王文平，王向暉，張慶君，董 杰，尚 山，田 巍

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094； 2.航天長征火箭技術(shù)有限公司，北京 100076）

0 引言

當前我國航天器的研制正在經(jīng)歷由單星科研試驗到多星組網(wǎng)裝備應用模式的重大轉(zhuǎn)型過程，航天型號單機產(chǎn)品在技術(shù)功能、性能，以及研制規(guī)模、數(shù)量等方面都有較大幅度提升，產(chǎn)品研制周期越來越短，對單機產(chǎn)品高可靠和長壽命的需求也愈加迫切，需要開展相應的高效試驗技術(shù)研究工作。在可靠性試驗方面，必須研究能夠縮短試驗時間、快速評價產(chǎn)品可靠性水平的新方法，才能滿足型號研制對產(chǎn)品壽命和可靠性不斷提升的需求[1]。

加速壽命試驗（accelerated life testing,ALT）通過采取逐步遞進的方法，使被試產(chǎn)品在預定的時間內(nèi)經(jīng)受越來越高量級的溫度、振動和電壓（流）等方面的應力，以便通過試驗找出產(chǎn)品的固有設(shè)計缺陷或者薄弱環(huán)節(jié)，并有針對性地進行完善改進。作為可靠性試驗領(lǐng)域最重要的研究內(nèi)容之一，加速壽命試驗技術(shù)能夠快速評估有高可靠、長壽命需求的產(chǎn)品的可靠性水平，并最終確定產(chǎn)品極限耐受力，已經(jīng)在航天、航空和武器電子等領(lǐng)域得到較為廣泛的應用[2-5]。

加速壽命試驗技術(shù)力求在保持產(chǎn)品失效機理不變的前提下，在相對較短的時間內(nèi)獲得電子產(chǎn)品的失效模式、產(chǎn)品壽命與試驗應力關(guān)系的信息，從而可節(jié)約大量地面試驗時間，提高產(chǎn)品研制效率[6-7]。對于星載電子產(chǎn)品，采用溫度應力進行加速試驗是一種效率較高、操作便捷且在航天型號研制中較常使用的長壽命加速試驗方法。

高分辨率對地觀測衛(wèi)星“高分三號”作為我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星，是首顆設(shè)計壽命長達8年的低軌遙感衛(wèi)星[8-9]。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理單元（data processing unit,DPU）產(chǎn)品研制中，如果直接對衛(wèi)星DPU開展長壽命試驗，存在試驗周期過長問題。本文在總結(jié)大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用航天電子產(chǎn)品壽命與空間溫度之間的關(guān)系，以空間環(huán)境溫度作為恒定的加速變量建立基于阿倫尼斯（Arrhenius）模型的電子產(chǎn)品壽命加速試驗模型，旨在反映航天電子產(chǎn)品在環(huán)境溫度影響下的老化特性[10]，并探索采用該加速壽命試驗技術(shù)來驗證DPU產(chǎn)品在軌壽命的方法，為DPU壽命的快速評估提供切實可行的解決方案。

1 加速壽命試驗

1.1 試驗方法

“高分三號”衛(wèi)星的DPU使用了集成電路、電阻、電容、二極管、MOS管、熔斷器、連接器等電子元器件。已在驗收試驗中剔除了電子元件的早期失效和物理加工缺陷，因此累積應力造成的電路短路、斷路和元器件失效是引起設(shè)備失效的主要原因。

根據(jù)研究分析結(jié)果，影響DPU壽命的主要因素是所用元器件的結(jié)溫，而8年壽命末期電路的老化、參數(shù)漂移以及整星熱控條件的變化，可能會對元器件結(jié)溫造成一定影響。同時，結(jié)溫的變化不是孤立的，與元器件所處的電路環(huán)境、工作頻率等實際狀態(tài)有關(guān)，比如設(shè)備采用的DSP和FPGA在全壽命周期內(nèi)均處于運行狀態(tài)，而控制加/斷電的接口電路在正常情況下一般不工作。由于溫度應力對電路有累積效應，可能造成元器件提前失效，而一旦元器件出現(xiàn)故障就會影響DPU的壽命。

目前，國內(nèi)外開展高溫加速壽命試驗有3種方法：1）多應力法評估試驗法；2）可靠性預計驗證試驗法；3）激活能預估驗證試驗法。本文采用激活能預估驗證試驗法，開展了基于Arrhenius模型的加速壽命試驗，通過控制環(huán)境條件，使用溫度作為加速變量完成DPU的壽命驗證。

1.2 試驗配置

加速壽命試驗在滿足溫度范圍要求的高溫試驗箱中進行。DPU加速壽命試驗的參試設(shè)備包括：

1）DPU：1臺，包含DSP軟件和FPGA軟件；

2）地檢設(shè)備：地面檢測儀（含計算機、檢測軟件和配套電纜）；

3）直流穩(wěn)壓電源：2臺（或1臺雙路輸出），輸出 0～32 V、0～3 A。

DPU及試驗測試設(shè)備連接關(guān)系見圖1。

圖1 DPU 及試驗測試設(shè)備連接關(guān)系圖Fig.1 DPU and test equipment connection relationship

1.3 試驗條件

1.3.1 試驗溫度

DPU的工作溫度為-15～50 ℃，結(jié)合衛(wèi)星在軌的實際工作溫度，將該單機的使用溫度TU定為50 ℃（323 K）；為避免改變設(shè)備失效模式，取加速溫度TA為 80 ℃（353 K）。

1.3.2 試驗時間

根據(jù)Arrhenius模型，DPU壽命試驗的加速因子AF（即設(shè)備在工作溫度下壽命與在加速溫度下壽命的比值）的計算公式為

式中：EA為激活能；k為玻耳茲曼常量（8.623×10–5eV/K）。

激活能的預估主要依據(jù)航天型號工程經(jīng)驗提出。根據(jù)ESA標準ECSS-Q-30-1(2002)給出的典型激活能值，半導體器件中砷化鎵的激活能為1.4 eV，硅的激活能為1.1 eV?？紤]到衛(wèi)星DPU內(nèi)部元器件集成度較高，生產(chǎn)工藝較復雜，本試驗選取的激活能值為1.0 eV。因此，計算得到

由此可知，星載DPU完成8年壽命試驗需要進行的加速試驗時間為t=8×365×24÷21.143≈3315 h。即，若DPU在3315 h的試驗過程中未出現(xiàn)功能和性能等方面的問題，就認為其能夠滿足型號8年工作壽命的要求。

1.3.3 試驗剖面

DPU加速壽命試驗剖面見圖2。

圖2 DPU 加速壽命試驗剖面圖Fig.2 The map of DPU accelerated life test

1）試驗壓力：常壓；

2）試驗溫度：80～82 ℃；

3）開始和結(jié)束階段的平均變溫速率：3～5 ℃/min；

4）連續(xù)試驗時間：3315 h。

1.4 試驗判據(jù)及過程處理

1.4.1 試驗故障判據(jù)

若試驗過程中出現(xiàn)以下1種或多種現(xiàn)象，則判定為故障：

1）穩(wěn)態(tài)工作功耗偏離正常值10%以上；

2）模擬遙測數(shù)據(jù)異常；

3）1553B總線遙測異常；

4）出現(xiàn)誤指令。

1.4.2 處理原則

1）試驗中出現(xiàn)故障應及時報告，并做好故障現(xiàn)象的詳細記錄；

2）檢測設(shè)備故障應首先中斷試驗，待檢測設(shè)備故障排除后再繼續(xù)進行試驗，故障前后試驗時間累加；

3）試驗件產(chǎn)品出現(xiàn)故障應中斷試驗，在查明故障原因并采取改進措施后再繼續(xù)進行試驗，故障前后試驗時間累加；

4）試驗過程允許中斷，但當2次中斷間隔期間設(shè)備工作時間少于4 h時，中斷間隔期間的試驗時間無效。

1.4.3 壽命有效的判定準則

1）壽命試驗末期，產(chǎn)品的對外指令和數(shù)據(jù)接口性能滿足技術(shù)要求。包括數(shù)傳通道LVDS接口、一次電源接口、遙控接口、測控通道1553B總線接口。

2）壽命試驗末期，產(chǎn)品的各項功能正常。包括：衛(wèi)星星務(wù)數(shù)據(jù)的記錄、回放和擦除；衛(wèi)星重要數(shù)據(jù)的記錄、回放和擦除；衛(wèi)星星務(wù)數(shù)據(jù)的實時處理。

3）模擬遙測接口異常僅作為一種故障模式，不作為壽命判據(jù)，但該故障僅限于模擬遙測接口電路的硬件故障，并且不能影響設(shè)備主要功能和性能指標。

4）壽命試驗期間暴露的軟件設(shè)計缺陷不作為壽命判據(jù)。

5）壽命試驗末期，F(xiàn)LASH芯片的壞塊數(shù)量超過3276塊（芯片總塊數(shù)為32768塊，壞塊數(shù)達到3276塊時，有效容量為 3.6 GByte），則判定該產(chǎn)品不能滿足8年壽命。

2 試驗結(jié)果

對DPU在加速壽命試驗前、后分別進行詳細全面的功能和性能測試，在加速壽命試驗期間每天進行1次主要的功能和性能測試，測試情況記錄參見表1。

表1 DPU 加速壽命試驗功能和性能測試情況Table 1 Test results for functions and performances of DPU in ALT

試驗過程中，產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)工作功耗偏離正常值＜10%，模擬遙測數(shù)據(jù)正常，1553B總線遙測正常，并且沒有出現(xiàn)誤指令。鑒定件在鑒定試驗期間和加速壽命試驗后，數(shù)傳通道LVDS接口、一次電源接口、遙控接口、測控通道1553B總線接口工作正常，遙測數(shù)據(jù)的記錄、回放和擦除，以及星務(wù)數(shù)據(jù)實時處理功能正常。試驗期間，產(chǎn)品沒有發(fā)生故障，F(xiàn)LASH存儲芯片的壞塊沒有增加。

結(jié)果表明，DPU鑒定件在加速壽命試驗過程中及試驗后，各項功能和性能指標滿足技術(shù)要求。說明衛(wèi)星DPU產(chǎn)品通過了壽命試驗的驗證考核，滿足型號對于高可靠和長壽命的工作要求。

3 在軌運行情況

“高分三號”衛(wèi)星于2016年8月10日從太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，屬于典型的新一代SAR衛(wèi)星，設(shè)計在軌壽命長達8年，能夠全天候、全天時實現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測。目前，經(jīng)過地面加速壽命試驗驗證的DPU在軌工作穩(wěn)定。該衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌穩(wěn)定運行為我國未來高性能SAR衛(wèi)星的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)[11]。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)加速壽命試驗原理，采用激活能預估驗證試驗法，基于Arrhenius模型，使用溫度作為加速變量，開展了“高分三號”衛(wèi)星DPU的地面加速壽命試驗；并對加速壽命試驗模型的試驗方法、環(huán)境、條件和試驗判據(jù)、試驗結(jié)果進行了詳細說明。地面試驗結(jié)果表明DPU通過了加速壽命試驗的考核，應能滿足衛(wèi)星8年長壽命設(shè)計的指標要求。當前，衛(wèi)星DPU在軌穩(wěn)定運行接近2年。

加速壽命試驗技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)用較低的成本快速預估產(chǎn)品的可靠性，可應用于高可靠、長壽命航天電子、電氣和機電組件的研制，在未來航天產(chǎn)品研制中具有廣闊的應用前景[12-13]。

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