星载无源微波器件加速寿命试验方法研究

魏彦江，周祎，杨光，敬小东，官朝晖，雷鸣

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036）

星载无源微波器件是航天器有效载荷系统的重要组成部分，包括隔离器、环形器、微波开关、滤波器、多工器等多种类型。随着航天器在轨使用寿命要求越来越长，无源微波器件高可靠、长寿命指标也越来越高。目前，高、中轨卫星要求无源微波器件寿命至少在10 a以上[1]。高可靠性是设计出来的，但怎样验证产品的可靠性和长寿命也非常重要。一方面，星载器件产品的样本数量比较少；另一方面，产品价格比较昂贵。如何在短时间、小样品数下来验证产品能够满足在轨10 a以上长寿命具有重要工程意义，因此开展加速寿命试验研究工作势在必行[2]。

1 失效机理和薄弱环节

要想对无源微波器件进行加速寿命试验，首先要看该产品是否具有加速性，即产品失效机理的一致性如何[3]，失效过程是否规律，产品是否服从同样的寿命分布。加速寿命试验设计之初，要先对产品失效机理和薄弱环节进行分析[4]。

某型号星载隔离器产品如图1所示。该产品在卫星有效载荷系统中位于功率放大器之后，主要对功率放大器进行保护，防止大功率反射对功率放大器造成损坏，改善功率放大器输出驻波。要求产品能长时间稳定地正向通过大功率微波信号，能吸收大功率反射信号。隔离器失效机理和薄弱环节分析，主要基于星载隔离器的故障模式影响分析（FMEA），明确影响其可靠性的薄弱点和关键元器件，通过对关键元器件的失效机理分析，评估其是否具备加速寿命试验的要求。

图1 某星载隔离器实物 Fig.1 A space isolator

隔离器功能层次与结构层次如图2所示。根据分析隔离器的功能、结构、材料、工艺等多个维度的FMEA，此隔离器的薄弱环节主要为连接器焊点、介质和电阻器。连接器焊点的寿命与通过功率的容量成反比，主要失效机理是隔离器通过功率过高，造成焊点温度过高熔化或低气压放电。介质的寿命与温度成反比，与气压成正比，主要失效机理是温度过高、气压过低，造成热真空释气，从而引起介质的介电常数和介电损耗正切发生变化，最终影响电路的匹配，使隔离器性能下降。电阻器的寿命与温度、通过功率的容量成反比，主要失效机理是温度过高造成阻值变化，通过功率过高造成电阻烧毁。

图2 隔离器功能层次与结构层次 Fig.2 The function and structure level of isolator

由此可见，影响隔离器的连接器焊点、电阻器、介质寿命的因素主要为温度和功率。可以通过对隔离器施加温度应力和功率应力来加速隔离器的性能退化，从而预测隔离器的可靠性和寿命。

2 加速寿命试验数学模型

美国罗姆航展中心在1967年对加速寿命试验给出了统一定义。加速寿命试验是指基于合理的工程假设与建立在与失效物理法则有关的统计模型的基础上的合理的统计假设，将通过经济且准确的手段在很短的时间内产生的可靠性信息转化成试验研究对象在额定的应力水平下操作时的可靠性特征值的定量可重复的试验方法[5]。简言之，加速寿命试验保持了失效机理不变的条件，加大试验应力来缩短了试验周期，采用加速应力水平来进行产品的寿命试验，从而缩短试验时间，提高试验效率，降低了试验成本。加速寿命试验属于统计试验范畴，试验中对产品所加的应力，可以是温度、湿度、电压、电流、功率和机械应力等[6-8]。

目前，加速寿命试验主要有以下几种类型：恒应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、循环应力加速寿命试验和随机应力加速寿命试验[9]。恒应力加速寿命试验的理论和方法都比较成熟，统计结果精度相对较高，一般要求样本数较多，试验时间比较长。序进应力加速寿命试验的时间比较短，样本数也少，但是其统计和处理方法不够成熟，试验精度不高，并且对试验设备的要求也很高，试验成本高。步进应力加速寿命试验虽然试验时间短、样本数少，但是对试验前的参数优化要求高，往往一个新产品很难掌握初始应力。另外，对应力的步进量也需要合理设置，否则也比较难以获得理想的试验结果。循环应力加速寿命试验对试验设备要求高，且试验的理论与统计分析方法尚处于摸索和发展阶段，限制了其应用范围。随机应力加速寿命试验对试验设备要求极高，试验理论和试验数据的处理方法都处于发展初期，在工程实践中大多用恒定应力来替代[10-16]。文中综合产品特点，选择采用恒定应力加速寿命试验，并且为了能够提供试验效率，设计了多应力加速试验模型。

产品在工作过程中经受的环境应力是非常复杂的，对电子产品来说，会受到温度、电应力、振动和湿度等应力的影响。这些应力的综合效果就影响了产品的使用寿命，因此在加速寿命试脸中，多应力加速模型的建立有很高的研究和应用价值。但多应力环境是极其复杂的，不可能将它们同时都和产品的寿命联系起来，不同应力之间的耦合作用也是相当复杂的。为了简化问题，常常针对不同产品只考虑对其影响最大的几种应力[17]。

电子产品的寿命主要是受到温度和电应力的影响，当今多应力模型研究的一个主要趋势就是研究器件级的温度和电应力加速模型。由于电子器件结构本身相对简单，所以最简单也最常用的一种方法就是忽略应力间的相互影响，将单应力加速模型相乘，直接得到温度电应力的加速模型[18]。根据以上分析，温度与寿命的关系服从阿伦尼斯模型（Arrhenius），电应力与寿命的关系服从逆幕率模型（Inverse），忽略应力之间的影响，可以直接相乘得到多应力模型[19-20]。

隔离器的寿命与温度、功率之间多应力影响变化相关，可用广义艾林模型的化学反应速度方程[21]（1）给出：

式中：T为温度应力；S为功率应力；f1为考虑到由于非温度应力的存在而对能量分布调整的修正因子，f1=eCS；f2为考虑到由于非温度应力的存在对激活能调整的修正因子，f2=eDS/kT（C为待定常数；D为待定常数）；R0为当只有温度应力时的艾林模型，如式（2）所示。

式中：R0表示在温度为T时的反应速度；E为物质在温度T时的激活能；k为玻尔兹曼常数，k=0.8617×10–4eV/K；A为试验待定常数；T为热力学温度。

因此，式（1）可以表示为式（3）：

如果将隔离器功率应力和温度应力之间相互影响的因素不予考虑，则功率应力不对温度应力的激活能产生影响，因此式（3）中的常数D为0，则式（3）可以表示为：

从式（4）中可以看出，当假设功率应力和温度应力不相互作用，温度应力对隔离器寿命的影响服从阿伦尼斯模型要素，而功率应力对隔离器寿命的影响服从逆幂律模型要素（即功率应力只对隔离器产品的材料制造特性产生影响，从而可以用恒定温度下电压对数来表示，即逆幂律模型）。式（4）即为温度-功率双应力加速寿命数学模型。

通过式（4）可知，隔离器的加速寿命试验中的加速系数可表示为：

对于加速寿命模型，当加速应力水平高于产品额定工作水平时，属于加速寿命工作，V取值大于1；当加速应力水平等于或者低于产品额定工作水平时，此时不属于加速寿命工作，对产品寿命不影响，因此V取值等于0。

简化后，加速系数可以表示为：

式（6）即为隔离器加速寿命试验采用的双应力加速模型中的加速系数公式，作为加速寿命试验和寿命评估的数学理论依据。

3 加速寿命试验方案

3.1 加速应力

加速寿命试验的应力水平选择非常重要，应该高于产品规范，但不应超过产品工作极限，以保障产品失效机理一致，而不引入新的失效模式和机理，如图3所示。

图3 加速寿命试验应力范围[18] Fig.3 Stress range of accelerated life test[18]

对隔离器进行加速寿命试验，验证其是否满足在轨10 a以上的寿命要求。综合考虑隔离器产品在轨工作特性及目前地面加速试验的条件，在试验方案中进行双应力（温度应力和功率应力）加速寿命试验。采用双应力加速寿命试验可以在维持产品正常工作的失效机理的前提下，加速试验时间，减少试验成本。

对于温度应力的选择，由于隔离器实际在轨工作温度低于35 ℃，技术指标中要求隔离器的鉴定级温度为70 ℃，考虑产品要满足在鉴定级温度条件下达到一级降额设计，所以温度应力选择为70 ℃。这个温度已经远远高于在轨正常工作温度，而且不超过产品鉴定级温度要求，也可以保证产品不会因为过温度应力带来损害而影响有效判断在轨工作10 a的寿命。通过数学模型分析及隔离器产品本身热设计的仿真，选择70 ℃试验温度作为加速的温度应力，满足该加速寿命试验的需求。

对于功率应力的选择，由于隔离器实际在轨工作时的承受功率低于150 W，产品技术指标中额定功率要求为180 W，功率耐受要求为215 W。选择215W的功率水平作为加速寿命试验中功率加速应力，是产品在轨正常工作功率水平的1.4倍，即使按照产品额定功率180 W的水平，也已经达到了其1.2倍的水平。同理，本加速寿命试验不是极限应力试验，选择既不偏离产品实际设计和降额使用的合理指标范围，又在指标范围内选取合理的加速应力水平，控制试验的加速量级，在现有时间、财力、物力、人力的范围内，得到合理、可行、可信的加速试验判据结果。

3.2 试验时间

隔离器加速寿命试验需要合理的试验时间来反应产品经过加速寿命试验后满足在轨工作10 a以上的寿命指标，该试验时间取决于加速系数的确定。由数学模型加速系数公式（6）可知，需要确定激活能的数值。由于隔离器属于无源微波器件，国内外文献资料均没有给出该类产品的激活能数值，参考MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性设计手册》和ECSS-Q-HB-30-01A《最坏情况分析》中对各种电子元器件的激活能给出的取值，隔离器加速寿命试验的激活能取值为0.8 eV。

隔离器加速寿命试验的试验参数中，温度应力为70 ℃，功率应力为215 W；隔离器的额定工作参数中，温度应力为35 ℃，功率应力为180 W，激活能选取为0.8 eV。将数值带入式（6）得：T1=308.16 K，T2=343.16 K，V=1.19。求解出加速系数AF=71.32。

产品预计寿命和加速寿命试验时间的对应关系见表1。从表1中可以看出，加速寿命试验选择1300 h即可满足产品在轨工作10 a以上的寿命预计。由于加速寿命试验采取的数学模型中，对激活能的选择和双加速应力的影响进行了简化和保守计算，所以隔离器真实在轨工作寿命远远优于加速寿命试验中得出的结果。

表1 产品预计寿命和加速试验时间的对应关系 Tab.1 Correspondence between product life and accelerated test life

根据隔离器产品的特性及失效模式，隔离器在经过加速寿命试验后，常温电性能指标满足如下要求：正向功率加载情况下正向损耗增加不超过0.3 dB，驻波不超过1.35，可以判断为隔离器能够满足在轨10 a以上工作寿命指标要求。

在现有的试验条件和数学模型可信度下，采取本试验方案中的加速寿命试验是合理可行的，对于星载无源微波器件的寿命研究具有工程研究价值。

3.3 试验系统

试验系统各组成部分见表2。隔离器加速寿命试验系统如图4所示。加速寿命试验温度监测布局如图5所示。

图4 加速寿命试验系统 Fig.4 Accelerated life test system

表2 试验系统组成 Tab.2 Test system composition

4 加速寿命试验结果

按照图3所示方案搭建加速寿命试验场景，如图6和图7所示。利用温箱自带的温度传感器按照图5所示对隔离器温度进行监测，监测软件界面如图8所示，温度数据如图9所示。设计了自动测试软件对输入和反射功率进行监测，如图10和图11所示。

图5 加速寿命试验温度监测 Fig.5 Temperature monitoring for accelerated life testing

图6 加速寿命试验场景1 Fig.6 Real scene 1 of accelerated life test

图7 加速寿命试验场景2 Fig.7 Real scene 2 of accelerated life test

图8 温度监测界面 Fig.8 Temperature monitoring interface

图9 温度监测数据 Fig.9 Temperature monitoring data

图10 输入功率监测数据 Fig.10 Input power monitoring data

图 11 反射功率监测数据 Fig.11 Reflected power monitoring data

从温度监测数据中可以看出，在温箱温度为70 ℃时，隔离器外表面温度不超过71.5 ℃，隔离器连接器表面温度不超过72 ℃，并且温度能够达到热平衡，隔离器工作状态稳定。从隔离器输入功率监测数据来看，隔离器输入功率为215～222 W，波动主要是由于功率放大器输出功率波动引起的，属于正常波动范围。从隔离器反射功率监测数据来看，反射功率在0.26～0.32 W变化，主要是由于输入功率波动引起的，属于正常变化范围。

加速寿命试验表明，隔离器在70 ℃环境中，承受大于215 W连续波功率连续工作超过1300 h后，产品工作正常稳定，性能指标合格，顺利通过试验设定的考核过程。试验数据结合加速数学模型表明，被试产品满足型号项目中长寿命高可靠的要求，能够满足在轨工作10 a以上的要求。

从隔离器加速寿命试验前后，正向损耗、反向损耗、电压驻波比和额定功率容量指标（见表3）来看，试验前后指标变化均在技术指标要求合格范围内，并且变化范围都比较小。其隔离器正向损耗变化了0.07 dB，说明加速寿命试验对产品电性能老化有一定影响。正是由于隔离器指标设计余量较大，加速寿命试验之后，产品依然能够满足性能指标要求，也说明隔离器能够满足在轨工作10 a的寿命指标。

表3 加速寿命试验前后性能指标对比 Tab.3 Performance index comparison before and after accelerated life test

5 结语

文中以某型号星载隔离器为例，通过建立温度应力和功率应力双应力同时作用的双应力加速退化模型，设计了合理可行的加速寿命试验，为星载无源微波器件高可靠长寿命验证提供了参考和借鉴。当然，本次加速寿命试验样本少，置信度偏低，在研究过程中，引入了一些假设，对模型进行了一定的简化以满足工程可操作性，试验结果仅供参考。课题组将继续深入研究，结合在轨产品实际工作情况，不断修正模型，使可靠性评估结果更加准确。