某型装备延寿试验电源模块失效分析

李华霖 李鉴涛

摘要：武器裝备延寿科研试验是对装备科学定寿和进行维修措施分析的重要手段，某型装备电源模块在延寿试验过程中，因受温度、时间、应力等试验条件影响，出现引脚断裂、结构裂纹偶发失效故障，影响了延寿试验结论。通过对失效器件进行宏观检查和微观分析，结合装备使用特点，分析故障原因，对深入研究装备延寿试验理论体系构建将起到积极促进作用。

关键词：装备延寿试验;高温贮存;失效分析

0引言

为提升装备使用效能，科学制定延寿措施，对某俄制装备开展延寿科研试验。在加速退化试验阶段，某装备的某电源模块（型号：04EK4、04EK5、04EK10）出现失效故障。经失效机理分析和寿命特征分析，认定电源模块是装备贮存过程中的薄弱环节，需在延寿修理全部换新。

由于在检验性靶试中该型装备出现两枚失利情况，为了进一步验证延寿修理措施的必要性和合理性，对电源模块前期的失效分析和寿命特征分析结果进行梳理分析，并再次对电源模块进行补充寿命特征分析，最后形成分析结论，重新评估该型电源模块是否应进行更换。

该电源模块属于电源分机的重要器件，主要作用是通过电源转换为导引头提供必需的直流电源，其采用特殊的固体焊接封装形式，屏蔽性好，抗振、抗辐射和抗干扰能力强，指标稳定，性能可靠，故障率低。尽管电源模块在此次延寿试验过程中出现失效故障，但受分析子样限制，造成前期失效分析结论具备一定片面性。为提高子样的分析准确性，采用布朗漂移运动和阿伦尼斯（Arrhenius）模型，选择三个不同的温度点对电源模块进行加速退化试验，根据不同温度下产品表现出的贮存特性，采用横向对比法对电源模块的失效环节进行分析，最终得出延寿结论。

1试验过程与结果

该型装备延寿试验对多个编号的导引头进行不同温度下的加速老化试验。在进行70℃应力的加速退化试验15周期后，编号为7的导引头出现故障，故障现象为27V电源过流，电流达到6.67A，远大于正常的工作电流。经故障排查定位，判断电源分机中的+5VI电源模块（见图1）失效，更换同型号的电源模块后导引头恢复正常工作状态。

1.1断口宏观形貌

将失效的电源模块采用机械方法开封，去除样品金属外壳，通过电子显微镜观察，器件内部基板上各元器件均未见电烧毁痕迹。输出端附近，发现其中1个线圈的固定胶存在裂纹，旁边4个片式电容器均在焊接端头存在裂纹，裂纹情况如图2～5所示。

1.2断口微观观察

使用扫描电镜对端口进行观察，发现电容端电极引脚脱落，如图6、7所示。

电源模块中的电容器端电极断裂裂口形貌呈现机械断裂形貌，分析认为，电容是因外力作用而产生断裂，引起电容器在端电极处机械断开，内部电极错位短路，导致输出端短路失效。2寿命分析与讨论

为深入查找电源模块出现失效的根本原因，科学评估该器件是否存在影响其可靠性及寿命的退化特征，采用布朗漂移运动和阿伦尼斯模型，在60℃、80℃的不同温度点对电源模块进行加速退化试验。在80℃应力试验的导引头上拆下5只电源模块进行寿命特征分析;另外共选取了5只未经历加速试验和经历60℃应力加速退化试验的电源模块器件进行寿命特征分析，以确认其退化特征是否与高温有影响。以下分别对贮存试验模型和三次寿命特征的分析模型和分析情况进行介绍。

2.1贮存试验模型

由于缺乏相应的技术和试验标准，对于没有可靠性定量指标的电源模块，主要采用基于可靠性增长理论的整机贮存可靠性加速测定试验方法。采用阿伦尼斯模型对加速试验的结果进行评估，利用加速寿命试验的理论，通过对一系列加速应力水平下试验数据的分析，外推正常贮存条件下整机的贮存寿命。

布朗漂移运动模型如下：

Y（t）=Y（t₀）+ u（t-t₀）+σB（t） （1）

式中，Y（t）为在t时刻时产品的性能值;Y（t₀）为在t₀（初始）时刻时产品的性能（初始）值;u为漂移系数，u>O;σ为扩散系数，σ>0，在整个加速退化试验中，不随应力而改变;B（t）为标准布朗运动，B（t）～N（0，t）。

在贮存状态下，电子部件受到的环境应力主要是温度应力，阿伦尼斯模型是建立某一时刻的反应速度与温度的关系。

式中，u（T_j）为在T_j温度应力水平下的退化速度;A为频数因子;Ea为激活能，以eV为单位;k为玻尔兹曼常数，即8.6171×10^-5V/K。

因为漂移布朗运动属于马尔科夫过程，所以具有独立增量性，即在退化过程中表现为非重叠的时间间隔△t内的退化增量相互独立。而由于布朗运动本身属于一种正态过程，因此退化增量（Y_t- Y_t-1）服从均值为u（T）△t、方差为σ²△t的正态分布，结合式（1）和式（2）得到温度应力模型下的加速退化方程：

利用极大似然估计法求得u和σ，利用最小二乘法求得A和Ea，将实际贮存温度T、目标贮存时间t和求得的参数代入式（3），可预测出t时刻产品的性能参数值。

在上述模型基础上，确定电子部件应力水平数，选取3个温度应力水平进行3组贮存加速退化试验，统计每组试验中的试验样品性能参数的变化曲线，求解各型电子部件主要性能参数的贮存加速退化模型中的参数μ、σ、A、Ea，最终得到实际贮存温度下的贮存寿命及贮存可靠性随贮存年限的变化规律。

此次三次寿命特征分析采用的电源模块分析子样就是基于上述模型进行的延寿试验。通过分析最终试验后电源模块的失效情况，得出电源模块最终的失效结论。

2.2第一次寿命特征分析

1）樣品来源

从完成80℃应力加速退化试验后的导引头上拆下5只电源模块，用于进行寿命特征分析，分解下的电源模块均未失效，功能正常。

2）分析情况

首先对送检的电源模块进行外部目检、X射线检查和密封检漏，经检查均未见异常。

将送检的电源模块样品使用机械方法开封，使用显微镜观察样品内部。观察发现每个样品中均有几个片式电容器在焊接电极处存在裂纹，但电容器外表未见机械损伤痕迹，经电子扫描显微镜对裂纹的观察，可见裂纹呈机械断裂，如图8所示。可认为样品出现裂纹是在遭受外应力（温变、机械、振动等）作用所致。

将短路的电容器取出，观察发现电容器的陶瓷体在金属焊接电极断开，呈机械断裂形貌，如图9所示。

3）分析结论

送检的电源模块样品均表现为样品内部片式电容器端头机械断裂，样品呈现贮存退化失效特征。

2.3第二次寿命特征分析

1）样品来源

选择未进行加速退化试验和完成60℃应力加速退化试验后的电源模块各1只进行寿命特征分析。

2）分析情况

对送检样品进行外观检查，2只样品均已开封，样品为金属空封，管脚由玻璃绝缘子引出，其中1只样品经历过解焊，外壳及管脚光亮未见腐蚀。

使用电子显微镜观察样品内部，其内部为一块陶瓷基板的电子组件，基板上各元器件均未见明显异常。显微镜观察样品中的每个片式电容器，其本体外表、焊点均未见裂纹，如图10所示。

2.4第三次寿命特征分析

1）样品来源

在测试合格的未进行过加速退化试验的导引头上分解3只电源模块，用于进行补充寿命特征分析，进一步验证前期寿命特征分析的结果。

2）分析情况

对3只电源模块分别进行了外部目检、X射线检查、密封检测、内部目检等分析项目，重点观察样品内部基板上各元器件，均未见标准缺陷及异常，未见样品片式电容器存在异常，如图11所示。

3）分析结论

分析认为第三次送检的3只电源模块未见标准缺陷及异常，未呈现贮存退化失效特征。

2.5分析情况汇总

在进行70℃应力加速退化试验15个周期后出现的电源模块失效，经失效分析确定，是由于电源模块中片式陶瓷电容的端电极与其陶瓷基体断裂脱离，导致陶瓷电容电极层短路失效。对陶瓷电容断面进行分析，确定该故障是由外部应力所致，该电源模块中共有4片陶瓷电容出现这种现象，并在临近位置线圈引脚固定胶也存在裂纹，而模块中其余电容均无异常。

对完成80℃应力加速退化试验后的5只电源模块进行的寿命特征分析中，虽然发现内部片式电容器端头均有机械断裂的现象，呈贮存退化失效特征，但加速退化试验中这几个电源模块均没有故障，性能合格，满足使用要求。

结合加速退化试验条件、器件失效分布和寿命特征的分析结果认为，致使电容模块端电极开裂的应力来源与电源模块线路板局部形变应力有关，线路板形变应力与试验中的持续高温有关，也可能与该型电源模块组装工艺异常所致的应力残存有关。

在第二次和第三次的寿命特征分析中先后选取了未经历加速试验和经历60℃加速退化试验的电源模块共5只器件进行了寿命特征分析，通过分析均未见明显贮存退化失效特征，未见片式陶瓷电容端电极异常，进一步验证了电源模块失效与高温有关的分析结论。

3分析结论

通过分析电源模块出现失效的使用情况及对该型电源模块的寿命特征分析可知，电源模块电容端电极开裂的应力与电源模块线路板局部形变应力有关，线路板形变应力与试验中的持续高温关系较大，该电源模块的失效与贮存退化失效无明显对应关系。

该型电源模块在加速退化试验中出现失效并呈现贮存退化失效特征是导引头在持续的高温环境中放置引起的失效情况，在导引头实际的工作环境中不会出现持续高温，也就不会呈现贮存退化失效特征，所以在延寿修理中没必要将导引头中使用的电源模块全部更换，在实际维修使用中通过测试对发现故障的电源模块进行更换能够保证整弹的使用要求，不会影响装备的贮存寿命。

参考文献

[1]刘贵明，杜军.装备失效分析技术[M].北京：国防工业出版社，2012-5.

[2]陶春虎，刘高远，恩云飞，等.军工产品失效分析技术手册[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]廖景娱.金属构件失效分析[M].北京：化学工业出版社，2003.

[4]黄云，恩云飞.电子元器件失效模式影响分析技术[J].电子元件与材料，2007，26（4）.

[5]郑石平.电子元器件分析技术的应用工程[J].现代雷达，2006，28（11）.

[6]林晓斌.零件失效分析与抗疲劳设计[J].热处理，2011，26（2）.

[7]朴钟宇，徐滨士，王海斗.热喷涂金属陶瓷涂层的接触疲劳失效机理分析[C]//第七届全国表面工程学术会议暨第二届表面工程青年学术论坛论文集，2008：10.