星載無源微波器件加速壽命試驗方法研究

魏彥江，周祎，楊光，敬小東，官朝暉，雷鳴

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610036）

星載無源微波器件是航天器有效載荷系統的重要組成部分，包括隔離器、環形器、微波開關、濾波器、多工器等多種類型。隨著航天器在軌使用壽命要求越來越長，無源微波器件高可靠、長壽命指標也越來越高。目前，高、中軌衛星要求無源微波器件壽命至少在10 a以上[1]。高可靠性是設計出來的，但怎樣驗證產品的可靠性和長壽命也非常重要。一方面，星載器件產品的樣本數量比較少；另一方面，產品價格比較昂貴。如何在短時間、小樣品數下來驗證產品能夠滿足在軌10 a以上長壽命具有重要工程意義，因此開展加速壽命試驗研究工作勢在必行[2]。

1 失效機理和薄弱環節

要想對無源微波器件進行加速壽命試驗，首先要看該產品是否具有加速性，即產品失效機理的一致性如何[3]，失效過程是否規律，產品是否服從同樣的壽命分布。加速壽命試驗設計之初，要先對產品失效機理和薄弱環節進行分析[4]。

某型號星載隔離器產品如圖1所示。該產品在衛星有效載荷系統中位于功率放大器之后，主要對功率放大器進行保護，防止大功率反射對功率放大器造成損壞，改善功率放大器輸出駐波。要求產品能長時間穩定地正向通過大功率微波信號，能吸收大功率反射信號。隔離器失效機理和薄弱環節分析，主要基于星載隔離器的故障模式影響分析（FMEA），明確影響其可靠性的薄弱點和關鍵元器件，通過對關鍵元器件的失效機理分析，評估其是否具備加速壽命試驗的要求。

圖1 某星載隔離器實物 Fig.1 A space isolator

隔離器功能層次與結構層次如圖2所示。根據分析隔離器的功能、結構、材料、工藝等多個維度的FMEA，此隔離器的薄弱環節主要為連接器焊點、介質和電阻器。連接器焊點的壽命與通過功率的容量成反比，主要失效機理是隔離器通過功率過高，造成焊點溫度過高熔化或低氣壓放電。介質的壽命與溫度成反比，與氣壓成正比，主要失效機理是溫度過高、氣壓過低，造成熱真空釋氣，從而引起介質的介電常數和介電損耗正切發生變化，最終影響電路的匹配，使隔離器性能下降。電阻器的壽命與溫度、通過功率的容量成反比，主要失效機理是溫度過高造成阻值變化，通過功率過高造成電阻燒毀。

圖2 隔離器功能層次與結構層次 Fig.2 The function and structure level of isolator

由此可見，影響隔離器的連接器焊點、電阻器、介質壽命的因素主要為溫度和功率。可以通過對隔離器施加溫度應力和功率應力來加速隔離器的性能退化，從而預測隔離器的可靠性和壽命。

2 加速壽命試驗數學模型

美國羅姆航展中心在1967年對加速壽命試驗給出了統一定義。加速壽命試驗是指基于合理的工程假設與建立在與失效物理法則有關的統計模型的基礎上的合理的統計假設，將通過經濟且準確的手段在很短的時間內產生的可靠性信息轉化成試驗研究對象在額定的應力水平下操作時的可靠性特征值的定量可重復的試驗方法[5]。簡言之，加速壽命試驗保持了失效機理不變的條件，加大試驗應力來縮短了試驗周期，采用加速應力水平來進行產品的壽命試驗，從而縮短試驗時間，提高試驗效率，降低了試驗成本。加速壽命試驗屬于統計試驗范疇，試驗中對產品所加的應力，可以是溫度、濕度、電壓、電流、功率和機械應力等[6-8]。

目前，加速壽命試驗主要有以下幾種類型：恒應力加速壽命試驗、序進應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗、循環應力加速壽命試驗和隨機應力加速壽命試驗[9]。恒應力加速壽命試驗的理論和方法都比較成熟，統計結果精度相對較高，一般要求樣本數較多，試驗時間比較長。序進應力加速壽命試驗的時間比較短，樣本數也少，但是其統計和處理方法不夠成熟，試驗精度不高，并且對試驗設備的要求也很高，試驗成本高。步進應力加速壽命試驗雖然試驗時間短、樣本數少，但是對試驗前的參數優化要求高，往往一個新產品很難掌握初始應力。另外，對應力的步進量也需要合理設置，否則也比較難以獲得理想的試驗結果。循環應力加速壽命試驗對試驗設備要求高，且試驗的理論與統計分析方法尚處于摸索和發展階段，限制了其應用范圍。隨機應力加速壽命試驗對試驗設備要求極高，試驗理論和試驗數據的處理方法都處于發展初期，在工程實踐中大多用恒定應力來替代[10-16]。文中綜合產品特點，選擇采用恒定應力加速壽命試驗，并且為了能夠提供試驗效率，設計了多應力加速試驗模型。

產品在工作過程中經受的環境應力是非常復雜的，對電子產品來說，會受到溫度、電應力、振動和濕度等應力的影響。這些應力的綜合效果就影響了產品的使用壽命，因此在加速壽命試臉中，多應力加速模型的建立有很高的研究和應用價值。但多應力環境是極其復雜的，不可能將它們同時都和產品的壽命聯系起來，不同應力之間的耦合作用也是相當復雜的。為了簡化問題，常常針對不同產品只考慮對其影響最大的幾種應力[17]。

電子產品的壽命主要是受到溫度和電應力的影響，當今多應力模型研究的一個主要趨勢就是研究器件級的溫度和電應力加速模型。由于電子器件結構本身相對簡單，所以最簡單也最常用的一種方法就是忽略應力間的相互影響，將單應力加速模型相乘，直接得到溫度電應力的加速模型[18]。根據以上分析，溫度與壽命的關系服從阿倫尼斯模型（Arrhenius），電應力與壽命的關系服從逆幕率模型（Inverse），忽略應力之間的影響，可以直接相乘得到多應力模型[19-20]。

隔離器的壽命與溫度、功率之間多應力影響變化相關，可用廣義艾林模型的化學反應速度方程[21]（1）給出：

式中：T為溫度應力；S為功率應力；f1為考慮到由于非溫度應力的存在而對能量分布調整的修正因子，f1=eCS；f2為考慮到由于非溫度應力的存在對激活能調整的修正因子，f2=eDS/kT（C為待定常數；D為待定常數）；R0為當只有溫度應力時的艾林模型，如式（2）所示。

式中：R0表示在溫度為T時的反應速度；E為物質在溫度T時的激活能；k為玻爾茲曼常數，k=0.8617×10–4eV/K；A為試驗待定常數；T為熱力學溫度。

因此，式（1）可以表示為式（3）：

如果將隔離器功率應力和溫度應力之間相互影響的因素不予考慮，則功率應力不對溫度應力的激活能產生影響，因此式（3）中的常數D為0，則式（3）可以表示為：

從式（4）中可以看出，當假設功率應力和溫度應力不相互作用，溫度應力對隔離器壽命的影響服從阿倫尼斯模型要素，而功率應力對隔離器壽命的影響服從逆冪律模型要素（即功率應力只對隔離器產品的材料制造特性產生影響，從而可以用恒定溫度下電壓對數來表示，即逆冪律模型）。式（4）即為溫度-功率雙應力加速壽命數學模型。

通過式（4）可知，隔離器的加速壽命試驗中的加速系數可表示為：

對于加速壽命模型，當加速應力水平高于產品額定工作水平時，屬于加速壽命工作，V取值大于1；當加速應力水平等于或者低于產品額定工作水平時，此時不屬于加速壽命工作，對產品壽命不影響，因此V取值等于0。

簡化后，加速系數可以表示為：

式（6）即為隔離器加速壽命試驗采用的雙應力加速模型中的加速系數公式，作為加速壽命試驗和壽命評估的數學理論依據。

3 加速壽命試驗方案

3.1 加速應力

加速壽命試驗的應力水平選擇非常重要，應該高于產品規范，但不應超過產品工作極限，以保障產品失效機理一致，而不引入新的失效模式和機理，如圖3所示。

圖3 加速壽命試驗應力范圍[18] Fig.3 Stress range of accelerated life test[18]

對隔離器進行加速壽命試驗，驗證其是否滿足在軌10 a以上的壽命要求。綜合考慮隔離器產品在軌工作特性及目前地面加速試驗的條件，在試驗方案中進行雙應力（溫度應力和功率應力）加速壽命試驗。采用雙應力加速壽命試驗可以在維持產品正常工作的失效機理的前提下，加速試驗時間，減少試驗成本。

對于溫度應力的選擇，由于隔離器實際在軌工作溫度低于35 ℃，技術指標中要求隔離器的鑒定級溫度為70 ℃，考慮產品要滿足在鑒定級溫度條件下達到一級降額設計，所以溫度應力選擇為70 ℃。這個溫度已經遠遠高于在軌正常工作溫度，而且不超過產品鑒定級溫度要求，也可以保證產品不會因為過溫度應力帶來損害而影響有效判斷在軌工作10 a的壽命。通過數學模型分析及隔離器產品本身熱設計的仿真，選擇70 ℃試驗溫度作為加速的溫度應力，滿足該加速壽命試驗的需求。

對于功率應力的選擇，由于隔離器實際在軌工作時的承受功率低于150 W，產品技術指標中額定功率要求為180 W，功率耐受要求為215 W。選擇215W的功率水平作為加速壽命試驗中功率加速應力，是產品在軌正常工作功率水平的1.4倍，即使按照產品額定功率180 W的水平，也已經達到了其1.2倍的水平。同理，本加速壽命試驗不是極限應力試驗，選擇既不偏離產品實際設計和降額使用的合理指標范圍，又在指標范圍內選取合理的加速應力水平，控制試驗的加速量級，在現有時間、財力、物力、人力的范圍內，得到合理、可行、可信的加速試驗判據結果。

3.2 試驗時間

隔離器加速壽命試驗需要合理的試驗時間來反應產品經過加速壽命試驗后滿足在軌工作10 a以上的壽命指標，該試驗時間取決于加速系數的確定。由數學模型加速系數公式（6）可知，需要確定激活能的數值。由于隔離器屬于無源微波器件，國內外文獻資料均沒有給出該類產品的激活能數值，參考MIL-HDBK-338B《電子設備可靠性設計手冊》和ECSS-Q-HB-30-01A《最壞情況分析》中對各種電子元器件的激活能給出的取值，隔離器加速壽命試驗的激活能取值為0.8 eV。

隔離器加速壽命試驗的試驗參數中，溫度應力為70 ℃，功率應力為215 W；隔離器的額定工作參數中，溫度應力為35 ℃，功率應力為180 W，激活能選取為0.8 eV。將數值帶入式（6）得：T1=308.16 K，T2=343.16 K，V=1.19。求解出加速系數AF=71.32。

產品預計壽命和加速壽命試驗時間的對應關系見表1。從表1中可以看出，加速壽命試驗選擇1300 h即可滿足產品在軌工作10 a以上的壽命預計。由于加速壽命試驗采取的數學模型中，對激活能的選擇和雙加速應力的影響進行了簡化和保守計算，所以隔離器真實在軌工作壽命遠遠優于加速壽命試驗中得出的結果。

表1 產品預計壽命和加速試驗時間的對應關系 Tab.1 Correspondence between product life and accelerated test life

根據隔離器產品的特性及失效模式，隔離器在經過加速壽命試驗后，常溫電性能指標滿足如下要求：正向功率加載情況下正向損耗增加不超過0.3 dB，駐波不超過1.35，可以判斷為隔離器能夠滿足在軌10 a以上工作壽命指標要求。

在現有的試驗條件和數學模型可信度下，采取本試驗方案中的加速壽命試驗是合理可行的，對于星載無源微波器件的壽命研究具有工程研究價值。

3.3 試驗系統

試驗系統各組成部分見表2。隔離器加速壽命試驗系統如圖4所示。加速壽命試驗溫度監測布局如圖5所示。

圖4 加速壽命試驗系統 Fig.4 Accelerated life test system

表2 試驗系統組成 Tab.2 Test system composition

4 加速壽命試驗結果

按照圖3所示方案搭建加速壽命試驗場景，如圖6和圖7所示。利用溫箱自帶的溫度傳感器按照圖5所示對隔離器溫度進行監測，監測軟件界面如圖8所示，溫度數據如圖9所示。設計了自動測試軟件對輸入和反射功率進行監測，如圖10和圖11所示。

圖5 加速壽命試驗溫度監測 Fig.5 Temperature monitoring for accelerated life testing

圖6 加速壽命試驗場景1 Fig.6 Real scene 1 of accelerated life test

圖7 加速壽命試驗場景2 Fig.7 Real scene 2 of accelerated life test

圖8 溫度監測界面 Fig.8 Temperature monitoring interface

圖9 溫度監測數據 Fig.9 Temperature monitoring data

圖10 輸入功率監測數據 Fig.10 Input power monitoring data

圖 11 反射功率監測數據 Fig.11 Reflected power monitoring data

從溫度監測數據中可以看出，在溫箱溫度為70 ℃時，隔離器外表面溫度不超過71.5 ℃，隔離器連接器表面溫度不超過72 ℃，并且溫度能夠達到熱平衡，隔離器工作狀態穩定。從隔離器輸入功率監測數據來看，隔離器輸入功率為215～222 W，波動主要是由于功率放大器輸出功率波動引起的，屬于正常波動范圍。從隔離器反射功率監測數據來看，反射功率在0.26～0.32 W變化，主要是由于輸入功率波動引起的，屬于正常變化范圍。

加速壽命試驗表明，隔離器在70 ℃環境中，承受大于215 W連續波功率連續工作超過1300 h后，產品工作正常穩定，性能指標合格，順利通過試驗設定的考核過程。試驗數據結合加速數學模型表明，被試產品滿足型號項目中長壽命高可靠的要求，能夠滿足在軌工作10 a以上的要求。

從隔離器加速壽命試驗前后，正向損耗、反向損耗、電壓駐波比和額定功率容量指標（見表3）來看，試驗前后指標變化均在技術指標要求合格范圍內，并且變化范圍都比較小。其隔離器正向損耗變化了0.07 dB，說明加速壽命試驗對產品電性能老化有一定影響。正是由于隔離器指標設計余量較大，加速壽命試驗之后，產品依然能夠滿足性能指標要求，也說明隔離器能夠滿足在軌工作10 a的壽命指標。

表3 加速壽命試驗前后性能指標對比 Tab.3 Performance index comparison before and after accelerated life test

5 結語

文中以某型號星載隔離器為例，通過建立溫度應力和功率應力雙應力同時作用的雙應力加速退化模型，設計了合理可行的加速壽命試驗，為星載無源微波器件高可靠長壽命驗證提供了參考和借鑒。當然，本次加速壽命試驗樣本少，置信度偏低，在研究過程中，引入了一些假設，對模型進行了一定的簡化以滿足工程可操作性，試驗結果僅供參考。課題組將繼續深入研究，結合在軌產品實際工作情況，不斷修正模型，使可靠性評估結果更加準確。