射频隔离器寿命考核方法分析

射频隔离器寿命考核方法分析

程俊杰，彭承敏

（西南应用磁学研究所，四川省 绵阳市621000）

摘要：本文分析了影响射频隔离器寿命的主要因素，由此叙述不同的寿命试验方法，开展了高温加速寿命试验验证，结论是影响射频隔离器的主要影响因素是温度，可以通过对隔离器施加温度应力或等效温度应力进行寿命考核。

关键词：隔离器；寿命考核；温度

中图分类号：TB114.3

1前言

射频隔离器和环行器广泛应用于各重点工程，有些用户对隔离器和环行器提出了工作寿命考核要求，但是目前GJB1065B《射频隔离器和环行器通用规范》[1]中没有规定隔离器和环行器的工作寿命试验项目。其他试验标准中有提出高温寿命试验的条件与方法，但是没有针对隔离器和环行器提出具体的试验条件。

欧航空局对隔离器和环行器的寿命考核方法做了一些研究，在《微波铁氧体器件-隔离器和环行器ESA/SCC通用规范N0.3202》[2]中对隔离器和环行器的工作寿命试验进行了规定：试验前、中期、试验后测试被测件性能，待测产品在详细规范里所规定的最高存储温度下接受长达2000小时的质量合格测试和1000小时的批量验收测试。

美国对器件的工作寿命试验进行了大量的研究，发布了一系列的关于可靠性分析技术、可靠性试验条件、可靠性试验周期设计、可靠性增长统计试验与方法评估、可靠性验证试验、拟合优度检验和评估方法、可靠性数据手册等标准，应用这些标准，可以对隔离器和环行器开展工作寿命试验，并根据试验结果预计隔离器和环行器的工作寿命。

国内在《GJB450A-2004装备可靠性工作通用要求》[3]中提出了开展寿命试验的工作项目要点，包括：对有寿命要求的产品应进行寿命试验；在不改变失效机理的条件下可采用加速寿命试验方法；可以利用同类产品的贮存数据和低层次产品的贮存寿命试验数据来评价产品的贮存寿命。

《GJB360B-2009电子及电气元件试验方法》[4]中规定了方法108高温寿命试验，该试验方法规定了试验温度、试验时间、工作条件、试验程序等内容。对于射频隔离器和环行器的高温寿命试验，没有规定具体的试验温度和试验时间。

国内缺乏对于射频隔离器和环行器的寿命考核方法，本文研究从多维度阐述如何开展射频隔离器和环行器的寿命考核。

2影响寿命的因素分析

2.1环境因素分析

器件在整个寿命期经历的运输、贮存、执行任务三种状态事件的主要环境因素如表1所示。

表1 寿命期各状态的环境因素

在整个寿命期中，运输时间较短，可以忽略环境因素对寿命的影响；贮存时间较长，但是贮存环境条件一般较好，影响寿命的程度相较于执行任务的环境较轻。主要考虑执行任务期间的环境对器件的寿命影响。

2.2器件结构因素分析

微带隔离器主要由底板、基片（含电路）、负载（薄膜电阻或外接负载）、永磁体、介质垫片、磁卡、补偿片等组成。带线同轴器件主要由腔体、盖板、基片、永磁体、中心导体、补偿片、介质垫片、负载（电阻或吸收体）、连接器等组成。波导器件主要由腔体、基片、永磁体、吸收体、介质套、磁卡（屏蔽卡）、螺钉等组成。不同传输线的射频隔离器结构示意图如图1、图2所示。

图1 微带、带线隔离器结构示意图

图2 波导隔离器结构示意图

电路、中心导体、矩形波导提供射频信号的传输通道；电阻或吸收体吸收后级反射回来的电磁信号；旋磁基片和永磁体为实现隔离器原理的功能材料；介质在隔离器内部起阻抗匹配作用；补偿片主要是确保隔离器在温度下的稳定性。

各种环境只会导致器件在早期失效，不会使器件发生结构性失效。

2.3器件材料因素分析

构成射频隔离器的材料主要有金属（腔体、盖板、镀层、磁卡）、非金属（匹配介质、灌封材料、粘接材料）、专用材料（旋磁铁氧体、永磁铁氧体）、辅料（粘接材料、焊接材料）、元器件（连接器、电阻、螺钉、吸收体等）。

金属表面可能生锈，在设计生产过程中通过对金属材料进行表面电镀或氧化处理，减小或规避了金属与氧气发生反应或者相邻金属在水气中发生电化学腐蚀的可能，并通过高温、耐湿等试验加速金属氧化和电化学腐蚀的速度，检测出金属表面处理的薄弱点。

旋磁基片可能破裂，通过机械振动、加速度、冲击、温度冲击等试验，释放器件在生产过程的应力，检测出内应力薄弱点。

永磁体可能发生的磁场退化。通过高温、机械试验检测出薄弱点。

介质可能发生老化、粘接可能失效、吸收体脱落、连接螺钉松脱等，可以通过外观检测、高温、机械试验检测出薄弱点。

电阻可能发生空洞，通过功率试验、热真空试验、X射线检测等试验检测出薄弱点。

焊接，通过机械振动、加速度、冲击、温度冲击、功率试验、热真空试验、

X射线检测等试验检测出薄弱点。

所有的试验仅检测出器件在故障-浴盆曲线中的早期失效。

中小功率隔离器在轨飞行经历丰富，环境温度40℃，时间长达20年以上，由此可见，介质高温老化、永磁体高温下性能下降、电阻器阻值变化等随时间变化极为缓慢。

2.4器件工艺因素分析

微带、带线同轴器件生产过程的主要工艺为搪锡工艺、焊接工艺、装配工艺、调试工艺、粘接工艺、固化工艺、标识工艺、清洗工艺。

从各工艺因素分析，仅焊接工艺和粘接工艺对器件寿命影响程度较高，其它工艺对寿命影响很低。

3寿命考核方法分类

3.1分类

对于射频隔离器的寿命考核，可以按照工作条件和环境条件进行开展，比如器件长时间工作在高温状态下，可以施加高温应力进行寿命考核；器件长时间工作在高低温交替环境下，可以施加温循应力进行寿命考核；器件长时间工作在海洋环境，可以考虑盐雾的腐蚀应力进行寿命考核；器件工作在车载环境，可以考虑施加长时间的振动条件进行寿命考核。

这种以极限环境应力作为寿命考核条件，具备一定的可行性。但是某些环境应力的考核，综合考虑，不具备可行性。比如卫星中的粒子辐射，实施难度太大，并且成本太高，一般用同类器件在太空中的真实工作时间进行替代。

3.2高温寿命试验

射频隔离器环行器常用工作温度范围为-20℃～+65℃、-40℃～+70℃、-55℃～+85℃。对于信号级或低功率器件，取其最高工作温度，高温试验1000h后，产品电性能合格。根据射频隔离器环行器基本失效率λ=1×10-6/h可以计算出此时器件的可靠度R（1000）=e-λt=0.999，满足用户对军级器件的质量要求。因此对于信号级或低功率器件的寿命考核试验，可以规定为按GJB360B-2009中方法108开展高温寿命试验。试验条件：试验温度：最高工作温度±2℃，试验时间：1000h。

对于中功率或高功率器件的寿命考核，由于在工作时器件本身发热，考虑到功率应力的因素不能忽视，需要在开展寿命考核时对器件加载规定的正向通过功率。器件是按最高工作温度和最大通过功率进行设计生产和电性能检验的。如果将试验温度定义为高于最高工作温度，器件的电性能可能不满足规定的指标要求，在进行功率加载时的状态与实际工作状态不一致。因此对于中功率或高功率器件的寿命考核，对器件加载规定的正向通过功率，试验温度定为器件最高工作温度，试验时间：1000h。试验后产品电性能合格，可靠度达到0.999，满足用户对军级器件的质量要求。

考虑到功率测试系统在试验过程中出现故障的可能性远高于射频隔离器环行器，导致试验中途停止。另一方面，功率测试系统的成本较高，大多用户都没有经费用于大批量产品加载功率条件下的寿命试验，可以将功率应力等效为温度应力的方式进行加速寿命考核。

3.3温循寿命试验

电子元器件的寿命分布一般服从威布尔分布[5]，按威布尔分布开展温循寿命试验。

Coffin-Masson模型可反映产品在热循环作用下的疲劳失效，其一般形式如下式所示。

                                 （1）

式中，N为循环次数；为温度变化范围；为循环频率（与温变率有关）；Tmax为最高温度；Ea为激活能；κ为波兹曼常数，其值为8.623×10-5eV／K；，，为待定系数。

为了减少模型的待定参数，将加速寿命试验的升温速率统一固定，进行三组不同试验应力的加速寿命试验，根据三组摸底试验产品的退化数据，计算产品三组试验下的寿命分布，若三组试验的寿命分布在图估计概率纸上斜率一致且均符合威布尔分布，则判定三组试验的产品失效机理保持一致。

射频隔离器环行器常用温冲条件为：GJB360B中方法107的规定进行试验，温度条件：-55℃±3℃～100℃±3℃；次数条件： 50次。进行温循寿命试验，可以将条件调制为-60℃±3℃～125℃±3℃；次数条件： 500次。

3.4盐雾腐蚀寿命试验

盐雾腐蚀主要针对金属，可以沿用金属材料的盐雾腐蚀寿命结论，不用单独对器件开展盐雾腐蚀寿命试验。

3.5振动寿命试验

器件在长时间振动条件下工作，环境一般为车载、舰载、弹载等条件，在这几种条件下，器件是可以进行更换维修的。振动设备长时间工作出现故障的可能性比器件要高，试验成本很高，用户一般不要求开展振动条件下的寿命考核。

4高温加速寿命试验验证

试验方案：选择多种器件，每种器件取一半放入高温试验箱，升温至160℃，保温≥330h（两周），取出恢复常温，测试并记录器件常温下的电性能参数。将另一半器件放入高温试验箱，升温至150℃，保温≥330h（两周），取出恢复常温，测试并记录产品常温下的电性能参数。重复试验，直至产品电性能不合格或者有明显退化趋势（试验时间不低于1000h），试验停止。

试验结果：试验总时间：2130.5h，11个品种在试验结束后没有发生电性能失效，2个品种在150℃高温试验没有失效，160℃高温试验部分失效，

8个品种在试验过程中均发生电性能失效。所有器件寿命统计结果如下图所示

图3器件寿命统计

5结论

射频隔离器环行器的结构在160℃及以下温度不会发生变化，材料在160℃及以下温度性能不变或者会发生缓慢变化，影响射频隔离器环行器的寿命。 按射频隔离器环行器生产工艺生产的隔离器环行器，能通过最高工作温度下1000h的寿命考核。

影响射频隔离器的主要影响因素是温度，可以通过对隔离器施加温度应力或等效温度应力进行寿命考核。其它寿命考核方法成本过高，试验过程中风险过大，一般不予采用。

参考文献

[1]中央军委装备发展部. 射频隔离器和环行器通用规范：GJB1065B-2021.北京.国家军用标准出版发行部,2022

[2] 《微波铁氧体器件-隔离器和环行器ESA/SCC通用规范N0.3202》

[3]总装备部电子信息基础部. 装备可靠性工作通用要求：GJB450A-2004.北京. 总装备部军标出版发行部,2004

[4]工业和信息化部电子第四研究所. 电子及电气元件试验方法：GJB360B-2009.北京.总装备部军标出版发行部,2010

[5]郑德强,张正平,李海波,等. Weibull分布下恒定应力加速寿命试验分组数据的统计分析[J],强度与环境，2008,Vol.35,No6,40-44

作者简介：程俊杰（1971-1），男，汉族，四川南江人，本科学历，高级工程师，主要从事微波铁氧体器件技术研究工作。

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