基于Arrhenius模型的星載電子產品加速壽命試驗技術

王文平，王向暉，張慶君，董 杰，尚 山，田 巍

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094； 2.航天長征火箭技術有限公司，北京 100076）

0 引言

當前我國航天器的研制正在經歷由單星科研試驗到多星組網裝備應用模式的重大轉型過程，航天型號單機產品在技術功能、性能，以及研制規模、數量等方面都有較大幅度提升，產品研制周期越來越短，對單機產品高可靠和長壽命的需求也愈加迫切，需要開展相應的高效試驗技術研究工作。在可靠性試驗方面，必須研究能夠縮短試驗時間、快速評價產品可靠性水平的新方法，才能滿足型號研制對產品壽命和可靠性不斷提升的需求[1]。

加速壽命試驗（accelerated life testing,ALT）通過采取逐步遞進的方法，使被試產品在預定的時間內經受越來越高量級的溫度、振動和電壓（流）等方面的應力，以便通過試驗找出產品的固有設計缺陷或者薄弱環節，并有針對性地進行完善改進。作為可靠性試驗領域最重要的研究內容之一，加速壽命試驗技術能夠快速評估有高可靠、長壽命需求的產品的可靠性水平，并最終確定產品極限耐受力，已經在航天、航空和武器電子等領域得到較為廣泛的應用[2-5]。

加速壽命試驗技術力求在保持產品失效機理不變的前提下，在相對較短的時間內獲得電子產品的失效模式、產品壽命與試驗應力關系的信息，從而可節約大量地面試驗時間，提高產品研制效率[6-7]。對于星載電子產品，采用溫度應力進行加速試驗是一種效率較高、操作便捷且在航天型號研制中較常使用的長壽命加速試驗方法。

高分辨率對地觀測衛星“高分三號”作為我國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達（SAR）衛星，是首顆設計壽命長達8年的低軌遙感衛星[8-9]。在衛星數據處理單元（data processing unit,DPU）產品研制中，如果直接對衛星DPU開展長壽命試驗，存在試驗周期過長問題。本文在總結大量試驗數據的基礎上，利用航天電子產品壽命與空間溫度之間的關系，以空間環境溫度作為恒定的加速變量建立基于阿倫尼斯（Arrhenius）模型的電子產品壽命加速試驗模型，旨在反映航天電子產品在環境溫度影響下的老化特性[10]，并探索采用該加速壽命試驗技術來驗證DPU產品在軌壽命的方法，為DPU壽命的快速評估提供切實可行的解決方案。

1 加速壽命試驗

1.1 試驗方法

“高分三號”衛星的DPU使用了集成電路、電阻、電容、二極管、MOS管、熔斷器、連接器等電子元器件。已在驗收試驗中剔除了電子元件的早期失效和物理加工缺陷，因此累積應力造成的電路短路、斷路和元器件失效是引起設備失效的主要原因。

根據研究分析結果，影響DPU壽命的主要因素是所用元器件的結溫，而8年壽命末期電路的老化、參數漂移以及整星熱控條件的變化，可能會對元器件結溫造成一定影響。同時，結溫的變化不是孤立的，與元器件所處的電路環境、工作頻率等實際狀態有關，比如設備采用的DSP和FPGA在全壽命周期內均處于運行狀態，而控制加/斷電的接口電路在正常情況下一般不工作。由于溫度應力對電路有累積效應，可能造成元器件提前失效，而一旦元器件出現故障就會影響DPU的壽命。

目前，國內外開展高溫加速壽命試驗有3種方法：1）多應力法評估試驗法；2）可靠性預計驗證試驗法；3）激活能預估驗證試驗法。本文采用激活能預估驗證試驗法，開展了基于Arrhenius模型的加速壽命試驗，通過控制環境條件，使用溫度作為加速變量完成DPU的壽命驗證。

1.2 試驗配置

加速壽命試驗在滿足溫度范圍要求的高溫試驗箱中進行。DPU加速壽命試驗的參試設備包括：

1）DPU：1臺，包含DSP軟件和FPGA軟件；

2）地檢設備：地面檢測儀（含計算機、檢測軟件和配套電纜）；

3）直流穩壓電源：2臺（或1臺雙路輸出），輸出 0～32 V、0～3 A。

DPU及試驗測試設備連接關系見圖1。

圖1 DPU 及試驗測試設備連接關系圖Fig.1 DPU and test equipment connection relationship

1.3 試驗條件

1.3.1 試驗溫度

DPU的工作溫度為-15～50 ℃，結合衛星在軌的實際工作溫度，將該單機的使用溫度TU定為50 ℃（323 K）；為避免改變設備失效模式，取加速溫度TA為 80 ℃（353 K）。

1.3.2 試驗時間

根據Arrhenius模型，DPU壽命試驗的加速因子AF（即設備在工作溫度下壽命與在加速溫度下壽命的比值）的計算公式為

式中：EA為激活能；k為玻耳茲曼常量（8.623×10–5eV/K）。

激活能的預估主要依據航天型號工程經驗提出。根據ESA標準ECSS-Q-30-1(2002)給出的典型激活能值，半導體器件中砷化鎵的激活能為1.4 eV，硅的激活能為1.1 eV?？紤]到衛星DPU內部元器件集成度較高，生產工藝較復雜，本試驗選取的激活能值為1.0 eV。因此，計算得到

由此可知，星載DPU完成8年壽命試驗需要進行的加速試驗時間為t=8×365×24÷21.143≈3315 h。即，若DPU在3315 h的試驗過程中未出現功能和性能等方面的問題，就認為其能夠滿足型號8年工作壽命的要求。

1.3.3 試驗剖面

DPU加速壽命試驗剖面見圖2。

圖2 DPU 加速壽命試驗剖面圖Fig.2 The map of DPU accelerated life test

1）試驗壓力：常壓；

2）試驗溫度：80～82 ℃；

3）開始和結束階段的平均變溫速率：3～5 ℃/min；

4）連續試驗時間：3315 h。

1.4 試驗判據及過程處理

1.4.1 試驗故障判據

若試驗過程中出現以下1種或多種現象，則判定為故障：

1）穩態工作功耗偏離正常值10%以上；

2）模擬遙測數據異常；

3）1553B總線遙測異常；

4）出現誤指令。

1.4.2 處理原則

1）試驗中出現故障應及時報告，并做好故障現象的詳細記錄；

2）檢測設備故障應首先中斷試驗，待檢測設備故障排除后再繼續進行試驗，故障前后試驗時間累加；

3）試驗件產品出現故障應中斷試驗，在查明故障原因并采取改進措施后再繼續進行試驗，故障前后試驗時間累加；

4）試驗過程允許中斷，但當2次中斷間隔期間設備工作時間少于4 h時，中斷間隔期間的試驗時間無效。

1.4.3 壽命有效的判定準則

1）壽命試驗末期，產品的對外指令和數據接口性能滿足技術要求。包括數傳通道LVDS接口、一次電源接口、遙控接口、測控通道1553B總線接口。

2）壽命試驗末期，產品的各項功能正常。包括：衛星星務數據的記錄、回放和擦除；衛星重要數據的記錄、回放和擦除；衛星星務數據的實時處理。

3）模擬遙測接口異常僅作為一種故障模式，不作為壽命判據，但該故障僅限于模擬遙測接口電路的硬件故障，并且不能影響設備主要功能和性能指標。

4）壽命試驗期間暴露的軟件設計缺陷不作為壽命判據。

5）壽命試驗末期，FLASH芯片的壞塊數量超過3276塊（芯片總塊數為32768塊，壞塊數達到3276塊時，有效容量為 3.6 GByte），則判定該產品不能滿足8年壽命。

2 試驗結果

對DPU在加速壽命試驗前、后分別進行詳細全面的功能和性能測試，在加速壽命試驗期間每天進行1次主要的功能和性能測試，測試情況記錄參見表1。

表1 DPU 加速壽命試驗功能和性能測試情況Table 1 Test results for functions and performances of DPU in ALT

試驗過程中，產品穩態工作功耗偏離正常值＜10%，模擬遙測數據正常，1553B總線遙測正常，并且沒有出現誤指令。鑒定件在鑒定試驗期間和加速壽命試驗后，數傳通道LVDS接口、一次電源接口、遙控接口、測控通道1553B總線接口工作正常，遙測數據的記錄、回放和擦除，以及星務數據實時處理功能正常。試驗期間，產品沒有發生故障，FLASH存儲芯片的壞塊沒有增加。

結果表明，DPU鑒定件在加速壽命試驗過程中及試驗后，各項功能和性能指標滿足技術要求。說明衛星DPU產品通過了壽命試驗的驗證考核，滿足型號對于高可靠和長壽命的工作要求。

3 在軌運行情況

“高分三號”衛星于2016年8月10日從太原衛星發射中心成功發射，屬于典型的新一代SAR衛星，設計在軌壽命長達8年，能夠全天候、全天時實現全球海洋和陸地信息的監視監測。目前，經過地面加速壽命試驗驗證的DPU在軌工作穩定。該衛星的成功發射和在軌穩定運行為我國未來高性能SAR衛星的研制奠定了堅實的基礎[11]。

4 結束語

本文依據加速壽命試驗原理，采用激活能預估驗證試驗法，基于Arrhenius模型，使用溫度作為加速變量，開展了“高分三號”衛星DPU的地面加速壽命試驗；并對加速壽命試驗模型的試驗方法、環境、條件和試驗判據、試驗結果進行了詳細說明。地面試驗結果表明DPU通過了加速壽命試驗的考核，應能滿足衛星8年長壽命設計的指標要求。當前，衛星DPU在軌穩定運行接近2年。

加速壽命試驗技術能夠在較短的時間內用較低的成本快速預估產品的可靠性，可應用于高可靠、長壽命航天電子、電氣和機電組件的研制，在未來航天產品研制中具有廣闊的應用前景[12-13]。

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