張俊，杜波，徐園園，劉洋宏，曾小珊

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060）

薄膜體聲波濾波器是一種利用壓電效應(yīng)通過聲學(xué)諧振實(shí)現(xiàn)電學(xué)選頻的器件。具有工作頻段寬、體積小、品質(zhì)因數(shù)高、帶外抑制好、功率容量大、溫度穩(wěn)定性好以及集成性高等特點(diǎn)，是通信、導(dǎo)航等電子通訊設(shè)備中的關(guān)鍵器件，可廣泛應(yīng)用于航天、航空與艦船等國防重點(diǎn)型號工程中。

自1999 年美國安捷倫公司的Ruby[1]等人首次研發(fā)成功以來，該技術(shù)得到廣泛的推廣和應(yīng)用，德國和日本先后研發(fā)成功。近幾年，隨著科研項(xiàng)目的推進(jìn)和工程經(jīng)驗(yàn)的累積，中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所和天津大學(xué)等科研院所也先后成功研制出薄膜體聲波濾波器，并陸續(xù)應(yīng)用于各類工程型號和產(chǎn)品系統(tǒng)中。由于其設(shè)計難度大、工藝鏈長且復(fù)雜性高等現(xiàn)狀，導(dǎo)致目前其可靠性還有較大的提升空間。實(shí)際工程應(yīng)用中，某些濾波器（如XXX1001 型薄膜體聲波濾波器）的失效也時有發(fā)生，極大地影響了配套型號工程的開發(fā)進(jìn)度。為了滿足工程應(yīng)用要求，必須對濾波器的可靠性進(jìn)行評估，為其工程應(yīng)用和后續(xù)設(shè)計、工藝改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

目前國內(nèi)還未見到該類濾波器可靠性評估的報道，胡瑛等[2]采用統(tǒng)計分析的方法確定了聲表面波濾波器的失效分布，劉良芳等人[3]曾采用經(jīng)典統(tǒng)計法對聲表面波濾波器長期可靠性進(jìn)行過工程化的評估。由于薄膜體聲波濾波器和聲表面波濾波器設(shè)計和工藝有一定的差異，同時薄膜體聲波濾波器的應(yīng)用和失效數(shù)據(jù)量稍顯不足，采用以上類似方法難以準(zhǔn)確評估出該類濾波器的可靠性。為此文中提出采用加速壽命評估技術(shù)[4-5]對該類濾波器（以XXX1001 型薄膜體聲波濾波器為評估對象）進(jìn)行可靠性評估，通過采用敏感應(yīng)力加速的方式加快XXX1001 型薄膜體聲波濾波器壽命表征指標(biāo)的退化。根據(jù)退化數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)加速模型，建立加速狀態(tài)下濾波器的可靠性壽命方程式，通過多個加速狀態(tài)（根據(jù)加速模型未知參數(shù)確定）下的壽命方程解算加速模型參數(shù)。最后通過加速模型評估XXX1001 型薄膜體聲波濾波器的可靠性壽命參數(shù)。

1 方法與試驗(yàn)實(shí)施

1.1 失效模式和相應(yīng)機(jī)理分析

為了明確XXX1001 型薄膜體聲波濾波器的失效模式和失效機(jī)理，必須對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能分析，確定該型濾波器的工作原理以及選用的主要材料等。結(jié)合典型應(yīng)用環(huán)境下主要組成部分和材料的故障概率，通過FTA 方法確定該型濾波器失效模式和失效機(jī)理。

XXX1001 型薄膜體聲波濾波器主要由頂電極、底電極、壓電薄膜和支撐襯底等構(gòu)成的薄膜體聲波諧振器組成[6]，如圖1 所示。其中頂、底電極進(jìn)行電信號傳輸，而壓電薄膜進(jìn)行電聲信號轉(zhuǎn)換。在航天、航空應(yīng)用環(huán)境下，針對該型濾波器功能結(jié)構(gòu)開展FTA分析，以其失效為頂事件，建立故障樹分析圖，如圖2 所示。

圖1 XXX1001 型薄膜體生波濾波器用諧振器結(jié)構(gòu)

圖1 XXX1001 型薄膜體聲波濾波器故障樹

根據(jù)圖2 中故障樹分析可知，該型濾波器在航天、航空環(huán)境中可能發(fā)生的主要失效模式包括插入損耗增大、無輸出以及中心頻率漂移等三種主要模式。其中插入損耗增大的失效機(jī)理主要有壓電薄膜層變形（包括塌陷或膨脹等）、頂電極或底電極電連接不良以及壓電薄膜破損等；無輸出的失效機(jī)理主要為頂電極或底電極脫落、壓電材料破損等；中心頻率漂移的失效機(jī)理主要為壓電薄膜材料變形、電極接觸不良。由于器件工藝復(fù)雜，尤其是壓電薄膜和電極生長工藝，其可靠性和穩(wěn)定性有待加強(qiáng)，因此從成因上可知，濾波器插入損耗增大為主要失效模式。結(jié)合2016—2018 年該類濾波器失效情況（試驗(yàn)、測試以及使用）統(tǒng)計分析，進(jìn)一步明確該型濾波器的主要失效模式為插入損耗增大，無輸出和中心頻率漂移占比較低。

1.2 壽命表征指標(biāo)和相應(yīng)敏感應(yīng)力確定

XXX1001 型薄膜體聲波濾波器在航天、航空應(yīng)用環(huán)境下的主要失效模式為插入損耗增大，該失效將直接導(dǎo)致濾波器插入損耗超出標(biāo)稱值，引起器件電學(xué)信號濾出性能下降，無法正常工作。因此工程上可將插入損耗指標(biāo)作為該型濾波器的壽命表征指標(biāo)，即當(dāng)濾波器的插入損耗在使用或者試驗(yàn)時超出技術(shù)規(guī)格要求上限時，視為該型濾波器失效。

根據(jù)該型濾波器插入損耗增大時的環(huán)境影響分析[7]，結(jié)合器件主要組成部分、材料與工藝分析可以確定其相應(yīng)敏感應(yīng)力。XXX1001 型薄膜體聲波濾波器在航天、航空應(yīng)用期間，主要?dú)v經(jīng)振動、溫度、低氣壓、沖擊以及濕度影響。結(jié)合該型濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與選用材料，確定其主要的環(huán)境效應(yīng)見表1。

表1 典型應(yīng)用環(huán)境的主要效應(yīng)分析

XXX1001 薄膜體聲波濾波器采用的原材料主要包括硅片鋁靶[8]、金絲等。由第1.1 節(jié)可知，該型濾波器的主要失效模式為插入損耗增大。由于該型濾波器為陶瓷封裝，工作時低氣壓和濕度等影響相對較弱。結(jié)合表1 中該型濾波器典型應(yīng)用下環(huán)境效應(yīng)分析，其主要失效應(yīng)力為溫度，主要失效模式為膜層變形或頂、底電極電連接不良引起的插入損耗增大。膜層變形的主要失效應(yīng)力為溫度，主要失效機(jī)理為溫度應(yīng)力引起的壓電薄膜材料變形、電極和薄膜熱不匹配導(dǎo)致的電連接不良。

1.3 加速壽命試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù) 1.1、1.2 節(jié)中的研究結(jié)果，可以確定XXX1001 型薄膜體聲波濾波器在典型應(yīng)用環(huán)境（航天、航空）下主要失效模式為插入損耗增大，工程上可視插入損耗為壽命表征指標(biāo)，相應(yīng)敏感應(yīng)力為溫度應(yīng)力。

在溫度應(yīng)力（規(guī)定溫度范圍-55~125 ℃）作用下，該型濾波器由于材料或者工藝質(zhì)量穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致其熱不匹配引起的膨脹或收縮影響增大，引起插入損耗增大，超出技術(shù)規(guī)格（≤1.5 dB），導(dǎo)致器件失效。該過程中器件的失效機(jī)理是一致的，符合加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的理論要求。同時，根據(jù)中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所的劉良芳、張俊等人[3]關(guān)于聲表面波濾波器長期使用失效率統(tǒng)計分析研究可知，無源濾波器的壽命分布一般服從于指數(shù)分布，因此在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，器件的壽命分布是統(tǒng)一的。

根據(jù)以上分析，可以采用單應(yīng)力（溫度）步進(jìn)加速壽命[9]的試驗(yàn)技術(shù)開展該型濾波器待評估壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。結(jié)合XXX1001 型薄膜體聲波濾波器技術(shù)規(guī)范要求以及可靠性摸底試驗(yàn)確定加速壽命試驗(yàn)條件。主要包括試驗(yàn)分組、起始條件、終止條件、應(yīng)力強(qiáng)度變化以及各階段保溫時間等，以便試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^短時間內(nèi)，保持失效機(jī)理的基礎(chǔ)上完成既定的試驗(yàn)效果。

為了盡可能準(zhǔn)確高效且不改變失效機(jī)理地加速該型濾波器在各溫度應(yīng)力條件下的退化，獲取濾波器相應(yīng)應(yīng)力條件下的可靠性壽命，針對少量（3 只）濾波器開展溫度摸底試驗(yàn)來確定濾波器合適的加速試驗(yàn)溫度應(yīng)力。根據(jù)摸底試驗(yàn)（高溫極限為165 ℃，低溫極限為-70 ℃）結(jié)果，確定在90、120、150 ℃三個溫度應(yīng)力下進(jìn)行加速試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)度和摸底時的退化量，試驗(yàn)時間定為240 h。根據(jù)質(zhì)量一致性水平和試驗(yàn)成本，試驗(yàn)樣品數(shù)每組確定為10 只。

2 結(jié)果與分析

按照1.3 要求，將篩選合格的30 只XXX1001 型薄膜體聲波濾波器進(jìn)行電性能測試后分別進(jìn)行3 組加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)后進(jìn)行電性能檢測，30 只濾波器全部均未發(fā)生失效。其插入損耗指標(biāo)見表2。

表2 加速壽命試驗(yàn)前后濾波器插入損耗對比 dB

分別對比3 組試驗(yàn)樣品試驗(yàn)前后的插入損耗指標(biāo)，除了6 號、7 號、30 號樣品外，均符合濾波器在高溫加速試驗(yàn)條件下，性能參數(shù)退化的趨勢。6 號、7 號、30 號樣品的插入損耗性能變好的主要原因?yàn)椋簜€別壓電類器件的相關(guān)性能因電老練試驗(yàn)不足未達(dá)最佳，而此時的高溫加速起到了一定老練的作用。因此可以根據(jù)濾波器試驗(yàn)前后壽命表征指標(biāo)的均值，結(jié)合試驗(yàn)時間與技術(shù)規(guī)格要求（1.5 dB），利用線性外推[10]評估出3 組加速試驗(yàn)對應(yīng)應(yīng)力條件下的平均壽命，平均壽命t1、t2、t3分別為9840、1616、960 h。

根據(jù)開展加速試驗(yàn)的應(yīng)力類型，可采用阿倫尼斯模型[11]來描述該加速壽命試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)關(guān)系：

式中：t 為平均壽命指標(biāo)；A 為模型參數(shù)；E 為激活能；k 為波爾茲曼常數(shù)；T 為熱力學(xué)溫度。

對阿倫尼斯模型進(jìn)行對數(shù)變換可得：

式中：a、b 為模型參數(shù)。

三組試驗(yàn)溫度和確定的平均壽命見表3。

表3 試驗(yàn)溫度和平均壽命對應(yīng)表

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，畫出散點(diǎn)圖，并根據(jù)最小二乘法[12]得出相應(yīng)的模型參數(shù)a=-7.5817，b=6027.9。即可得加速壽命方程為：

取濾波器待評估工作溫度為40 ℃時，即T=313 K時，代入式（3）可得該型濾波器在40 ℃工作時的平均壽命為117 803 h。

3 結(jié)語

采用對器件進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)評估的思路，根據(jù)器件FTA 分析確定的主要失效模式和失效機(jī)理，結(jié)合環(huán)境影響分析，明確器件的壽命表征指標(biāo)以及對應(yīng)的敏感應(yīng)力，確定加速壽命方法和加速模型。結(jié)合器件可靠性摸底試驗(yàn)，確定可行的加速壽命試驗(yàn)方案，為工程化評估XXX1001 型薄膜體聲波濾波器提供了可行的技術(shù)方案。該方法程序較為簡單，實(shí)施方便，采用樣本少，成本低。通過該方法評估了XXX1001 型薄膜體聲波濾波器的壽命參數(shù)，為該型濾波器的應(yīng)用和改進(jìn)提供了技術(shù)支撐，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值，同時可為同等類型濾波器可靠性壽命評估提供技術(shù)參考。