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        衛(wèi)星電子組件高加速壽命試驗(yàn)技術(shù)

        2011-06-08 05:04:34郭秀才馮偉泉鄭會(huì)明楊力坡李樹鵬馬騰飛
        航天器環(huán)境工程 2011年5期
        關(guān)鍵詞:故障產(chǎn)品

        郭秀才,馮偉泉,鄭會(huì)明,楊力坡,李樹鵬,馬騰飛

        (北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094)

        0 引言

        近年來,國(guó)外廣泛采用高加速壽命試驗(yàn)(HALT)來提高產(chǎn)品的固有可靠性,實(shí)際上,這是一種向產(chǎn)品施加超過其設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力的一種過應(yīng)力試驗(yàn)。它在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷方面,可以從傳統(tǒng)試驗(yàn)的幾周或幾個(gè)月縮短至幾天甚至幾小時(shí)[1],能夠暴露產(chǎn)品在該應(yīng)力下的幾乎所有故障,從而大大縮短研制周期、生產(chǎn)周期并降低成本。

        目前,國(guó)內(nèi)航天系統(tǒng)還沒有在產(chǎn)品研制上開展HALT。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法由于時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、效果差等問題,已無法滿足衛(wèi)星研制的要求,因此,HALT是可靠性試驗(yàn)發(fā)展的必然趨勢(shì),是提高衛(wèi)星組件質(zhì)量和可靠性的有效手段。

        本文闡述了HALT的基本內(nèi)容,在衛(wèi)星典型電子組件上進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并得到如何在衛(wèi)星組件上實(shí)施HALT的方法。

        1 溫度高加速壽命試驗(yàn)的原理

        外界應(yīng)力作用下,產(chǎn)品內(nèi)部缺陷處所產(chǎn)生的應(yīng)力比完好處的應(yīng)力大得多且集中,可迅速累積起疲勞損傷,使缺陷擴(kuò)展,并能方便地檢測(cè)出來,而完好部分則基本不受影響[2]。通常,電子組件的熱失效機(jī)理主要是元器件在高溫下性能退化或損壞,是溫度交變導(dǎo)致熱疲勞,熱應(yīng)力和熱疲勞造成了元器件的物理?yè)p傷。

        根據(jù)基本加速模型——米勒(Miner)模型,熱膨脹導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。以溫度變化速率和循環(huán)次數(shù)(篩選總時(shí)間)的關(guān)系為例,當(dāng)溫度變化速率為5 /min℃時(shí),需循環(huán)440次;溫度變化速率為40 /min℃時(shí),僅需循環(huán)1次[2]。

        2 試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

        2.1 HALT剖面應(yīng)力設(shè)計(jì)范圍[3]

        應(yīng)力設(shè)計(jì)范圍見圖1。

        圖1 剖面應(yīng)力設(shè)計(jì)范圍Fig.1 Design range for profile stress

        圖中:規(guī)范限為規(guī)定的產(chǎn)品工作應(yīng)力限(使用環(huán)境);設(shè)計(jì)限為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)力限,在該限內(nèi)產(chǎn)品可正常工作;工作限為產(chǎn)品實(shí)際工作應(yīng)力限,在該限內(nèi)產(chǎn)品可正常工作;生存限為產(chǎn)品生存應(yīng)力限,在該限內(nèi)產(chǎn)品仍可工作,但性能已不正常,應(yīng)力值降低到工作限時(shí)仍可正常工作;破壞限為產(chǎn)品破壞應(yīng)力限,在該限內(nèi)產(chǎn)品工作不正常,超過該限則無論應(yīng)力如何降低,產(chǎn)品都不能正常工作。

        2.2 試驗(yàn)剖面應(yīng)力設(shè)計(jì)

        HALT所用的應(yīng)力并不是產(chǎn)品壽命期環(huán)境所遇到的應(yīng)力,而是高于產(chǎn)品壽命期的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用中將遇到的最大的應(yīng)力(規(guī)范應(yīng)力)。通常在試驗(yàn)過程中,施加的應(yīng)力可以加大到對(duì)其發(fā)現(xiàn)的缺陷用已有技術(shù)能力(材料、工藝、設(shè)計(jì))無法改進(jìn)為止。根據(jù)剖面應(yīng)力設(shè)計(jì)范圍設(shè)計(jì)HALT剖面,一般有降溫剖面、升溫剖面和溫度擺動(dòng)試驗(yàn)剖面等等。

        3 組件在溫度高加速環(huán)境中的失效分析

        熱應(yīng)力在 HALT中引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)一般分為低溫環(huán)境效應(yīng)、高溫環(huán)境效應(yīng)和變溫效應(yīng)。失效和故障分析是試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié),根據(jù)組件在試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障和問題,對(duì)組件進(jìn)行改進(jìn)和完善,繼續(xù)增加應(yīng)力量值,使組件逐步提高可靠性,成為更健壯的產(chǎn)品。

        4 組件溫度的控制方法

        通常產(chǎn)品的 HALT是控制產(chǎn)品周圍的環(huán)境溫度,而衛(wèi)星組件的HALT應(yīng)以組件本身的溫度為控制點(diǎn),這樣將使衛(wèi)星組件承受更大的熱應(yīng)力和更嚴(yán)酷的考驗(yàn)。

        對(duì)單板或開蓋的組件(其內(nèi)部電路板直接暴露在試驗(yàn)箱空氣中),控制板上的溫度;對(duì)于未開蓋的組件(電路板在組件盒內(nèi)),應(yīng)將控溫傳感器固定在組件遠(yuǎn)離熱源處的安裝角上[4]。

        由于航天產(chǎn)品的特殊性,試件停留時(shí)間的選取原則是:對(duì)單板或開蓋的組件,可以不用溫度保持時(shí)間,停留時(shí)間即為性能測(cè)試時(shí)間;對(duì)未開蓋的組件,通常需要考慮溫度保持時(shí)間,停留時(shí)間為溫度保持時(shí)間和性能測(cè)試時(shí)間之和。

        為確保試驗(yàn)的有效性,進(jìn)行了冷透熱透試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明所有模擬試件在30 min內(nèi)即可冷透熱透。

        5 試驗(yàn)方案

        5.1 試驗(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)使用溫度試驗(yàn)箱,其技術(shù)指標(biāo)為

        1)容積:0.45 m3;

        2)溫度范圍:+180~-150 ℃;

        3)最大升降溫速率:>35 /min℃。

        5.2 試驗(yàn)件

        研究對(duì)象應(yīng)具備典型性和代表性,確保在該產(chǎn)品上適用的高加速試驗(yàn)技術(shù)在其他衛(wèi)星電子產(chǎn)品基本適用。

        選擇衛(wèi)星小型電路盒(尺寸為 180 mm×140 mm×120 mm,重量為3 kg)作為試驗(yàn)試件,電路種類上包括有數(shù)字電路、模擬電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路等,具有星上電子產(chǎn)品的代表性和典型性,所使用的元器件大部分為國(guó)產(chǎn)元器件。試件的地面測(cè)試設(shè)備由信號(hào)源及測(cè)試上位機(jī)、信號(hào)調(diào)理箱和電源等組成。試件的環(huán)境試驗(yàn)溫度為-25~60 ℃;變溫速率為3~5 /min℃。

        5.3 試驗(yàn)技術(shù)要求

        1)試驗(yàn)的順序:首先確定試件的上、下工作限;然后確定其上、下生存限;最后再確定試件的上、下破壞限。

        a.在工作限和生存限確定過程中,先進(jìn)行降溫階段應(yīng)力試驗(yàn)。設(shè)定起始溫度,每次降一個(gè)臺(tái)階溫度,溫度穩(wěn)定后維持一段時(shí)間;變溫和恒溫過程中測(cè)試組件功能,一切正常則將溫度再降一個(gè)臺(tái)階,依此類推直至應(yīng)力達(dá)到要求。在完成低溫應(yīng)力試驗(yàn)后,按照相同程序進(jìn)行高溫應(yīng)力試驗(yàn)。

        b.在破壞限確定過程中,先進(jìn)行升溫階段應(yīng)力試驗(yàn),試驗(yàn)過程同a所述。

        c.確定好極限應(yīng)力溫度值后,在上、下溫度限之間進(jìn)行冷熱擺動(dòng)試驗(yàn),驗(yàn)證組件的上、下應(yīng)力極限溫度值。

        2)溫度步進(jìn)應(yīng)力

        a.起點(diǎn):高溫為30 ℃,低溫為15 ℃。

        b.停留時(shí)間:35 min(小型電路盒屬于未開蓋的試件,其冷透或熱透時(shí)間小于30 min,性能測(cè)試時(shí)間大于5 min)。

        c.變溫速率:試件最大升降溫速率。

        3)在HALT中,為監(jiān)測(cè)小型電路盒的工作狀態(tài),試驗(yàn)中試件一直處于通電狀態(tài),全程對(duì)試件功能進(jìn)行監(jiān)視和性能測(cè)量,且不能只監(jiān)視指示器功能,必須測(cè)量關(guān)鍵性能參數(shù)。

        5.4 試驗(yàn)流程

        試驗(yàn)流程見圖2。

        圖2 試驗(yàn)流程圖Fig.2 Block diagram of test process

        5.5 試驗(yàn)應(yīng)力極限確定步驟

        5.5.1 工作限確定步驟

        小型電路盒工作限確定步驟見表1。

        表1 工作限確定步驟Table 1 Steps for determining the operation limit

        在高低溫工作限步進(jìn)試驗(yàn)完成之后,以最大速率在工作限內(nèi)之間進(jìn)行冷熱擺動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)每次外擴(kuò)溫度10 ℃。

        5.5.2 生存限確定步驟

        小型電路盒生存限確定步驟見表2。

        表2 生存限確定步驟Table 2 Steps for determining the survival limit

        在高低溫生存限步進(jìn)試驗(yàn)完成之后,以最大速率在上下生存限內(nèi)縮一個(gè)步長(zhǎng)之后的溫度范圍之間進(jìn)行冷熱擺動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)每次外擴(kuò)溫度10 ℃。

        5.5.3 破壞限確定步驟

        小型電路盒破壞限確定步驟見表3。

        表3 破壞限確定步驟Table 3 Steps for determining the destruction limit

        考慮到衛(wèi)星電子產(chǎn)品一般在高溫時(shí)被破壞的較多,因此在確定生存限后,首先直接以最大速率升溫到生存限上限溫度,然后根據(jù)上表所述參數(shù)進(jìn)行溫度應(yīng)力施加。

        5.6 試件正常工作判據(jù)

        小型電路盒根據(jù)測(cè)試設(shè)備發(fā)送的控制器指令進(jìn)行相應(yīng)工作,同時(shí)地面測(cè)試設(shè)備通過串口接收小型電路盒工作狀態(tài),并檢測(cè)其輸出的信號(hào)。根據(jù)得到的信息,根據(jù)與控制器指令和預(yù)期值是否一致來判斷小型電路盒是否處于正常工作狀態(tài)。

        根據(jù)試件的組成和功能以及測(cè)試的內(nèi)容和正常值范圍,故障判據(jù)分為主要故障判據(jù)和次要故障判據(jù)。

        5.7 試驗(yàn)終止的依據(jù)

        通常情況下,試驗(yàn)終止的依據(jù)有兩點(diǎn):

        1)溫度達(dá)到了試件的破壞限,試件出現(xiàn)的故障使其主要功能不能正常實(shí)現(xiàn);

        2)試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)有設(shè)備的能力極限而造成試驗(yàn)中斷。

        6 試驗(yàn)過程及結(jié)果

        6.1 試件工作限試驗(yàn)

        進(jìn)行了降溫試驗(yàn)(25~-25 ℃、-25~-45 ℃、-45~-95 ℃和-98~-111 ℃)、升溫試驗(yàn)(25~60 ℃、60~80 ℃、90~119 ℃和119~125 ℃)和擺動(dòng)試驗(yàn)(-25~60 ℃、-45~80 ℃、-75~110 ℃和-111~110 ℃)。

        1)降溫試驗(yàn)(-45~-95℃)

        從-45℃開始,步長(zhǎng)-3 ℃,降溫至-95 ℃,試驗(yàn)曲線見圖3。

        圖3 工作限降溫步進(jìn)試驗(yàn)Fig.3 Temperature step decrease test for operation limit

        2)升溫試驗(yàn)(25~60℃)

        從25 ℃開始,步長(zhǎng)10 ℃,升溫至60 ℃,試驗(yàn)曲線見圖4。

        圖4 工作限升溫步進(jìn)試驗(yàn)Fig.4 Temperature step increase test for operation limit

        3)擺動(dòng)試驗(yàn)(-75~110 ℃)

        從-45 ℃開始,依次經(jīng)過 90 ℃、-55 ℃、100 ℃、-65 ℃、110 ℃和-75 ℃,試件降溫速率 >9 /min℃,升溫速率 >8.5 /min℃,試驗(yàn)曲線見圖5。

        圖5 工作限擺動(dòng)試驗(yàn)Fig.5 Temperature swing test for operation limit

        在確定工作限的步進(jìn)試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)試件的下工作限在低溫-114 ℃,上工作限在高溫113 ℃。在此范圍之外,測(cè)試參數(shù)出現(xiàn)異常,但不影響試件主要功能。在110~-111 ℃的擺動(dòng)試驗(yàn)過程中測(cè)試參數(shù)正常,說明變溫速率對(duì)電路盒性能影響較小。

        6.2 試件生存限和破壞限試驗(yàn)

        進(jìn)行了降溫試驗(yàn)(-114~-140℃)、升溫試驗(yàn)(128~146℃、149~173℃)和循環(huán)試驗(yàn)(-110~110℃、-140~170℃),其中:

        1)降溫試驗(yàn)(-114~-140℃)

        步長(zhǎng)2 ℃,試件升溫14 /min℃,降溫13 /min℃,低溫停留時(shí)間 35 min。如果出現(xiàn)故障,則升溫至-100 ℃;如果連續(xù)10 min內(nèi)無故障,則繼續(xù)下一個(gè)步長(zhǎng)。溫度視為-114 ℃、-100 ℃、-116 ℃、-100 ℃、-118 ℃、-100 ℃……試驗(yàn)曲線見圖6。

        圖6 降溫步進(jìn)試驗(yàn)Fig.6 Temperature step descending test

        2)升溫試驗(yàn)(149~173 ℃)

        步長(zhǎng)3 ℃,停留時(shí)間35 min,試件升溫8 /min℃,降溫12 /min℃。如果出現(xiàn)故障,則降溫至100 ℃,否則繼續(xù)下一個(gè)步長(zhǎng)。溫度依次為149 ℃、100 ℃、152 ℃、100 ℃、155 ℃、100 ℃……試驗(yàn)曲線見圖7。

        圖7 升溫步進(jìn)試驗(yàn)Fig.7 Temperature step ascending test

        3)循環(huán)試驗(yàn)(-140~170 ℃)

        試件升溫8 /min℃,降溫12 /min℃,循環(huán)5次,試驗(yàn)曲線見圖8。

        圖 8 循環(huán)試驗(yàn)Fig.8 Thermal cycling test

        在確定生存限的步進(jìn)試驗(yàn)過程中,在低溫-128 ℃保持15 min后,試件通訊出現(xiàn)中斷,試件功能完全喪失;在高溫173 ℃保持時(shí),試件也出現(xiàn)通訊中斷,試件功能完全喪失。因此確定生存限下限為-128 ℃,生存限上限為173 ℃。

        在確定破壞限的步進(jìn)試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)試件的下破壞限低于-140 ℃,上破壞限高于173 ℃。

        6.3 冷熱交變?cè)囼?yàn)

        在冷熱交變?cè)囼?yàn)中,停留時(shí)間35 min,溫度范圍為-60~100 ℃,試件升溫速率8 /min℃,降溫速率5 /min℃,循環(huán)了264次。試驗(yàn)過程中測(cè)試數(shù)據(jù)正常,說明試件因熱應(yīng)力能夠暴露的潛在缺陷基本排除,已達(dá)故障“浴盆曲線”的底部,進(jìn)入穩(wěn)定期,也驗(yàn)證了米勒模型的正確性。

        根據(jù)試驗(yàn)停止的判據(jù),小型電路盒HALT進(jìn)行到試件溫度高溫為173 ℃、低溫為-140 ℃,已經(jīng)達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)備的溫度極限。

        對(duì)試件因溫度造成的失效和故障進(jìn)行分析是試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié),針對(duì)出現(xiàn)的故障,分析產(chǎn)生的原因,對(duì)試件進(jìn)行改進(jìn)和完善,以提高可靠性。

        7 結(jié)束語(yǔ)

        本文將衛(wèi)星小型電路盒作為典型組件,建立HALT試驗(yàn)?zāi)P?,制定試?yàn)剖面,通過不斷增加試驗(yàn)應(yīng)力的等級(jí),往復(fù)迭代,確定其工作應(yīng)力極限和生存應(yīng)力極限。對(duì)出現(xiàn)的故障和失效機(jī)理進(jìn)行分析研究,找出原因和解決辦法,修改設(shè)計(jì),從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。研究成果可用于衛(wèi)星電子、電氣和機(jī)電組件的研制。

        航天器主要工作在外層空間,有很高的可靠性要求[5],而HALT技術(shù)有助于滿足這種要求。配置專用HALT設(shè)備,特別是使用綜合環(huán)境試驗(yàn)條件,可以大大縮短產(chǎn)品研制周期、迅速投入使用并明顯地降低研制成本;能夠快速得到產(chǎn)品因試驗(yàn)環(huán)境引起的幾乎所有故障模式,從而有針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)以確保在使用中不出故障,達(dá)到衛(wèi)星高可靠、長(zhǎng)壽命的目的。

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