伏洪勇，黨 煒，李 鍇

(1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094;2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京100094)

1 引言

空間應(yīng)用系統(tǒng)主要研制空間有效載荷，其性能要求高，創(chuàng)新性和探索性強(qiáng)，采用新技術(shù)、新工藝、新器件、新材料等是必然的選擇，在可靠性和壽命上面臨極大的挑戰(zhàn)。盡管設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段會(huì)考慮許多影響可靠性和壽命的因素，但空間環(huán)境因素、產(chǎn)品運(yùn)控工況復(fù)雜，不通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證很難對(duì)不確定因素進(jìn)行準(zhǔn)確把握和有效防范。因此，作為空間有效載荷重要組成部分的電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)，其可靠性和壽命也需要重點(diǎn)關(guān)注。

對(duì)電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證方法國(guó)內(nèi)外研究比較多，有許多比較成熟的方法［1］，但對(duì)于空間小子樣(有時(shí)甚至只有1件)產(chǎn)品，工程研制周期短且受經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重制約，完全采用批量產(chǎn)品的做法，顯然難以為航天工程所接受。探索適合空間電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)的有效方法是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題，基于空間應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際需求和背景，本文以性能退化模型為基礎(chǔ)提出空間電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方法，以評(píng)估整機(jī)系統(tǒng)在正常工作應(yīng)力下的性能退化量，為空間電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)提供一種技術(shù)途徑。

2 加速壽命試驗(yàn)原理

2.1 加速性判斷準(zhǔn)則

在進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)時(shí)，首先需要判斷產(chǎn)品是否具有加速性。加速性就是指在加速試驗(yàn)過(guò)程中，受試產(chǎn)品在短時(shí)間高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)間低應(yīng)力作用下表現(xiàn)的特性是一致的。目前最常用的判斷產(chǎn)品是否存在加速性的3 個(gè)條件為［2］:

1)失效機(jī)理的一致性，即在加速應(yīng)力下和正常使用應(yīng)力下，產(chǎn)品組成單元的失效機(jī)理不發(fā)生變化;

2)加速壽命過(guò)程中的加速失效具有規(guī)律性，即在加速失效過(guò)程中，產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間存在一個(gè)確定的函數(shù)關(guān)系(加速模型)，或未知但客觀存在的某種關(guān)系;

3)失效分布的同一性，即在不同應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一形式的分布，如威布爾分布的形狀參數(shù)m保持不變，正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ保持不變。

失效機(jī)理的一致性是加速試驗(yàn)的必要條件，但不是充分條件;失效分布的同一性是對(duì)加速失效規(guī)律性的具體化和定量化。

2.2 常用加速壽命模型及加速系數(shù)

物質(zhì)失效模型比較多，空間產(chǎn)品電子學(xué)產(chǎn)品失效熱應(yīng)力是主要的影響因素，空間電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)常常采用溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)進(jìn)行可靠性余量鑒定和應(yīng)力篩選。本文結(jié)合實(shí)際空間工程中的可行性和具體情況，主要介紹以溫度應(yīng)力為主的電子學(xué)產(chǎn)品失效機(jī)理模型。

1)阿倫尼斯模型及加速系數(shù)

1889年，阿倫尼斯(Arrhenius)在研究溫度對(duì)酸催化蔗糖水解轉(zhuǎn)化反應(yīng)的基礎(chǔ)上總結(jié)出:某產(chǎn)品性能退化速率與激活能的指數(shù)成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成反比。其數(shù)學(xué)描述為［3］公式(1)。

式(1)中:M—產(chǎn)品某特性值的退化量;t—反應(yīng)時(shí)間(產(chǎn)品壽命);—溫度在T時(shí)的退化速率，退化速率是時(shí)間t的線(xiàn)性函數(shù);k—波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/℃;T—熱力學(xué)絕對(duì)溫度;A—常數(shù);Ea—失效機(jī)理激活能，以eV為單位，同一類(lèi)元器件的同一種失效模式為常數(shù)。

令M0為產(chǎn)品初始狀態(tài)性能退化量，經(jīng)時(shí)間t后，產(chǎn)品的性能退化量為M(若退化量達(dá)到M就認(rèn)為產(chǎn)品失效，則t即為產(chǎn)品的壽命)，則在時(shí)間t內(nèi)，產(chǎn)品的累積性能退化量如式(2)所示。

對(duì)(2)式進(jìn)一步計(jì)算處理，可得如(3)所示等式。

式(3)中，K—性能退化率，其余符號(hào)定義與(1)式相同。根據(jù)加速系數(shù)的定義，可以推導(dǎo)如(4)所示加速系數(shù)的表達(dá)式。

式(4)中，AF—加速系數(shù);Luse—產(chǎn)品在使用環(huán)境下的壽命;Lstress—產(chǎn)品在加速試驗(yàn)環(huán)境下的壽命;Kuse—產(chǎn)品在使用環(huán)境下的性能退化率;Kstress—產(chǎn)品在加速試驗(yàn)環(huán)境下的性能退化率;Tuse—產(chǎn)品在使用環(huán)境下的溫度;Tstress—產(chǎn)品在加速試驗(yàn)環(huán)境下的溫度;其余符號(hào)與(1)式相同。通過(guò)(4)式可知，對(duì)于很少出現(xiàn)失效的長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，可以依據(jù)(2)、(3)式的性能退化量相同來(lái)計(jì)算加速試驗(yàn)的加速系數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)。

2)Norris-Landzberg模型及加速系數(shù)

在1969年，Norris＆Landzberg根據(jù) Coffin-Manson模型研究集成電路焊接工藝可靠性問(wèn)題時(shí)給出了其加速模型。Coffin-Manson模型［4］的數(shù)學(xué)描述如式(5)所示。

式(5)中，Nf—產(chǎn)品至失效的循環(huán)數(shù);ΔT—產(chǎn)品的循環(huán)溫度差;C0—材料依賴(lài)常數(shù);n—與材料有關(guān)的常數(shù)(一般情況下，易碎材料取值3～10，韌性材料取值1.2～2.5;硬金屬材料取值1～2)。Coffin-Manson模型主要描述的是在熱循環(huán)應(yīng)力下低周疲勞壽命模型，1969年，Norris＆Landzberg在該模型基礎(chǔ)上研究集成電路焊接工藝可靠性問(wèn)題時(shí)，提出了式(6)所示的焊點(diǎn)工藝加速系數(shù)計(jì)算方法［5］。

3)Peck模型及加速系數(shù)

1986年，D.S.Peck在匯總多穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，在85℃/85%RH條件下研究塑封器件壽命情況的分析基礎(chǔ)上，給出了塑封器件的壽命關(guān)系式，其數(shù)學(xué)描述如式(7)所示［6］。

式(7)中，tL—產(chǎn)品壽命;C—標(biāo)度常數(shù);RH—相對(duì)濕度，按%表示;n—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與封裝材料有關(guān)，一般取值范圍為2～12;其余符號(hào)同(1)式定義。

根據(jù)加速系統(tǒng)的定義可知，濕熱應(yīng)力加速試驗(yàn)下的加速系數(shù)如式(8)所示。

式(8)中，RHuse—使用環(huán)境下相對(duì)濕度(%);RHstress—加速應(yīng)力環(huán)境下相對(duì)濕度(%);其余符號(hào)同(2)式和(5)式的定義。通過(guò)(8)式可知，Peck模型可以理解為濕度和溫度的雙應(yīng)力加速壽命模型，溫度應(yīng)力主要是基于阿倫尼斯(Arrhenius)模型的性能退化模型。

3 電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方法

空間應(yīng)用系統(tǒng)研究是以科學(xué)創(chuàng)新為首要目標(biāo)，有效載荷是實(shí)現(xiàn)科學(xué)創(chuàng)新目標(biāo)的首要手段，其載荷產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是科學(xué)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，因此空間應(yīng)用系統(tǒng)始終應(yīng)將產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性放在重要位置。對(duì)于采用了新技術(shù)、新工藝、新器件、新材料的創(chuàng)新性載荷，特別是其中的關(guān)鍵單機(jī)、組件或關(guān)鍵工藝，將根據(jù)工程需要，按照加速壽命試驗(yàn)的基本思路在加大應(yīng)力情況下加快產(chǎn)品性能退化直至失效，以達(dá)到縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的。以往工程經(jīng)驗(yàn)和部分文獻(xiàn)資料表明:對(duì)于空間電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)主要存在以下兩大難點(diǎn):

1)整機(jī)系統(tǒng)因器件、部件、材料種類(lèi)多，組成復(fù)雜，失效模式多，很難建立整機(jī)系統(tǒng)在加速應(yīng)力條件下與正常使用條件下的失效關(guān)系模型，很難將加速壽命理論直接應(yīng)用到整機(jī)系統(tǒng);

2)對(duì)于空間長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，一般在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)也極少出現(xiàn)失效，因此傳統(tǒng)的基于失效數(shù)據(jù)的加速壽命試驗(yàn)處理方法用于這類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)時(shí)會(huì)遇到一些困難［3］。

基于空間應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷在進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)時(shí)遇到的上述兩個(gè)問(wèn)題，本文提出利用“水桶原理”將整機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為薄弱環(huán)節(jié)的加速壽命試驗(yàn)，即基于產(chǎn)品的故障模式和失效機(jī)理分析，尋找整機(jī)系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)最薄弱環(huán)節(jié)選用合適的性能退化加速模型計(jì)算加速因子，來(lái)設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)激發(fā)整機(jī)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的失效模式，實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)和任務(wù)滿(mǎn)足度評(píng)價(jià)。整機(jī)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)將是具體的組件、器件、材料或工藝，只要試驗(yàn)施加的應(yīng)力不太大的情況下(工程上整機(jī)不超過(guò)鑒定級(jí)溫度，溫度敏感組件不超過(guò)其允許最高溫度)，一般會(huì)滿(mǎn)足加速性原則;采用性能退化加速模型進(jìn)行加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將不再重點(diǎn)關(guān)心產(chǎn)品試驗(yàn)是否失效，而是按在正常使用應(yīng)力與加速應(yīng)力下性能退化量等效的原則來(lái)設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)。根據(jù)這一原理的整機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)工作流程見(jiàn)圖1。

確定整機(jī)系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為確定加速因子，一般有兩種方法:①根據(jù)現(xiàn)有加速模型進(jìn)行分析計(jì)算獲得;②通過(guò)試驗(yàn)確定的模型獲得。第一種方法確定的加速因子不是特別準(zhǔn)確;第二種方法雖然比較準(zhǔn)確，但需要大量的試驗(yàn)樣本、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)支持［7］。因此，工程上通常采用第一種方法來(lái)獲得加速系數(shù)，對(duì)于恒定溫度應(yīng)力、循環(huán)溫度應(yīng)力和濕熱應(yīng)力可以參照本文介紹的計(jì)算方法計(jì)算獲得，但其難點(diǎn)在于激活能的獲取。目前，美國(guó)國(guó)防部可靠性信息分析中心公布了電容器、電阻器、半導(dǎo)體分離器件、微電路、光電器件、繼電器、開(kāi)關(guān)、連接器等元器件的激活能［8］。因激活能與器件的材料、工藝或失效模式及失效機(jī)理有關(guān)，采用這些公布的數(shù)據(jù)可能會(huì)對(duì)加速系數(shù)的準(zhǔn)確性有一定影響，圖2給出了激活能(Ea)分別為0.5 eV、0.6 eV和0.7 eV的情況下按阿倫尼斯(Arrhenius)加速模型分析計(jì)算的加速系數(shù)與溫度應(yīng)力水平的關(guān)系。

圖1 整機(jī)系統(tǒng)加速應(yīng)力試驗(yàn)工作流程Fig.1 The flow chart of the equipment accelerated test

圖2 不同激活能的加速系數(shù)Fig.2 Acceleration coefficient for various activation energies

從圖2可知，在溫度不是特別高和激活能不是特別大的情況下，不同的激活能在相同溫度水平下的加速系數(shù)是比較接近的。另有研究表明［2］，在溫度為500 K以下時(shí)，對(duì)于某種失效機(jī)理，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)，這也保證了加速壽命試驗(yàn)等效性能退化量的可行性。因此在工程上，只要激活能取的比較合適(最好取廠(chǎng)家或研究人員提供的直接測(cè)試數(shù)據(jù)［9-12］)，在試驗(yàn)溫度應(yīng)力不太高的情況(如設(shè)備鑒定級(jí)溫度)，根據(jù)整機(jī)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)采用本文介紹的加速性能退化模型分析計(jì)算加速系數(shù)來(lái)制定電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方案是可行的。

4 實(shí)例分析

1)某有效載荷電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)按阿倫尼斯加速模型設(shè)計(jì)加速應(yīng)力試驗(yàn)

某有效載荷電子設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)激光通信，在軌需要累計(jì)運(yùn)行3000 h，采用加速應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)加速壽命試驗(yàn)，定性驗(yàn)證設(shè)備在軌完成任務(wù)的能力或?qū)崿F(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。

經(jīng)分析，該設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)為AlGaAs/GaAs激光器組件，不僅失效率高，而且壽命也比較低。對(duì)其失效模式和失效機(jī)理、任務(wù)環(huán)境剖面等進(jìn)行分析后，決定采用恒定熱真空加速應(yīng)力試驗(yàn)，以阿倫尼斯(Arrhenius)加速模型理論為基礎(chǔ)(見(jiàn)式(4))，參考國(guó)外公布的該類(lèi)型器件的激活能數(shù)據(jù)［12］，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，確定的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 激光器加速試驗(yàn)方案Table 1 Accelerated tests for lasers

按表1確定的加速試驗(yàn)方案完成了加速試驗(yàn)，用250 h加速應(yīng)力試驗(yàn)來(lái)等效了3000 h長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)。通過(guò)該試驗(yàn)有效暴露激光器光纖缺陷，改進(jìn)后重新順利通過(guò)該試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)的性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示，準(zhǔn)加速壽命試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)。

2)某有效載荷電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)按Norris-Landzberg加速模型設(shè)計(jì)加速應(yīng)力試驗(yàn)

某有效載荷電子學(xué)設(shè)備因采用了多片大規(guī)模ICs，在軌按運(yùn)控要求每天工作4次，需要運(yùn)行10 000 h，每次工作溫度變化范圍為20℃，采用加速應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)加速壽命試驗(yàn)，定性驗(yàn)證設(shè)備在軌完成任務(wù)的能力或?qū)崿F(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。

經(jīng)分析，該設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)為ICs焊接工藝，其焊點(diǎn)的熱疲勞壽命將決定整機(jī)系統(tǒng)的壽命。對(duì)其失效模式和失效機(jī)理、任務(wù)環(huán)境剖面等進(jìn)行分析后，以Norris-Landzberg加速模型理論為基礎(chǔ)(見(jiàn)式(6))，參考國(guó)外公布的該類(lèi)焊點(diǎn)的激活能數(shù)據(jù)［13］，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，確定的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖3 激光器兩次試驗(yàn)功率監(jiān)測(cè)情況Fig.3 The result of the lasers power

表2 ICs焊點(diǎn)加速試驗(yàn)方案Table 2 Accelerated tests for ICs solder dots

因此，用200 h加速應(yīng)力試驗(yàn)來(lái)等效10 000 h長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，大大的縮短了試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)。

3)某有效載荷電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)按Peck模型設(shè)計(jì)加速應(yīng)力試驗(yàn)

某有效載荷電子學(xué)設(shè)備因其核心器件基本為塑封微電路，在入軌前需要在35℃/60%RH的條件內(nèi)存放6個(gè)月，采用加速應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備在存儲(chǔ)期間其可靠性是否受環(huán)境的影響。

經(jīng)分析，該設(shè)備在存儲(chǔ)條件下的薄弱環(huán)節(jié)為塑封器件，其受潮濕的情況將決定整機(jī)系統(tǒng)的壽命。對(duì)其失效模式和失效機(jī)理等進(jìn)行分析后，以Peck加速模型理論為基礎(chǔ)(見(jiàn)式(7))，參考國(guó)外公布的該類(lèi)型器件的激活能數(shù)據(jù)［14］，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，確定的試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 塑封微電路加速試驗(yàn)方案Tab.3 Accelerated tests for the plastic encapsulated microcircuit

因此，用108 h加速應(yīng)力試驗(yàn)提前驗(yàn)證地面儲(chǔ)存條件對(duì)單機(jī)性能的影響，試驗(yàn)完成后其性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4所示，性能無(wú)退化跡象。

圖4 產(chǎn)品試驗(yàn)后的性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 The result of the equipment performance after testing

5 結(jié)論

空間應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷基本都為創(chuàng)新性有效載荷，國(guó)內(nèi)無(wú)現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可借鑒，對(duì)于采用新技術(shù)、新工藝等新手段的電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)的可靠性驗(yàn)證或增長(zhǎng)試驗(yàn)是必要的，但需要工程可接受，采用加速壽命試驗(yàn)是一種比較好的解決措施。目前，國(guó)內(nèi)外比較成熟的加速壽命試驗(yàn)方法都是基于失效數(shù)據(jù)的，而空間用設(shè)備壽命長(zhǎng)、可靠性高、很少出現(xiàn)失效，本文提出針對(duì)空間應(yīng)用的電子學(xué)整機(jī)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)按性能退化模型設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)是一種比較好的解決方案，當(dāng)然，該方法對(duì)于其它電子學(xué)產(chǎn)品也可借鑒使用。但在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)，需要注意以下問(wèn)題:

1)本文介紹的加速模型主要為產(chǎn)品特征性能參數(shù)在正常應(yīng)力和加速應(yīng)力下退化量相同而導(dǎo)出的加速系數(shù)，不需要產(chǎn)品在不同應(yīng)力下的壽命數(shù)據(jù);

2)整機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，當(dāng)某薄弱環(huán)節(jié)在復(fù)雜的環(huán)境條件下不具有加速性時(shí)，不能通過(guò)本文介紹的方法去推導(dǎo)整機(jī)系統(tǒng)的性能退化歷時(shí)時(shí)間;

3)采用分析計(jì)算的方法確定加速系數(shù)時(shí)，需要考慮激活能等參數(shù)的不確定性，合理進(jìn)行取舍，確保試驗(yàn)充分有效;

4)在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)任務(wù)剖面要求的任務(wù)時(shí)間留有足夠的余量，確保試驗(yàn)結(jié)果的可信性。

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