航天器用固態功率放大器加速壽命試驗方法研究

姚澤民，郭佳誠，王 浩，鄭慶平

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

航天器用固態功率放大器加速壽命試驗方法研究

姚澤民，郭佳誠，王 浩，鄭慶平

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

針對航天器電子產品的壽命預示問題，文章指出對航天器電子產品開展加速壽命試驗（ALT）研究，首先要利用故障模式、機理及影響分析（FMMEA），確定產品的主要失效機理和敏感應力；然后利用理論分析或可靠性強化試驗確定產品的工作極限；最后設計出完整的試驗方案。針對航天器固態功率放大器進行試驗，驗證了加速壽命試驗在航天器電子產品中的適用性。

故障模式、機理及影響分析；可靠性強化試驗；加速模型；激活能；壽命預示；固態功率放大器

0 引言

航天器平臺及有效載荷中含有大量電子類產品。隨著電子技術的發展，電子類產品在航天器中所占比例越來越大。由于用戶對有關航天器的壽命要求逐步提高，如中低軌衛星要求達到8年壽命，高軌衛星要求達到15年壽命甚至更長，而常規壽命試驗方法對于長壽命可靠性驗證往往具有很多局限性。利用加速壽命試驗（ALT）技術開展壽命試驗可以大大縮短試驗時間，提高試驗效率，為航天器在軌長壽命高可靠穩定運行奠定技術基礎。本文基于航天器電子產品加速壽命試驗技術原理，制定相關技術流程，并開展航天器固態功率放大器加速壽命試驗研究。

1 加速壽命試驗技術

航天器電子產品加速壽命試驗技術包括以下3個步驟：

1.1 故障模式、機理及影響分析

電子產品故障模式、機理及其影響分析（FMMEA）旨在定位產品的薄弱環節，確定引發薄弱環節的可能的故障機理、敏感應力，以及監測參數與監測方法。其技術流程見圖1所示。

圖1 電子產品FMMEA實施方案Fig. 1 FMMEA implementation schedule for electronic products

通過對航天電子產品進行FMMEA，得出航天器電子產品主要的故障機理及其敏感環境應力，為下一步開展可靠性強化試驗指明了方向。

1.2 確定產品的應力極限

1）可靠性強化試驗。為確定進行加速壽命試驗的合理加速應力，需要對所研究的對象進行可靠性強化試驗，弄清所要施加的應力極限（工作限和破壞限）；注意防止在加速壽命試驗時，所要施加的應力超出極限應力，導致失效機理發生改變。可靠性強化試驗技術流程如圖2所示。

圖2 電子產品可靠性強化試驗實施方案Fig. 2 Implementation schedule of reliability enhancement testing for electronic products

2）參照同類產品的最高應力進行加速壽命試驗。如果產品不具備開展可靠性強化試驗的條件，可以參照同類產品進行過的其他類型如鑒定試驗、老煉試驗等項目，給出產品失效機理不變的情況下的最高應力，直接使用該應力范圍進行航天器電子產品加速壽命試驗。

1.3 加速壽命試驗設計

加速壽命試驗設計一般包括應力水平、樣本量、加速模型、試驗時間、測試方法、失效判據及試驗結果分析等。

1）試驗應力水平和樣本量

通過FMMEA，得出了試驗產品的主要故障模式及失效機理，又通過理論分析或可靠性強化試驗，明確了產品正常工作的應力極限和破壞應力極限。不同的試驗方法對試驗應力水平和樣本量的要求不同。恒定應力加速壽命試驗是將一定數量的受試產品分為幾組，每組固定在一定的應力水平下進行壽命試驗，要求選取的各應力水平都高于正常工作條件下的應力水平，試驗做到各組受試產品均有一定數量的產品發生失效為止[1]。其優點是統計分析精度高，得到的工程驗證最為充分；缺點是試驗樣品數量需求較多。步進應力加速壽命試驗，它對受試產品施加的應力是以階梯形式逐步提高，一直到全部試件失效[2]，該方法在工程實現上比恒定應力試驗復雜，統計分析方法不如恒定應力試驗成熟，并且統計分析算法比較復雜。序進應力加速壽命試驗對受試產品施加的應力是以等速直線上升，一直到全部試件失效[3]，序進應力試驗對設備的要求較高，需要專門的應力控制設備來產生符合要求的應力函數。

2）加速模型或加速因子

由以上試驗獲得的加速應力的類型和大小，可以選擇合適的加速模型進行計算，確定需要進行試驗的總時間，不同的加速模型應用不同的情況。

ALT加速模型可能是物理/化學模型，也可能是經驗模型和統計模型。航天電子產品壽命一般為指數分布，加速模型常常采用 Arrhenius模型、Eyring模型、逆冪律模型等[4]。

Arrhenius模型的一般形式為

式中：C為模型常數；B=Ea/k，Ea為激活能，k為玻耳茲曼常數，k=1.38×10-23J/K。在該模型中，Ea是唯一的未知參數，它的選取合適與否直接關系著壽命評估的結果正確性。Arrhenius模型主要適用于溫度作為加速應力的情況[5]。文獻[6]就是運用Arrhenius模型計算加速因子的方法推導并給出受試產品的儲存壽命綜合預計模型。

Eyring模型的一般形式為

式中：L(T)為壽命特征量；A和B為模型常數。Eyring模型主要考慮了溫度應力以及其他應力共同作為加速應力時的情況。

逆冪律模型的一般形式為

其中：A和n為模型常數；S為應力水平。逆冪律模型主要適用于用電壓、電流、功率等參數作為加速應力的情況。文獻[7]在假設壽命與加速電流符合逆冪律定理等前提下，利用數理統計分析方法實現對恒定應力加速試驗的樣本的壽命評估。

3）試驗時間

考慮到航天產品的特殊性，結合工程應用的實際性，利用加速因子，根據航天器電子產品實際負載時的工作時間，折算出其在某種環境應力下能正常工作的時間，以此作為試驗時間，考察產品的功能和性能。若功能性能完好，則說明產品的壽命指標達到要求；否則視為壽命不達標，須改進設計，再進行試驗。

4）試驗測試

試驗測試包括測試參數和測量周期，測試參數主要是指那些對產品的失效機理產生、發展起到指示作用的功能性能參數，同時還應記錄那些有可能對失效機理起作用的參數。測試周期一般固定一個短周期、一個長周期，每隔一個短周期進行一次數據觀測，每隔一個長周期內進行一次數據記錄[8]。

5）失效判據與失效分析

進行加速壽命試驗之前，首先要明確失效判據，以便試驗過程中判斷產品是否失效，進而確定失效時間（指從試驗開始到產品功能異常的試驗時間），分析其壽命特征。失效判據通常情況下由產品的技術條件來規定。失效分析是對失效樣品進行機理分析，明確失效模式，分析其失效機理是否與實際狀態相一致，以便鑒定加速壽命試驗是否正常，試驗數據是否可信等，從而有助于了解產品的質量，并能得到更加合理的結果[9]。

6）試驗數據的分析評估

試驗數據分析一般有兩種方法：一種是基于失效機理的方法，一種是基于數據融合的方法。前者是從失效機理的角度，利用應力作用于產品的物理化學規律，來分析試驗得到的數據。后者是從統計學的角度，利用各種數據融合理論（如最小二乘法、貝葉斯理論、最大似然估計和支持向量機等）分析試驗數據[10]。

2 固態功率放大器的加速壽命試驗

航天器用固態功率放大器（SSPA）是微波技術產品中最具代表性的一類產品，它可以實現微波信號的功率放大、增益控制、相位控制等功能，廣泛應用于軍/民用通信衛星轉發器、導航衛星轉發器、中繼衛星轉發器、遙感衛星高速數傳系統、微波遙感器、相控陣天線等，是星載系統中的一類關鍵電子產品。

2.1 故障模式及失效機理分析

對SSPA而言，空間輻照應力只對其MOSFET、運算放大器和光耦器件等的可靠性有影響，通過抗輻照加固設計可滿足長壽命的要求。力學應力只對繼電器及產品的結構設計有關，可通過整體抗力學環境設計及局部固封和加固工藝滿足設計要求，因此力學應力對產品壽命的影響較小。對于功率和電壓應力，在產品設計時均已按照降額要求完成設計。由于產品中包含有各種元器件，其功率和電壓應力又不全相同，很難用提高一種電壓應力達到加速壽命試驗的目的。

在所有使用的元器件中，除了陶瓷介質電容器受溫度影響較小外，其他類型器件的壽命均受溫度應力影響。模塊電源中使用的許多重要器件都是半導體器件，溫度應力是影響這些器件壽命的主要因素，自然也是影響整個產品壽命的主要因素。考慮到Arrhenius模型的適用特點，選用該模型對航天器用SSPA開展加速壽命試驗。

2.2 加速模型或加速因子

Arrhenius模型是描述產品壽命與試驗溫度關系的一種失效物理模型，其加速因子表達式為

其中：Ea和k的定義同式(1)；T為試驗溫度；T0為工作溫度。

根據“木桶原理”，任何一種產品的壽命，都決定于該產品中最易失效元器件的壽命[4]，無論產品的其他關鍵件、重要件或性能怎樣優異，任何一個關鍵件一旦失效，該產品的壽命即告終結。

通過對國內外SSPA故障統計規律與故障模式對比分析，可知其核心功率器件是末級的功率放大晶體管，因其輸出功率大、熱耗高并且為整機溫度最高點等原因，構成影響固放壽命和可靠性的關鍵器件。因此以末級晶體管的激活能作為SSPA整機的激活能進行加速壽命試驗。

2.3 試驗方案

航天器電子產品屬于小批量產品，用來做壽命試驗的只有一、兩個產品。航天用SSPA根據型號任務的不同、波段的差異，工作溫度有 30、40、50 ℃等。

根據組成SSPA的各元器件的最高允許溫度為150 ℃，由GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》[11]、GJB 128A—1997《半導體分立器件試驗方法》[12]等標準可知，集成電路需要通過125 ℃、1000 h的高溫通電穩態壽命試驗考核。實測功率器件的最高溫升不超過25 ℃，為保證試驗的安全性和有效性，選取70 ℃為最高加速溫度，可保證失效機理不變。

由于激活能主要取決于器件的材料、工藝與結構，參考MIL-HDBK-338各種半導體的激活能和ECSS-Q-30-01A中各種器件的激活能，并依據國外同樣的材料和工藝生產的末級功率放大晶體管的廠家提供的信息，決定此處計算的激活能Ea取1.47。

對于要求15年壽命的SSPA產品，利用式(4)，在實際工作溫度30 ℃、試驗溫度70 ℃條件下，計算其加速因子為16，等效15年工作壽命的試驗時間為8 212.5 h，合0.937 5年。考慮冗余，實際做10 000 h的加速壽命試驗，可以等效30 ℃工作條件下18.27年的工作壽命。以上計算方法可以用于其他不同壽命要求的SSPA產品。

2.4 試驗測試參數及失效判據

試驗過程中對SSPA產品的主要技術指標——輸出功率進行記錄。如果試驗過程中SSPA產品由于壽命衰減導致輸出功率惡化超過1 dB以上，則試驗終止。

3 試驗及結果

根據以上航天器用SSPA加速壽命試驗的設計方案進行試驗，得出的試驗結果如圖3所示。

圖3 輸出功率隨時間的變化曲線Fig. 3 The output power vs. time

由圖3可以看出，輸出功率在300 W上下波動，未超出失效機理中輸出功率的變化范圍，足以說明航天器用SSPA經過高溫70 ℃、持續8000多h的試驗考核，完全能夠達到在軌15年的壽命。

4 結束語

本文針對航天器電子產品的特點，分析了加速壽命試驗的內涵及其對于航天器電子產品的適用性，總結了開展航天器電子產品加速壽命試驗的主要步驟。首先要明確產品的主要故障機理和相應的敏感環境應力，然后通過分析或試驗弄清楚產品的極限工作應力，采用適當的加速模型，設計試驗方案，完成試驗，進而對壽命情況進行評估。

通過航天器用SSPA的加速壽命試驗驗證，表明其方法可用于小子樣的航天器單機產品加速壽命試驗和壽命評估。

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Method for accelerating life test of spacecraft solid-state power amplifier

YAO Zemin, GUO Jiacheng, WANG Hao, ZHENG Qingping
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To predict the lifetime of spacecraft electronic products, this paper proposes the accelerated life test (ALT) for those products. Firstly, the failure mode, the mechanism, and the effect analysis (FMMEA) are used to identify the major failure mode, the related mechanism and the sensitive stress. Secondly, the theoretical analysis or the enhanced reliability testing is carried out to obtain the limit of working stress for the product.Finally, the ALT scheme is designed. The spacecraft Solid State Power Amplifier (SSPA) is investigated experimentally to validate the applicability of ALT for the electronic products of spacecraft.

FMMEA; enhanced reliability testing; acceleration model; activation energy; life prediction;SSPA

TN43; V416.5

B

1673-1379(2017)05-0543-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.016

2017-07-25；

2017-09-18

姚澤民, 郭佳誠, 王浩, 等. 航天器用固態功率放大器加速壽命試驗方法研究[J]. 航天器環境工程, 2017, 34(5):543-548

YAO Z M, GUO J C, WANG H, et al. Method for accelerating life test of spacecraft solid-state power amplifier[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 543-548

（編輯：閆德葵）

姚澤民（1981—），男，碩士學位，研究方向為可靠性與壽命試驗。E-mail: buaayzm@126.com。