某微波組件可靠性強化試驗研究

何宏平 陸培永

（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230031）

1 引言

某微波組件是構成某系統的關鍵組成，其可靠性指標對系統可靠性指標的影響度為0.9以上，因此其可靠性快速增長是工程急需的工作，為此我們開展了可靠性強化試驗工作，以期獲得快速增長的效果。

2 可靠性強化試驗

可靠性強化試驗是一種采用強化的應力（包括環境應力如溫度、振動，電應力如電壓、電流等）激發產品缺陷暴露為故障的試驗，更主要的是暴露設計薄弱環節，通過設計改進進行可靠性增長。通常采用系統地對產品施加一系列單獨或綜合的應力,如多軸向振動、溫度循環和產品電應力循環,并以強度逐漸增大的環境應力和工作應力，對激發出的故障通過失效物理分析手段,尋找故障原因,提出相應的糾正措施來使得產品更健壯。

2.1 可靠性強化應力參數

可靠性強化試驗的應力參數主要有步進溫度、步進強化振動、電應力(正常工作和極限工作)或其它應力(如濕度)等。表征產品適應應力的水平有以下3個等級：

l)工作極限，即產品在高于該極限要求的情況下，功能和性能不能滿足要求，而當試驗應力降低到該極限以下，產品能恢復正常工作。一般有高溫工作極限、低溫工作極限、振動工作極限等。

2)破壞極限，即產品在高于該極限要求的情況下，功能和性能不能滿足要求，產品出現故障，而當試驗應力降低或恢復到正常狀態，產品不能恢復功能和性能，依然表現為故障。一般有高溫破壞極限、低溫破壞極限、振動破壞極限。

3)設計極限，即為了實現產品要求（產品規范規定的工作極限）而設計產品的適應應力的水平，該量值大于產品要求。

3 某微波組件可靠性強化試驗設計

某微波組件可靠性強化試驗設計思路，除了沿用通用的高溫步進試驗、低溫步進試驗、振動步進試驗和溫度循環_振動綜合試驗外，還開展基于使用環境隨機振動譜的振動步進試驗和溫度循環_振動綜合試驗。無論哪種應力試驗，均考慮產品的實際情況，研究其失效機理。比如溫度，雖然步進增加，但絕不超過組件的工藝溫度，確保其機理與使用環境的適應性和一致性。

試驗的順序為：低溫步進——高溫步進——溫度循環——非高斯多軸隨機振動步進——溫度_非高斯多軸振動綜合試驗——使用環境隨機振動譜振動步進——使用環境隨機振動譜步進試驗——溫度_使用環境隨機振動譜綜合試驗。

低溫步進試驗：常溫～-70℃，步長-10℃，時長30min。試驗測得低溫工作極限和低溫破壞極限，直至低溫剖壞極限出現或溫度到達-70℃止。

高溫步進試驗：常溫～130℃（為組件工藝極限溫度，超過該溫度，組件狀態即將發生變化），步長+10℃，時長30min。試驗測得高溫工作極限和高溫破壞極限，直至高溫剖壞極限出現或溫度到達+130℃止。

溫度循環試驗：溫度范圍為低溫功能極限加5℃～高溫工作極限減5℃，循環次數5次，溫度變化速率±40℃/min，保持時間為30min。

非高斯多軸隨機振動步進試驗：起振6g（rms），步長為5g，每步振動5min，測得功能極限和剖壞極限，直至破壞極限或振動大道40g（rms）止。

溫度_非高斯多軸隨機振動綜合試驗：溫度范圍為溫度范圍為低溫功能極限加5℃～高溫工作極限減5℃，溫變速率±40℃/min，極限溫度保持30min，循環5次；振動6g（rms）～振動功能極限減2g（rms）或40g（rms）,步長5g（rms），單步時長5min。

使用環境隨機振動譜步進試驗：起振量值為產品規范規定的極限使用量值，步長為5g，單步時長5min，測得功能極限和剖壞極限，直至破壞極限或振動大道25g（rms）止。

溫度_使用環境隨機振動譜綜合試驗：溫度范圍為溫度范圍為低溫功能極限加5℃～高溫工作極限減5℃，溫變速率±40℃/min，極限溫度保持30min，循環5次；振動6g（rms）～振動功能極限減2g（rms）或25g（rms）,步長5g（rms），單步時長5min。

被試驗的產品為某微波功率組件，為新研制的產品，已經批量試制400件，試制過程中或短期調試和試驗中暴露了一些故障。試驗樣品數為7件，低溫步進、高溫步進、溫度循環、非高斯多軸隨機振動步進、溫度_非高斯多軸振動綜合、使用環境隨機振動譜步進試驗、溫度_使用環境隨機振動譜綜合試驗各1件。

4 試驗結果

采用以上試驗后，測得低溫工作極限為-55℃，低溫破壞極限沒有找到，高溫工作極限為86℃，高溫破壞極限沒有找到，非高斯多軸隨機振動功能極限為26g（rms），破壞極限為32g（rms）；使用環境隨機振動譜振動功能極限16g（rms），破壞極限16g（rms）。

試驗故障：

1）低溫工作步進到-55℃時，組件出現數字處理板故障，經故障定位為數字處理板上的A/D器件發生異常，恢復到產品規范規定的低溫極限溫度后產品能正常工作，因此確定低溫工作極限為-55℃。經進一步分析，A/D故障的原因為器件質量有問題，該問題在前期小批量試制期間常溫出現26次。

2）高溫步進到+86℃時，組件出現數字處理板故障，經故障定位為數字處理板上的A/D器件發生異常，恢復到產品規范規定的低溫極限溫度后產品能正常工作，因此確定高溫工作極限為+86℃。

3）非高斯多軸隨機振動步進到26g（rms）時出現通道功率無輸出，經故障定位為濾波器故障，振動量值降低1g后，故障消失，因此確定振動工作極限為26g（rms）。該故障在前期小批量試制期間環境摸底試驗中出現過7次，經分析為濾波器中某電感根部斷裂，屬于設計余量不夠。

4）非高斯多軸隨機振動步進到32g（rms）時出現通道功率無輸出，振動停止后也無輸出，經故障定位為組件內某通道的電源過度繞接線斷，由此確定振動破壞極限為32g（rms）。該故障屬于設計缺陷，繞接線選型不當，線徑過細，繞接過度時過度突然造成過度處存在應力集中，該問題在前期環境應力篩選時出現過45次。

5）使用環境隨機振動譜振動步進到16g（rms）時出現通道功率無輸出，而且在停止振動后依然沒有功率輸出，經故障定位為濾波器故障，故障機理同故障3）。

6）溫度_非高斯多軸隨機振動綜合試驗時，溫度+81℃，振動24g（rms）情況下，出現同故障1）的故障和同故障4）的故障。

7）溫度_使用環境隨機振動譜綜合試驗時，溫度在+76℃，振動14g（rms）情況下，出現同故障1）的故障和同故障4）的故障。

以上故障均在試制調試期間出現過，在研制過程中，這些問題均經過嚴格的故障歸零，本次試驗的樣件為改進前的樣件。本輪試驗后3個月，按歸零后的新技術狀態再次準備了7件樣品，該樣品通過了所有產品規范規定的例行試驗。按第一輪試驗的試驗條件開展強化應力試驗驗證改進效果，結果產品的各項極限變化如下：

低溫工作極限為-55℃，高溫工作為86℃，極限沒有提高，是因為A/D短期內質量無法提高，但此為后續改進提供了參考。考慮產品實際情況，在試制過程中增加環境應力篩選的溫度應力從原來的-55℃～+70℃變更為-55℃～+85℃，以增加產品缺陷的篩選度；非高斯多軸隨機振動功能極限為40g（rms），沒有發現破壞極限，產品抗振動能力明顯提高，得益于對繞接線改進和濾波器的改進；使用環境隨機振動譜振動功能極限和破壞極限為33g（rms），沒能通過40g（rms）的試驗，對比另一種振動試驗可以看出，從頻率分量上看，另一種試驗頻率豐富，因此樣品能經理更高的振動條件。33g（rms）的使用環境隨機振動譜已經比實際使用極限超出了6倍，經研制項目組討論認為可以滿足使用要求，因此在對故障進行機理分析后不再進行設計更改。

5 結束語

某組件可靠性強化試驗暴露的問題均是該組件前期暴露過的問題，試想如果研制初期即開展這樣的試驗并對故障進行機理分析，我們就可以用較少的時間和經費實現產品可靠性提高和快速質量穩定，雖然本組件可靠性強化試驗開展有些滯后，其試驗數據依然可以為后期產品故障分析提供參考。從使用環境的隨機振動譜振動試驗和非高斯多軸隨機振動步進試驗對比可以看出，加強了的使用環境的隨機振動譜振動試驗也能有效激發產品的缺陷，這樣的試驗條件在研制試制過程很容易保證，方便了研制過程的可靠性強化試驗設計和開展。

[1]王光池 戴躍飛 陸培永 鄭林華 X波段T/R組件可靠性增長研究

[2]鄺志禮 應用可靠性強化試驗技術提高產品的可靠性