宇航用PB型叠层片式电感器评估试验及应用建议

张 义，施 威，张红旗，罗俊波，李秀山



宇航用PB型叠层片式电感器评估试验及应用建议

张 义1，施 威2，张红旗1，罗俊波2，李秀山2

（1. 中国空间技术研究院，北京 100029；2. 深圳振华富电子有限公司，广东深圳 518109）

为验证大电流（PB）型叠层片式电感器（MLCI）应用在宇航工程中的可靠性水平及性能参数冗余量，对PB型MLCI进行了热应力、机械应力、电应力及强化寿命等评估试验，从而掌握了产品在不同应用条件下性能参数的边界余量和极限耐受能力等试验数据。对评估试验结果进行了分析，得出了电参数所呈现变化趋势的具体原因。此外，基于评估试验结果的分析，给出了产品在设计应用时的注意事项和使用指南。

MLCI；评估试验；极端环境；可靠性；电学特性；应用建议

叠层片式电感器（Multi-Layer Chip Inductor，MLCI）发展于20世纪80年代[1-2]，是电子产品中大量使用的三大无源元件之一，具有体积小、质量轻、磁路闭合、独石结构、抗电磁干扰、适合表面贴装等优点，广泛应用于电子整机中的振荡、高频滤波、电源滤波和旁路滤波[3-5]。MLCI其质量和可靠性直接关系到整机产品的可靠性，出现任何一种失效模式都可能会引起整机故障，甚至整个任务的失败[6]。

宇航元器件评估技术，是针对分析元器件应用中关注的相关功能、性能和可靠性与规范之间要求的裕度和余量，以及在设计、材料或工艺方面的潜在缺陷，采用高加速应力和持续应力的方法以获得极限能力，评估元器件在热、力、电等应力作用下可承受的应力极限值和失效模式，综合评价元器件极限能力的全过程[7]。对于应用环境苛刻、可维修难度高、质量可靠性要求高的元器件而言，宇航元器件评估技术是该类元器件质量保证的重要方法之一。

随着航天器的密集发射以及对空间环境适应性的不断提高，电子元器件在航天装置中的使用越来越频繁，担负的任务也越来越重要[8]。目前，文献对MLCI可靠性的报道大多侧重于可靠性失效机理、可靠性测试技术等方面，鲜有报道对MLCI从电应力、温度应力和机械应力三个方面展开详细的评估试验，考察产品在不同应用条件下性能参数的边界余量和极限耐受能力，并给出产品的使用建议。而MLCI作为航天器配套选用的重要元器件之一，有必要利用宇航元器件评估技术开展一系列评估工作，综合评价产品的各项极限能力。

大电流型（以下称PB型）MLCI作为航天型号广泛选用的一种高可靠性电感器，在评估试验选型上具有很好的代表性。因此，本文重点选取了PB2012型MLCI作为典型品种，制定了评估试验方法和要求，对评估试验后的各项试验数据进行了统计分析，总结变化趋势、分析失效原因、合理界定边界条件。并且，基于试验结果的分析，给出了PB型MLCI在设计及应用时的指导建议，能够有效预防应用不当而发生产品失效的风险。

1 MLCI典型结构

MLCI是由交互叠加的铁氧体和内导体层所组成[9]，其制造主要方法有干法、湿法和干湿法结合工艺[10-11]。PB型MLCI采用湿法制造工艺，铁氧体材料构成产品基体，银线圈居中镶嵌在铁氧体内部并经一定宽度的引出银线与端头银层相连接，端头从内到外由烧结的银层、电镀的镍层、锡铅层构成三层结构，最终构成端面可焊、结构稳定的独石结构。结构如图1所示。

图1 MLCI结构图

2 评估试验方法

对PB型MLCI采用步进加速应力和持续加速应力相结合的评估方法，评估试验项目包括功能性能评估、极限能力评估和寿命强化，评估试验项目分解图见图2所示。

图2 评估试验项目分解图

2.1 产品功能性能评估

产品功能性能评估试验涉及全参数测试分析和全温度范围参数测试分析。其中，全参数测试分析主要针对PB型MLCI特性参数指标的符合性检测，以期确认待评估样品的初始状态。而全温度范围参数测试分析主要针对PB型MLCI关键应用参数（特性阻抗、直流电阻）在整个工作温度范围内（–55~+125℃）的感温变化情况进行验证，以确认PB型MLCI关键参数指标在全温度范围内的变化尺度。

2.2 产品极限能力评估

根据GJB1864A的规定以及航天器用PB型电感器采购规范（航天标准）的要求开展极限能力评估试验，包含介质耐电压、过载、温度冲击、低温工作、高频振动和引出端强度测试。分别从电应力、温度应力以及机械应力三个方面对PB型MLCI的极限耐受力情况进行考察，以确认产品在不同环境条件下的最大耐受力情况和边界余量。产品评估试验方案及性能指标允许偏差范围分别见表1和表2所示。

2.3 寿命强化试验

寿命强化试验包括两个试验条件，条件A：试验时间2500 h，施加额定电流，试验温度90 ℃，每隔500 h进行电性能（值、DCR值）测试；条件B：试验时间1000 h，施加额定电流，试验温度125℃，每隔500 h进行电性能（值、DCR值）测试。将温度作为加速因子，并施加不同的通电时间，以期验证PB型MLCI在极限高温环境下的持续工作能力。

3 评估试验结果与分析

3.1 样品选取原则

为了使所选取的样品具备产品系列覆盖性及可代表性，评估试验按照产品阻抗值、额定电流值以及内电极结构的不同，分别随机抽取PB2012型MLCI（宇航级）的四款典型产品作为代表样品，从产品的功能性能、极限能力和寿命三个方面开展评估考核。

3.2 功能性能试验结果分析

（1）全参数测试分析

对于PB型MLCI而言，全参数测试分析主要针对其特性参数指标阻抗值和直流电阻DCR值进行检测，以此确定待评估样品的初始状态，测试结果如图3所示。

表1 产品评估试验方案

Tab.1 Product evaluation test program

表2 产品||值和DCR值精度要求

Tab.2 Product accuracy requirement of |Z| and DCR

通过对图3中四款PB型MLCI产品的参数测试结果进行计算分析，四款PB型MLCI的值及DCR值参数批次间一致性较好其中，||值变化率在–12.38%~+8.96%范围内波动，DCR值变化率在–16.67%~+14.29%范围内变化。

（2）全温度范围参数测试分析

在–55~+125℃温度范围内每隔20℃（保温5 min）进行一次阻抗||值和直流电阻DCR值的测试，计算出产品关键电性参数在全温度范围内的变化尺度，对产品在整个工作温度范围内的感温变化情况进行验证，测试结果如图4所示。

(a)值

(b) DCR值

图3 四款PB电感器的参数测试结果

Fig.3 The parameters test results of four types of inductors

(a)值极差

(b) DCR值极差

图4 –55~+125℃范围内电性参数变化量

Fig.4 The electrical parameter variation at –55~+125℃

从图4中显示的数据来看，随着阻抗值的增加，产品的电性极差值也随之增大。其中，PB2012-000/2A和PB2012-000/4A这类低阻抗MLCI电性结果表现出良好的温度稳定性和电性一致性。PB2012-601/1A高阻抗电感器在–55~+125℃温度范围内，20只样品的值极差最大达到112.9 Ω，不到设计值的20%，温度稳定性表现稍弱于低阻抗产品，而DCR值极差最大只有10.7 mΩ。

一般假设，任一批次合格产品的值与DCR值基本符合正态分布（，2），且平均值在设计值附近。就数值而论，内导线圈数越高，阻抗值越大，即越大，标准差也可能越大，/可衡量电性参数集中程度。

电性参数分布主要依赖于：（1）内线圈结构的设计；（2）材料本身性能集中度；（3）工艺制作的分散水平这三个方面。从两款低阻抗PB型MLCI的测试结果来看，产品的设计全同，生产也是基于同一种NiCuZn铁氧体材料制备而成的，实际电特性结果一致性较好，说明产品的生产工艺控制水准比较高。高阻抗的PB型MLCI测试结果的电性一致性相对较差，主要是因为产品内线圈圈数较高和结构设计的复杂性导致产品内部磁路存在一定的差异性，因而产品的电性一致性相对较差。

3.3 极限评估试验结果分析

（1）介质耐电压

介质耐电压试验结果如图5所示。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

图5 介质耐电压试验结果

Fig.5 The dielectric withstand voltage test results

从图5中的试验结果可以看出，四款产品在650 V及更小的电压下，漏电流测试值低于标准值100 μA的一半，当耐压值达到700 V或750 V后，四款PB型MLCI的磁体介质漏电流开始飙升，部分产品开始超过100 μA，达到试验终止条件。当耐压值达到700 V时，漏电流超标的产品，表面并无飞弧或烧伤变色，介质结构保持良好，但从后续测试结果反映出产品内部微观结构此时已经发生了不可逆的变化。

产品的耐电压能力主要由磁电介质本身的材料参数及宏观的厚度决定，微观上银导体的外沿形貌也对耐压存在影响，银烧结时的扩散、银电极外沿毛边突起等，都可能降低耐压水平。四款PB型MLCI产品的原材料设计采用了同一种铁氧体材料，材料的介电性能即耐受电场强度的能力是恒定的，因此，介质膜厚度是决定介质耐压值的首要变量，PB型MLCI产品设计膜厚基本相同，因而所有产品漏电流开始飙升（绝缘性能开始劣化）的区间是相同的，均在（700±50）V上下。当电压超过这一区间后，再恢复低压进行测试，漏电流水平不能完全恢复，仍高于原状态5%~20%不等，并且漏电流水平与保压时间也有关。这说明当电压超过（700±50）V后，击穿效果有残余，产品内部微观结构变化不可逆。而在（700±50）V以下时，电压的高低变化不存在残余效果，产品内部微观结构变化是可逆的。

（2）过载试验

过载试验结果见表3。

表3 过载试验结果

Tab.3 The overload test results

从表3中的过载试验结果来看，在试验条件A和B下，所有产品至少能够承受3倍以上的额定电流。当电流超过最大电流一个步进值时，产品端头开始发黑，未发生爆裂现象。

PB型MLCI的内电极银线是一种良好的热导体，热阻系数为0.1 m℃/W，铁氧体导热能力介于氧化铝瓷与云母之间，在5~60 m℃/W，散热能力略优于云母电容。当产品两端通过电流时，由于产品尺寸小，导线（热源）居中而均匀，散热能力较强，使得MLCI内外温差保持在较低的水准，MLCI内部的温度近似于MLCI外表面的温度。当施加更大的电流时，根据=2，导线单位时间内产生的热量与电流的关系呈现二次方增加，但是散热能力与温度的关系却为线性关系，当电流增加到一定程度后，MLCI的温度急剧增加，由于内电极银和磁体铁氧体材料的熔点都比锡的熔点高，因此，MLCI的温度增加时，锡首先发生融化，从而导致锡层发生脱落，导致MLCI产生导电不良的现象。同时，在负载情况下，当温度超过200℃时，铁氧体磁性受温度影响，其磁化强度可能发生剧变，导致产品的功能发生退化。因而在这种高温或负载高于3倍而散热环境差的情况下，产品的功能会发生退化。

（3）温度冲击

温度冲击试验结果如图6所示。

从试验结果可以发现，四款产品在经过全部试验条件后均保持完好并未发生失效，所有产品都可承受100次温度循环冲击以上。100次温度循环冲击内，四款PB型MLCI的值极差最大才30 Ω，最小为0.5 Ω，DCR值极差最大为8.4 mΩ，最小为1.5 mΩ。在温度冲击试验中，产品会出现局部冷凝的状况。如果产品存在细微裂纹，一些冷凝水会慢慢渗入微观裂缝中，这些残留的冷凝水在低温环境下结冰、膨胀，导致产品的结构强度降低，电性能降低，甚至是失效。MLCI作为一种独石结构产品，具有良好的致密性，可以抵抗外界温度环境的冲击。从实际结果看，温度冲击对产品的性能影响也很小，100次温度冲击后产品均表现出良好的参数稳定性。

（4）低温工作

低温工作试验结果如图7所示。

从图7四款PB型MLCI的低温工作试验结果可以发现，经过低温工作试验后，所有样品状态保持完好，产品的值较初始值都有一定的上升，而DCR值变化不一。低温工作模拟的是产品在低温环境下和施加电流的状况下的试验，产品同时受温度应力和电应力的双重作用，当施加一定时长的额定电流，产品的磁感应强度受到影响，从而导致值有所增加；根据直流电阻计算公式（为电阻率，为长度，为横截面积）可知，DCR值大小主要与印刷的银浆特性、印刷银线的线长线宽线厚有关。印刷用银浆对温度的敏感度低，而线长由网版设计决定，不会发生变化，因此，DCR值主要取决于银线的宽度和厚度。基于目前的工艺水平，银线印刷宽度和厚度无法完全做到理论上的完全一致，银线印刷宽度精度可以控制在±2 μm左右，厚度精度控制在±2 μm左右，导致产品DCR值出现变化不一的现象。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

图6 温度冲击试验结果

Fig.6 The temperature concussion test results

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

图7 低温工作试验结果

Fig.7 The low-temperature work test results

（5）高频振动

高频振动试验条件及方法依据GJB360B-2009中方法204的规定，振动量级分别从试验条件B（频率范围10~2000 Hz，加速度15 g）直至试验条件G（频率范围10~500 Hz，加速度30 g）[12]，试验结果如图8所示。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

图8 高频振动试验结果

Fig.8 The high-frequency vibration test results

从图8高频振动试验结果可知，四款PB型MLCI产品的高频振动试验结果可以发现，产品在经过各种高频振动后，高阻抗产品的值会随着振动加速度的增加，表现出升高的趋势。这是由于铁氧体的磁感应强度对应力的敏感性呈现正反馈关系，高圈数的MLCI阻抗高，因此对应力的敏感度更高。而DCR值与印刷银线的宽度和厚度有关，对高频振动应力的敏感度不大，因而变化比较小。

（6）引出端强度

引出端强度试验结果如图9所示。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

图9 引出端强度试验结果

Fig.9 The terminal intensity test results

从图9引出端强度试验结果可知，全部试验样品均能承受20 N端头拉力而无损伤。随着拉力的增大，值相对于初始值有一定的增加，DCR值则增减不一。引出端强度试验考察的是机械应力对产品结构和电性的影响，在一定拉力范围内，产生的应力会对产品阻抗值产生正反馈关系；而DCR值变化不一的原因与低温工作下原理相同。DCR值主要取决于银线的宽度和厚度。基于目前的工艺水平，银线印刷宽度和厚度无法完全做到理论上的完全一致，导致产品DCR值出现变化不一的现象。当使用25 N拉力时，超出端头的银层与引出端银结合强度，导致二者的分离。因此，产品在使用时，端头禁止承受超过25 N的力。

3.4 寿命强化试验结果分析

寿命强化试验是为了模拟元件在使用状态条件下的可靠性。将产品置于90℃和125℃的环境温度下进行长时间考核。试验结果如图10所示。

经过所有的试验条件后，产品的电性能仍符合标准要求。随着测试时间的增加，值相比于初始值都有所上升，但DCR值变化不一。在高温下寿命考核过程就是MLCI在热应力的条件下加速老化的过程。在此过程中，MLCI受长时间的热应力的影响，值一般会下降，而图10中结果显示值出现上升的状况，这是因为产品同时受温度应力和电应力的双重作用，施加额定电流会影响产品在高温环境下的磁感应强度，使得||值有所增加；DCR值的变化不一原因与低温工作原理相同，与环境的温度无关，即高温同样对DCR不敏感。

4 应用建议

根据以上评估试验结果并结合材料特性，对MLCI在用户使用过程中给出以下建议：

（1）产品对–55~+125℃内的温度变化或温度冲击，有良好的耐受性，性能容易恢复到常温水平。但在低温（–60~–35℃）或高温（100~150℃）以上长期工作电性变化率超过10%或更高。即电应力和温度应力叠加会加速电性的飘移。产品能够经受住短时间超温度范围使用，且产品内部结构不会发生明显变化。长时间超温度范围使用需根据具体温度条件进行评估。

（2）MLCI对于热应力、电应力及机械应力都有一定的敏感性。阻抗比直流电阻敏感性高，高阻抗型号敏感性略高于低阻型号。单独施加热、电、机械应力时，90%产品阻抗值变化幅值在±8%以内；几项应力叠加时，阻抗值变化率在±15%以内。因此，在选用高阻抗值MLCI时应充分考虑综合应力后产品参数变化量对电路设计的影响。

（3）电路设计时，建议所施加电压不超过额定电压的1.5倍，选用高阻抗值MLCI应尽量避免在高强度振动环境下使用或根据振动条件进行评估，以上情况下可能造成产品不可逆的电性变化和使用寿命的缩短。

（4）使用时禁止端头承受大于25 N的拉力或其他机械应力，电路中通过MLCI过负载电流不允许超过额定电流值的3倍，此类情况下易造成产品的永久性失效。

（a）PB2012-601/1A

（b）PB2012-000/2A

（c）PB2012-800/3A

（d）PB2012-000/4A

图10 寿命强化试验结果

Fig.10 The test results of life strengthening

5 结论

对宇航用PB型MLCI开展的评估试验进行了结果分析，总结出不同应力条件下产品的极限耐受能力，基于试验分析结果并结合MLCI材料特性给出了使用建议，对用户选型使用提供了参考和借鉴。

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[12] 国家标准化管理委员会. GJB 360B-2009电子及电气元件试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.

（编辑：陈渝生）

Evaluation test and application suggestion of PB-type multi-layer chip inductors for aerospace engineering

ZHANG Yi1, SHI Wei2, ZHANG Hongqi1, LUO Junbo2, LI Xiushan2

(1. China Academy of Space Technology, Beijing 100029, China; 2. Shenzhen Zhenhua Fu Electronics Co., Ltd, Shenzhen 518109, Guangdong Province, China)

To verify the reliability and performance parameter redundancy of the PB-type multi-layer chip inductor (MLCI) in its applications in aerospace engineering, this study tested the thermal stress, mechanical stress, electrical stress, and strengthening life on PB type MLCI. Data was collected regarding the margin of boundary value and ultimate tolerance of performance parameters of the products under different application conditions. The specific reasons for the change trend of the electrical parameters are summarized based on the analysis of the experimental results. In conclusion, this study is able to determine the precautions and guidelines for the design and application of the product.

MLCI; evaluation test; extreme condition; reliability; electrical characteristic; application suggestion

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.019

TM277

A

1001-2028（2017）05-0091-09

2017-04-23

张义

张义（1982－），男，河北沧州人，工程师，主要从事宇航用元器件质量保证工作，E-mail: zy_pb@163.com ；施威（1978－），男，湖北咸宁人，高级工程师，主要从事片式电感器设计、工艺及可靠性研究，E-mail: 233822433@qq.com 。

网络出版时间：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.019.html