CN102830315B - 一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了航天航空电子元器件的制备技术领域的一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置及方法。该装置的真空腔室具有样品台法兰接口、气氛法兰接口及紫外法兰接口三个法兰接口，并设有真空预抽通道；样品台位于真空腔室内，与外部的加热变压器和温度控制仪连接；样品台的上方设置紫外灯，紫外灯与外部的紫外控制仪连接；样品台上设置陶瓷样品固定柱和金属样品固定柱，其中，金属样品固定柱通过连接器和陶瓷外壳导线与外部的直流电场控制仪的正极连接，直流电场控制仪的负极通过定值电阻与真空腔室的壳体连接。能够全面、简易地模拟包括室内大气或低真空环境中的紫外辐照环境、气氛环境、温度场环境以及直流电场环境在内的航天航空器件的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及航天航空电子元器件的制备技术领域，尤其涉及一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置及方法。
背景技术
航天航空器件的可靠性是保证飞行器安全升空、并在太空环境中长期运作的重要保证。然而受升空装配前的地面室内大气环境影响，以及升空后长期受太空环境中的紫外辐照、气氛、温度场以及工作的直流电场等因素作用的影响，从而引起某些器件的密封破坏、管脚断裂、内引线键合点脱开或“长毛”等失效，严重影响了器件乃至整机的质量和实用性能。因此，研究航天航空器件的腐蚀失效，提出评价表面腐蚀程度的判据，建立航天航空器件早期腐蚀的评价新方法，可以减少因腐蚀而造成的巨大损失，提高航天航空器件的可靠性，具有十分重要的意义。目前的航天航空器件的模拟环境制备方法都是比较单一的针对一种或者几种模拟环境，并不能客观、全面地针对其工作的空间环境中主要环境因素进行制备。并且其制备方法大多都过于复杂，并不能系统地进行航天航空器件的制备研究。
发明内容
为更全面地研究航天航空器件在工作环境中的腐蚀失效，本发明提供了一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置，能简单方便的地实现了几种或多种耦合环境的模拟。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
真空腔室具有样品台法兰接口、气氛法兰接口及紫外法兰接口三个法兰接口，并设有真空预抽通道；
样品台位于真空腔室内，通过样品台法兰接口与外部的加热变压器和温度控制仪连接；样品台的上方设置紫外灯，紫外灯通过紫外法兰接口与外部的紫外控制仪连接；样品台上设置陶瓷样品固定柱和金属样品固定柱，其中，金属样品固定柱通过连接器和陶瓷外壳导线与外部的直流电场控制仪的正极连接，直流电场控制仪的负极通过定值电阻与真空腔室的壳体连接。
所述样品台由不锈钢板以及不锈钢板下表面的温控线路固定板组合构成；在温控线路固定板上设置加热电压输出线路、加热电压控制线路以及温度检测线路；其中，加热电压输出线路与加热变压器连接，加热电压控制线路以及温度检测线路均与温度控制仪连接。
所述不锈钢板上铺设用于放置待测样品的玻璃薄片。
所述陶瓷样品固定柱由螺栓及螺母组成，并固定安装叉形铜压片和叉形裸端子，其中叉形裸端子与连接器连接。
所述金属样品固定柱由螺栓及螺母组成，并固定安装圆形铜压片。
本发明还提供了一种基于所述装置的模拟航天航空环境电子器件失效的方法，具体分为以下步骤：
（1）将电子器件样品通过样品台上的陶瓷样品固定柱与金属样品固定柱的固定；
（2）对电子器件样品进行单种或多种耦合因素环境的处理；
（3）通过俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜方法对处理后的样品进行失效检测，研究电子器件样品失效后的表面结构、表面层产物分布、扩散过程以及表面化学反应，最终进行失效评估。
所述单种环境因素为：在室内大气或低真空环境下的，单因素紫外辐照环境、单因素气氛环境、单因素温度场环境以及单因素直流电场环境；
所述多种耦合环境因素为：在室内大气或低真空环境下的，由紫外辐照环境、气氛环境、温度场环境以及直流电场环境中的两种或两种以上环境组成的耦合环境。
本发明的有益效果为：
与现有的模拟环境制备设备相比较，本发明模拟的环境包括室内大气或低真空环境中的紫外辐照环境、气氛环境、温度场环境以及直流电场环境，能够更全面、简易地模拟实现航天航空器件的工作环境。
附图说明
图1为航天器件模拟环境腔室示意图。
图2为样品台平面局部剖视示意图。
图3为样品台两个固定柱所在截面的示意图。
图4为检测电子元器件失效的流程图。
图中标号：
1-真空腔室；2-紫外灯；3-陶瓷样品固定柱；4-金属样品固定柱；5-样品台；6-样品台法兰接口；7-加热变压器；8-温度控制仪；9-气氛法兰接口；10-紫外法兰接口；11-紫外控制仪；12-直流电场控制仪；13-定值电阻；14-陶瓷外壳导线；15-连接器；16-真空预抽通道；17-加热电压输出线路；18-温度检测线路；19-加热电压控制线路；20-上陶瓷螺母；21-真空垫圈；22-叉形裸端子；23-叉形铜压片；24-下陶瓷螺母；25-不锈钢板；26-十字槽平头螺丝；27-温控线路固定板；28-玻璃薄片；29-待测样品；30-螺栓；31-圆形铜压片；32-上金属螺母；33-下金属螺母。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
该装置的模拟环境包括室内大气或低真空环境环境中的紫外辐照环境、气氛环境、温度场环境以及直流电场环境。
其结构如图1所示，真空腔室1具有样品台法兰接口6、气氛法兰接口9以及紫外法兰接口10三个法兰接口，并设有真空预抽通道16；样品台5位于真空腔室1内，通过样品台法兰接口6与外部的加热变压器7和温度控制仪8连接；样品台5的上方设置紫外灯2，紫外灯2通过紫外法兰接口10与外部的紫外控制仪11连接；样品台5上设置陶瓷样品固定柱3和金属样品固定柱4，其中，金属样品固定柱4通过连接器15和陶瓷外壳导线14与外部的直流电场控制仪12的正极连接，直流电场控制仪12的负极通过定值电阻13与真空腔室1的壳体连接。
样品台5由不锈钢板25以及不锈钢板25下表面的温控线路固定板27组合构成；在温控线路固定板27上设置加热电压输出线路17、加热电压控制线路19以及温度检测线路18；其中，加热电压输出线路17与加热变压器7连接，加热电压控制线路19以及温度检测线路18均与温度控制仪8连接。
真空腔室1内通过真空预抽通道16对其抽真空实现室内大气环境向低真空环境的转换，同时通过气氛法兰接口9对真空腔室1的放气来实现低真空环境向室内大气环境的转换。低真空环境可达到真空度为1.2×10-4Pa。
紫外控制仪11控制紫外灯2的紫外强度，调节真空腔室1内的待测样品受到的紫外辐照强度，从而实现紫外辐照环境的模拟。紫外辐照环境可达到紫外波段在200~400nm范围的辐照强度。
气氛法兰接口9连接气氛装置实现真空腔室1内的气氛环境的模拟。气氛环境可实现氧气、氮气、二氧化硫等气氛。
加热变压器7和加热电压输出线路17实现对样品台5加热升温；加热电压控制线路19、温度控制仪8以及加热变压器7，实现对样品台5温度的控制；温度检测线路18和温度控制仪8，实现对样品台5温度的检测显示。从而共同作用实现真空腔室1内待测样品的温度场环境的模拟。温度场环境可达到室温到200℃的温度范围。
不锈钢板25上的陶瓷样品固定柱3由十字槽平头螺丝26配合上陶瓷螺母20和下陶瓷螺母24，拧紧固定在不锈钢板25上；上陶瓷螺母20和下陶瓷螺母24中间夹有真空垫圈21，起到与十字槽平头螺丝26的绝缘作用；同时其中间一端还夹有叉形铜压片23，起到连接、固定待测样品29的作用，另一端夹有叉形裸端子22，并连接着陶瓷外壳导线14和连接器15；不锈钢板25上的金属样品固定柱4由螺栓30配合上金属螺母32和下金属螺母33拧紧固定在不锈钢板25上；螺栓30与上金属螺母32中间夹有圆形铜压片31，同样起到连接、固定待测样品29的作用；不锈钢板25上的玻璃薄片28起到与待测样品29的绝缘作用，并通过叉形铜压片23和圆形铜压片31共同固定在不锈钢板25上。控制直流电场控制仪12的直流电流，调节真空腔室1内的待测样品29受到的直流强度，从而实现直流电场环境的模拟。直流电场环境达到0.1~100mA的电流强度。
本发明的具体操作过程如下：
1. 将待测样品放入固定在样品台5上，放入真空腔室1内，拧紧样品台法兰接口6，进行下列处理。
2. 可直接采用室内大气环境进行处理；同时也可通过真空预抽通道对真空腔室1进行抽真空，采用低真空环境进行处理。以下的环境处理都可在室内大气环境或低真空环境下进行失效处理：
（1）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节并控制其作用时间，从而进行紫外辐照单因素环境的处理。
（2）开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节并控制其作用时间，从而进行气氛单因素环境的处理。
（3）启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节并控制其作用时间，从而进行温度场单因素环境的处理。
（4）启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节并控制其作用时间，从而进行直流电场单因素环境的处理。
（5）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照与气氛耦合因素环境的处理。
（6）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照与温度场耦合因素环境的处理。
（7）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照与直流电场耦合因素环境的处理。
（8）开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节；同时启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节。控制其共同作用时间，从而进行气氛与温度场耦合因素环境的处理。
（9）开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行气氛与直流电场耦合因素环境的处理。
（10）启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行温度场与直流电场耦合因素环境的处理。
（11）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节；同时启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照、气氛与温度场耦合因素环境的处理。
（12）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照、气氛与直流电场场耦合因素环境的处理。
（13）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照、温度场与直流电场场耦合因素环境的处理。
（14）开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节；同时启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行气氛、温度场与直流电场场耦合因素环境的处理。
（15）启动控制紫外控制仪11，通过紫外灯2对真空腔室1内的紫外辐照强度进行调节；同时开启气氛法兰接口连接气氛装置，可通过流量控制仪对真空腔室1内的气氛流量进行调节；同时启动加热变压器7之前先对温度控制仪8上的温度进行设定，从而对真空腔室1内待测样品的温度进行调节；同时启动直流电场控制仪12，通过调节直流电流对真空腔室1内待测样品的流通电流进行调节。控制其共同作用时间，从而进行紫外辐照、气氛、温度场与直流电场耦合因素环境的处理。
3. 关闭系统设备，取出样品台5上的样品。
4. 对失效处理后的样品分别采用俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜等分析方法进行分析。
5. 对环境处理后的电子元器件进行失效评估。
综上所述，本发明的航天航空器件的模拟环境制备方法可简易地实现室内大气或低真空环境下紫外辐照环境、气氛环境、温度场环境以及直流电场环境的几种或多种耦合模拟环境的制备，这种制备方法为研究在太空环境中航天航空器件腐蚀失效的研究提供了新的思路。
Claims (4)
1.一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置，其特征在于，真空腔室(1)具有样品台法兰接口(6)、气氛法兰接口(9)以及紫外法兰接口(10)三个法兰接口，并设有真空预抽通道(16)；气氛法兰接口(9)连接气氛装置实现真空腔室(1)内的气氛环境的模拟，可实现氧气、氮气、二氧化硫气氛；
样品台(5)位于真空腔室(1)内，通过样品台法兰接口(6)与外部的加热变压器(7)和温度控制仪(8)连接；样品台(5)的上方设置紫外灯(2)，紫外灯(2)通过紫外法兰接口(10)与外部的紫外控制仪(11)连接；样品台(5)上设置陶瓷样品固定柱(3)和金属样品固定柱(4)，其中，金属样品固定柱(4)通过连接器(15)和陶瓷外壳导线(14)与外部的直流电场控制仪(12)的正极连接，直流电场控制仪(12)的负极通过定值电阻(13)与真空腔室(1)的壳体连接；
所述陶瓷样品固定柱(3)由十字槽平头螺丝(26)配合上陶瓷螺母(20)和下陶瓷螺母(24)，拧紧固定在不锈钢板(25)上；上陶瓷螺母(20)和下陶瓷螺母(24)中间夹有真空垫圈(21)，起到与十字槽平头螺丝(26)的绝缘作用；同时其中间一端还夹有叉形铜压片(23)，起到连接、固定待测样品(29)的作用，另一端夹有叉形裸端子(22)，并连接着陶瓷外壳导线(14)和连接器(15)；
所述金属样品固定柱(4)由螺栓及螺母组成，并固定安装圆形铜压片(23)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置，其特征在于，所述样品台(5)由不锈钢板(25)以及不锈钢板(25)下表面的温控线路固定板(27)组合构成；在温控线路固定板(27)上设置加热电压输出线路(17)、加热电压控制线路(19)以及温度检测线路(18)；其中，加热电压输出线路(17)与加热变压器(7)连接，加热电压控制线路(19)以及温度检测线路(18)均与温度控制仪(8)连接。
3.根据权利要求2所述的一种模拟航天航空环境电子器件失效的装置，其特征在于，所述不锈钢板(25)上铺设用于放置待测样品的玻璃薄片(28)。
4.一种基于权利要求1所述装置的模拟航天航空环境电子器件失效的方法，其特征在于，采用如下步骤：
将电子器件样品通过样品台(5)上的陶瓷样品固定柱(3)与金属样品固定柱(4)的固定；
对电子器件样品进行单种或多种耦合因素环境的处理；所述单种环境因素为：在室内大气或低真空环境下的，单因素紫外辐照环境、单因素气氛环境、单因素温度场环境以及单因素直流电场环境；
所述多种耦合环境因素为：在室内大气或低真空环境下的，由紫外辐照环境、气氛环境、温度场环境以及直流电场环境中的两种或两种以上环境组成的耦合环境；
通过俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜方法对处理后的样品进行失效检测，研究电子器件样品失效后的表面结构、表面层产物分布、扩散过程以及表面化学反应，最终进行失效评估。
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| CN101728146A (zh) * | 2009-12-22 | 2010-06-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种球面实芯微通道板制备装置 |
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2012
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| CN2568672Y (zh) * | 2002-09-05 | 2003-08-27 | 西安电子科技大学 | 光化学气相沉积设备 |
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