蔡明

摘要：真空電子器件是現(xiàn)代電子設(shè)備中的主要器件。它們的可靠性要求必須服從于用戶對(duì)電子設(shè)備的可靠性要求。現(xiàn)代電子設(shè)備的復(fù)雜性日益增加，并越來(lái)越多地應(yīng)用于各種使用環(huán)境中，如機(jī)載雷達(dá)、導(dǎo)彈、航空航天和放射性輻射?，F(xiàn)在，我們需要討論真空電子器件在工作和非工作壽命中的可靠性要求和失效機(jī)理。

關(guān)鍵詞：真空電子器件；失效機(jī)理；可靠性

1幾種應(yīng)用情況

真空電子器件對(duì)海底電纜的壽命要求很高，如海底電纜中所需要使用的增音管，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑褂煤鬅o(wú)法更換，因此在埋入海底之前，必須對(duì)其工作的長(zhǎng)期可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。通信衛(wèi)星具有通信距離長(zhǎng)、信息容量大的特點(diǎn)，是現(xiàn)代通信技術(shù)的一個(gè)飛躍，但衛(wèi)星上的行波管是不可替代的。法國(guó)開(kāi)發(fā)的用于通信衛(wèi)星的行波管壽命約為7年。為了驗(yàn)證行波管的可靠性，采用故障概率法，使用40只行波管，進(jìn)行了一年以上的試驗(yàn)。此外，歐洲軌道測(cè)試（OTS）衛(wèi)星的目標(biāo)是在太空中工作7年。歐洲空間研究組織（ESRD）規(guī)定，12GHz行波管的可靠性要求為60%，MTBF必須通過(guò)250000 h壽命試驗(yàn)，沒(méi)有行波管失效；而在500000h壽命試驗(yàn)中的一個(gè)樣管失效，這樣才能保證在衛(wèi)星運(yùn)行期內(nèi)行波管的壽命（約7年）。雖然真空電子器件的某些品種不需要很長(zhǎng)的工作時(shí)間，但它們?cè)陂L(zhǎng)期儲(chǔ)存后仍然需要正常工作，例如在導(dǎo)彈上使用的真空電子器件，雖然真空電子器件的工作時(shí)間不長(zhǎng)，必須保證其在長(zhǎng)時(shí)間（非工作存儲(chǔ)）中的良好性能，以保證導(dǎo)彈飛行正常飛行。因此，原料的制備和零件的加工特別嚴(yán)格，需要嚴(yán)格的制管工藝和新型的脫氣劑，以保證長(zhǎng)期儲(chǔ)存中的最小氣體含量。這是因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)彈行波管增加電壓時(shí)，從內(nèi)部部件釋放微量氣體會(huì)在導(dǎo)彈的初始操作過(guò)程中引起嚴(yán)重的信號(hào)失真。

2真空電子器件在非工作存儲(chǔ)壽命中的失效機(jī)理

基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和理論模型的分析，我們建立了真空電子器件非工作存儲(chǔ)失效率的預(yù)測(cè)模型。它可以應(yīng)用于各種電子管和環(huán)境條件的使用。我們已經(jīng)收集了設(shè)備在存儲(chǔ)壽命中的數(shù)據(jù)。通過(guò)歸納和分析，可以得出真空電子器件的主要失效機(jī)理是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)從而使真空度降低。如果真空度降低，器件的失效最終會(huì)導(dǎo)致器件壽命的失效。因此會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生故障，無(wú)法正常工作。故障率是隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。此外，在真空電子器件存儲(chǔ)期間，也存在腐蝕和燈絲結(jié)構(gòu)的脆性。隨著時(shí)間的增加而增加的是這些失效率的頻率（隨機(jī)、無(wú)法預(yù)料）。此外，在真空電子器件使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中明確定義了存儲(chǔ)壽命和設(shè)備非工作失效率的概念。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了這些類型電子真空器件的存儲(chǔ)壽命。存儲(chǔ)壽命與器件的工作壽命（即保證使用壽命）必然不同，在深入研究電子物理和固體物理之后，我們已經(jīng)得出結(jié)論：時(shí)間與器件的非工作失效率有關(guān)，即使器件的存儲(chǔ)失效機(jī)制也是。根據(jù)實(shí)際研究表明，不同類型的真空電子器件具有固定的存儲(chǔ)壽命。從所收集的各種類型的設(shè)備的數(shù)據(jù)中，假設(shè)在非工作存儲(chǔ)壽命期間設(shè)備的故障率較低，并且一旦達(dá)到存儲(chǔ)壽命期，因?yàn)槭实脑驅(qū)е碌膿p失將增加。由于真空電子器件的特殊用途，從設(shè)備工廠到武器應(yīng)用，幾年和十多年的時(shí)間，許多關(guān)鍵項(xiàng)目在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和非工作的要求下提出了其高可靠性的貯存壽命指標(biāo)。

對(duì)真空電子器件的分析可知，由于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，各種器件的性能將從微觀向宏觀轉(zhuǎn)變，甚至?xí)?dǎo)致失效。當(dāng)然這種變化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，這與設(shè)備的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝質(zhì)量密切相關(guān)。為了進(jìn)一步解釋失效機(jī)理，以微波三極真空器件為例說(shuō)明：

（1）殼體金屬部分，特別是焊縫薄弱部位的腐蝕，造成部件的長(zhǎng)期泄漏，器件中的部件因?yàn)槌龤獠粡氐?，氣體將在存儲(chǔ)過(guò)程中緩慢釋放。真空會(huì)降低，陰極會(huì)中毒。

（2）由于器件內(nèi)部由不同的材料制成，從電子物理上看，器件之間存在接觸電位差。在接觸電位差的作用下，陰極涂層和陰極表面的活性物質(zhì)會(huì)緩慢遷移和再分布，從而降低陰極的活性，使性能參數(shù)變差，最終導(dǎo)致失效。

（3）器件內(nèi)柵極的柵絲是用預(yù)張力繞上的，經(jīng)長(zhǎng)期存儲(chǔ)后，柵絲張力逐漸消失、柵絲緩慢松馳，使極點(diǎn)之間的細(xì)微距離進(jìn)一步降低，并導(dǎo)致器件的電特性的離散。綜上所述，真空電子器件必須解決長(zhǎng)期存儲(chǔ)的可靠性，延長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命，提高存儲(chǔ)可靠性的問(wèn)題。這是一個(gè)技術(shù)難度大、投資大的研究領(lǐng)域。這也是一項(xiàng)重大國(guó)防工程亟待解決的技術(shù)難題。

3非工作可靠性分析

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)采集與分析，我們得到如下結(jié)果，真空電子器件失效的唯一原因是來(lái)自于其內(nèi)部組件的真空度降低。而在真空電子器件的正常真空度應(yīng)優(yōu)于1×10^-6Pa。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)表明，真空電子器件在存儲(chǔ)過(guò)程中最有可能的失效機(jī)理是氣體泄漏或滲透，即管內(nèi)部氣體的釋放和管殼處的泄漏，導(dǎo)致管子真空度下降。隨著管子制造工藝的改進(jìn)，管子外殼泄漏得到有效控制。真空電子器件非工作存儲(chǔ)過(guò)程中真空度下降的主要原因是管子內(nèi)部的漏氣。真空電子器件由于氣體泄漏和氣體釋放的失效率在偶然失效期內(nèi)應(yīng)為常數(shù)，分布應(yīng)呈指數(shù)分布。當(dāng)真空電子器件進(jìn)入正常存儲(chǔ)過(guò)程中時(shí)，故障率以正態(tài)分布的形式存在的。

器件內(nèi)真空度是影響真空電子器件質(zhì)量可靠性的關(guān)鍵因素之一。由于管內(nèi)真空度下降，管內(nèi)氣體可能會(huì)在管子啟動(dòng)時(shí)引起管子內(nèi)部打火。管內(nèi)氣體的增多導(dǎo)致陰極中毒，導(dǎo)致陰極發(fā)射性能下降，管內(nèi)特性差異；管內(nèi)氣體電離導(dǎo)致管子異常工作等，導(dǎo)致管子無(wú)法正常工作，即管子失效。

管內(nèi)真空度的測(cè)量是真空電子器件存儲(chǔ)和使用過(guò)程中的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法。這對(duì)于分析和掌握真空管的性能，特別是對(duì)長(zhǎng)期存儲(chǔ)的真空電子器件壽命的研究具有重要意義。近十年來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和真空設(shè)備制造工藝的進(jìn)步，在電子管時(shí)代，我們不可能用密封的真空管來(lái)測(cè)量這些電子。真空測(cè)量技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)對(duì)于研究、開(kāi)發(fā)階段和生產(chǎn)中具有重大的意義，越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。

電子真空器件非工作狀態(tài)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)壽命評(píng)估與預(yù)測(cè)技術(shù)研究真空度的測(cè)量工作是影響真空器件貯存壽命的最重要因素。如何測(cè)量管子內(nèi)部的真空度是研究的關(guān)鍵。為了建立一個(gè)由電真空管內(nèi)部裝置組成的電離計(jì)，必須充分了解真空管的工作原理、結(jié)構(gòu)、各電極的功能以及管子的工作條件和環(huán)境，特別是測(cè)量的方法和手段。由于管子的特殊性，如電極的散射參數(shù)、電極表面狀態(tài)的變化、陰極發(fā)射性能的衰減以及復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程等因素的影響。測(cè)量各種管材、管材類型、結(jié)構(gòu)型式都不一樣。

結(jié)束語(yǔ)

真空電子器件是現(xiàn)代電子設(shè)備中的主要器件，隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的功能性、復(fù)雜性等特性日益增加，對(duì)真空電子器件的工作和非工作可靠性要求越來(lái)越嚴(yán)。造成真空電子器件失效的因素很多，但在非工作狀態(tài)下，長(zhǎng)期存儲(chǔ)真空電子器件最容易產(chǎn)生的是管內(nèi)壓力升高。當(dāng)管內(nèi)的壓力持續(xù)上升至臨界點(diǎn)（即真空度降低至臨界值），真空電子器件便失去了它的用途，成為不合格品。因此，可以通過(guò)測(cè)量管內(nèi)的真空度來(lái)確定真空器件失效曲線。通過(guò)測(cè)量管內(nèi)真空度，建立了真空電子器件貯存壽命的理論模型。某些用途的器件的工作期時(shí)間雖然比較短暫，但對(duì)器件的整個(gè)存儲(chǔ)壽命有著較高的要求，長(zhǎng)期存儲(chǔ)后使用應(yīng)能正常工作。因此，對(duì)這些器件的非工作狀態(tài)的壽命失效分析研究有著比較好的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

（作者單位：南京三樂(lè)集團(tuán)有限公司）