CN114062825A - 一种无源大功率器件的寿命验证方法 - Google Patents

一种无源大功率器件的寿命验证方法 Download PDF

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王学良
赵维宁
蒋国伟
徐凯
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Abstract

本发明涉及航空航天技术领域,提出一种无源大功率器件的寿命验证方法,包括下列步骤:提供无源大功率器件的测试样品;确定所述无源大功率器件的加速应力;根据所述加速应力确定所述无源大功率器件的寿命评估模型;根据所述加速应力对所述测试样品进行寿命测试;以及根据所述寿命测试以及所示寿命评估模型确定所示无源大功率器件的预计寿命。

Description

一种无源大功率器件的寿命验证方法
技术领域
本发明总的来说涉及航空航天技术领域。具体而言,本发明涉及一种无源大功率器件的寿命验证方法。
背景技术
随着导航卫星技术的迅速发展,导航卫星的承受功率和使用寿命也在不断提高,例如北斗三号工程导航卫星的使用寿命已经提高到不间断工作10年以上。而为了保证导航卫星在轨长期连续工作的寿命和可靠性,就需要对一些关键的星上器件例如无源大功率器件进行寿命验证以及可靠性测试。无源大功率器件例如星载大功率隔离器是卫星导航系统中的关键部组件之一,其可以用于行波管放大器等功率放大器件后级,起到改善功率放大器件输出端口匹配、隔离反射信号以及保护功率放大器件的作用,可以提高卫星导航系统的稳定性、安全性和可靠性,因此其使用寿命直接关系有效载荷的任务可靠度,需要对其进行寿命验证以及可靠性测试。
然而在传统上的航天工程实践过程中,无源大功率器件例如星载大功率隔离器通常是小子样产品、即通常不具备批产条件,因此可供测试子样数较少。另外在导航卫星的整机阶段的进行试验的成本也较高。
发明内容
为至少部分解决现有技术中的上述问题,本发明提出一种无源大功率器件的寿命验证方法,包括下列步骤:
提供无源大功率器件的测试样品;
确定所述无源大功率器件的加速应力;
根据所述加速应力确定所述无源大功率器件的寿命评估模型;
根据所述加速应力对所述测试样品进行寿命测试;以及
根据所述寿命测试的结果以及所述寿命评估模型确定所述无源大功率器件的预计寿命。
在本发明一个实施例中规定,所述无源大功率器件的寿命验证方法包括下列步骤:
从与所述无源大功率器件同批次生产的产品选取所述测试样品;以及
对所述测试样品进行与所述通过无源大功率器件的环境试验条件一致的筛选试验。
在本发明一个实施例中规定,确定所述无源大功率器件的加速应力包括通过对所述无源大功率器件进行薄弱环节分析以及使用环节分析以确定所述加速应力的类型;以及
确定所述加速应力的施加方法,其中包括确定所述加速应力的数值。
在本发明一个实施例中规定,所述加速应力的类型包括温度应力以及功率应力。
在本发明一个实施例中规定,确定所述加速应力的施加方法包括确定所述无源大功率器件的正常工作温度以及确定试验温度。
在本发明一个实施例中规定,确定所述无源大功率器件的寿命评估模型包括:
将所述寿命评估模型表示为温度应力和功率应力的双应力影响下的第一艾林模型R,表示为下式:
R(T,S)=R0f1f2
其中,T表示温度应力、S表示功率应力、R0表示只有温度应力影响下的第二艾林模型、f1表示第一修正因子、f2表示第二修正因子;
所述第二艾林模型R0表示温度为T时的反应速度,表示为下式:
Figure BDA0003372507320000021
其中,A表示试验待定常数、k表示玻尔兹曼常数、T0表示绝对温度;
所述第一修正因子f1表示非温度应力对能量分布调整的修正,表示为下式:
f1=eCS
其中C表示第一待定常数;
所述第二修正因子f2表示非温度应力对激活能调整的修正,表示为下式:
f2=eDS/kT
其中,D表示第二待定常数;以及
将所述第一艾林模型R表示为第一表达式:
Figure BDA0003372507320000031
在本发明一个实施例中规定,不考虑所述功率应力和所述温度应力之间相互影响以将所述第一艾林模型的第一表达式转化为第二表达式F:
Figure BDA0003372507320000032
其中,T1表示所述无源大功率器件的正常工作温度、T2、表示所述无源大功率器件的试验温度,V表示加速因子。
在本发明一个实施例中规定,根据所述加速应力的类型以及所述加速应力对所述测试样品进行寿命测试以确定所述测试样品的试验测试时间。
在本发明一个实施例中规定,基于所述第一艾林模型结合所述试验测试时间确定所述无源大功率器件的预计寿命,其中包括确定激活能以及加速因子,并且根据所述试验测试时间计算对应的所述预计寿命。
在本发明一个实施例中规定,确定保守的激活能。
本发明至少具有如下有益效果:本发明提出一种科学合理的试验样品选择方案和试验方案,通过构建双应力加速退化模型可以在较短的时间内,通过加速寿命试验,在保证不改变无源大功率器件失效机理的前提下,通过强化试验条件使受试产品加速失效,以便在较短时间内获得验证信息,进而可以评估无源大功率器件在正常条件下的可靠性或寿命指标。本方案可为同类产品寿命验证试验的开展提供借鉴。本发明提出了一种适用于小子样产品开展寿命验证的技术方案,在选取试验样品的过程中通过随机抽取与正样产品同批次生产的产品,可以确保试验产品与正样产品技术状态一致,并且通过进行与正样产品环境试验条件一致的筛选试验,可以排除试验样品的早期失效,确保小子样产品状态的代表性。本发明通过提出了一种适用于大功率无源单机的温度和功率双应力加速寿命模型,其中可以将功率应力和温度应力之间相互影响的因素不予考虑,从验证寿命的角度来看,方案合理便于实现。另外本发明在确定样品试验时间对应的无源大功率器件预计寿命时,通过选取保守的激活能,可以确保寿命验证结果可信,具有较高的参考性。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征,将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解,这些附图只描绘本发明的典型实施例,因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中,为了清楚明了,相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了本发明一个实施例中一个无源大功率器件的寿命验证方法的流程示意图。
具体实施方式
应当指出,各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出,而不一定是比例正确的。在各附图中,给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中,除非特别指出,“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外,“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系,而在一定情况下、如在颠倒产品方向后,也可以转换为“布置在…下或下方”,反之亦然。
在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。
在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外,除非另行说明,本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如,可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征,所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推,在本发明中,表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外,本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出,各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了本发明一个实施例中一个无源大功率器件的寿命验证方法的流程示意图。
如图1所示,该方法可以包括下列步骤:
步骤2、提供无源大功率器件的测试样品。
所述测试样品需要保证其具有状态代表性,其中所述测试样品可以选取与所述无源大功率器件同批次生产的产品,以便确保测试样品与正样产品也就是说所述无源大功率器件的技术状态一致。另外还可以对所述测试样品进行与所述通过无源大功率器件的环境试验条件一致的筛选试验,以便排除产品早期失效,其中可以根据《运载器、上面级和航天器试验要求》(GJB 1027A-2005.)进行所述筛选试验。
步骤2、确定所述无源大功率器件的加速应力,其中可以包括确定所述加速应力的类型以及确定所述加速应力的施加方法。
确定所述加速应力的类型可以包括:对所述无源大功率器件进行薄弱环节分析,其中包括分析决定所述无源大功率器件的寿命的设计上的关键因素,所述关键因素可以是焊点、材料等因素;以及分析所述无源大功率器件的使用环境,其中包括分析使用环境的温度、施加功率等因素。根据所述薄弱环节分析以及使用环节分析,可以根据失效机理进行所述无源大功率器件的加速应力选择。
所述加速应力的施加方法可以保证所述加速应力的数值以及所述加速应力的施加方式既可以起到加速作用又不改变所述加速应力的失效机理。
以确定同轴大功率隔离器的加速应力为例,首先可以对所述同轴大功率隔离器进行薄弱环节分析,其中可以确定影响其寿命的薄弱环节包括:连接器焊点、永磁体磁场强度下降、电阻器老化以及介质老化。并且结合在轨使用环境可以确定影响所述同轴大功率隔离器寿命的应力为温度和功率。
进而可以分析所述同轴大功率隔离器的正常使用条件,其使用条件可以包括:温度为35摄氏度、实际在轨工作时的承受功率小于等于150W、产品技术指标中额定功率要求为180W、功率耐受要求为215W。因此可以依据所述同轴大功率隔离器进行正常鉴定试验时的最高考核量值以及工程经验确定考核量值即加速应力数值如下:试验温度为70摄氏度、试验功率为215W,在所述加速应力数值下不会引起所述同轴大功率隔离器的失效模式的改变。
步骤3、根据所述加速应力确定所述无源大功率器件的寿命评估模型。
对于所述同轴大功率隔离器、或者其它适用温度和功率双应力的无源大功率器件,可以所述寿命评估模型可以是温度应力和功率应力的双应力影响下的第一艾林模型R,表示为下式:
R(T,S)=R0f1f2
其中,T表示温度应力、S表示功率应力、R0表示只有温度应力影响下的第二艾林模型、f1表示第一修正因子、f2表示第二修正因子。
所述第二艾林模型R0可以表示温度为T时的反应速度,表示为下式:
Figure BDA0003372507320000061
其中,A表示试验待定常数、k表示玻尔兹曼常数、T0表示绝对温度。
第一修正因子f1可以表示非温度应力对能量分布调整的修正,表示为下式:
f1=eCS
其中C表示第一待定常数。
第二修正因子f2可以表示非温度应力对激活能调整的修正,表示为下式:
f2=eDS/kT
其中,D表示第二待定常数。
可以根据上述表达式将所述第一艾林模型R表示为第一表达式R(T,S):
Figure BDA0003372507320000062
进一步地,可以将所述功率应力和所述温度应力之间相互影响的因素不予考虑、即所述功率应力不对所述温度应力的激活能产生影响,此时从相等试验时间上来看得到的结果是保守的,因此可以将所述第一表达式转化为第二表达式F:
Figure BDA0003372507320000063
其中,T1表示所述无源大功率器件的正常工作温度、T2、表示所述无源大功率器件的试验温度,V表示加速因子。
步骤4、对所述测试样品进行寿命测试。
根据所述加速应力的类型以及所述加速应力的施加方法对所述测试样品进行寿命测试直至所述测试样品失效,以得到试验测试时间。以所述同轴大功率隔离器为例,可以在试验温度为70摄氏度、试验功率为215W的条件下进行所述寿命测试以得到试验测试时间。
步骤5、根据所述寿命测试确定无源大功率器件的预计寿命
根据所述试验测试时间,结合所述寿命评估模型确定所述无源大功率器件的预计寿命。
以所述同轴大功率隔离器为例,可以结合所述第一艾林模型,选取合适的激活能和加速因子后再根据所述试验测试时间计算得到对应的所述预计寿命。其中可以根据参考美军标准文件(MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性设计手册》)和欧空局标准文件(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来确定所述同轴大功率隔离器的激活能。所述同轴大功率隔离器的加速寿命试验的激活能取值可以是0.8eV,该取值相对于所述同轴大功率隔离器的产品特性而言是非常保守的,因此据此得到的所述预计寿命满足要求,则所述同轴大功率隔离器的真实寿命将远高于试验得出的结论,在本发明一个实施例中所述同轴大功率隔离器的预计寿命和加速寿命试验时间的对应关系如表1所示。
表1
序号 试验时间 寿命 备注
1 1000小时 8.1年
2 1230小时 10年
3 1300小时 10.5年
4 1400小时 11.4年
5 1480小时 12年
6 1512小时 12.3年
尽管上文描述了本发明的各实施例,但是,应该理解,它们只是作为示例来呈现的,而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是,可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此,此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制,而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种无源大功率器件的寿命验证方法,其特征在于,包括下列步骤:
提供无源大功率器件的测试样品;
确定所述无源大功率器件的加速应力;
根据所述加速应力确定所述无源大功率器件的寿命评估模型;
根据所述加速应力对所述测试样品进行寿命测试;以及
根据所述寿命测试的结果以及所述寿命评估模型确定所述无源大功率器件的预计寿命。
2.根据权利要求1所述的无源大功率器件的寿命验证方法,其特征在于,包括下列步骤:
从与所述无源大功率器件同批次生产的产品选取所述测试样品;以及
对所述测试样品进行与所述通过无源大功率器件的环境试验条件一致的筛选试验。
3.根据权利要求1所述的无源大功率器件的寿命验证方法,其特征在于,确定所述无源大功率器件的加速应力包括通过对所述无源大功率器件进行薄弱环节分析以及使用环节分析以确定所述加速应力的类型;以及
确定所述加速应力的施加方法,其中包括确定所述加速应力的数值。
4.根据权利要求3所述的无源大功率器件的寿命验证方法,其特征在于,所述加速应力的类型包括温度应力以及功率应力。
5.根据权利要求4所述的无源大功率器件的寿命验证方法,其特征在于,确定所述加速应力的施加方法包括确定所述无源大功率器件的正常工作温度以及确定试验温度。
6.根据权利要求5所述的无源大功率器件的无源大功率器件寿命验证方法,其特征在于,确定所述无源大功率器件的寿命评估模型包括:
将所述寿命评估模型表示为温度应力和功率应力的双应力影响下的第一艾林模型R,表示为下式:
R(T,S)=R0f1f2
其中,T表示温度应力、S表示功率应力、R0表示只有温度应力影响下的第二艾林模型、f1表示第一修正因子、f2表示第二修正因子;
所述第二艾林模型R0表示温度为T时的反应速度,表示为下式:
Figure FDA0003372507310000021
其中,A表示试验待定常数、k表示玻尔兹曼常数、T0表示绝对温度;
所述第一修正因子f1表示非温度应力对能量分布调整的修正,表示为下式:
f1=eCS
其中C表示第一待定常数;
所述第二修正因子f2表示非温度应力对激活能调整的修正,表示为下式:
f2=eDS/kT
其中,D表示第二待定常数;以及
将所述第一艾林模型R表示为第一表达式:
Figure FDA0003372507310000022
7.根据权利要求6所述的无源大功率器件的无源大功率器件寿命验证方法,其特征在于,不考虑所述功率应力和所述温度应力之间相互影响以将所述第一艾林模型的第一表达式转化为第二表达式F:
Figure FDA0003372507310000023
其中,T1表示所述无源大功率器件的正常工作温度、T2、表示所述无源大功率器件的试验温度,V表示加速因子。
8.根据权利要求7所述的无源大功率器件的无源大功率器件寿命验证方法,其特征在于,根据所述加速应力的类型以及所述加速应力对所述测试样品进行寿命测试以确定所述测试样品的试验测试时间。
9.根据权利要求8所述的无源大功率器件的无源大功率器件寿命验证方法,其特征在于,基于所述第一艾林模型结合所述试验测试时间确定所述无源大功率器件的预计寿命,其中包括确定激活能以及加速因子,并且根据所述试验测试时间计算对应的所述预计寿命。
10.根据权利要求9所述的无源大功率器件的无源大功率器件寿命验证方法,其特征在于,确定保守的激活能。
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