車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用

楊意，閆偉，單軍勇

（西安電子工程研究所，西安 710100）

引言

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（ Reliability Enhancement Testing，RET）是近些年來(lái)提出的一種新的高效可靠性試驗(yàn)技術(shù)，是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品施加單一或綜合的極限環(huán)境應(yīng)力，快速激發(fā)出產(chǎn)品的潛在缺陷，再對(duì)缺陷進(jìn)行分析、改進(jìn)、驗(yàn)證、落實(shí)這么一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程，提高產(chǎn)品的耐環(huán)境能力，進(jìn)而提高其環(huán)境適應(yīng)性、健壯性及可靠性。車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件是車(chē)載系統(tǒng)的核心部件，是一種具有收發(fā)功能的復(fù)雜微波混合集成電路功率模塊，因此將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用于車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件的研制中，來(lái)提高車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件的可靠性水平，就是一個(gè)值得探討的問(wèn)題[1]。

1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面確定原則

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面確定應(yīng)遵循以下步驟及原則制定。

1.1 尋找有效激發(fā)受試組件潛在故障隱患的敏感應(yīng)力

典型的環(huán)境因素包括高溫、低溫、振動(dòng)、濕度、低氣壓、溫度循環(huán)等，某些應(yīng)力在激發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷方面特別有效，例如：溫度和隨機(jī)振動(dòng)。但由于每個(gè)產(chǎn)品都有其不同的材料、結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)，對(duì)不同的產(chǎn)品其激發(fā)的敏感應(yīng)力會(huì)有所不同?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力應(yīng)涵蓋最敏感的環(huán)境應(yīng)力，同時(shí)遵循簡(jiǎn)單到復(fù)雜，利于故障分析的原則。

通過(guò)對(duì)多種型號(hào)車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件在環(huán)境應(yīng)力篩選、常溫試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、隨雷達(dá)整機(jī)的外場(chǎng)試驗(yàn)以及實(shí)際使用的責(zé)任故障信息進(jìn)行匯總分析，車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件出現(xiàn)的故障與溫度、振動(dòng)、綜合環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力的關(guān)系最為密切，造成的故障占了總故障的大約88%。 因此車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件強(qiáng)化試驗(yàn)主要選取溫度、振動(dòng)、綜合應(yīng)力、電應(yīng)力作為主要應(yīng)力。

1.2 尋找最低考核應(yīng)力條件[2]

最低考核應(yīng)力條件即被試組件完成可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)要達(dá)到的溫度、振動(dòng)應(yīng)力的最低量值。下面將逐項(xiàng)進(jìn)行分析確定：

1.2.1 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)截止條件確定

溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)截止條件的確定可綜合國(guó)內(nèi)外電子產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中規(guī)范推薦的值、軍工型號(hào)產(chǎn)品故障統(tǒng)計(jì)分析等資料，結(jié)合車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件特點(diǎn)及典型溫度環(huán)境條件，最終確定低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)及高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的截止條件分別為-80 ℃和110 ℃（微波部件80 ℃）。

1.2.2 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的截止條件確定

振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的截止條件確定參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)規(guī)范推薦的值，結(jié)合國(guó)內(nèi)多個(gè)軍工型號(hào)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，還需考慮車(chē)載典型振動(dòng)環(huán)境振動(dòng)頻率范圍為（5 ～500）Hz 之間，以及隨機(jī)振動(dòng)均方根加速度值，確定50 g 為振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的截止條件。

1.2.3 快速溫循參數(shù)確定

按照國(guó)內(nèi)外可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究結(jié)果及可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠商的推薦，電子產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)溫變率選擇一般在（30 ～60）℃/min 之間，根據(jù)溫度循環(huán)激發(fā)強(qiáng)度公式：

式中：

SS—激發(fā)強(qiáng)度；

R—溫度變化范圍；

R=（Tu-TL）（℃）；

v—溫度變化率（℃ /min）；

N—循環(huán)次數(shù)。

結(jié)合低溫和高溫試驗(yàn)階段采用步進(jìn)的方式摸出產(chǎn)品的工作極限，將其作為溫度循環(huán)的上下限溫度臺(tái)階，快速溫度循環(huán)的溫變率定為40 ℃/min，循環(huán)數(shù)定為5 個(gè)循環(huán)，激發(fā)強(qiáng)度達(dá)到100 %。

1.3 確定應(yīng)力的施加方式[3]

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力的施加方式采用步進(jìn)方式,如圖1 所示。在應(yīng)力施加過(guò)程中,重點(diǎn)關(guān)注“應(yīng)力增量的選擇”和“各應(yīng)力量級(jí)停滯時(shí)間的選擇”兩項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 步進(jìn)應(yīng)力施加示意圖

1.3.1 應(yīng)力增量的設(shè)置

步進(jìn)應(yīng)力增量設(shè)置一般參照同類(lèi)組件產(chǎn)品情況，分析確定本次試件在各應(yīng)力作用下的破壞極限,將破換極限值與實(shí)際應(yīng)用中所承受的應(yīng)力值之差等分10 份,每份的量值即可作為步進(jìn)應(yīng)力的增量。

1.3.2 各應(yīng)力量級(jí)停滯時(shí)間的選擇

在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)溫度類(lèi)試驗(yàn)時(shí)，保溫時(shí)間可以依據(jù)組件內(nèi)部溫度穩(wěn)定時(shí)間為準(zhǔn)，振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的各步進(jìn)應(yīng)力量級(jí)一般停留（5 ～10）min 即可確定產(chǎn)品破壞極限和工作極限。

1.4 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力施加順序

為保護(hù)組件試驗(yàn)樣本的同時(shí)能獲取盡可能多的信息,各種應(yīng)力施加順序要遵循所施加應(yīng)力的破壞性應(yīng)由弱至強(qiáng)逐級(jí)安排的原則。故可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的一般應(yīng)力施加步驟為：低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，快速溫度循環(huán)試驗(yàn)，振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)等五個(gè)階段。

1.5 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)停止原則

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是在按施加順序逐步增加應(yīng)力量級(jí)過(guò)程中，不斷重復(fù)進(jìn)行“試驗(yàn)—修正—再試驗(yàn)”的過(guò)程，當(dāng)出現(xiàn)下述3 種情況之一，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)可停止。

1）全部試件均失效；

2）應(yīng)力等級(jí)已經(jīng)達(dá)到或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)為驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)所要求的應(yīng)力水平；

3）由于更高的應(yīng)力等級(jí)引入，出現(xiàn)新的或不相關(guān)失效。

典型車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面，如圖2 所示。

圖2 典型車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面

2 車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)需要達(dá)到快速激發(fā)缺陷的目的，當(dāng)然需考慮試驗(yàn)的效率問(wèn)題。因此在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行完善的方案設(shè)計(jì)，規(guī)定強(qiáng)化應(yīng)力環(huán)境的加載方法、過(guò)程管理要求和試驗(yàn)結(jié)果的分析?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)方案一般應(yīng)包含以下內(nèi)容：

2.1 樣品選擇

樣品選擇時(shí)應(yīng)考慮受試組件功能、技術(shù)狀態(tài)、組成和數(shù)量、尺寸、重量及安裝要求。為保證可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的連續(xù)性及代表性，受試組件數(shù)量一般不少于2 臺(tái)（套）。

2.2 試驗(yàn)剖面

試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)可按照“2.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面確定原則”進(jìn)行逐一制定。

2.3 測(cè)試條件與指標(biāo)

2.3.1 功能和性能檢測(cè)

按照組件設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)或組件設(shè)計(jì)規(guī)范要求選取能體現(xiàn)組件主要功能性能的指標(biāo)。

2.3.2 測(cè)試方法

因在強(qiáng)化試驗(yàn)過(guò)程中需去除組件的保護(hù)，即拆除蓋板，則技術(shù)指標(biāo)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，需確定合理的指標(biāo)變化范圍。

2.3.3 測(cè)試時(shí)機(jī)

試驗(yàn)前與試驗(yàn)后應(yīng)盡可能多的選取技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)組件的外觀進(jìn)行關(guān)注，試驗(yàn)中應(yīng)盡可能多的選取能夠有效響應(yīng)單應(yīng)力激勵(lì)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3.4 故障處理

制定故障判據(jù)，區(qū)分責(zé)任和非責(zé)任故障，規(guī)定故障處理原則。

2.4 工作極限、破壞極限的確定

通過(guò)識(shí)別可逆故障和非可逆故障來(lái)確定工作極限和破壞極限。通過(guò)制定了工程可行的試驗(yàn)方法，通過(guò)一次試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的多個(gè)工作極限和破壞極限。

2.5 缺陷的后續(xù)處理及回歸驗(yàn)證

通過(guò)失效機(jī)理分析，采取有效的糾正措施，根據(jù)缺陷被激發(fā)出來(lái)所經(jīng)受的應(yīng)力歷程及應(yīng)力強(qiáng)度，確定改進(jìn)措施的回歸驗(yàn)證方案進(jìn)行缺陷驗(yàn)證。

2.6 微環(huán)境測(cè)量和控制技術(shù)

分析T/R 組件產(chǎn)品外場(chǎng)及可靠性試驗(yàn)故障信息，結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)、溫度和振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，確定產(chǎn)品微環(huán)境監(jiān)控的關(guān)注點(diǎn)，根據(jù)關(guān)注點(diǎn)的特點(diǎn)，選擇和設(shè)計(jì)相應(yīng)的微環(huán)境控制設(shè)備和方法，確定產(chǎn)品微環(huán)境監(jiān)控實(shí)施方案，該技術(shù)可在強(qiáng)化試驗(yàn)中幫助定位和保護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，從而保證試驗(yàn)可繼續(xù)進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)更多的薄弱環(huán)節(jié)。

3 車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施案例

我們依據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面確定原則和車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)針對(duì)三種波段（以下分別以A、B、C 波段代替）的不同型號(hào)產(chǎn)品共9 臺(tái)車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件開(kāi)展了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，在強(qiáng)化應(yīng)力條件下共暴露了27 個(gè)故障，除了4 個(gè)非責(zé)任故障外，故障數(shù)量與應(yīng)力分布見(jiàn)表1 和圖3 所示。

表1 車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件各應(yīng)力條件下故障數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

圖3 車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件各應(yīng)力條件下故障分布

在故障定位的基礎(chǔ)上，我們對(duì)故障機(jī)理和原因進(jìn)行了仔細(xì)分析，并按器件選型、設(shè)計(jì)、安裝工藝、調(diào)試工藝等四種故障模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分類(lèi)，如表2。

表2 車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件故障模式分類(lèi)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)故障原因分析進(jìn)行了設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)，并分別完成了三種波段可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的回歸驗(yàn)證。通過(guò)強(qiáng)化試驗(yàn)A 波段T/R 組件高低溫設(shè)計(jì)裕度大于20 ℃，振動(dòng)優(yōu)于30 g；B 波段T/R 組件高低溫設(shè)計(jì)裕度大于15 ℃，振動(dòng)優(yōu)于35 g；C 波段T/R 組件高低溫設(shè)計(jì)裕度大于15 ℃，振動(dòng)優(yōu)于50 g。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)強(qiáng)化試驗(yàn)剖面的確定原則，強(qiáng)化試驗(yàn)方案的介紹，結(jié)合車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件的特點(diǎn)制定其試驗(yàn)剖面和試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了三種波段的三型車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件試驗(yàn)案例的實(shí)施，以期對(duì)強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在車(chē)載系統(tǒng)T/R 組件研制或其它同類(lèi)產(chǎn)品研制中的應(yīng)用提供參考。