薄膜体声波滤波器加速寿命评估技术研究

张俊，杜波，徐园园，刘洋宏，曾小珊

（中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060）

薄膜体声波滤波器是一种利用压电效应通过声学谐振实现电学选频的器件。具有工作频段宽、体积小、品质因数高、带外抑制好、功率容量大、温度稳定性好以及集成性高等特点，是通信、导航等电子通讯设备中的关键器件，可广泛应用于航天、航空与舰船等国防重点型号工程中。

自1999 年美国安捷伦公司的Ruby[1]等人首次研发成功以来，该技术得到广泛的推广和应用，德国和日本先后研发成功。近几年，随着科研项目的推进和工程经验的累积，中国电子科技集团公司第二十六研究所和天津大学等科研院所也先后成功研制出薄膜体声波滤波器，并陆续应用于各类工程型号和产品系统中。由于其设计难度大、工艺链长且复杂性高等现状，导致目前其可靠性还有较大的提升空间。实际工程应用中，某些滤波器（如XXX1001 型薄膜体声波滤波器）的失效也时有发生，极大地影响了配套型号工程的开发进度。为了满足工程应用要求，必须对滤波器的可靠性进行评估，为其工程应用和后续设计、工艺改进提供技术支撑。

目前国内还未见到该类滤波器可靠性评估的报道，胡瑛等[2]采用统计分析的方法确定了声表面波滤波器的失效分布，刘良芳等人[3]曾采用经典统计法对声表面波滤波器长期可靠性进行过工程化的评估。由于薄膜体声波滤波器和声表面波滤波器设计和工艺有一定的差异，同时薄膜体声波滤波器的应用和失效数据量稍显不足，采用以上类似方法难以准确评估出该类滤波器的可靠性。为此文中提出采用加速寿命评估技术[4-5]对该类滤波器（以XXX1001 型薄膜体声波滤波器为评估对象）进行可靠性评估，通过采用敏感应力加速的方式加快XXX1001 型薄膜体声波滤波器寿命表征指标的退化。根据退化数据，结合相应加速模型，建立加速状态下滤波器的可靠性寿命方程式，通过多个加速状态（根据加速模型未知参数确定）下的寿命方程解算加速模型参数。最后通过加速模型评估XXX1001 型薄膜体声波滤波器的可靠性寿命参数。

1 方法与试验实施

1.1 失效模式和相应机理分析

为了明确XXX1001 型薄膜体声波滤波器的失效模式和失效机理，必须对其进行结构和功能分析，确定该型滤波器的工作原理以及选用的主要材料等。结合典型应用环境下主要组成部分和材料的故障概率，通过FTA 方法确定该型滤波器失效模式和失效机理。

XXX1001 型薄膜体声波滤波器主要由顶电极、底电极、压电薄膜和支撑衬底等构成的薄膜体声波谐振器组成[6]，如图1 所示。其中顶、底电极进行电信号传输，而压电薄膜进行电声信号转换。在航天、航空应用环境下，针对该型滤波器功能结构开展FTA分析，以其失效为顶事件，建立故障树分析图，如图2 所示。

图1 XXX1001 型薄膜体生波滤波器用谐振器结构

图1 XXX1001 型薄膜体声波滤波器故障树

根据图2 中故障树分析可知，该型滤波器在航天、航空环境中可能发生的主要失效模式包括插入损耗增大、无输出以及中心频率漂移等三种主要模式。其中插入损耗增大的失效机理主要有压电薄膜层变形（包括塌陷或膨胀等）、顶电极或底电极电连接不良以及压电薄膜破损等；无输出的失效机理主要为顶电极或底电极脱落、压电材料破损等；中心频率漂移的失效机理主要为压电薄膜材料变形、电极接触不良。由于器件工艺复杂，尤其是压电薄膜和电极生长工艺，其可靠性和稳定性有待加强，因此从成因上可知，滤波器插入损耗增大为主要失效模式。结合2016—2018 年该类滤波器失效情况（试验、测试以及使用）统计分析，进一步明确该型滤波器的主要失效模式为插入损耗增大，无输出和中心频率漂移占比较低。

1.2 寿命表征指标和相应敏感应力确定

XXX1001 型薄膜体声波滤波器在航天、航空应用环境下的主要失效模式为插入损耗增大，该失效将直接导致滤波器插入损耗超出标称值，引起器件电学信号滤出性能下降，无法正常工作。因此工程上可将插入损耗指标作为该型滤波器的寿命表征指标，即当滤波器的插入损耗在使用或者试验时超出技术规格要求上限时，视为该型滤波器失效。

根据该型滤波器插入损耗增大时的环境影响分析[7]，结合器件主要组成部分、材料与工艺分析可以确定其相应敏感应力。XXX1001 型薄膜体声波滤波器在航天、航空应用期间，主要历经振动、温度、低气压、冲击以及湿度影响。结合该型滤波器结构特点与选用材料，确定其主要的环境效应见表1。

表1 典型应用环境的主要效应分析

XXX1001 薄膜体声波滤波器采用的原材料主要包括硅片铝靶[8]、金丝等。由第1.1 节可知，该型滤波器的主要失效模式为插入损耗增大。由于该型滤波器为陶瓷封装，工作时低气压和湿度等影响相对较弱。结合表1 中该型滤波器典型应用下环境效应分析，其主要失效应力为温度，主要失效模式为膜层变形或顶、底电极电连接不良引起的插入损耗增大。膜层变形的主要失效应力为温度，主要失效机理为温度应力引起的压电薄膜材料变形、电极和薄膜热不匹配导致的电连接不良。

1.3 加速寿命试验设计

根据 1.1、1.2 节中的研究结果，可以确定XXX1001 型薄膜体声波滤波器在典型应用环境（航天、航空）下主要失效模式为插入损耗增大，工程上可视插入损耗为寿命表征指标，相应敏感应力为温度应力。

在温度应力（规定温度范围-55~125 ℃）作用下，该型滤波器由于材料或者工艺质量稳定性不足，导致其热不匹配引起的膨胀或收缩影响增大，引起插入损耗增大，超出技术规格（≤1.5 dB），导致器件失效。该过程中器件的失效机理是一致的，符合加速寿命试验技术的理论要求。同时，根据中国电子科技集团公司第二十六研究所的刘良芳、张俊等人[3]关于声表面波滤波器长期使用失效率统计分析研究可知，无源滤波器的寿命分布一般服从于指数分布，因此在规定的温度范围内，器件的寿命分布是统一的。

根据以上分析，可以采用单应力（温度）步进加速寿命[9]的试验技术开展该型滤波器待评估寿命试验数据的采集。结合XXX1001 型薄膜体声波滤波器技术规范要求以及可靠性摸底试验确定加速寿命试验条件。主要包括试验分组、起始条件、终止条件、应力强度变化以及各阶段保温时间等，以便试验能够在较短时间内，保持失效机理的基础上完成既定的试验效果。

为了尽可能准确高效且不改变失效机理地加速该型滤波器在各温度应力条件下的退化，获取滤波器相应应力条件下的可靠性寿命，针对少量（3 只）滤波器开展温度摸底试验来确定滤波器合适的加速试验温度应力。根据摸底试验（高温极限为165 ℃，低温极限为-70 ℃）结果，确定在90、120、150 ℃三个温度应力下进行加速试验。根据试验进度和摸底时的退化量，试验时间定为240 h。根据质量一致性水平和试验成本，试验样品数每组确定为10 只。

2 结果与分析

按照1.3 要求，将筛选合格的30 只XXX1001 型薄膜体声波滤波器进行电性能测试后分别进行3 组加速寿命试验。试验后进行电性能检测，30 只滤波器全部均未发生失效。其插入损耗指标见表2。

表2 加速寿命试验前后滤波器插入损耗对比 dB

分别对比3 组试验样品试验前后的插入损耗指标，除了6 号、7 号、30 号样品外，均符合滤波器在高温加速试验条件下，性能参数退化的趋势。6 号、7 号、30 号样品的插入损耗性能变好的主要原因为：个别压电类器件的相关性能因电老练试验不足未达最佳，而此时的高温加速起到了一定老练的作用。因此可以根据滤波器试验前后寿命表征指标的均值，结合试验时间与技术规格要求（1.5 dB），利用线性外推[10]评估出3 组加速试验对应应力条件下的平均寿命，平均寿命t1、t2、t3分别为9840、1616、960 h。

根据开展加速试验的应力类型，可采用阿伦尼斯模型[11]来描述该加速寿命试验相关参数关系：

式中：t 为平均寿命指标；A 为模型参数；E 为激活能；k 为波尔兹曼常数；T 为热力学温度。

对阿伦尼斯模型进行对数变换可得：

式中：a、b 为模型参数。

三组试验温度和确定的平均寿命见表3。

表3 试验温度和平均寿命对应表

根据表3 数据，画出散点图，并根据最小二乘法[12]得出相应的模型参数a=-7.5817，b=6027.9。即可得加速寿命方程为：

取滤波器待评估工作温度为40 ℃时，即T=313 K时，代入式（3）可得该型滤波器在40 ℃工作时的平均寿命为117 803 h。

3 结语

采用对器件进行加速寿命试验评估的思路，根据器件FTA 分析确定的主要失效模式和失效机理，结合环境影响分析，明确器件的寿命表征指标以及对应的敏感应力，确定加速寿命方法和加速模型。结合器件可靠性摸底试验，确定可行的加速寿命试验方案，为工程化评估XXX1001 型薄膜体声波滤波器提供了可行的技术方案。该方法程序较为简单，实施方便，采用样本少，成本低。通过该方法评估了XXX1001 型薄膜体声波滤波器的寿命参数，为该型滤波器的应用和改进提供了技术支撑，具有较强的工程应用价值，同时可为同等类型滤波器可靠性寿命评估提供技术参考。