宇航用PB型疊層片式電感器評估試驗及應用建議

張 義，施 威，張紅旗，羅俊波，李秀山

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宇航用PB型疊層片式電感器評估試驗及應用建議

張 義1，施 威2，張紅旗1，羅俊波2，李秀山2

（1. 中國空間技術研究院，北京 100029；2. 深圳振華富電子有限公司，廣東深圳 518109）

為驗證大電流（PB）型疊層片式電感器（MLCI）應用在宇航工程中的可靠性水平及性能參數冗余量，對PB型MLCI進行了熱應力、機械應力、電應力及強化壽命等評估試驗，從而掌握了產品在不同應用條件下性能參數的邊界余量和極限耐受能力等試驗數據。對評估試驗結果進行了分析，得出了電參數所呈現變化趨勢的具體原因。此外，基于評估試驗結果的分析，給出了產品在設計應用時的注意事項和使用指南。

MLCI；評估試驗；極端環境；可靠性；電學特性；應用建議

疊層片式電感器（Multi-Layer Chip Inductor，MLCI）發展于20世紀80年代[1-2]，是電子產品中大量使用的三大無源元件之一，具有體積小、質量輕、磁路閉合、獨石結構、抗電磁干擾、適合表面貼裝等優點，廣泛應用于電子整機中的振蕩、高頻濾波、電源濾波和旁路濾波[3-5]。MLCI其質量和可靠性直接關系到整機產品的可靠性，出現任何一種失效模式都可能會引起整機故障，甚至整個任務的失敗[6]。

宇航元器件評估技術，是針對分析元器件應用中關注的相關功能、性能和可靠性與規范之間要求的裕度和余量，以及在設計、材料或工藝方面的潛在缺陷，采用高加速應力和持續應力的方法以獲得極限能力，評估元器件在熱、力、電等應力作用下可承受的應力極限值和失效模式，綜合評價元器件極限能力的全過程[7]。對于應用環境苛刻、可維修難度高、質量可靠性要求高的元器件而言，宇航元器件評估技術是該類元器件質量保證的重要方法之一。

隨著航天器的密集發射以及對空間環境適應性的不斷提高，電子元器件在航天裝置中的使用越來越頻繁，擔負的任務也越來越重要[8]。目前，文獻對MLCI可靠性的報道大多側重于可靠性失效機理、可靠性測試技術等方面，鮮有報道對MLCI從電應力、溫度應力和機械應力三個方面展開詳細的評估試驗，考察產品在不同應用條件下性能參數的邊界余量和極限耐受能力，并給出產品的使用建議。而MLCI作為航天器配套選用的重要元器件之一，有必要利用宇航元器件評估技術開展一系列評估工作，綜合評價產品的各項極限能力。

大電流型（以下稱PB型）MLCI作為航天型號廣泛選用的一種高可靠性電感器，在評估試驗選型上具有很好的代表性。因此，本文重點選取了PB2012型MLCI作為典型品種，制定了評估試驗方法和要求，對評估試驗后的各項試驗數據進行了統計分析，總結變化趨勢、分析失效原因、合理界定邊界條件。并且，基于試驗結果的分析，給出了PB型MLCI在設計及應用時的指導建議，能夠有效預防應用不當而發生產品失效的風險。

1 MLCI典型結構

MLCI是由交互疊加的鐵氧體和內導體層所組成[9]，其制造主要方法有干法、濕法和干濕法結合工藝[10-11]。PB型MLCI采用濕法制造工藝，鐵氧體材料構成產品基體，銀線圈居中鑲嵌在鐵氧體內部并經一定寬度的引出銀線與端頭銀層相連接，端頭從內到外由燒結的銀層、電鍍的鎳層、錫鉛層構成三層結構，最終構成端面可焊、結構穩定的獨石結構。結構如圖1所示。

圖1 MLCI結構圖

2 評估試驗方法

對PB型MLCI采用步進加速應力和持續加速應力相結合的評估方法，評估試驗項目包括功能性能評估、極限能力評估和壽命強化，評估試驗項目分解圖見圖2所示。

圖2 評估試驗項目分解圖

2.1 產品功能性能評估

產品功能性能評估試驗涉及全參數測試分析和全溫度范圍參數測試分析。其中，全參數測試分析主要針對PB型MLCI特性參數指標的符合性檢測，以期確認待評估樣品的初始狀態。而全溫度范圍參數測試分析主要針對PB型MLCI關鍵應用參數（特性阻抗、直流電阻）在整個工作溫度范圍內（–55~+125℃）的感溫變化情況進行驗證，以確認PB型MLCI關鍵參數指標在全溫度范圍內的變化尺度。

2.2 產品極限能力評估

根據GJB1864A的規定以及航天器用PB型電感器采購規范（航天標準）的要求開展極限能力評估試驗，包含介質耐電壓、過載、溫度沖擊、低溫工作、高頻振動和引出端強度測試。分別從電應力、溫度應力以及機械應力三個方面對PB型MLCI的極限耐受力情況進行考察，以確認產品在不同環境條件下的最大耐受力情況和邊界余量。產品評估試驗方案及性能指標允許偏差范圍分別見表1和表2所示。

2.3 壽命強化試驗

壽命強化試驗包括兩個試驗條件，條件A：試驗時間2500 h，施加額定電流，試驗溫度90 ℃，每隔500 h進行電性能（值、DCR值）測試；條件B：試驗時間1000 h，施加額定電流，試驗溫度125℃，每隔500 h進行電性能（值、DCR值）測試。將溫度作為加速因子，并施加不同的通電時間，以期驗證PB型MLCI在極限高溫環境下的持續工作能力。

3 評估試驗結果與分析

3.1 樣品選取原則

為了使所選取的樣品具備產品系列覆蓋性及可代表性，評估試驗按照產品阻抗值、額定電流值以及內電極結構的不同，分別隨機抽取PB2012型MLCI（宇航級）的四款典型產品作為代表樣品，從產品的功能性能、極限能力和壽命三個方面開展評估考核。

3.2 功能性能試驗結果分析

（1）全參數測試分析

對于PB型MLCI而言，全參數測試分析主要針對其特性參數指標阻抗值和直流電阻DCR值進行檢測，以此確定待評估樣品的初始狀態，測試結果如圖3所示。

表1 產品評估試驗方案

Tab.1 Product evaluation test program

表2 產品||值和DCR值精度要求

Tab.2 Product accuracy requirement of |Z| and DCR

通過對圖3中四款PB型MLCI產品的參數測試結果進行計算分析，四款PB型MLCI的值及DCR值參數批次間一致性較好其中，||值變化率在–12.38%~+8.96%范圍內波動，DCR值變化率在–16.67%~+14.29%范圍內變化。

（2）全溫度范圍參數測試分析

在–55~+125℃溫度范圍內每隔20℃（保溫5 min）進行一次阻抗||值和直流電阻DCR值的測試，計算出產品關鍵電性參數在全溫度范圍內的變化尺度，對產品在整個工作溫度范圍內的感溫變化情況進行驗證，測試結果如圖4所示。

(a)值

(b) DCR值

圖3 四款PB電感器的參數測試結果

Fig.3 The parameters test results of four types of inductors

(a)值極差

(b) DCR值極差

圖4 –55~+125℃范圍內電性參數變化量

Fig.4 The electrical parameter variation at –55~+125℃

從圖4中顯示的數據來看，隨著阻抗值的增加，產品的電性極差值也隨之增大。其中，PB2012-000/2A和PB2012-000/4A這類低阻抗MLCI電性結果表現出良好的溫度穩定性和電性一致性。PB2012-601/1A高阻抗電感器在–55~+125℃溫度范圍內，20只樣品的值極差最大達到112.9 Ω，不到設計值的20%，溫度穩定性表現稍弱于低阻抗產品，而DCR值極差最大只有10.7 mΩ。

一般假設，任一批次合格產品的值與DCR值基本符合正態分布（，2），且平均值在設計值附近。就數值而論，內導線圈數越高，阻抗值越大，即越大，標準差也可能越大，/可衡量電性參數集中程度。

電性參數分布主要依賴于：（1）內線圈結構的設計；（2）材料本身性能集中度；（3）工藝制作的分散水平這三個方面。從兩款低阻抗PB型MLCI的測試結果來看，產品的設計全同，生產也是基于同一種NiCuZn鐵氧體材料制備而成的，實際電特性結果一致性較好，說明產品的生產工藝控制水準比較高。高阻抗的PB型MLCI測試結果的電性一致性相對較差，主要是因為產品內線圈圈數較高和結構設計的復雜性導致產品內部磁路存在一定的差異性，因而產品的電性一致性相對較差。

3.3 極限評估試驗結果分析

（1）介質耐電壓

介質耐電壓試驗結果如圖5所示。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

圖5 介質耐電壓試驗結果

Fig.5 The dielectric withstand voltage test results

從圖5中的試驗結果可以看出，四款產品在650 V及更小的電壓下，漏電流測試值低于標準值100 μA的一半，當耐壓值達到700 V或750 V后，四款PB型MLCI的磁體介質漏電流開始飆升，部分產品開始超過100 μA，達到試驗終止條件。當耐壓值達到700 V時，漏電流超標的產品，表面并無飛弧或燒傷變色，介質結構保持良好，但從后續測試結果反映出產品內部微觀結構此時已經發生了不可逆的變化。

產品的耐電壓能力主要由磁電介質本身的材料參數及宏觀的厚度決定，微觀上銀導體的外沿形貌也對耐壓存在影響，銀燒結時的擴散、銀電極外沿毛邊突起等，都可能降低耐壓水平。四款PB型MLCI產品的原材料設計采用了同一種鐵氧體材料，材料的介電性能即耐受電場強度的能力是恒定的，因此，介質膜厚度是決定介質耐壓值的首要變量，PB型MLCI產品設計膜厚基本相同，因而所有產品漏電流開始飆升（絕緣性能開始劣化）的區間是相同的，均在（700±50）V上下。當電壓超過這一區間后，再恢復低壓進行測試，漏電流水平不能完全恢復，仍高于原狀態5%~20%不等，并且漏電流水平與保壓時間也有關。這說明當電壓超過（700±50）V后，擊穿效果有殘余，產品內部微觀結構變化不可逆。而在（700±50）V以下時，電壓的高低變化不存在殘余效果，產品內部微觀結構變化是可逆的。

（2）過載試驗

過載試驗結果見表3。

表3 過載試驗結果

Tab.3 The overload test results

從表3中的過載試驗結果來看，在試驗條件A和B下，所有產品至少能夠承受3倍以上的額定電流。當電流超過最大電流一個步進值時，產品端頭開始發黑，未發生爆裂現象。

PB型MLCI的內電極銀線是一種良好的熱導體，熱阻系數為0.1 m℃/W，鐵氧體導熱能力介于氧化鋁瓷與云母之間，在5~60 m℃/W，散熱能力略優于云母電容。當產品兩端通過電流時，由于產品尺寸小，導線（熱源）居中而均勻，散熱能力較強，使得MLCI內外溫差保持在較低的水準，MLCI內部的溫度近似于MLCI外表面的溫度。當施加更大的電流時，根據=2，導線單位時間內產生的熱量與電流的關系呈現二次方增加，但是散熱能力與溫度的關系卻為線性關系，當電流增加到一定程度后，MLCI的溫度急劇增加，由于內電極銀和磁體鐵氧體材料的熔點都比錫的熔點高，因此，MLCI的溫度增加時，錫首先發生融化，從而導致錫層發生脫落，導致MLCI產生導電不良的現象。同時，在負載情況下，當溫度超過200℃時，鐵氧體磁性受溫度影響，其磁化強度可能發生劇變，導致產品的功能發生退化。因而在這種高溫或負載高于3倍而散熱環境差的情況下，產品的功能會發生退化。

（3）溫度沖擊

溫度沖擊試驗結果如圖6所示。

從試驗結果可以發現，四款產品在經過全部試驗條件后均保持完好并未發生失效，所有產品都可承受100次溫度循環沖擊以上。100次溫度循環沖擊內，四款PB型MLCI的值極差最大才30 Ω，最小為0.5 Ω，DCR值極差最大為8.4 mΩ，最小為1.5 mΩ。在溫度沖擊試驗中，產品會出現局部冷凝的狀況。如果產品存在細微裂紋，一些冷凝水會慢慢滲入微觀裂縫中，這些殘留的冷凝水在低溫環境下結冰、膨脹，導致產品的結構強度降低，電性能降低，甚至是失效。MLCI作為一種獨石結構產品，具有良好的致密性，可以抵抗外界溫度環境的沖擊。從實際結果看，溫度沖擊對產品的性能影響也很小，100次溫度沖擊后產品均表現出良好的參數穩定性。

（4）低溫工作

低溫工作試驗結果如圖7所示。

從圖7四款PB型MLCI的低溫工作試驗結果可以發現，經過低溫工作試驗后，所有樣品狀態保持完好，產品的值較初始值都有一定的上升，而DCR值變化不一。低溫工作模擬的是產品在低溫環境下和施加電流的狀況下的試驗，產品同時受溫度應力和電應力的雙重作用，當施加一定時長的額定電流，產品的磁感應強度受到影響，從而導致值有所增加；根據直流電阻計算公式（為電阻率，為長度，為橫截面積）可知，DCR值大小主要與印刷的銀漿特性、印刷銀線的線長線寬線厚有關。印刷用銀漿對溫度的敏感度低，而線長由網版設計決定，不會發生變化，因此，DCR值主要取決于銀線的寬度和厚度。基于目前的工藝水平，銀線印刷寬度和厚度無法完全做到理論上的完全一致，銀線印刷寬度精度可以控制在±2 μm左右，厚度精度控制在±2 μm左右，導致產品DCR值出現變化不一的現象。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

圖6 溫度沖擊試驗結果

Fig.6 The temperature concussion test results

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

圖7 低溫工作試驗結果

Fig.7 The low-temperature work test results

（5）高頻振動

高頻振動試驗條件及方法依據GJB360B-2009中方法204的規定，振動量級分別從試驗條件B（頻率范圍10~2000 Hz，加速度15 g）直至試驗條件G（頻率范圍10~500 Hz，加速度30 g）[12]，試驗結果如圖8所示。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

圖8 高頻振動試驗結果

Fig.8 The high-frequency vibration test results

從圖8高頻振動試驗結果可知，四款PB型MLCI產品的高頻振動試驗結果可以發現，產品在經過各種高頻振動后，高阻抗產品的值會隨著振動加速度的增加，表現出升高的趨勢。這是由于鐵氧體的磁感應強度對應力的敏感性呈現正反饋關系，高圈數的MLCI阻抗高，因此對應力的敏感度更高。而DCR值與印刷銀線的寬度和厚度有關，對高頻振動應力的敏感度不大，因而變化比較小。

（6）引出端強度

引出端強度試驗結果如圖9所示。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

圖9 引出端強度試驗結果

Fig.9 The terminal intensity test results

從圖9引出端強度試驗結果可知，全部試驗樣品均能承受20 N端頭拉力而無損傷。隨著拉力的增大，值相對于初始值有一定的增加，DCR值則增減不一。引出端強度試驗考察的是機械應力對產品結構和電性的影響，在一定拉力范圍內，產生的應力會對產品阻抗值產生正反饋關系；而DCR值變化不一的原因與低溫工作下原理相同。DCR值主要取決于銀線的寬度和厚度。基于目前的工藝水平，銀線印刷寬度和厚度無法完全做到理論上的完全一致，導致產品DCR值出現變化不一的現象。當使用25 N拉力時，超出端頭的銀層與引出端銀結合強度，導致二者的分離。因此，產品在使用時，端頭禁止承受超過25 N的力。

3.4 壽命強化試驗結果分析

壽命強化試驗是為了模擬元件在使用狀態條件下的可靠性。將產品置于90℃和125℃的環境溫度下進行長時間考核。試驗結果如圖10所示。

經過所有的試驗條件后，產品的電性能仍符合標準要求。隨著測試時間的增加，值相比于初始值都有所上升，但DCR值變化不一。在高溫下壽命考核過程就是MLCI在熱應力的條件下加速老化的過程。在此過程中，MLCI受長時間的熱應力的影響，值一般會下降，而圖10中結果顯示值出現上升的狀況，這是因為產品同時受溫度應力和電應力的雙重作用，施加額定電流會影響產品在高溫環境下的磁感應強度，使得||值有所增加；DCR值的變化不一原因與低溫工作原理相同，與環境的溫度無關，即高溫同樣對DCR不敏感。

4 應用建議

根據以上評估試驗結果并結合材料特性，對MLCI在用戶使用過程中給出以下建議：

（1）產品對–55~+125℃內的溫度變化或溫度沖擊，有良好的耐受性，性能容易恢復到常溫水平。但在低溫（–60~–35℃）或高溫（100~150℃）以上長期工作電性變化率超過10%或更高。即電應力和溫度應力疊加會加速電性的飄移。產品能夠經受住短時間超溫度范圍使用，且產品內部結構不會發生明顯變化。長時間超溫度范圍使用需根據具體溫度條件進行評估。

（2）MLCI對于熱應力、電應力及機械應力都有一定的敏感性。阻抗比直流電阻敏感性高，高阻抗型號敏感性略高于低阻型號。單獨施加熱、電、機械應力時，90%產品阻抗值變化幅值在±8%以內；幾項應力疊加時，阻抗值變化率在±15%以內。因此，在選用高阻抗值MLCI時應充分考慮綜合應力后產品參數變化量對電路設計的影響。

（3）電路設計時，建議所施加電壓不超過額定電壓的1.5倍，選用高阻抗值MLCI應盡量避免在高強度振動環境下使用或根據振動條件進行評估，以上情況下可能造成產品不可逆的電性變化和使用壽命的縮短。

（4）使用時禁止端頭承受大于25 N的拉力或其他機械應力，電路中通過MLCI過負載電流不允許超過額定電流值的3倍，此類情況下易造成產品的永久性失效。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

圖10 壽命強化試驗結果

Fig.10 The test results of life strengthening

5 結論

對宇航用PB型MLCI開展的評估試驗進行了結果分析，總結出不同應力條件下產品的極限耐受能力，基于試驗分析結果并結合MLCI材料特性給出了使用建議，對用戶選型使用提供了參考和借鑒。

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（編輯：陳渝生）

Evaluation test and application suggestion of PB-type multi-layer chip inductors for aerospace engineering

ZHANG Yi1, SHI Wei2, ZHANG Hongqi1, LUO Junbo2, LI Xiushan2

(1. China Academy of Space Technology, Beijing 100029, China; 2. Shenzhen Zhenhua Fu Electronics Co., Ltd, Shenzhen 518109, Guangdong Province, China)

To verify the reliability and performance parameter redundancy of the PB-type multi-layer chip inductor (MLCI) in its applications in aerospace engineering, this study tested the thermal stress, mechanical stress, electrical stress, and strengthening life on PB type MLCI. Data was collected regarding the margin of boundary value and ultimate tolerance of performance parameters of the products under different application conditions. The specific reasons for the change trend of the electrical parameters are summarized based on the analysis of the experimental results. In conclusion, this study is able to determine the precautions and guidelines for the design and application of the product.

MLCI; evaluation test; extreme condition; reliability; electrical characteristic; application suggestion

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.019

TM277

A

1001-2028（2017）05-0091-09

2017-04-23

張義

張義（1982－），男，河北滄州人，工程師，主要從事宇航用元器件質量保證工作，E-mail: zy_pb@163.com ；施威（1978－），男，湖北咸寧人，高級工程師，主要從事片式電感器設計、工藝及可靠性研究，E-mail: 233822433@qq.com 。

網絡出版時間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.019.html