龔小維

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引言

可靠性增長試驗(yàn)的目的是暴露電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷、確定產(chǎn)品的故障模式[1]，并通過設(shè)計(jì)改進(jìn)措施來防止故障再現(xiàn)、提高產(chǎn)品的可靠性，從而使產(chǎn)品的可靠性得以增長并達(dá)到規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求[2]。

某航天飛行器載小型化通信設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)飛行器與中繼衛(wèi)星的前返向通信功能，在研制過程中通過施加綜合加速應(yīng)力來激發(fā)該設(shè)備故障，以改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升其可靠性。該通信設(shè)備可靠性增長試驗(yàn)總周期為55個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)7 h，綜合加速應(yīng)力采用高低溫、濕度、隨機(jī)振動(dòng)和電應(yīng)力的綜合。在進(jìn)行到40個(gè)循環(huán)時(shí)，通信設(shè)備出現(xiàn)信道模塊返向無射頻信號(hào)輸出，前向遙控接收不正常，并且基帶模塊異步串口無狀態(tài)信息輸出的異常現(xiàn)象。通過基于故障樹分析和機(jī)理分析，故障定位于通信設(shè)備中超小型抗振恒溫晶振減振器疲勞損壞致使引出端連接線斷裂，導(dǎo)致通信設(shè)備無基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入從而出現(xiàn)上述故障。

本文對(duì)抗振恒溫晶振的減振原理和損壞機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了提升產(chǎn)品可靠性的目的，對(duì)于提升類似航天電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平具有一定的參考意義。

1 抗振恒溫晶振減振原理

隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，各種高速飛行器對(duì)其使用的電子儀器設(shè)備在振動(dòng)、沖擊和加速度等惡劣環(huán)境下的抗干擾能力提出了越來越高的要求[3]。而對(duì)振動(dòng)極為敏感的晶體振蕩器是各類電子設(shè)備中不可缺少的高穩(wěn)定基準(zhǔn)頻率源，振動(dòng)對(duì)晶振輸出頻率穩(wěn)定度及噪聲的影響已不容忽視[4]。

在振動(dòng)條件下，晶振的電性能特別是相位噪聲會(huì)出現(xiàn)明顯的惡化[5]。該通信設(shè)備中尺寸為25.4 mm×25.4 mm×15 mm的超小型抗振恒溫晶振采用振動(dòng)隔離的方式來實(shí)現(xiàn)減振，在晶振內(nèi)部所使用的隔振材料是不銹鋼鋼絲繩，減振結(jié)構(gòu)采用專門設(shè)計(jì)的多支點(diǎn)固定支架，利用不銹鋼鋼絲繩彎曲形成彈性結(jié)構(gòu)將內(nèi)部晶振電路板懸掛，使傳遞到晶振上的加速度減小。為了避免連接線纜對(duì)減振效果帶來影響，晶振功能引腳與電路板之間采用細(xì)導(dǎo)線連接。

晶振減振結(jié)構(gòu)安裝示意圖如圖1所示。采用了4根等長的不銹鋼鋼絲繩彎曲成彈性結(jié)構(gòu)，以保證減振器各個(gè)方向受力均衡。

圖1 晶體減振裝置安裝示意圖

減振結(jié)構(gòu)中對(duì)被減振的電路板及晶體采用了黃銅材質(zhì)的配重支撐塊，通過對(duì)配重支撐塊及鋼絲繩的匹配設(shè)計(jì)，隔離減弱振動(dòng)量級(jí)。配重塊設(shè)計(jì)質(zhì)量越重，則自諧振頻率可以降得越低，振動(dòng)隔離效果越好，但同時(shí)鋼絲繩在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的位移和承受的應(yīng)力也越大，產(chǎn)品可承受的振動(dòng)量級(jí)也越低。該型晶振綜合考慮指標(biāo)要求和振動(dòng)量級(jí)，設(shè)計(jì)的配重塊質(zhì)量為4.9 g。

對(duì)晶振的減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真分析包括模態(tài)仿真和功率譜密度仿真。振動(dòng)條件按GJB 360B-2009方法214中條件I-B（加速度總均方根值約7.7 g）進(jìn)行分析。

模態(tài)分析的一階仿真結(jié)果如圖2所示，模態(tài)分析的二階仿真結(jié)果如圖3所示。一階頻率為90.95 Hz，二階頻率為91.094 Hz，從仿真結(jié)果中可以看到，晶振受到振動(dòng)后，不銹鋼鋼絲繩帶動(dòng)電路板和配重支撐塊形成平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，形成了有效的機(jī)械減振。自諧振頻率低于100 Hz，遠(yuǎn)離該通信設(shè)備要求的偏離主頻1 kHz位置的噪聲信號(hào)，可以滿足機(jī)械減振設(shè)計(jì)要求。

圖2 模態(tài)一階仿真分析結(jié)果

圖3 模態(tài)二階仿真分析結(jié)果

GJB 360B-2009方法214中條件I-B進(jìn)行的加速度總均方根值仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看到，在振動(dòng)條件下振動(dòng)能量集中在外殼上，傳導(dǎo)到電路板區(qū)域的加速度總均方根值為4.38 g，低于I-B條件7.7 g的加速度總均方根值。1 kHz位置的加速度譜密度由0.04 g2/Hz降低至0.007 g2/Hz，說明該減振結(jié)構(gòu)有明顯的減振效果。從仿真結(jié)果中還看到電路板在振動(dòng)后的最大位移為0.1 mm，而電路板與結(jié)構(gòu)件的最小間隙為2.3 mm，振動(dòng)過程中沒有碰撞外殼的風(fēng)險(xiǎn)。鋼絲繩受到的最大等效應(yīng)力值約為15.81 MPa。

圖4 條件I-B的加速度總均方根值仿真結(jié)果

對(duì)該減振結(jié)構(gòu)的減振效果進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，在GJB 360B-2009方法214中條件I-B振動(dòng)條件下，產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)相位噪聲可以達(dá)到約-140 dBc/Hz＠1 kHz（±3 dB），可滿足該通信設(shè)備動(dòng)態(tài)相位噪聲≤-130 dBc/Hz＠1 kHz的指標(biāo)要求，并有約10 dB的設(shè)計(jì)裕量。

2 減振器損壞機(jī)理分析

該型晶振設(shè)計(jì)時(shí)考慮承受的抗振動(dòng)量級(jí)為GJB 360B-2009方法214條件I-B，加速度譜密度最大值為0.04 g2/Hz，加速度總均方根值約為7.7 g。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)抽取該型產(chǎn)品樣品按此振動(dòng)條件進(jìn)行過X、Y、Z3個(gè)方向共30 h的耐久振動(dòng)摸底，結(jié)果表明，該產(chǎn)品滿足振動(dòng)要求。

該晶振隨整機(jī)進(jìn)行可靠性增長的試驗(yàn)條件如圖5所示，該試驗(yàn)條件為高低溫、振動(dòng)、濕度和電應(yīng)力復(fù)合條件，振動(dòng)加速度譜密度最大值為0.05 g2/Hz，加速度總均方根值約為7.35 g。

圖5 可靠性增長試驗(yàn)單周期剖面示意圖

由于晶振在整機(jī)中安裝位置及固定方式不同，整機(jī)施加振動(dòng)時(shí)，傳遞到晶振上的振動(dòng)量級(jí)通常會(huì)發(fā)生一定的變化。該小型化通信設(shè)備整機(jī)中采用卡箍將晶振和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)板固定，其安裝位置盡量地靠近整機(jī)安裝支耳。通過試驗(yàn)對(duì)整機(jī)中晶振量級(jí)情況進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，振動(dòng)測(cè)試情況如圖6所示。測(cè)試表明傳遞到晶振的振動(dòng)量級(jí)與整機(jī)量級(jí)基本一致，振動(dòng)量級(jí)與GJB 360B-2009方法214條件I-B基本相當(dāng)。

圖6 整機(jī)振動(dòng)量級(jí)摸底測(cè)試

由于可靠性增長試驗(yàn)時(shí)間較長，比晶振驗(yàn)證時(shí)進(jìn)行的耐久摸底試驗(yàn)要求更加嚴(yán)格，在設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否能滿足該可靠性增長試驗(yàn)的要求進(jìn)行全面的評(píng)估和驗(yàn)證。

可靠性增長試驗(yàn)的高濕環(huán)境和溫度變化對(duì)鋼絲繩應(yīng)力影響相對(duì)較弱，鋼絲繩應(yīng)力主要受振動(dòng)影響，當(dāng)器件長時(shí)間處于同一個(gè)方向振動(dòng)時(shí)，將對(duì)鋼絲繩接觸點(diǎn)造成疲勞性損傷，當(dāng)損傷超過一定限度時(shí)會(huì)造成鋼絲繩斷裂。其中一根鋼絲繩斷裂會(huì)瞬間破壞剩余3根鋼絲繩的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致剩余3根鋼絲繩依次斷裂，最終造成內(nèi)部電路板脫落及電連接引線拉裂，晶振出現(xiàn)無輸出故障。故障晶振開蓋后內(nèi)部情況如圖7所示，從圖7中可以看出，晶振內(nèi)部電路板及支撐塊已經(jīng)脫落，引出端連接線斷裂。

圖7 故障晶振開蓋后情況

此次可靠性增長試驗(yàn)時(shí)間較長，一共55個(gè)循環(huán)，在每個(gè)循環(huán)低溫半周與高溫半周分別加振2 h15 min，該晶振在進(jìn)行到40個(gè)循環(huán)時(shí)出現(xiàn)故障，已累計(jì)承受振動(dòng)180 h，減振結(jié)構(gòu)鋼絲繩由于振動(dòng)疲勞出現(xiàn)斷裂，證明該設(shè)計(jì)不能滿足可靠性增長試驗(yàn)的要求，需進(jìn)行改進(jìn)。

3 改進(jìn)措施

通過對(duì)晶振減振原理進(jìn)行分析可知，可以通過增強(qiáng)鋼絲繩的強(qiáng)度或降低配重塊的質(zhì)量的方式來提高減振器的耐振動(dòng)能力。

該晶振采用的是直徑為Ф0.36 mm的7×7不銹鋼鋼絲繩，由于晶振體積很小，如果更改為Ф0.45 mm的鋼絲繩，則硬度較大，減振效果差，且鋼絲繩硬度增大后減振組件的裝配難度很大，故增強(qiáng)鋼絲繩強(qiáng)度的措施不適用。

通過降低配重支撐塊質(zhì)量的方式，可以減小在振動(dòng)時(shí)鋼絲繩產(chǎn)生的位移和承受的應(yīng)力，從而進(jìn)一步地提升晶振的耐振動(dòng)能力。該方式無需對(duì)晶振電路板和配重支撐塊的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行更改，僅對(duì)配重支撐塊的材質(zhì)進(jìn)行更改，將配重支撐塊的材質(zhì)由銅更換為鋁。將配重塊材質(zhì)由銅更換為鋁之后，配重塊的質(zhì)量由4.9 g降低為1.5 g，理論上可明顯地提升產(chǎn)品的耐振動(dòng)能力。為了保證配重支撐塊的可焊性，鋁材質(zhì)配重支撐塊采用與銅材質(zhì)配重支撐塊相同的鍍鎳表面處理。

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)使用鋁材質(zhì)配重塊對(duì)減振器進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)做了仿真分析。

采用solid186單元對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的晶振進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為528 141個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為881 391個(gè)，晶振有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 鋁材料配重塊的加速度總均方根值仿真結(jié)果

通過仿真分析可得，減振器的最小模態(tài)頻率為140.69 Hz，相比采用銅材質(zhì)的90.95 Hz頻率有所升高，但仍然遠(yuǎn)離1 kHz；電路板組件的最大變形為0.064 6 mm（X、Y方向），不會(huì)與其四周結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞；最大加速度RMS為75.623 m/s2，位于底座，與輸入振動(dòng)量級(jí)一致；最大等效應(yīng)力值約為10.53 MPa，相比采用銅材質(zhì)配重塊的15.81 MPa，降低了約1/3。

從各個(gè)方向的PSD響應(yīng)曲線仿真結(jié)果來看，最大共振方向出現(xiàn)在Z方向，共振放大率為3.33；最小減振效率出現(xiàn)在Z方向，對(duì)PCB組件的隔振效率為22.5%，位于鋼絲繩隔振器正常指標(biāo)區(qū)間下限，鋼絲繩結(jié)構(gòu)依然有較好的減振效果，方案可行。

為了驗(yàn)證更改為鋁材質(zhì)的可行性，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)相噪和耐振動(dòng)能力的試驗(yàn)驗(yàn)證。

首先，按GJB 360B-2009方法214中I-B振動(dòng)條件進(jìn)行晶振動(dòng)態(tài)相位噪聲測(cè)試，銅材質(zhì)配重塊和鋁材質(zhì)配重塊測(cè)試結(jié)果分別如圖9、10所示。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，使用鋁材質(zhì)配重塊后，晶振的動(dòng)態(tài)相位噪聲相比采用銅材質(zhì)惡化約5 dB，但仍滿足≤-130 dBc/Hz＠1 kHz的指標(biāo)要求，且有約5 dB的指標(biāo)裕量。

圖9 銅材質(zhì)配重塊動(dòng)態(tài)相噪曲線

采用兩種材質(zhì)配重支撐塊動(dòng)態(tài)相噪測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示，從表1中可以看出，采用鋁材質(zhì)配重塊后，產(chǎn)品動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)出現(xiàn)惡化。

圖10 鋁材質(zhì)配重塊動(dòng)態(tài)相噪曲線

表1 動(dòng)態(tài)相噪測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)

通過晶振動(dòng)態(tài)相噪測(cè)試，使用鋁材質(zhì)配重塊后，在偏離主頻1 kHz處晶振的動(dòng)態(tài)相位噪聲會(huì)惡化約5 dB，由-141 dBc/Hz惡化為-136 dBc/Hz。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)規(guī)范要求，KSA鏈路用戶終端的射頻輸出在偏離載頻1 kHz處要求相噪不大于-70 dBc/Hz。

由指標(biāo)計(jì)算分析可得，當(dāng)100 MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘在偏離主頻1 kHz處、相噪為-136 dBc/Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出30 GHz射頻信號(hào)相噪為：

信道模塊射頻相噪主要由鏈路放大和變頻等環(huán)節(jié)引入，通過對(duì)二本振倍頻信號(hào)相噪測(cè)試得知，在偏離主頻1 kHz處相噪指標(biāo)實(shí)測(cè)值為-82.43 dBc/Hz，扣除插損和儀器本身誤差等因素與指標(biāo)計(jì)算結(jié)果基本吻合。經(jīng)理論和實(shí)測(cè)分析可得，信道模塊相噪指標(biāo)仍有較大的裕量，晶振器件更改后仍能滿足設(shè)備使用要求。

然后，對(duì)比分析兩種材質(zhì)配重塊的耐振動(dòng)性能，對(duì)晶振在加速度總均方根值約24 g條件下進(jìn)行了X、Y、Z3個(gè)方向共3 h的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示：采用銅材質(zhì)配重塊的產(chǎn)品內(nèi)部鋼絲繩斷裂，引出端連接線拉裂；而采用鋁材質(zhì)配重塊的產(chǎn)品工作正常，減振結(jié)構(gòu)未損壞，晶振輸出正常。

為了進(jìn)一步地驗(yàn)證采用鋁材質(zhì)配重塊減振器的可靠性，按整機(jī)可靠性增長試驗(yàn)條件，對(duì)鋁材質(zhì)的晶振進(jìn)行了55+6=61個(gè)循環(huán)的振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶振的輸出情況，晶振在試驗(yàn)過程中輸出正常。完成61個(gè)循環(huán)試驗(yàn)后，按7.35 g量級(jí)的2倍進(jìn)行了24 h振動(dòng)試驗(yàn)，晶振在試驗(yàn)過程中輸出正常。試驗(yàn)后對(duì)晶振進(jìn)行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部減振器結(jié)構(gòu)良好，未發(fā)生損壞，證明采用鋁材質(zhì)配重塊的可靠性滿足要求，試驗(yàn)過程照片如圖11所示。

圖11 振動(dòng)試驗(yàn)過程照片

根據(jù)型號(hào)可靠性增長試驗(yàn)大綱要求，對(duì)采取改正措施后的設(shè)備做2個(gè)循環(huán)的驗(yàn)證試驗(yàn)，確認(rèn)改正措施有效后，除出現(xiàn)故障的第40個(gè)循環(huán)不計(jì)入試驗(yàn)時(shí)間，前39個(gè)試驗(yàn)循環(huán)均計(jì)入試驗(yàn)時(shí)間，然后再補(bǔ)做了剩余15個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。試驗(yàn)均順利通過，說明該設(shè)備已滿足本階段的可靠性指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了某航天飛行器載小型化通信設(shè)備在可靠性增長試驗(yàn)中暴露出的晶振失效故障，通過有效措施進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)并最終提高了航天產(chǎn)品的固有可靠性。本案例分析對(duì)于提高類似航天電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平具有一定的參考意義。