航天器电子产品加速试验技术现状及探讨

王 浩，黄小凯，杨晓宁，陈金明

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

航天器电子产品加速试验技术现状及探讨

王 浩，黄小凯，杨晓宁，陈金明

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

随着电子产品在航天器中占比越来越高，采用加速试验来进行航天器电子产品的可靠性验证与评估成为一种高效的手段。文章综述了加速试验技术在航天器各层次电子产品中的应用现状，并且根据航天器研制特点梳理了航天器电子产品加速试验类型及加速试验设计方法，给出了我国在该领域开展研究工作的建议。

航天器；电子产品；加速试验；评述

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0　引言

随着光机电一体化技术在航天器中的广泛应用，以及航天器功能密集度的日益提高，电子产品在航天器中所占比重越来越大。在对相关资料的研究后发现，国外1975年—2007年间的272次卫星故障统计中，电子产品的故障占故障总数的54%，我国航天器发射和入轨后故障率最高的同样是电子产品。因此，航天器电子产品的可靠性研究工作是当前的重点。

为了提高航天器的可靠性与安全性，我国现行的航天试验标准体系以GJB450A《装备可靠性工作通用要求》及QJ1408A《航天产品可靠性保证要求》为顶层标准，颁布了一系列可靠性标准，如可靠性试验方面的QJ3127—2000《航天产品可靠性增长试验指南》和QJ3138—2001《航天产品环境应力筛选指南》等。在试验设计与评价方法上，采用老炼试验、可靠性增长和环境应力筛选（ESS）等传统的试验方法，从很大程度上保证了任务的成功率。但是，随着航天器研制任务的大幅度增加，以及在轨运行时间要求的不断提高，传统的可靠性试验技术在试验时间和经费的约束下，已经远远不能满足产品发展的需求。

加速试验是在不改变失效机理的前提下，用增大环境/工作应力量值达到缩短试验时间并获得试验实际效果的试验方法［1］，包括高加速寿命试验（highly accelerated life testing，HALT）、高加速应力筛选（highly accelerated stress screening，HASS）、加速寿命试验（accelerated life testing，ALT）和加速退化试验（accelerated degradation testing，ADT）。利用加速试验技术，可以快速暴露产品的设计和工艺缺陷，有效消除早期失效，还可以利用所获得的产品寿命与可靠性信息预测或评估产品正常使用的寿命与可靠性水平。

本文通过调研，系统地总结了国内外有关航天器电子产品的加速试验现状、类型及设计方法。

1　航天器电子产品加速试验现状

目前，民用电子产品的加速试验技术发展十分迅速，应用也很广泛。国外Qual Mark公司、Otis Elevator 公司、Hobbs Engineering公司、Boeing公司和HP公司在加速试验技术的研究上处于领先地位。国内，在计算机和通信设备领域，工信部电子五所、北京航空航天大学、国防科学技术大学和华为公司等单位也取得了许多突出的成绩。在航天领域，电子产品的加速试验主要集中于材料级、元器件级和组件级，对于部件及以上级别的研究较少。

1.1材料级、元器件级加速试验

付琬月等［2］利用加速试验技术，分别开展了GaAs MMIC功率放大器芯片在高温环境应力下和电应力作用下的加速试验，实现了极限评估与失效模式的验证。中国电子科技集团公司第十五研究所对国内自主开发的一种可应用于航天领域的刚挠印制板进行了加速试验，经过振动、冲击、加速度、热冲击和高低温循环等试验项目，暴露了工艺和技术薄弱环节，为提高产品健壮性提供了设计依据［3］。陈文华等通过对电连接器进行失效分析，建立了可靠性模型，开展了加速寿命试验，并对试验数据进行统计分析，得到了电连接器在随机振动应力作用下的可靠性特征估计值［4］。Jinyu J.Ruan等针对MEMS器件的ESD试验，设计了一套小型的加速试验与测量设备［5］。

1.2组件级加速试验

Song F F等以M型行波管为对象研究微波管的加速试验技术，并得到了M型行波管在电流密度为1.5A/cm2时的加速应力上限值［6］。石士进等对某卫星型号用电源控制器（PCU）进行HALT，通过失效分析寻找薄弱环节，将试验对象聚焦于3个模块，这也是组件级及以上级别航天器电子产品的主要加速试验方法［7］。

1.3虚拟加速试验技术

在航天器电子产品的研制阶段，虚拟加速试验技术也开始起到重要作用。虚拟加速试验是利用计算机仿真建模、通信网络等虚拟试验环境，对试验对象建立模型并施加虚拟加速应力进行试验的研究技术。文献［8］利用有限元法建立了印制板的三维有限元模型，然后通过虚拟加速试验研究了焊点对热循环试验各剖面参数的应力应变动态响应的一般规律，从而为热循环试验的优化设计提供了依据。

2　航天器电子产品加速试验类型

根据试验目的的不同（定性/定量），可将航天器电子产品的加速试验分为工程试验和统计试验。

2.1工程试验

工程试验的目的是确定产品设计、工艺、元器件等方面是否存在缺陷、是否满足可靠性要求，及可靠性是否还可以提高等工程问题，是一种定性的加速试验技术。按照航天产品任务阶段划分，还可以将该类试验分为用于研制阶段的HALT，以及用于生产阶段的HASS。

从试验技术角度来看，HALT利用逐步提高应力的方法对试验对象施加各种加速应力，来激发故障和暴露设计的薄弱环节，为提高产品固有可靠性提供依据。在此基础上，HALT技术要求通过再设计解决试验中暴露出的问题，然后提高试验量级再试验，反复迭代，直到产品的健壮性到达某一约束条件（如试验时间、经费和技术水平等）。

HASS技术是剔除生产阶段航天器电子产品早期故障的试验方法。在工程项目中，HASS与HALT一般结合在一起应用，根据HALT得到的产品应力极限，HASS以略低于应力极限的试验量级进行试验，可以缩短试验时间，提高可靠性验证的充分性。

2.2统计试验

统计试验包括ALT和ADT，其目的是定量评估产品的可靠性与寿命信息。

ALT是一种基于产品失效数据的统计试验。在合理的工程及统计假设基础上，利用加速模型和数据融合技术，将加速应力下的产品失效数据进行外推，得到产品在正常应力水平下的各种可靠性和寿命信息。

ADT是一种基于产品退化数据的统计试验。该试验方法主要应用于性能具有退化特征的航天器电子产品，建立加速应力与产品性能退化之间的关系模型，外推和预测产品正常使用下的可靠性与寿命信息，因此ADT也称为伪失效试验或伪寿命试验。

3　航天器电子产品加速试验设计

加速试验方法的理论基础为失效物理技术（physics of failure，PoF）。PoF这一概念正式提出是在20世纪60年代，为了解决机载电子产品的低可靠性问题，1952年—1957年间，美国国防部进行了著名的AGREE可靠性分析，总结了一套失效分析技术，随后，NASA将其应用于航天领域。PoF是从微观角度分析应力、时间对产品元件材料的退化和失效所造成的影响。加速试验方法根据PoF理论，将研究对象的可靠性与寿命特征等内在信息，通过可观测的物理、化学变化等外部信息联系起来。

按照试验大纲的设计流程，加速试验的设计包括产品失效分析、试验样本选择、试验剖面设计与试验数据分析等4部分内容。

3.1产品失效分析

在加速试验的设计中，对于产品失效模式和失效机理的分析是整个试验的核心。根据链条原理，电子产品的可靠性与寿命由其内部最薄弱的元器件决定。由于航天器电子产品的多样性，以及运行环境的复杂性，为了确保试验的充分性，早期可靠性试验大纲要求根据环境预示的结果进行模拟环境试验。

随着数据及经验的积累，各类电子产品所涉及的失效模式、失效机理、可靠性试验和筛选方法已经形成了相应的标准和规范。NASA的PRP （preferred reliability practices）文件中EEE器件筛选部分，将半导体、电容器、电阻及其他类电子元器件（如电感器、晶体管、变压器等）所对应的筛选方法（共22项）和标准进行了汇总，总结得到了8类主要的失效机制以及每类失效机制的权重和筛选方法［9］。从该文件的研究结果中可以看出，热与力是暴露EEE器件潜在缺陷的最有效环境应力。对于部分电子产品，试验过程中还需要施加相应形式的电应力，以暴露产品潜在缺陷和评估可靠性［10-11］。如利用电涌试验，可以激励可靠性水平较低的电容器出现雪崩击穿，以剔除早期失效［12］。相关文献［13-14］还指出，空间粒子辐射环境所造成的总剂量效应和单粒子效应也是导致航天器电子产品失效的重要因素。

因此，热、力、电与粒子辐射等应力是导致航天器电子产品失效的主要环境应力，也是加速试验中的主要加速应力。

3.2试验样本选择

航天器电子产品加速试验设计中，试验样本按照试验目的可以分为科研试件与工程试件。

科研试件是指以理论研究和新产品适用性为目的的试验样本。由于航天用电子产品的成本远高于其他行业，而样本量的多少对试验结果的精确度有很大影响，所以，科研试件一般会定位在元器件级、部件级和组件级，样本量也随着产品层次提高而相应地减少，主要用于任务的研制阶段。科研试件选择上遵循以下原则［6，15］：

1）样本质量要求属于A类器件，以保证试验结果的可信度；

2）同种类产品的试验样本选择，应扩大各型号间差异（如工艺复杂程度、材料和结构特点等）；

3）样本在试验前要求完好；

4）针对失效分析得出的产品的主要失效模式和失效机理，可以适当简化样本结构。

NASA在对CMOS微电路M38510开展加速试验研究时，根据产品的复杂程度和代表性，将试验对象确定为CD4011A（用于逻辑与非门）、CD4013A（用于D型双稳态多谐振荡器）和CD4024A（用于二进制计数器）。Song F F等人以M型行波管为对象研究微波管的加速试验技术，通过失效分析将主要失效机制定位于阴极Ba的蒸发，在样本的选择中，简化掉螺旋结构以降低研究复杂度［6］。

工程试件指型号任务分系统级与系统级的试验样本。该类试验样本特别是正样产品，具有小子样的特性，技术状态应与技术条件规定相一致。

3.3试验剖面设计

试验的剖面设计是整个试验的主要内容，指导着整个试验过程的进行。试验剖面的设计是否恰当直接决定着试验的效率。剖面设计主要分为应力施加方式、应力水平、样本量和试验时间等4项要素。

3.3.1应力施加方式

航天器电子产品加速试验的应力施加方式主要包括恒定应力、步进应力和循环应力。

恒定应力是对每组试验样本施加不同等级应力，并保持至达到试验要求。由于试验操作和数据分析方法较为简单，恒定应力的施加方式广泛用于寿命评估，及对特定应力敏感的产品筛选，是目前航天产品在进行加速寿命试验时常采用的方法。

步进应力是对试验样本按从低到高水平依次施加加速应力，直到达到试验要求。步进应力是产品极限摸底和提高固有可靠性的常用试验方法；与恒定应力相比，步进应力的试验方法需要的样本数量较少，加速效率较高。但是，从寿命评估角度来看，从试验数据中分离出每级加速应力相对应的寿命信息依然是当前的研究重点与难点。

循环应力是指试验应力按照规定的变化速率、上/下限及保持时间来施加，直至试验规定时间或实现试验目标。热循环、热冲击和周期随机振动等常用的筛选或鉴定试验方法均采用循环应力施加方式。从激发效果来看，循环应力最好，但是这种试验方法很难给出定量的结论。

3.3.2应力水平

加速试验应力水平的设计包括应力极限、数量与步长等3个主要因素。

应力极限为在不改变产品失效机理基础上能够施加的最大（小）值。当产品处于应力极限时，激励效率是最高的。但是，由于航天器电子产品的多样性，目前对于应力极限的研究多为元器件和材料级，组件级电子产品失效机理复杂，郭秀才等［16］以电路盒为对象对应力极限进行了探索性的研究。

应力水平的数量依据工程经验和数据处理的可操作性应在3～5个之间。

应力步长要随着应力增大而减小，使样本更容易出现性能退化。GB 2689.1—1981中提供了热应力与电应力恒定应力加速试验的步长设计方法。但是，随着对步进应力、双应力甚至三应力加速试验技术的研究，试验方案的优化设计技术成为了研究热点。汪亚顺等［17］通过引入Monte Carlo仿真的统计模拟思想，构建基于仿真的加速试验方案优化设计理论框架，并提出了典型加速寿命试验、加速退化试验方案的仿真及优化设计方法。潘刚等［18］同样采用 Monte Carlo方法对加速试验进行仿真模拟，以总的试验费用作为约束条件，建立了双应力交叉步降加速退化试验优化设计模型，对应力水平等要素的优化提供了理论依据。

3.3.3样本量

样本量的设计主要针对统计试验。从统计学角度而言，样本量越大，结论越接近真实值。由于航天器电子产品（特别是分系统级以上的产品）的小子样特性，样本量主要由实际情况决定。对于试验件数量充足的加速寿命试验（如元器件级或部件级），样本量通常由置信度等总体要求所决定。恒定应力加速寿命试验要求每个应力水平下的样本数量不少于10个，特殊产品不少于5个［19］。由于低应力水平失效率较低，对于试验时间较短的截尾试验，低应力水平投入的样本量应多于高应力水平样本，以避免出现应力水平下无失效的情况。

3.3.4试验时间

加速试验的试验时间设计通常依据试验目的和要求。

HALT等用于研制阶段的加速试验，在产品达到可靠性目标之前，试验时间以暴露出产品缺陷和薄弱环节为准。HASS等用于产品生产阶段的加速试验，试验时间需要通过前期的试验获得，如对带有典型缺陷的试验件施加适当的加速应力，可以得到该条件下的筛选时间。

以定量评估为目的的统计试验，为了获得精确的结果，试验件的样本量往往比较大。但是由于试验经费和时间等原因的限制，使试验件全部达到规定的失效标准是非常困难的。所以，在试验时间设计的时候需要设置截尾条件，包括定时截尾和定数截尾。

1）定时截尾。即试验（应力）进行到规定时间时结束（停止施加）。该截尾方法可以在试验前明确试验时间，有利于整个试验计划的制定和安排。

2）定数截尾。即试验（应力）进行到规定失效个数时结束（停止施加）。由于试验件失效带有随机性，不容易事先得到试验时间，试验计划的制定和试验过程的控制存在一定难度，该截尾方法的应用具有局限性。

此外，对于试验时间参数的优化设计，如热循环试验的高、低温保持时间，多应力试验中各种应力的施加时间等，航天领域已经开展了一些研究工作并取得了一定的成果［20-21］。

3.4试验数据分析

根据研究角度的不同，试验数据分析方法分为基于失效机理的数据分析方法和基于数据融合的数据分析方法2种。前者是从失效机理的角度，利用应力对产品产生的物理化学变化规律，分析试验数据。后者是从统计学的角度，利用各种数据融合理论（如最小二乘法、贝叶斯理论、最大似然估计和支持向量机等）分析试验数据。

4　结束语

目前，我国航天领域电子产品的加速试验技术还处于尝试阶段，应用范围较小，没有形成系统的试验体系。北京卫星环境工程研究所对加速试验技术在航天领域应用进行了大量研究工作，并获得了多项成果。但是，随着当前型号对航天器电子产品高可靠长寿命验证技术要求的提高，在加速试验技术领域仍然有许多工作亟待开展：

1）对历史故障和异常数据进行信息挖掘，为航天器电子产品失效分析提供使用数据支撑；

2）在产品的研制阶段，深入分析材料级、元器件级和部件级电子产品的潜在缺陷，通过试验—分析—改进—再试验方法提高组件级、分系统级和系统级产品的固有可靠性水平；

3）制定组件级、分系统级和系统级产品的加速试验规范或标准，形成系统的航天电子产品加速试验体系。

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（编辑：王 洋）

Current status of accelerated test techniques for spacecraft electrical products

Wang Hao，Huang Xiaokai，Yang Xiaoning，Chen Jinming
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

The accelerated test becomes an efficient method for reliability verification and assessment of spacecraft electrical products，which account for a major proportion of spacecraft failures.This paper reviews the current status of the accelerated test techniques used in every level of spacecraft electrical products，including the types and the methods for designing the accelerated test according to the characteristics of spacecraft developments.Finally，some suggestions are presented for the related researches in China.

spacecrafts； electrical products； accelerated test； review

V416

A

1673-1379（2015）05-0509-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.05.010

2015-05-22；

2015-09-22

王 浩（1983—），男，博士研究生，研究方向为航天产品高可靠长寿命试验技术；E-mail: shenhengwh@163.com。指导教师：陈金明（1963—），男，研究员，博士生导师，从事航天器环境工程与试验等研究工作。