CN104297586B - 宇航元器件地面与在轨寿命结合性试验测试方法 - Google Patents

Abstract

一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验评估方法，其特征在于包括如下步骤，进行地面加速寿命试验,确定功率器件的加速试验的加速因子,选取GaAs微波功率器件，确定结温，搭建加速寿命试验平台，设定测试时间、测试参数和测试条件,在不同加速因子条件下同时地面加速寿命试验,采用威布尔图估法进行数据处理,外推寿命,进行在轨试验,在轨试验样品选定,装机飞行,在轨监测，实时监测上述在轨试验样品的直流参数和微波参数变化，在时间轴上观察GaAs微波功率器件参数变化趋势和变化量；根据参数改变来预测GaAs微波功率器件的参数退化，外推寿命，预计器件寿命水平。

Description

宇航元器件地面与在轨寿命结合性试验测试方法

技术领域

本发明属于元器件测试测试技术领域，特别涉及一种宇航元器件地面与在轨寿命结合性试验测试方法。

背景技术

航天器设计中选用的部分关键元器件无长寿命应用经历，而且其空间应用的失效率、可靠度等信息缺乏，存在一定可靠性隐患。另外，能否准确对其元器件可靠性水平进行测试和对失效率进行预计直接影响到对型号产品可靠性的预计与测试。

目前，应用标准中的可靠性预计数学模型可以进行关键元器件的可靠性/寿命预计，但是这种可靠性预计方法有局限性。在进行型号元器件的质量保证过程的考核试验中，发现部分元器件在某些环境条件下不能够达到其声称的寿命，面对实际情况，急需发展更为有效的可靠性测试方法。

因此有必要利用元器件失效机理分析和地面寿命试验的具体情况，同时结合在轨寿命试验来验证地面寿命预测的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供宇航元器件地面与在轨寿命结合性试验测试方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于包括如下几个步骤，

步骤1，进行地面加速寿命试验，其包括如下步骤：

步骤1.1，确定功率器件的加速试验的加速因子；

加速因子是加速器件寿命损耗的因素，对于功率器件，通过提高寿命试验的加速因子确保器件能够达到“浴盆曲线”的最后阶段从而进入损耗期；

“浴盆曲线”是指包括元器件在内一般产品的失效率随寿命周期而变化的曲线，其具有早期失效期、可用寿命期、损耗期三个阶段；

步骤1.1.1，选取GaAs微波功率器件；

步骤1.1.2，确定结温；对于GaAs微波功率器件其结温根据沟道热阻值和功耗计算；

步骤1.2，搭建加速寿命试验平台，设定测试时间、测试参数和测试条件；

步骤1.3，在不同加速因子条件下同时进行地面加速寿命试验；

试验在230℃、250℃和270℃的三个试验结温下开展，每个试验结温有8只样品，直至超过30%的样品失效终止试验。若失效数未达到总数的30%而经数据处理确认产品可靠性已达到指标要求，则可终止该试验；

步骤1.4，采用威布尔图估法进行数据处理；

步骤1.5，外推寿命；

步骤2，进行在轨试验，其包括如下步骤：

步骤2.1，在轨试验样品选定，当上述地面加速寿命试验的最高试验结温下有一只GaAs微波功率器件失效时，则判断整体样本进入“浴盆曲线”的最后阶段，选取最低试验结温下一只未失效的GaAs微波功率器件作为在轨试验样品；

步骤2.2，装机飞行，将上述在轨试验样品装机进行在轨飞行，其他试验样品继续地面加速寿命试验；

步骤2.3，在轨监测，实时监测上述在轨试验样品的直流参数和微波参数变化，在时间轴上观察GaAs微波功率器件参数变化趋势和变化量；根据参数改变来预测GaAs微波功率器件的参数退化；

步骤2.4，外推寿命，根据在轨试验样品的在轨试验情况，借用地面加速寿命试验得到的所述激活能，外推GaAs微波功率器件在结温为110℃的GaAs微波功率器件的寿命，即为所述在轨试验的器件的外推寿命；

步骤3，预计器件寿命水平。将所述第一步所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命与第二步得到的所述在轨试验的器件的外推寿命比较，共同测试预计器件寿命水平。

一种非功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于包括如下几个步骤，

步骤1，进行地面加速寿命试验，其包括如下步骤：

步骤1.1，确定非功率器件的加速试验的加速应力；

对于非功率器件，以双极运放器件为例，其加速应力是温度；

步骤1.2，搭建加速寿命试验平台，选定可能的敏感参数；

步骤1.3，进行地面加速寿命试验，确定敏感参数；

通过参数退化的地面加速寿命试验使双极运放器件进入“浴盆曲线”的早期失效阶段，从而确定双极运放器件的可靠性、寿命和敏感参数；

步骤1.4，数据采集；

确定敏感参数后，在高稳定度的工作环境条件下，对在上述加速寿命试验中，该双极运放器件的敏感参数进行高精度测量并对测量数据进行高速采集，从而在短时间内获得敏感参数加速退化趋势；

步骤1.5，数据建模，确定敏感参数退化模型；

考虑产品敏感参数退化物理机理，利用线性回归拟合的拟合方法，对试验数据进行建模，确定敏感参数退化模型；

步骤6，外推寿命；

计算每个样品达到失效判据的时间，获得该批双极运放器件的外推寿命；

步骤2，进行在轨试验，其包括如下步骤：

步骤2.1，在轨试验样品选定，选取地面加速寿命试验中的合格品1只进行在轨试验；

步骤2.2，装机飞行，将上述在轨试验样品装机进行在轨飞行，其他试验样品继续地面加速寿命试验；

步骤2.3，在轨监测，在轨器件在相同的偏置条件下工作，其敏感参数也以一定频次被采集。

步骤2.4，外推寿命，根据在轨器件敏感参数的退化情况来预计器件的外推寿命。

步骤3，预计器件寿命水平，将所述第一步所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命与第二步得到的所述在轨试验的器件的外推寿命叠加，共同测试预计器件寿命水平。

本发明的有益效果：

1）本发明充分利用在轨空间环境条件，使得寿命预计的结果更真实。

（2）本发明适用于功率器件和非功率器件，利用半导体器件的失效原理进行试验，使得寿命预计的结果更全面。

附图说明

图1为本发明的功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法的流程图；

图2为本发明的非功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法；

图3为失效率随寿命周期变化的“浴盆曲线”；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明公开了宇航元器件地面与在轨寿命结合性试验测试方法。该方法分两种情况：一是通过“浴盆曲线”的寿命末期来达到地面与在轨结合，地面加速到寿命末期后，继续在轨进行试验进行验证是否是寿命末期；二是通过“浴盆曲线”的早期失效阶段来进行地面与在轨的结合，地面通过加速试验找出器件的敏感参数，通过在轨测试未加速过的同批器件敏感参数的变化情况来验证器件的寿命预计。通过本方法可以获得器件的失效模式、加速系数，并可以获得器件的敏感参数，进而获得器件在一定温度下的失效率、外推寿命等。

本发明提供了一种宇航元器件地面与在轨寿命结合性试验测试方法，实施例流程参考图1-2所示

实施例一

功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法

第一步，进行地面加速寿命试验，其包括如下步骤：

步骤1，确定功率器件的加速试验的加速因子。

加速因子是加速器件寿命损耗的因素，对于功率器件，通过提高寿命试验的加速因子确保器件能够达到“浴盆曲线”的最后阶段从而进入损耗期。

如图3所示，“浴盆曲线”是指包括元器件在内一般产品的失效率随寿命周期而变化的曲线，其具有早期失效期、可用寿命期、损耗期（即寿命末期）三个阶段。

步骤1.1选取GaAs微波功率器件。GaAs微波功率器件其栅金属结构采用Au/Pt/Ti结构，栅金属和GaAs的相互扩散会导致有源沟道深度减小和有效沟道掺杂的改变。这种效应称为“栅下沉”。这个过程受栅金属淀积时GaAs材料表面情况、淀积参数和选择的淀积材料等因素影响。这些变化实质上都是属于物理化学反应范围，而化学反应速率与温度有很大的依赖关系，当温度升高以后，化学反应速率就大大加快，器件的失效过程就被加速，如果能够找出它们之间的相互关系，就可以用外推方法来预测器件在正常条件下的失效率。

步骤1.2确定结温。

化学反应速率与温度之间的关系，通常可以用化学动力学中的阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程来表达，其形式如下：

式中称为激活能，其值与产品的失效机理有关，是玻尔兹曼常数，是常数。

由此可知，GaAs微波功率器件的加速应力是温度，通过提高温度可以加速器件的损耗。

对于GaAs微波功率器件其结温根据沟道热阻值和功耗计算。

因GaAs材料热导率随温度上升而下降，受到加热台温度上限限制，器件在在上述试验结温条件下的沟道热阻值是不能直接测量的，采用下列修正公式外推高温下沟道到管壳的热阻。

式中，：高温下沟道到管壳的热阻；

：高温下的沟道温度；

：测试温度下沟道到管壳的热阻；

：测试温度下的沟道温度；

，

式中，：结温，：加热平台温度。

步骤2，搭建加速寿命试验平台，设定测试时间、测试参数和测试条件。

测试时间：0h、48h、120h 、240h、480h、1000h作为测试时间，具体测试时间可根据器件参数变化情况作具体选择。

测试参数：饱和漏电流、跨导、1dB压缩点输出功率、1dB压缩点功率增益。

测试条件：

表1 测试条件（以某功率器件为例）

测试漏极电压偏置，栅极电压偏置，测试电流偏置，代表输入信号的工作频率。

当测试参数的变化率发生如下情况之一时，认定GaAs微波功率器件失效：饱和漏电流变化率，跨导变化率，1dB压缩点功率增益变化，1dB压缩点功率变化。

步骤3，在不同加速因子条件下同时进行地面加速寿命试验。

试验在230℃、250℃和270℃的三个试验结温下开展，每个试验结温有8只样品，直至超过30%的样品失效终止试验。若失效数未达到总数的30%而经数据处理确认产品可靠性已达到指标要求，则可终止该试验。

步骤4，采用威布尔图估法进行数据处理

按照威布尔概率分布计算方法，利用试验获得的器件失效时间与累积失效概率，获得各试验结温下的特征寿命及参数估计中的形状参数等，计算得到威布尔寿命分布图；

威布尔分布概括了半导体器件全寿命分布，拟定选择威布尔分布来对加速寿命试验结果进行分析。威布尔分布函数为：

，；

其中为时间，为特征寿命，为形状参数，

在威布尔概率纸上，分别绘制在各试验结温水平条件下寿命曲线。配置各试验结温水平的分布直线。分布直线必须使数据点交错散布在直线两边；分布直线两边的数据点不要相差悬殊。估计各试验结温水平的形状参数和特征寿命。

步骤5，外推寿命。

配置加速寿命直线，使用单边对数纸，预测在应用温度条件下特征寿命。

加速方程的斜率b按下式计算：

；

式中和是在加速寿命直线上任意选取的两个应用温度；和是对应于和的特征寿命。

激活能按下式计算：

：玻尔兹曼常数。

形状参数的加权平均值按下式计算：

，是量值加权平均值，，是对应，的次数。

步骤5，外推寿命

分析计算结果，计算样品在的下平均寿命。

，

式中，是它方分布。

平均寿命即为所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命。

第二步，进行在轨试验，其包括如下步骤：

步骤1，在轨试验样品选定。当上述地面加速寿命试验的最高试验结温下有一只GaAs微波功率器件失效时，则判断整体样本进入“浴盆曲线”的最后阶段，选取最低试验结温下一只未失效的GaAs微波功率器件作为在轨试验样品；

步骤2，装机飞行。将上述在轨试验样品装机进行在轨飞行，其他试验样品继续地面加速寿命试验；

步骤3，在轨监测。实时监测上述在轨试验样品的直流参数和微波参数变化，在时间轴上观察GaAs微波功率器件参数变化趋势和变化量；根据参数改变来预测GaAs微波功率器件的参数退化；

步骤4，外推寿命。根据在轨试验样品的在轨试验情况，借用地面加速寿命试验得到的所述激活能，外推GaAs微波功率器件在结温为110℃的GaAs微波功率器件的寿命，即为所述在轨试验的器件的外推寿命；

第三步，预计器件寿命水平。将所述第一步所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命与第二步得到的所述在轨试验的器件的外推寿命比较，共同测试预计器件寿命水平。

实施例二

非功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法

第一步，进行地面加速寿命试验，其包括如下步骤：

步骤1，确定非功率器件的加速试验的加速应力。

对于非功率器件，以双极运放器件为例，其加速应力是温度。

步骤2，搭建加速寿命试验平台，选定可能的敏感参数。

步骤3，进行地面加速寿命试验，确定敏感参数。

通过“浴盆曲线”的早期失效阶段来进行地面与在轨的结合，这种情况下受到在轨试验样品的限制，由于在轨试验样品有限（一般只有1到2只），器件完全失效的概率是几乎为0，只能通过早期器件随寿命的敏感参数变化来反映，这就要求地面通过加速试验找出器件的敏感参数

通过参数退化的地面加速寿命试验使双极运放器件进入“浴盆曲线”的早期失效阶段，从而确定双极运放器件的可靠性、寿命和敏感参数，

具体为，选取同批次的20只器件进行加速应力为150℃的条件下，进行加速寿命试验，每48小时进行测试，测试获得双极运放器件的寿命退化最敏感参数是偏置电流，然后选取该参数进行寿命分析。

步骤4，数据采集。

确定敏感参数后，在高稳定度的工作环境条件下，对在上述加速寿命试验中，该双极运放器件的敏感参数进行高精度测量并对测量数据进行高速采集，从而在短时间内获得敏感参数加速退化趋势，

步骤5，数据建模，确定敏感参数退化模型。

考虑产品敏感参数退化物理机理，利用线性回归拟合的拟合方法，对试验数据进行建模，利用确定的敏感参数退化模型。

步骤6，外推寿命。

计算每个样品达到失效判据的时间，获得该批双极运放器件的外推寿命。

第二步，进行在轨试验，其包括如下步骤：

步骤1，在轨试验样品选定。选取在所述第一步中的上述同批次的20只器件中筛选的合格品1只进行在轨试验，

步骤2，装机飞行。将上述在轨试验样品装机进行在轨飞行，其他试验样品继续地面加速寿命试验；

步骤3，在轨监测。在轨器件在相同的偏置条件下工作，其敏感参数也以一定频次被采集。

步骤4，外推寿命。根据在轨器件敏感参数的退化情况来预计器件的外推寿命。

第三步，预计器件寿命水平。将所述第一步所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命与第二步得到的所述在轨试验的器件的外推寿命叠加，共同测试预计器件寿命水平。

以上所述实施方式仅表达了本发明的两种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于包括如下几个步骤，

步骤1，进行地面加速寿命试验，其包括如下步骤：

步骤1.1，确定功率器件的加速试验的加速因子；

加速因子是加速器件寿命损耗的因素，对于功率器件，通过提高寿命试验的加速因子确保器件能够达到“浴盆曲线”的最后阶段从而进入损耗期；

“浴盆曲线”是指包括元器件在内一般产品的失效率随寿命周期而变化的曲线，其具有早期失效期、可用寿命期、损耗期三个阶段；

步骤1.1.1，选取GaAs微波功率器件；

步骤1.1.2，确定结温；对于GaAs微波功率器件其结温根据沟道热阻值和功耗计算；

步骤1.2，搭建加速寿命试验平台，设定测试时间、测试参数和测试条件；

步骤1.3，在不同加速因子条件下同时进行地面加速寿命试验；

试验在230℃、250℃和270℃的三个试验结温下开展，每个试验结温有8只样品，直至超过30%的样品失效终止试验，若失效数未达到总数的30%而经数据处理确认产品可靠性已达到指标要求，则可终止该试验；

步骤1.4，采用威布尔图估法进行数据处理；

步骤1.5，外推寿命；

步骤2，进行在轨试验，其包括如下步骤：

步骤2.1，在轨试验样品选定，当上述地面加速寿命试验的最高试验结温下有一只GaAs微波功率器件失效时，则判断整体样本进入“浴盆曲线”的最后阶段，选取最低试验结温下一只未失效的GaAs微波功率器件作为在轨试验样品；

步骤2.2，装机飞行，将上述在轨试验样品装机进行在轨飞行，其他试验样品继续地面加速寿命试验；

步骤2.3，在轨监测，实时监测上述在轨试验样品的直流参数和微波参数变化，在时间轴上观察GaAs微波功率器件参数变化趋势和变化量；根据参数改变来预测GaAs微波功率器件的参数退化；

步骤2.4，外推寿命，根据在轨试验样品的在轨试验情况，借用地面加速寿命试验得到激活能，外推GaAs微波功率器件在结温为110℃的GaAs微波功率器件的寿命，即为所述在轨试验的器件的外推寿命；

步骤3，预计器件寿命水平,将步骤1中的所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命与步骤2得到的所述在轨试验的器件的外推寿命比较，共同测试预计器件寿命水平。

2.根据权利要求1所述的一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于步骤1.1.2中，采用修正公式外推高温下沟道到管壳的热阻 ,

式中， ：高温下沟道到管壳的热阻；

：高温下的沟道温度；

：测试温度下沟道到管壳的热阻；

：测试温度下的沟道温度。

3.根据权利要求1所述的一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于步骤1.2中：

测试时间：0h、48h、120h 、240h、480h、1000h作为测试时间，具体测试时间可根据器件参数变化情况作具体选择；

测试参数：饱和漏电流、跨导、1dB压缩点输出功率、1dB压缩点功率增益；

测试条件如下表：

测试漏极电压偏置，栅极电压偏置，测试电流偏置，代表输入信号的工作频率；

当测试参数的变化率发生如下情况之一时，认定GaAs微波功率器件失效：饱和漏电流变化率，跨导变化率，1dB压缩点功率增益变化，1dB压缩点功率变化 。

4.根据权利要求1所述的一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于步骤1.4具体为：

按照威布尔概率分布计算方法，利用试验获得的器件失效时间与累积失效概率，获得各试验结温下的特征寿命及参数估计中的形状参数等，计算得到威布尔寿命分布图；

威布尔分布概括了半导体器件全寿命分布，选择威布尔分布来对加速寿命试验结果进行分析，威布尔分布函数为：

，；

其中为时间，为特征寿命，为形状参数，

在威布尔概率纸上，分别绘制在各试验结温水平条件下寿命曲线，配置各试验结温水平的分布直线，分布直线必须使数据点交错散布在直线两边；分布直线两边的数据点不要相差悬殊，估计各试验结温水平的形状参数和特征寿命。

5.根据权利要求1所述的一种功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于步骤1.5具体为，

配置加速寿命直线，使用单边对数纸，预测在应用温度条件下特征寿命；

加速方程的斜率b按下式计算：

；

式中和是在加速寿命直线上任意选取的两个应用温度；和是对应于和的特征寿命；

激活能按下式计算：

，

是玻尔兹曼常数；

形状参数的加权平均值按下式计算：

，

，是量值加权平均值，，是对应，的次数；

分析计算结果，计算样品在的下平均寿命：

，

式中，是它方分布，

平均寿命即为所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命。

6.一种非功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于包括如下几个步骤，

步骤1，进行地面加速寿命试验，其包括如下步骤：

步骤1.1，确定非功率器件的加速试验的加速应力；

对于非功率器件，以双极运放器件为例，其加速应力是温度；

步骤1.2，搭建加速寿命试验平台，选定可能的敏感参数；

步骤1.3，进行地面加速寿命试验，确定敏感参数；

通过参数退化的地面加速寿命试验使双极运放器件进入“浴盆曲线”的早期失效阶段，从而确定双极运放器件的可靠性、寿命和敏感参数；

步骤1.4，数据采集；

确定敏感参数后，在高稳定度的工作环境条件下，对在上述加速寿命试验中，该双极运放器件的敏感参数进行高精度测量并对测量数据进行高速采集，从而在短时间内获得敏感参数加速退化趋势；

步骤1.5，数据建模，确定敏感参数退化模型；

考虑产品敏感参数退化物理机理，利用线性回归拟合的拟合方法，对试验数据进行建模，确定敏感参数退化模型；

步骤1.6，外推寿命；

计算每个样品达到失效判据的时间，获得该批双极运放器件的外推寿命；

步骤2，进行在轨试验，其包括如下步骤：

步骤2.1，在轨试验样品选定，选取地面加速寿命试验中的合格品1只进行在轨试验；

步骤2.2，装机飞行，将上述在轨试验样品装机进行在轨飞行，其他试验样品继续地面加速寿命试验；

步骤2.3，在轨监测，在轨器件在相同的偏置条件下工作，其敏感参数也以一定频次被采集；

步骤2.4，外推寿命，根据在轨器件敏感参数的退化情况来预计器件的外推寿命；

步骤3，预计器件寿命水平，将步骤1所述地面加速寿命试验的器件的外推寿命与步骤2得到的所述在轨试验的器件的外推寿命叠加，共同测试预计器件寿命水平。

7.根据权利要求6所述的一种非功率器件的地面与在轨寿命结合性试验测试方法，其特征在于步骤1.3具体为：选取同批次的20只器件在加速应力为150℃的条件下，进行加速寿命试验，每48小时进行测试，测试获得双极运放器件的寿命退化最敏感参数是偏置电流，然后选取该参数进行寿命分析。