航天電子產品貯存期評估方法范文

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《航天電子對抗》2016年第6期

摘要：航天電子產品具有長壽命、小子樣、失效機理復雜等特點，難以通過傳統的統計方法對其貯存期進行評估。通過對元器件進行加速貯存試驗，給出了一種元器件的退化方程、偽失效壽命、加速因子以及激活能的計算方法，然后在元器件加速貯存試驗的基礎上提出了一種基于失效率的航天電子產品加速因子算法，該算法只需得到整機元器件數量、失效率激活能即可計算加速因子，最后對某控制器進行加速壽命試驗，驗證了所提出的貯存期評估方法的正確性以及工程適應性。

關鍵詞：電子設備；貯存期；加速試驗；評估

1引言

當前，航天導彈武器系統電子產品通常具有“長期貯存，一次使用”的特點，貯存期通常可達十余年，是衡量導彈武器的一個重要指標。在研制階段需要對電子產品的貯存期進行評估，獲取貯存可靠性信息。目前，國內外通常采用的貯存期評估方法是對產品進行加速貯存試驗，加速貯存試驗是在試驗中對樣本施加超過自然貯存條件的環境應力，采集并記錄相關參數的失效或退化數據，在一定條件下對試驗數據進行分析建模，外推出正常應力下的貯存可靠性指標。加速貯存試驗分為加速壽命試驗和加速退化試驗。加速壽命試驗以試驗中出現的失效樣本數作為評估依據，需要的樣本數量較多，而加速退化試驗以樣本的退化數據作為評估依據，所需樣本數量較少。航天電子設備通常由整機電路及金屬件結構件組成。

為了獲取電子產品的貯存期信息，必須先分別對電路、非金屬件及金屬件金屬結構件的失效模式、失效機理及貯存期進行評估。國內大部分的研究內容還主要集中在對電子元器件、金屬材料及非金屬材料進行加速試驗，對電子產品的整機加速試驗的研究、方法還比較少。由于金屬結構件的貯存可靠性元大于電子元器件，本文主要對電子產品的整機進行貯存期研究。航天電子產品整機級加速貯存試驗方法是從元器件老化試驗中發展而來的，但也存在差別。電子產品整機中通常包含種類各異的電子元器件，在相同試驗應力下，整機內不同種類的電子元器件的加速因子（即老化速率的加速倍數）并不相同，如何通過元器件的加速因子得到整機加速貯存試驗的加速因子是本文需要解決的問題。本文首先以典型電子元器件為例，介紹了其退化方程、偽失效壽命、加速因子以及激活能的計算方法，然后在元器件加速貯存試驗的基礎上提出了一種基于失效率的航天電子產品整機加速因子的計算方法，最后以某控制器為例說明其貯存期評估方法。

2電子元器件的加速壽命

影響電子元器件貯存壽命的因素有材料、工藝、結構、封裝等，在同樣的貯存條件下，相同類型的元器件其壽命基本相同，因此，對同類型的元器件選取一個代表品種進行試驗，所得出的壽命信息就適用于該類型的所有元器件。本節以某開關二極管為例，說明其加速壽命評估以及加速因子、激活能的計算方法。

2．1試驗應力

選擇將樣品分為4組，采用步進應力加速貯存試驗方法。步進應力加速貯存壽命試驗溫度及時間分別為T1：150℃（0～900h）；T2：165℃（900～1700h）；T3：180℃（1700～2400h）；T4：195℃（2400～3000h）。在4個溫度下共設置23個測試點如下：T1測試節點：0、300、500、700、900h；T2測試節點：1060、1220、1360、1540、1700h；T3測試節點：1900、2000、2100、2200、2300、2400h；T4測試節點：2490、2580、2670、2760、2840、2920、3000h。開關二極管漏電流IR為敏感電參數，因此，通過IR對其壽命進行評估。

2．2試驗實施

在每個測試節點對4組樣品的漏電流進行測試，對每次的測試數據分組。

2．3數據處理

2．3．1退化方程

退化方程可按以下步驟得出：1）繪制漏電流IR變化趨勢圖；2）對趨勢圖進行擬合，得到退化曲線及方程。根據測試數據，繪制4個應力溫度下的退化曲線及方程如圖1～4所示。

2．3．2偽失效壽命

擬合曲線的“線性”擬合程度較好，因此，利用擬合直線方程y＝a＋bt中得出的a和b的值，外推各溫度下器件的偽失效壽命t。

2．3．3加速壽命方程

得到偽失效壽命后，利用概率圖確定壽命的分布類型，利用擬合曲線計算各個溫度下的中位壽命t（0．5），4個溫度下的中位壽命分別為10734．92、7279．093、5051．21、4518．42h。圖中縱坐標為lnt（0．5），橫坐標為1／T（e－4）。加速壽命曲線近似為直線，根據加速方程lnt（0．5）＝a＋b／T，推算出常溫25℃下，該二極管中位壽命為505812h，大約57年。

3電子產品整機加速因子研究

航天電子產品加速貯存試驗首先要確定影響貯存的關鍵應力，在此應力下需要選擇相應的加速模型進行加速因子的計算。

3．1整機加速應力的選擇

選擇合適的加速應力直接決定了試驗的有效性及加速效率，一般應根據產品的失效機理與失效模式來選擇加速應力；航天電子產品在貯存、運輸、維修期間受到多種環境影響，故在選擇加速貯存試驗加速應力之前，應作如下考慮。1）加速應力所激發的失效機理要與實際使用狀態下的失效機理相同，即保證失效機理不改變。2）應該選擇對失效過程起到影響最大的應力作為加速應力。3）加速應力會導致產品同時存在幾種失效機理時，應按照技術上的判斷，著重關注主要的失效機理。結合航天型號工程經驗，環境溫度和濕度是決定產品貯存壽命及可靠性的主要因素。溫度對電子產品可能引起的熱效應主要有如下幾個方面：1）固定電阻的阻值改變；2）溫度梯度不同和不同材料的膨脹不一致使電子產品的穩定性發生變化；3）變壓器和機電部件過熱；4）繼電器以及磁動或熱動裝置的吸合／釋放范圍變化；5）工作或貯存壽命縮短。濕度環境對電子產品的表面效應，以及材料性質的改變會產生影響。目前，還沒有成熟的濕度加速試驗模型可以引用。在設計時，導彈彈上電子設備大多需進行密封性設計，因此濕度不是貯存的敏感應力，本文主要考慮溫度應力作為加速貯存的施加應力。

3．2整機加速因子算法

Arrhenius模型廣泛應用于與溫度有關的應力加速貯存試驗，但Arrhenius模型只適用于元器件，不能直接應用于整機［10－11］。

4整機加速貯存試驗方法

4．1整機加速方法

綜合考慮溫度和加速效果，選定80℃為該控制器的加速應力溫度，其對應的加速貯存試驗時間T為T加速時間＝T貯存期／AFT。假設該控制器的貯存期為15年，為簡化試驗模型，建立加速試驗剖面如圖6所示。樣本為新出廠產品，其自然貯存壽命為0，需要進行15個循環周期的加速試驗，每個循環的試驗時間為365×24h／35．51＝246．7h，也即加速時間246．7h相當于自然貯存1年。試驗要求如下：產品在進高溫箱前，需要進行外觀檢查和2電性能檢查，檢查合格后方可進入后續的高溫試驗。高溫箱的升溫和降溫的速度是2℃／min，高溫箱中的溫度保持在80℃并恒溫0．5h后開始計時，每個循環周期后進行電性能測試，測試時需將高溫箱的溫度降至常溫，常溫恒溫0．5h后，才可以開始測試。高溫加速試驗的有效時間不應含納測試和恒溫的時間。每個試驗循環周期結束后，需對產品進行性能測試，若15個循環周期測試均合格，則可以給出15年貯存期評估結論。

5結論

本文以元器件加速試驗為基礎，分析了元器件的貯存期、加速因子及激活能的計算方法，在此基礎上提出了一種基于元器件失效率和激活能的整機加速因子計算方法，該方法針對小樣本、故障模式多樣的高可靠航天電子產品的貯存期評估問題進行研究，只需得到元器件種類及數量、元器件失效率、激活能即可計算加速因子。以某彈上控制器為例，給出了其加速試驗及真實度評價方法。通過本文研究，可以對電子產品的貯存期進行評估，具有一定的工程實踐意義。對于加速因子真實度的評價方法是本課題后續研究的重點。

參考文獻

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作者：向剛1；苗靜2；邱豐1 單位：1．北京航天自動控制研究所，2．北京電子工程總體研究所