宋波

摘要：真空電子器件廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、醫(yī)療電子、成像器件、探測(cè)器、國(guó)防等領(lǐng)域，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。由于真空電子器件是在真空高電壓環(huán)境下工作的，制造工藝復(fù)雜，工藝要求嚴(yán)格，所使用的材料是特殊的和多樣的。因此，真空電子器件的失效模式是多種多樣的，各種失效模式的機(jī)理是不同的，理論和實(shí)際問(wèn)題亟待解決。這就成了真空環(huán)境下提高電子設(shè)備質(zhì)量和可靠性的瓶頸。真空電子器件失效模式和原因分析是提高其質(zhì)量和可靠性的重要手段。

關(guān)鍵詞：失效模式；失效原因

1陰極發(fā)射能力差

陰極是真空電子器件的心臟，其性能是決定器件可靠性的關(guān)鍵因素。陰極發(fā)射的下降是陰極的退化結(jié)果。其主要原因有：陰極發(fā)射能力差、負(fù)載重。（a）目前國(guó)外的陰極發(fā)射能力是連續(xù)發(fā)射大于10 A/cm²，脈沖為20～30 A/cm²。如果陰極發(fā)射能力差，并且使用過(guò)大的電流密度，則陰極會(huì)過(guò)載并加速其老化。（b）陰極的制造工藝落后。國(guó)外有先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備和全過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控方法。同時(shí)，先進(jìn)的陰極表面處理和表面涂覆技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。不同的材料、工藝和結(jié)構(gòu)可以用來(lái)改變和控制陰極發(fā)射能力。國(guó)內(nèi)微波管生產(chǎn)廠家，除了個(gè)別研究機(jī)構(gòu)、廠家整體水平還停留在80年代，部分進(jìn)口技術(shù)仍處于摸索階段，此外，還存在一些特殊材料缺乏的問(wèn)題。（c）陰極分解活化工藝規(guī)范較差，缺乏嚴(yán)格的試驗(yàn)方法。國(guó)外對(duì)陰極材料、配方、工藝規(guī)范、陰極表面條件和陰極發(fā)射性能有嚴(yán)格的分析、檢測(cè)和控制方法。由于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)落后，缺乏監(jiān)測(cè)手段，難以提高技術(shù)水平，選擇最佳工藝。因此，很難保證陰極特性的可控性和穩(wěn)定性。（d）陰極溫度過(guò)高（氧化物陰極為850攝氏度，鋇鎢陰極為1050～1100攝氏度），國(guó)產(chǎn)陰極發(fā)射能力往往不足，為達(dá)到較高的發(fā)射水平，往往陰極工作溫度并不在最佳工作溫度，活性物質(zhì)的過(guò)量損耗導(dǎo)致過(guò)早發(fā)射。（e）管內(nèi)真空惡化，陰極工作環(huán)境惡化，陰極逐漸中毒，排放降低。

2燈絲斷裂

用于微波真空電子器件的大電流密度陰極往往使用增加燈絲的功率以保證其工作溫度（850～1100℃），但燈絲的工作溫度達(dá)到1100～1400℃，容易引起燈絲斷裂。主要原因有：（a）熱絲材料質(zhì)量差，加工工藝不合理。熱絲主要由鎢、鉬等高熔點(diǎn)金屬制成，在高工作溫度下，如果在制作過(guò)程中應(yīng)力去除不當(dāng)，或材料本身有缺陷，如開(kāi)裂和脆化，則會(huì)被燒毀。（b）熱絲的工作溫度過(guò)高，絕緣層開(kāi)裂，粉末斷裂，導(dǎo)致短路燒毀。在許多情況下，為了獲得更大的電流，管子趨向于增加燈絲的加熱功率，從而增加燈絲的熱負(fù)荷。此外，由于陰極發(fā)射性能的低水平，在設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用高溫陰極，從而增加燈絲負(fù)載。（c）陰極燈絲結(jié)構(gòu)不良，加熱效率低。如果燈絲與陰極之間的熱接觸不良，則加熱效率低。同樣的，為了保證陰極的工作溫度，燈絲的功率往往過(guò)大，使得燈絲的工作溫度過(guò)高。

3打火和擊穿

當(dāng)電極間電壓超過(guò)一定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生打火和擊穿。瞬時(shí)放電和快速放氣將產(chǎn)生沖擊波并釋放聲音，這通?？梢员黄渌姌O或吸氣劑迅速吸收。當(dāng)點(diǎn)火嚴(yán)重時(shí)，極間等離子體放電的電流密度將非常大，從而導(dǎo)致電極間電壓的擊穿。打火和擊穿的主要原因是：（a）電極形狀和電極表面光滑，無(wú)毛刺，表面電場(chǎng)均勻，擊穿電壓較高，相反，易放電和打火。當(dāng)電極間距在極高真空（10^-7Pa）時(shí)，1毫米的間隙可以承受50千伏的電壓。表面光滑的電極具有最高的耐擊穿電壓，表面越多毛刺擊穿電壓也越低。同時(shí)，與單間隙相比，多間隙的耐壓比單間隙更大，間隙越多，擊穿電壓也越高。如果電極的外形設(shè)計(jì)和電極安裝距離不合理，在真空電子管工作過(guò)程中，外部原因（如電極上的異物的出現(xiàn)）會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)發(fā)生打火和擊穿。（b）電極材料和表面鍍層材料的熔點(diǎn)較低，含有揮發(fā)性物質(zhì)，如陰極活性物質(zhì)蒸發(fā)；真空管管壁表面不光滑毛刺等吸附氣體；另外排氣臺(tái)使用的真空泵也可能對(duì)管內(nèi)造成油氣污染（c）目前國(guó)內(nèi)對(duì)真空電子管進(jìn)行動(dòng)態(tài)老練和穩(wěn)定性老練，目的就是充分活化陰極，進(jìn)一步除氣，改善管內(nèi)真空，希望可以消除電極上的灰塵、毛刺和蒸發(fā)出的活性顆粒，提高絕緣強(qiáng)度。從而穩(wěn)定電氣參數(shù)。真空電子器件的特點(diǎn)就包含了多種材料、形狀復(fù)雜、工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，受到環(huán)境和設(shè)備的影響，如某機(jī)載雷達(dá)用行波管，500余零件、40余種材料、100多條焊縫。而全管生產(chǎn)設(shè)備100余臺(tái)，工序總耗時(shí)超過(guò)3000h。在加工過(guò)程中，如果制造過(guò)程中某些材料的選擇不當(dāng)或工藝過(guò)程中發(fā)生一些缺陷沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，就會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象。（d）散熱不良，例如，收集級(jí)擊穿是由散熱不良引起的，工作溫度過(guò)高，導(dǎo)致絕緣材料表面放氣，導(dǎo)致管內(nèi)真空度變差，擊穿電壓降低，放電打火甚至嚴(yán)重?fù)舸Ｄ壳皣?guó)內(nèi)已逐步改善工藝，通過(guò)增加效率、管體與底板直接焊接等方法提高了散熱性能，增加管體工作的穩(wěn)定性。

4管內(nèi)真空下降

管內(nèi)真空度是影響微波真空電子器件質(zhì)量可靠性的關(guān)鍵因素之一。微波真空電子器件的正常真空度應(yīng)優(yōu)于1×10^-6Pa。如果真空度變差，陰極工作環(huán)境惡化，則會(huì)導(dǎo)致陰極的逐漸中毒，從而降低電子發(fā)射。真空變差也可能導(dǎo)致管內(nèi)高壓打火和擊穿，嚴(yán)重時(shí)可使陰極損壞不能工作。造成管內(nèi)真空度下降的原因主要有兩個(gè)：（a）真空電子器件管內(nèi)的零件材料的形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了管內(nèi)排氣很難真正的排干凈。生產(chǎn)過(guò)程中的污染對(duì)產(chǎn)品有很大影響，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品零件生產(chǎn)后需要經(jīng)過(guò)清洗，組裝一般是在超凈間完成的，就是為了減少管內(nèi)污染。零件表面容易吸收各種固體和氣態(tài)顆粒，在裝配和焊接過(guò)程中，管子具有“死空間”。排氣過(guò)程不能完全去除，導(dǎo)致電子管在工作或儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)長(zhǎng)期持續(xù)性的放氣。b）慢性漏氣慢性漏氣是指管外氣體慢慢漏入管內(nèi)。在現(xiàn)有的條件下，早期漏氣難以發(fā)現(xiàn)。只有在管子使用或存放中，在一定的外部應(yīng)力下發(fā)生工作故障，這是屬于可靠性的問(wèn)題。常見(jiàn)發(fā)生故障場(chǎng)景是在環(huán)境試驗(yàn)如振動(dòng)、高低溫應(yīng)力試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)條件下等。其原因是：（a）金屬焊縫缺陷氣體泄漏；（b）陶瓷和金屬密封表面的微觀組織質(zhì)量較差，造成了長(zhǎng)期的漏氣，真空電子器件行業(yè)目前還沒(méi)有完全理解這一問(wèn)題。在微波真空電子器件中，電子槍、集電極和能量傳輸裝置往往都使用陶瓷與金屬封接。封接表面的微觀結(jié)構(gòu)如果質(zhì)量較差，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

5柵極發(fā)射

柵控行波管的一個(gè)經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題是柵極發(fā)射，它將會(huì)直接影響到真空電子管的參數(shù)和壽命。產(chǎn)生柵極發(fā)射的原因是：（a）柵極截獲。如果控制柵和陰影柵沒(méi)有精準(zhǔn)的安裝控制，則從陰極發(fā)射的電子將被直接截獲形成柵極電流。（b）本身柵極很靠近陰極，陰極的工作溫度又比較高。從而柵極在高溫下往往也會(huì)發(fā)射、漏電，增加了柵流（c）陰極的活性物質(zhì)在高溫下會(huì)蒸發(fā)，沉積在溫度相對(duì)較低的柵極。另外，陰極表面的毛刺造成的打火，往往也會(huì)造成一定的活性物質(zhì)濺射。在合適的溫度下活性增加的柵極也會(huì)發(fā)射電子。

6自然老化

這種自然老化是指產(chǎn)品異常失效未達(dá)到規(guī)定的使用壽命。主要原因有設(shè)計(jì)不合理、選材不當(dāng)、工藝不合理、使用不當(dāng)?shù)仍?。這種故障模式的原因是復(fù)雜的，往往難以準(zhǔn)確地確定。往往在設(shè)計(jì)研制鑒定階段，通過(guò)試驗(yàn)的方法，改進(jìn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)及工藝要求。

7其它失效模式

上述失效模式具有一定的規(guī)律性和必然性，是研究的重點(diǎn)。其他故障模式，如振動(dòng)損壞和電極導(dǎo)線故障，更清楚直接也更容易采取適當(dāng)?shù)拇胧Ｒ灿幸恍┕收犀F(xiàn)象，例如真空電子管工作功率性能變差，分析可以是以上失效原因的一個(gè)綜合。

結(jié)束語(yǔ)

本文討論了真空電子器件的常見(jiàn)失效模式和失效原因。希望能起到拋磚引玉的作用，引起同行的重視并進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步促進(jìn)真空電子器件的質(zhì)量和可靠性的提高。

（作者單位：南京三樂(lè)集團(tuán)有限公司）