng)力水平。逆冪律模型主要適用于用電壓、電流、功率等參數(shù)作為加速應(yīng)力的情況。文獻(xiàn)[7]在假設(shè)壽命與加速電流符合逆冪律定理等前提下，利用數(shù)理統(tǒng)計分析方法實現(xiàn)對恒定應(yīng)力加速試驗的樣本的壽命評估。

3）試驗時間

考慮到航天產(chǎn)品的特殊性，結(jié)合工程應(yīng)用的實際性，利用加速因子，根據(jù)航天器電子產(chǎn)品實際負(fù)載時的工作時間，折算出其在某種環(huán)境應(yīng)力下能正常工作的時間，以此作為試驗時間，考察產(chǎn)品的功能和性能。若功能性能完好，則說明產(chǎn)品的壽命指標(biāo)達(dá)到要求；否則視為壽命不達(dá)標(biāo)，須改進(jìn)設(shè)計，再進(jìn)行試驗。

4）試驗測試

試驗測試包括測試參數(shù)和測量周期，測試參數(shù)主要是指那些對產(chǎn)品的失效機理產(chǎn)生、發(fā)展起到指示作用的功能性能參數(shù)，同時還應(yīng)記錄那些有可能對失效機理起作用的參數(shù)。測試周期一般固定一個短周期、一個長周期，每隔一個短周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)觀測，每隔一個長周期內(nèi)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄[8]。

5）失效判據(jù)與失效分析

進(jìn)行加速壽命試驗之前，首先要明確失效判據(jù)，以便試驗過程中判斷產(chǎn)品是否失效，進(jìn)而確定失效時間（指從試驗開始到產(chǎn)品功能異常的試驗時間），分析其壽命特征。失效判據(jù)通常情況下由產(chǎn)品的技術(shù)條件來規(guī)定。失效分析是對失效樣品進(jìn)行機理分析，明確失效模式，分析其失效機理是否與實際狀態(tài)相一致，以便鑒定加速壽命試驗是否正常，試驗數(shù)據(jù)是否可信等，從而有助于了解產(chǎn)品的質(zhì)量，并能得到更加合理的結(jié)果[9]。

6）試驗數(shù)據(jù)的分析評估

試驗數(shù)據(jù)分析一般有兩種方法：一種是基于失效機理的方法，一種是基于數(shù)據(jù)融合的方法。前者是從失效機理的角度，利用應(yīng)力作用于產(chǎn)品的物理化學(xué)規(guī)律，來分析試驗得到的數(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)[10]。

2 固態(tài)功率放大器的加速壽命試驗

航天器用固態(tài)功率放大器（SSPA）是微波技術(shù)產(chǎn)品中最具代表性的一類產(chǎn)品，它可以實現(xiàn)微波信號的功率放大、增益控制、相位控制等功能，廣泛應(yīng)用于軍/民用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感衛(wèi)星高速數(shù)傳系統(tǒng)、微波遙感器、相控陣天線等，是星載系統(tǒng)中的一類關(guān)鍵電子產(chǎn)品。

2.1 故障模式及失效機理分析

對SSPA而言，空間輻照應(yīng)力只對其MOSFET、運算放大器和光耦器件等的可靠性有影響，通過抗輻照加固設(shè)計可滿足長壽命的要求。力學(xué)應(yīng)力只對繼電器及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，可通過整體抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計及局部固封和加固工藝滿足設(shè)計要求，因此力學(xué)應(yīng)力對產(chǎn)品壽命的影響較小。對于功率和電壓應(yīng)力，在產(chǎn)品設(shè)計時均已按照降額要求完成設(shè)計。由于產(chǎn)品中包含有各種元器件，其功率和電壓應(yīng)力又不全相同，很難用提高一種電壓應(yīng)力達(dá)到加速壽命試驗的目的。

在所有使用的元器件中，除了陶瓷介質(zhì)電容器受溫度影響較小外，其他類型器件的壽命均受溫度應(yīng)力影響。模塊電源中使用的許多重要器件都是半導(dǎo)體器件，溫度應(yīng)力是影響這些器件壽命的主要因素，自然也是影響整個產(chǎn)品壽命的主要因素?？紤]到Arrhenius模型的適用特點，選用該模型對航天器用SSPA開展加速壽命試驗。

2.2 加速模型或加速因子

Arrhenius模型是描述產(chǎn)品壽命與試驗溫度關(guān)系的一種失效物理模型，其加速因子表達(dá)式為

其中：Ea和k的定義同式(1)；T為試驗溫度；T0為工作溫度。

根據(jù)“木桶原理”，任何一種產(chǎn)品的壽命，都決定于該產(chǎn)品中最易失效元器件的壽命[4]，無論產(chǎn)品的其他關(guān)鍵件、重要件或性能怎樣優(yōu)異，任何一個關(guān)鍵件一旦失效，該產(chǎn)品的壽命即告終結(jié)。

通過對國內(nèi)外SSPA故障統(tǒng)計規(guī)律與故障模式對比分析，可知其核心功率器件是末級的功率放大晶體管，因其輸出功率大、熱耗高并且為整機溫度最高點等原因，構(gòu)成影響固放壽命和可靠性的關(guān)鍵器件。因此以末級晶體管的激活能作為SSPA整機的激活能進(jìn)行加速壽命試驗。

2.3 試驗方案

航天器電子產(chǎn)品屬于小批量產(chǎn)品，用來做壽命試驗的只有一、兩個產(chǎn)品。航天用SSPA根據(jù)型號任務(wù)的不同、波段的差異，工作溫度有 30、40、50 ℃等。

根據(jù)組成SSPA的各元器件的最高允許溫度為150 ℃，由GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》[11]、GJB 128A—1997《半導(dǎo)體分立器件試驗方法》[12]等標(biāo)準(zhǔn)可知，集成電路需要通過125 ℃、1000 h的高溫通電穩(wěn)態(tài)壽命試驗考核。實測功率器件的最高溫升不超過25 ℃，為保證試驗的安全性和有效性，選取70 ℃為最高加速溫度，可保證失效機理不變。

由于激活能主要取決于器件的材料、工藝與結(jié)構(gòu)，參考MIL-HDBK-338各種半導(dǎo)體的激活能和ECSS-Q-30-01A中各種器件的激活能，并依據(jù)國外同樣的材料和工藝生產(chǎn)的末級功率放大晶體管的廠家提供的信息，決定此處計算的激活能Ea取1.47。

對于要求15年壽命的SSPA產(chǎn)品，利用式(4)，在實際工作溫度30 ℃、試驗溫度70 ℃條件下，計算其加速因子為16，等效15年工作壽命的試驗時間為8 212.5 h，合0.937 5年?？紤]冗余，實際做10 000 h的加速壽命試驗，可以等效30 ℃工作條件下18.27年的工作壽命。以上計算方法可以用于其他不同壽命要求的SSPA產(chǎn)品。

2.4 試驗測試參數(shù)及失效判據(jù)

試驗過程中對SSPA產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)——輸出功率進(jìn)行記錄。如果試驗過程中SSPA產(chǎn)品由于壽命衰減導(dǎo)致輸出功率惡化超過1 dB以上，則試驗終止。

3 試驗及結(jié)果

根據(jù)以上航天器用SSPA加速壽命試驗的設(shè)計方案進(jìn)行試驗，得出的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸出功率隨時間的變化曲線Fig. 3 The output power vs. time

由圖3可以看出，輸出功率在300 W上下波動，未超出失效機理中輸出功率的變化范圍，足以說明航天器用SSPA經(jīng)過高溫70 ℃、持續(xù)8000多h的試驗考核，完全能夠達(dá)到在軌15年的壽命。

4 結(jié)束語

本文針對航天器電子產(chǎn)品的特點，分析了加速壽命試驗的內(nèi)涵及其對于航天器電子產(chǎn)品的適用性，總結(jié)了開展航天器電子產(chǎn)品加速壽命試驗的主要步驟。首先要明確產(chǎn)品的主要故障機理和相應(yīng)的敏感環(huán)境應(yīng)力，然后通過分析或試驗弄清楚產(chǎn)品的極限工作應(yīng)力，采用適當(dāng)?shù)募铀倌Ｐ停O(shè)計試驗方案，完成試驗，進(jìn)而對壽命情況進(jìn)行評估。

通過航天器用SSPA的加速壽命試驗驗證，表明其方法可用于小子樣的航天器單機產(chǎn)品加速壽命試驗和壽命評估。

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[1] 張建平, 王睿韜. 威布爾分布下VFD恒定應(yīng)力加速壽命試驗與統(tǒng)計分析[J]. 液晶與顯示, 2010, 25(2):206-209 ZHANG J P, WANG R T. Constant stress accelerated life tests and statistical analysis for VFD under Weibull distribution case[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2010, 25(2): 206-209

[2] 李曉陽, 姜同敏. 可修產(chǎn)品的步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗統(tǒng)計分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2007, 33(4):460-462 LI X Y, JIANG T M. Statistical analysis of step-stress accelerated life testing for repairable product[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2007, 33(4): 460-462

[3] 郭春生, 李志國, 馬衛(wèi)東. 基于序進(jìn)應(yīng)力加速試驗評價器件壽命的方法[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007,33(1) : 16-18 GUO C S, LI Z G, MA W D. A method to determine the lifetime of semiconductors devices using process-stress accelerated test[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2007, 33(1): 16-18

[4] 陳海建, 徐廷學(xué), 李波, 等. 導(dǎo)彈加速壽命試驗方法研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010(7): 115-118 CHEN H J, XU T X, LI B, et al. Research on method of missile accelerated life test[J]. Equipment Environment Engineering, 2010(7): 115-118

[5] 劉婧, 呂長志, 李志國, 等. 電子元器件加速壽命試驗方法的比較[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2006, 31(9): 680-683 LIU J, Lü C Z, LI Z G, et al. Comparison of accelerated life tests of electronic component[J]. Semiconductor Technology, 2006, 31(9): 680-683

[6] 申爭光, 苑景春, 董靜宇, 等. 彈上設(shè)備加速壽命試驗中加速因子估計方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2015, 37(8): 1949-1952 SHEN Z G, YUAN J C, DONG J Y, et al. Research on acceleration factor estimation method of accelerated life test of missile-borne equipment[J]. Systems Engineering and Electronics, 2015, 37(8): 1949-1952

[7] 楊輝, 薛凌云. LED可靠性試驗與壽命分析模型研究[D].杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2012: 85-88

[8] 陳兵, 李星. 加速壽命試驗技術(shù)在國內(nèi)外的工程應(yīng)用研究[J]. 強度與環(huán)境, 2010, 37(6) : 32-36 CHEN B, LI X. Research of accelerated life testing technology application at home and abroad[J]. Structure Environment Engineering, 2010, 37(6): 32-36

[9] 楊鵬. 星載T/R組件加速壽命試驗方法[J]. 空間控制技術(shù)與應(yīng)用, 2016, 42(3): 39-43 YANG P. Spaceborne T/R module accelerated life testing method[J]. Aerospace Control and Application, 2016,42(3): 39-43

[10] 王浩, 黃小凱. 航天器電子產(chǎn)品加速試驗技術(shù)現(xiàn)狀及探討[J]. 航天器環(huán)境工程, 2015, 32(5): 509-514 WANG H, HUANG X K. Current status of accelerated test techniques for spacecraft electrical products[J].Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(5):509-514

[11] 微電子器件試驗方法和程序: GJB 548B—2005[S],2005: 15-16

[12] 半導(dǎo)體分立器件試驗方法: GJB 128A—1997[S], 1997: 8-9

Method for accelerating life test of spacecraft solid-state power amplifier

YAO Zemin, GUO Jiacheng, WANG Hao, ZHENG Qingping
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To predict the lifetime of spacecraft electronic products, this paper proposes the accelerated life test (ALT) for those products. Firstly, the failure mode, the mechanism, and the effect analysis (FMMEA) are used to identify the major failure mode, the related mechanism and the sensitive stress. Secondly, the theoretical analysis or the enhanced reliability testing is carried out to obtain the limit of working stress for the product.Finally, the ALT scheme is designed. The spacecraft Solid State Power Amplifier (SSPA) is investigated experimentally to validate the applicability of ALT for the electronic products of spacecraft.

FMMEA; enhanced reliability testing; acceleration model; activation energy; life prediction;SSPA

TN43; V416.5

B

1673-1379(2017)05-0543-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.016

2017-07-25；

2017-09-18

姚澤民, 郭佳誠, 王浩, 等. 航天器用固態(tài)功率放大器加速壽命試驗方法研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):543-548

YAO Z M, GUO J C, WANG H, et al. Method for accelerating life test of spacecraft solid-state power amplifier[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 543-548

（編輯：閆德葵）

姚澤民（1981—），男，碩士學(xué)位，研究方向為可靠性與壽命試驗。E-mail: buaayzm@126.com。