薄膜體聲波濾波器加速壽命評估技術研究

張俊，杜波，徐園園，劉洋宏，曾小珊

（中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060）

薄膜體聲波濾波器是一種利用壓電效應通過聲學諧振實現(xiàn)電學選頻的器件。具有工作頻段寬、體積小、品質(zhì)因數(shù)高、帶外抑制好、功率容量大、溫度穩(wěn)定性好以及集成性高等特點，是通信、導航等電子通訊設備中的關鍵器件，可廣泛應用于航天、航空與艦船等國防重點型號工程中。

自1999 年美國安捷倫公司的Ruby[1]等人首次研發(fā)成功以來，該技術得到廣泛的推廣和應用，德國和日本先后研發(fā)成功。近幾年，隨著科研項目的推進和工程經(jīng)驗的累積，中國電子科技集團公司第二十六研究所和天津大學等科研院所也先后成功研制出薄膜體聲波濾波器，并陸續(xù)應用于各類工程型號和產(chǎn)品系統(tǒng)中。由于其設計難度大、工藝鏈長且復雜性高等現(xiàn)狀，導致目前其可靠性還有較大的提升空間。實際工程應用中，某些濾波器（如XXX1001 型薄膜體聲波濾波器）的失效也時有發(fā)生，極大地影響了配套型號工程的開發(fā)進度。為了滿足工程應用要求，必須對濾波器的可靠性進行評估，為其工程應用和后續(xù)設計、工藝改進提供技術支撐。

目前國內(nèi)還未見到該類濾波器可靠性評估的報道，胡瑛等[2]采用統(tǒng)計分析的方法確定了聲表面波濾波器的失效分布，劉良芳等人[3]曾采用經(jīng)典統(tǒng)計法對聲表面波濾波器長期可靠性進行過工程化的評估。由于薄膜體聲波濾波器和聲表面波濾波器設計和工藝有一定的差異，同時薄膜體聲波濾波器的應用和失效數(shù)據(jù)量稍顯不足，采用以上類似方法難以準確評估出該類濾波器的可靠性。為此文中提出采用加速壽命評估技術[4-5]對該類濾波器（以XXX1001 型薄膜體聲波濾波器為評估對象）進行可靠性評估，通過采用敏感應力加速的方式加快XXX1001 型薄膜體聲波濾波器壽命表征指標的退化。根據(jù)退化數(shù)據(jù)，結合相應加速模型，建立加速狀態(tài)下濾波器的可靠性壽命方程式，通過多個加速狀態(tài)（根據(jù)加速模型未知參數(shù)確定）下的壽命方程解算加速模型參數(shù)。最后通過加速模型評估XXX1001 型薄膜體聲波濾波器的可靠性壽命參數(shù)。

1 方法與試驗實施

1.1 失效模式和相應機理分析

為了明確XXX1001 型薄膜體聲波濾波器的失效模式和失效機理，必須對其進行結構和功能分析，確定該型濾波器的工作原理以及選用的主要材料等。結合典型應用環(huán)境下主要組成部分和材料的故障概率，通過FTA 方法確定該型濾波器失效模式和失效機理。

XXX1001 型薄膜體聲波濾波器主要由頂電極、底電極、壓電薄膜和支撐襯底等構成的薄膜體聲波諧振器組成[6]，如圖1 所示。其中頂、底電極進行電信號傳輸，而壓電薄膜進行電聲信號轉(zhuǎn)換。在航天、航空應用環(huán)境下，針對該型濾波器功能結構開展FTA分析，以其失效為頂事件，建立故障樹分析圖，如圖2 所示。

圖1 XXX1001 型薄膜體生波濾波器用諧振器結構

圖1 XXX1001 型薄膜體聲波濾波器故障樹

根據(jù)圖2 中故障樹分析可知，該型濾波器在航天、航空環(huán)境中可能發(fā)生的主要失效模式包括插入損耗增大、無輸出以及中心頻率漂移等三種主要模式。其中插入損耗增大的失效機理主要有壓電薄膜層變形（包括塌陷或膨脹等）、頂電極或底電極電連接不良以及壓電薄膜破損等；無輸出的失效機理主要為頂電極或底電極脫落、壓電材料破損等；中心頻率漂移的失效機理主要為壓電薄膜材料變形、電極接觸不良。由于器件工藝復雜，尤其是壓電薄膜和電極生長工藝，其可靠性和穩(wěn)定性有待加強，因此從成因上可知，濾波器插入損耗增大為主要失效模式。結合2016—2018 年該類濾波器失效情況（試驗、測試以及使用）統(tǒng)計分析，進一步明確該型濾波器的主要失效模式為插入損耗增大，無輸出和中心頻率漂移占比較低。

1.2 壽命表征指標和相應敏感應力確定

XXX1001 型薄膜體聲波濾波器在航天、航空應用環(huán)境下的主要失效模式為插入損耗增大，該失效將直接導致濾波器插入損耗超出標稱值，引起器件電學信號濾出性能下降，無法正常工作。因此工程上可將插入損耗指標作為該型濾波器的壽命表征指標，即當濾波器的插入損耗在使用或者試驗時超出技術規(guī)格要求上限時，視為該型濾波器失效。

根據(jù)該型濾波器插入損耗增大時的環(huán)境影響分析[7]，結合器件主要組成部分、材料與工藝分析可以確定其相應敏感應力。XXX1001 型薄膜體聲波濾波器在航天、航空應用期間，主要歷經(jīng)振動、溫度、低氣壓、沖擊以及濕度影響。結合該型濾波器結構特點與選用材料，確定其主要的環(huán)境效應見表1。

表1 典型應用環(huán)境的主要效應分析

XXX1001 薄膜體聲波濾波器采用的原材料主要包括硅片鋁靶[8]、金絲等。由第1.1 節(jié)可知，該型濾波器的主要失效模式為插入損耗增大。由于該型濾波器為陶瓷封裝，工作時低氣壓和濕度等影響相對較弱。結合表1 中該型濾波器典型應用下環(huán)境效應分析，其主要失效應力為溫度，主要失效模式為膜層變形或頂、底電極電連接不良引起的插入損耗增大。膜層變形的主要失效應力為溫度，主要失效機理為溫度應力引起的壓電薄膜材料變形、電極和薄膜熱不匹配導致的電連接不良。

1.3 加速壽命試驗設計

根據(jù) 1.1、1.2 節(jié)中的研究結果，可以確定XXX1001 型薄膜體聲波濾波器在典型應用環(huán)境（航天、航空）下主要失效模式為插入損耗增大，工程上可視插入損耗為壽命表征指標，相應敏感應力為溫度應力。

在溫度應力（規(guī)定溫度范圍-55~125 ℃）作用下，該型濾波器由于材料或者工藝質(zhì)量穩(wěn)定性不足，導致其熱不匹配引起的膨脹或收縮影響增大，引起插入損耗增大，超出技術規(guī)格（≤1.5 dB），導致器件失效。該過程中器件的失效機理是一致的，符合加速壽命試驗技術的理論要求。同時，根據(jù)中國電子科技集團公司第二十六研究所的劉良芳、張俊等人[3]關于聲表面波濾波器長期使用失效率統(tǒng)計分析研究可知，無源濾波器的壽命分布一般服從于指數(shù)分布，因此在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，器件的壽命分布是統(tǒng)一的。

根據(jù)以上分析，可以采用單應力（溫度）步進加速壽命[9]的試驗技術開展該型濾波器待評估壽命試驗數(shù)據(jù)的采集。結合XXX1001 型薄膜體聲波濾波器技術規(guī)范要求以及可靠性摸底試驗確定加速壽命試驗條件。主要包括試驗分組、起始條件、終止條件、應力強度變化以及各階段保溫時間等，以便試驗能夠在較短時間內(nèi)，保持失效機理的基礎上完成既定的試驗效果。

為了盡可能準確高效且不改變失效機理地加速該型濾波器在各溫度應力條件下的退化，獲取濾波器相應應力條件下的可靠性壽命，針對少量（3 只）濾波器開展溫度摸底試驗來確定濾波器合適的加速試驗溫度應力。根據(jù)摸底試驗（高溫極限為165 ℃，低溫極限為-70 ℃）結果，確定在90、120、150 ℃三個溫度應力下進行加速試驗。根據(jù)試驗進度和摸底時的退化量，試驗時間定為240 h。根據(jù)質(zhì)量一致性水平和試驗成本，試驗樣品數(shù)每組確定為10 只。

2 結果與分析

按照1.3 要求，將篩選合格的30 只XXX1001 型薄膜體聲波濾波器進行電性能測試后分別進行3 組加速壽命試驗。試驗后進行電性能檢測，30 只濾波器全部均未發(fā)生失效。其插入損耗指標見表2。

表2 加速壽命試驗前后濾波器插入損耗對比 dB

分別對比3 組試驗樣品試驗前后的插入損耗指標，除了6 號、7 號、30 號樣品外，均符合濾波器在高溫加速試驗條件下，性能參數(shù)退化的趨勢。6 號、7 號、30 號樣品的插入損耗性能變好的主要原因為：個別壓電類器件的相關性能因電老練試驗不足未達最佳，而此時的高溫加速起到了一定老練的作用。因此可以根據(jù)濾波器試驗前后壽命表征指標的均值，結合試驗時間與技術規(guī)格要求（1.5 dB），利用線性外推[10]評估出3 組加速試驗對應應力條件下的平均壽命，平均壽命t1、t2、t3分別為9840、1616、960 h。

根據(jù)開展加速試驗的應力類型，可采用阿倫尼斯模型[11]來描述該加速壽命試驗相關參數(shù)關系：

式中：t 為平均壽命指標；A 為模型參數(shù)；E 為激活能；k 為波爾茲曼常數(shù)；T 為熱力學溫度。

對阿倫尼斯模型進行對數(shù)變換可得：

式中：a、b 為模型參數(shù)。

三組試驗溫度和確定的平均壽命見表3。

表3 試驗溫度和平均壽命對應表

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，畫出散點圖，并根據(jù)最小二乘法[12]得出相應的模型參數(shù)a=-7.5817，b=6027.9。即可得加速壽命方程為：

取濾波器待評估工作溫度為40 ℃時，即T=313 K時，代入式（3）可得該型濾波器在40 ℃工作時的平均壽命為117 803 h。

3 結語

采用對器件進行加速壽命試驗評估的思路，根據(jù)器件FTA 分析確定的主要失效模式和失效機理，結合環(huán)境影響分析，明確器件的壽命表征指標以及對應的敏感應力，確定加速壽命方法和加速模型。結合器件可靠性摸底試驗，確定可行的加速壽命試驗方案，為工程化評估XXX1001 型薄膜體聲波濾波器提供了可行的技術方案。該方法程序較為簡單，實施方便，采用樣本少，成本低。通過該方法評估了XXX1001 型薄膜體聲波濾波器的壽命參數(shù)，為該型濾波器的應用和改進提供了技術支撐，具有較強的工程應用價值，同時可為同等類型濾波器可靠性壽命評估提供技術參考。