某型裝備延壽試驗電源模塊失效分析

李華霖 李鑒濤

摘要：武器裝備延壽科研試驗是對裝備科學(xué)定壽和進(jìn)行維修措施分析的重要手段，某型裝備電源模塊在延壽試驗過程中，因受溫度、時間、應(yīng)力等試驗條件影響，出現(xiàn)引腳斷裂、結(jié)構(gòu)裂紋偶發(fā)失效故障，影響了延壽試驗結(jié)論。通過對失效器件進(jìn)行宏觀檢查和微觀分析，結(jié)合裝備使用特點，分析故障原因，對深入研究裝備延壽試驗理論體系構(gòu)建將起到積極促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：裝備延壽試驗;高溫貯存;失效分析

0引言

為提升裝備使用效能，科學(xué)制定延壽措施，對某俄制裝備開展延壽科研試驗。在加速退化試驗階段，某裝備的某電源模塊（型號：04EK4、04EK5、04EK10）出現(xiàn)失效故障。經(jīng)失效機理分析和壽命特征分析，認(rèn)定電源模塊是裝備貯存過程中的薄弱環(huán)節(jié)，需在延壽修理全部換新。

由于在檢驗性靶試中該型裝備出現(xiàn)兩枚失利情況，為了進(jìn)一步驗證延壽修理措施的必要性和合理性，對電源模塊前期的失效分析和壽命特征分析結(jié)果進(jìn)行梳理分析，并再次對電源模塊進(jìn)行補充壽命特征分析，最后形成分析結(jié)論，重新評估該型電源模塊是否應(yīng)進(jìn)行更換。

該電源模塊屬于電源分機的重要器件，主要作用是通過電源轉(zhuǎn)換為導(dǎo)引頭提供必需的直流電源，其采用特殊的固體焊接封裝形式，屏蔽性好，抗振、抗輻射和抗干擾能力強，指標(biāo)穩(wěn)定，性能可靠，故障率低。盡管電源模塊在此次延壽試驗過程中出現(xiàn)失效故障，但受分析子樣限制，造成前期失效分析結(jié)論具備一定片面性。為提高子樣的分析準(zhǔn)確性，采用布朗漂移運動和阿倫尼斯（Arrhenius）模型，選擇三個不同的溫度點對電源模塊進(jìn)行加速退化試驗，根據(jù)不同溫度下產(chǎn)品表現(xiàn)出的貯存特性，采用橫向?qū)Ρ确▽﹄娫茨K的失效環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，最終得出延壽結(jié)論。

1試驗過程與結(jié)果

該型裝備延壽試驗對多個編號的導(dǎo)引頭進(jìn)行不同溫度下的加速老化試驗。在進(jìn)行70℃應(yīng)力的加速退化試驗15周期后，編號為7的導(dǎo)引頭出現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象為27V電源過流，電流達(dá)到6.67A，遠(yuǎn)大于正常的工作電流。經(jīng)故障排查定位，判斷電源分機中的+5VI電源模塊（見圖1）失效，更換同型號的電源模塊后導(dǎo)引頭恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1.1斷口宏觀形貌

將失效的電源模塊采用機械方法開封，去除樣品金屬外殼，通過電子顯微鏡觀察，器件內(nèi)部基板上各元器件均未見電燒毀痕跡。輸出端附近，發(fā)現(xiàn)其中1個線圈的固定膠存在裂紋，旁邊4個片式電容器均在焊接端頭存在裂紋，裂紋情況如圖2～5所示。

1.2斷口微觀觀察

使用掃描電鏡對端口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)電容端電極引腳脫落，如圖6、7所示。

電源模塊中的電容器端電極斷裂裂口形貌呈現(xiàn)機械斷裂形貌，分析認(rèn)為，電容是因外力作用而產(chǎn)生斷裂，引起電容器在端電極處機械斷開，內(nèi)部電極錯位短路，導(dǎo)致輸出端短路失效。2壽命分析與討論

為深入查找電源模塊出現(xiàn)失效的根本原因，科學(xué)評估該器件是否存在影響其可靠性及壽命的退化特征，采用布朗漂移運動和阿倫尼斯模型，在60℃、80℃的不同溫度點對電源模塊進(jìn)行加速退化試驗。在80℃應(yīng)力試驗的導(dǎo)引頭上拆下5只電源模塊進(jìn)行壽命特征分析;另外共選取了5只未經(jīng)歷加速試驗和經(jīng)歷60℃應(yīng)力加速退化試驗的電源模塊器件進(jìn)行壽命特征分析，以確認(rèn)其退化特征是否與高溫有影響。以下分別對貯存試驗?zāi)Ｐ秃腿螇勖卣鞯姆治瞿Ｐ秃头治銮闆r進(jìn)行介紹。

2.1貯存試驗?zāi)Ｐ?/p>

由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)和試驗標(biāo)準(zhǔn)，對于沒有可靠性定量指標(biāo)的電源模塊，主要采用基于可靠性增長理論的整機貯存可靠性加速測定試驗方法。采用阿倫尼斯模型對加速試驗的結(jié)果進(jìn)行評估，利用加速壽命試驗的理論，通過對一系列加速應(yīng)力水平下試驗數(shù)據(jù)的分析，外推正常貯存條件下整機的貯存壽命。

布朗漂移運動模型如下：

Y（t）=Y（t₀）+ u（t-t₀）+σB（t） （1）

式中，Y（t）為在t時刻時產(chǎn)品的性能值;Y（t₀）為在t₀（初始）時刻時產(chǎn)品的性能（初始）值;u為漂移系數(shù)，u>O;σ為擴散系數(shù)，σ>0，在整個加速退化試驗中，不隨應(yīng)力而改變;B（t）為標(biāo)準(zhǔn)布朗運動，B（t）～N（0，t）。

在貯存狀態(tài)下，電子部件受到的環(huán)境應(yīng)力主要是溫度應(yīng)力，阿倫尼斯模型是建立某一時刻的反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系。

式中，u（T_j）為在T_j溫度應(yīng)力水平下的退化速度;A為頻數(shù)因子;Ea為激活能，以eV為單位;k為玻爾茲曼常數(shù)，即8.6171×10^-5V/K。

因為漂移布朗運動屬于馬爾科夫過程，所以具有獨立增量性，即在退化過程中表現(xiàn)為非重疊的時間間隔△t內(nèi)的退化增量相互獨立。而由于布朗運動本身屬于一種正態(tài)過程，因此退化增量（Y_t- Y_t-1）服從均值為u（T）△t、方差為σ²△t的正態(tài)分布，結(jié)合式（1）和式（2）得到溫度應(yīng)力模型下的加速退化方程：

利用極大似然估計法求得u和σ，利用最小二乘法求得A和Ea，將實際貯存溫度T、目標(biāo)貯存時間t和求得的參數(shù)代入式（3），可預(yù)測出t時刻產(chǎn)品的性能參數(shù)值。

在上述模型基礎(chǔ)上，確定電子部件應(yīng)力水平數(shù)，選取3個溫度應(yīng)力水平進(jìn)行3組貯存加速退化試驗，統(tǒng)計每組試驗中的試驗樣品性能參數(shù)的變化曲線，求解各型電子部件主要性能參數(shù)的貯存加速退化模型中的參數(shù)μ、σ、A、Ea，最終得到實際貯存溫度下的貯存壽命及貯存可靠性隨貯存年限的變化規(guī)律。

此次三次壽命特征分析采用的電源模塊分析子樣就是基于上述模型進(jìn)行的延壽試驗。通過分析最終試驗后電源模塊的失效情況，得出電源模塊最終的失效結(jié)論。

2.2第一次壽命特征分析

1）樣品來源

從完成80℃應(yīng)力加速退化試驗后的導(dǎo)引頭上拆下5只電源模塊，用于進(jìn)行壽命特征分析，分解下的電源模塊均未失效，功能正常。

2）分析情況

首先對送檢的電源模塊進(jìn)行外部目檢、X射線檢查和密封檢漏，經(jīng)檢查均未見異常。

將送檢的電源模塊樣品使用機械方法開封，使用顯微鏡觀察樣品內(nèi)部。觀察發(fā)現(xiàn)每個樣品中均有幾個片式電容器在焊接電極處存在裂紋，但電容器外表未見機械損傷痕跡，經(jīng)電子掃描顯微鏡對裂紋的觀察，可見裂紋呈機械斷裂，如圖8所示。可認(rèn)為樣品出現(xiàn)裂紋是在遭受外應(yīng)力（溫變、機械、振動等）作用所致。

將短路的電容器取出，觀察發(fā)現(xiàn)電容器的陶瓷體在金屬焊接電極斷開，呈機械斷裂形貌，如圖9所示。

3）分析結(jié)論

送檢的電源模塊樣品均表現(xiàn)為樣品內(nèi)部片式電容器端頭機械斷裂，樣品呈現(xiàn)貯存退化失效特征。

2.3第二次壽命特征分析

1）樣品來源

選擇未進(jìn)行加速退化試驗和完成60℃應(yīng)力加速退化試驗后的電源模塊各1只進(jìn)行壽命特征分析。

2）分析情況

對送檢樣品進(jìn)行外觀檢查，2只樣品均已開封，樣品為金屬空封，管腳由玻璃絕緣子引出，其中1只樣品經(jīng)歷過解焊，外殼及管腳光亮未見腐蝕。

使用電子顯微鏡觀察樣品內(nèi)部，其內(nèi)部為一塊陶瓷基板的電子組件，基板上各元器件均未見明顯異常。顯微鏡觀察樣品中的每個片式電容器，其本體外表、焊點均未見裂紋，如圖10所示。

2.4第三次壽命特征分析

1）樣品來源

在測試合格的未進(jìn)行過加速退化試驗的導(dǎo)引頭上分解3只電源模塊，用于進(jìn)行補充壽命特征分析，進(jìn)一步驗證前期壽命特征分析的結(jié)果。

2）分析情況

對3只電源模塊分別進(jìn)行了外部目檢、X射線檢查、密封檢測、內(nèi)部目檢等分析項目，重點觀察樣品內(nèi)部基板上各元器件，均未見標(biāo)準(zhǔn)缺陷及異常，未見樣品片式電容器存在異常，如圖11所示。

3）分析結(jié)論

分析認(rèn)為第三次送檢的3只電源模塊未見標(biāo)準(zhǔn)缺陷及異常，未呈現(xiàn)貯存退化失效特征。

2.5分析情況匯總

在進(jìn)行70℃應(yīng)力加速退化試驗15個周期后出現(xiàn)的電源模塊失效，經(jīng)失效分析確定，是由于電源模塊中片式陶瓷電容的端電極與其陶瓷基體斷裂脫離，導(dǎo)致陶瓷電容電極層短路失效。對陶瓷電容斷面進(jìn)行分析，確定該故障是由外部應(yīng)力所致，該電源模塊中共有4片陶瓷電容出現(xiàn)這種現(xiàn)象，并在臨近位置線圈引腳固定膠也存在裂紋，而模塊中其余電容均無異常。

對完成80℃應(yīng)力加速退化試驗后的5只電源模塊進(jìn)行的壽命特征分析中，雖然發(fā)現(xiàn)內(nèi)部片式電容器端頭均有機械斷裂的現(xiàn)象，呈貯存退化失效特征，但加速退化試驗中這幾個電源模塊均沒有故障，性能合格，滿足使用要求。

結(jié)合加速退化試驗條件、器件失效分布和壽命特征的分析結(jié)果認(rèn)為，致使電容模塊端電極開裂的應(yīng)力來源與電源模塊線路板局部形變應(yīng)力有關(guān)，線路板形變應(yīng)力與試驗中的持續(xù)高溫有關(guān)，也可能與該型電源模塊組裝工藝異常所致的應(yīng)力殘存有關(guān)。

在第二次和第三次的壽命特征分析中先后選取了未經(jīng)歷加速試驗和經(jīng)歷60℃加速退化試驗的電源模塊共5只器件進(jìn)行了壽命特征分析，通過分析均未見明顯貯存退化失效特征，未見片式陶瓷電容端電極異常，進(jìn)一步驗證了電源模塊失效與高溫有關(guān)的分析結(jié)論。

3分析結(jié)論

通過分析電源模塊出現(xiàn)失效的使用情況及對該型電源模塊的壽命特征分析可知，電源模塊電容端電極開裂的應(yīng)力與電源模塊線路板局部形變應(yīng)力有關(guān)，線路板形變應(yīng)力與試驗中的持續(xù)高溫關(guān)系較大，該電源模塊的失效與貯存退化失效無明顯對應(yīng)關(guān)系。

該型電源模塊在加速退化試驗中出現(xiàn)失效并呈現(xiàn)貯存退化失效特征是導(dǎo)引頭在持續(xù)的高溫環(huán)境中放置引起的失效情況，在導(dǎo)引頭實際的工作環(huán)境中不會出現(xiàn)持續(xù)高溫，也就不會呈現(xiàn)貯存退化失效特征，所以在延壽修理中沒必要將導(dǎo)引頭中使用的電源模塊全部更換，在實際維修使用中通過測試對發(fā)現(xiàn)故障的電源模塊進(jìn)行更換能夠保證整彈的使用要求，不會影響裝備的貯存壽命。

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