摘" 要： 脈寬調(diào)制器作為開(kāi)關(guān)電源的核心器件，已廣泛應(yīng)用于航天器中，但其貯存壽命會(huì)影響電源系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而影響航天器任務(wù)執(zhí)行的成敗。在壽命評(píng)估中，加速退化試驗(yàn)是常用的試驗(yàn)方法，其中激活能值是預(yù)測(cè)器件貯存壽命的關(guān)鍵，但目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只有器件激活能值的參考范圍，缺乏試驗(yàn)相關(guān)條件設(shè)置的詳細(xì)描述，這會(huì)影響壽命評(píng)估的精度。為此，文中以JW1525脈寬調(diào)制器為研究對(duì)象，分析JW1525的結(jié)構(gòu)及工作原理，設(shè)計(jì)并完成72 h的加速退化預(yù)試驗(yàn)，得到器件的退化敏感參數(shù)作為輸出電壓。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)并完成440 h的加速退化正式試驗(yàn)，并結(jié)合Arrhenius模型對(duì)正式試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到JW1525的激活能為0.29 eV，常溫下貯存壽命將近70年。通過(guò)詳細(xì)的器件結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)開(kāi)展，得出脈寬調(diào)制器的激活能和常溫貯存壽命，可為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 加速退化試驗(yàn)； 脈寬調(diào)制器； 貯存壽命； Arrhenius模型； 激活能； 退化敏感參數(shù)

中圖分類號(hào)： TN606?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）16?0007?06

Pulse width modulator storage life prediction based on accelerated degradation test

YOU Wenchao1， SUN Gaoyu2， PENG Kefei3， HUANG Jiaoying1

（1. School of Reliability and Systems Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China;

2. School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. School of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： Pulse width modulator， as the core devices of switch?mode power supplies， is widely utilized in spacecraft. However， the storage life of pulse width modulator can impact the reliability of power system， consequently influencing the success or failure of spacecraft mission execution. Accelerated degradation test is a commonly used method in life assessment， where the activation energy value is a crucial factor in predicting the storage life. The relevant standards only have the reference range of device activation energy， and lack the detailed description of test condition setting， which affects the accuracy of life assessment. Therefore， the JW1525 pulse width modulator is taken as the research object， and the structure and working principle of JW1525 are analyzed. A 72 h accelerated degradation pre?test was designed and completed， and the degradation sensitive parameter of the device was obtained as the output voltage. A 440 h accelerated degradation formal testing was designed and completed according to the pre?test results， and the data processing for the formal testing results was conducted by combining with the Arrhenius model. The activation energy of JW1525 was 0.29 eV， and the storage life was nearly 70 years at normal temperature. The activation energy and storage life of pulse width modulator are obtained by the detailed device structure analysis and test， which can provide data and test basis for subsequent research.

Keywords： accelerated degradation test; pulse width modulator; storage life; Arrhenius model; activation energy; degradation sensitive parameter

0" 引" 言

開(kāi)關(guān)電源是航天器中使用較為廣泛的一類器件，其核心器件是脈寬調(diào)制器（Pulse?Width Modulation， PWM）[1]。脈寬調(diào)制器的主要功能是提供占空比可調(diào)的矩形波信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比就可以控制開(kāi)關(guān)的通斷。在航天器貯存過(guò)程中，脈寬調(diào)制器的電性能會(huì)隨時(shí)間退化甚至失效，而脈寬調(diào)制器作為核心器件[2]，其失效將錯(cuò)誤控制或者無(wú)法控制電源通斷，進(jìn)而導(dǎo)致電源失效。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)80%電源設(shè)備的失效會(huì)嚴(yán)重影響航天器任務(wù)的執(zhí)行。因此，對(duì)脈寬調(diào)制器的貯存壽命評(píng)估具有重要意義。

目前，自然環(huán)境貯存試驗(yàn)檢測(cè)法和加速退化試驗(yàn)法是國(guó)際上常用的兩種貯存壽命評(píng)估方法。其中，自然環(huán)境貯存試驗(yàn)檢測(cè)法是將待測(cè)樣品在自然環(huán)境中貯存，研究其退化速率或失效函數(shù)。該方法得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但現(xiàn)在很多器件、武器性能良好，常溫貯存壽命可達(dá)幾十年甚至上百年，自然環(huán)境貯存試驗(yàn)檢測(cè)法周期過(guò)長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)[3]。加速退化試驗(yàn)法是通過(guò)給待測(cè)樣品施加遠(yuǎn)超過(guò)正常應(yīng)力值的應(yīng)力，加速器件的退化，可以極大地節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間成本?；诖?，加速退化試驗(yàn)法成為貯存壽命評(píng)估中的常用方法[4]。

在加速退化試驗(yàn)中，經(jīng)常使用Arrhenius模型進(jìn)行壽命評(píng)估[5]，而在該模型中激活能的值對(duì)壽命預(yù)測(cè)的精度影響較大[6]。對(duì)于不同種類、不同功能的產(chǎn)品，激活能的取值不同。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只給出了器件激活能值的參考范圍，且針對(duì)具體器件的加速試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在條件設(shè)置、數(shù)據(jù)處理等需要完善的問(wèn)題[7]。所以設(shè)計(jì)詳細(xì)的加速試驗(yàn)方案，獲取某一型號(hào)元器件激活能的值對(duì)壽命評(píng)估工作具有重要意義。

本文以JW1525型脈寬調(diào)制器為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)及原理分析得到脈寬調(diào)制器的關(guān)鍵電特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，完善加速退化試驗(yàn)的條件設(shè)置、失效機(jī)理一致性判斷方法，并開(kāi)展預(yù)試驗(yàn)和正式試驗(yàn)。通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，得到脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)及激活能，最終獲得常溫下的貯存壽命。本研究為該型號(hào)脈寬調(diào)制器的貯存壽命預(yù)測(cè)和應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為同類型器件的貯存壽命預(yù)測(cè)研究提供了參考。

1" 脈寬調(diào)制器結(jié)構(gòu)及工作原理研究

JW1525是一款常用型號(hào)的電流控制型脈寬調(diào)制器，封裝形式為DIP16陶瓷封裝，由基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、比較器、輸出驅(qū)動(dòng)器等組成。在脈寬調(diào)制器的工作過(guò)程中，誤差放大器產(chǎn)生直流信號(hào)輸出，振蕩器輸出鋸齒波信號(hào)。脈寬調(diào)制器的核心功能是通過(guò)比較器對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行比較，隨后經(jīng)過(guò)推挽電路處理并輸出具有特定占空比的矩形波信號(hào)。

在加速退化試驗(yàn)中，需要根據(jù)器件參數(shù)退化來(lái)評(píng)估器件貯存壽命。JW1525的基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、比較器、輸出驅(qū)動(dòng)各部分的電特性參數(shù)及范圍如表1所示。

為縮短試驗(yàn)時(shí)間并確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)選取的測(cè)量參數(shù)應(yīng)能充分表征器件的核心功能。在各部分參數(shù)中，基準(zhǔn)電壓值對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出精度有直接影響。誤差放大器的輸出電壓決定了脈寬調(diào)制器的正常運(yùn)作，而振蕩頻率、上升時(shí)間、占空比和輸出電壓則是脈寬調(diào)制器輸出矩形波的主要參數(shù)?？紤]到現(xiàn)有研究成果，選取基準(zhǔn)電壓、誤差放大器的輸出電壓（即補(bǔ)償電壓）、振蕩頻率、上升時(shí)間、占空比、輸出電壓作為試驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)。這些參數(shù)涵蓋了脈寬調(diào)制器各個(gè)關(guān)鍵部分的性能特征。

根據(jù)需要測(cè)量的參數(shù)分析器件各引腳的功能，設(shè)計(jì)器件的JW1525應(yīng)用電路，如圖1所示。

2" 加速退化試驗(yàn)及加速模型分析

加速退化試驗(yàn)是電子器件貯存壽命評(píng)估中常用的試驗(yàn)方法。該方法通過(guò)給待測(cè)樣品施加遠(yuǎn)超過(guò)正常應(yīng)力值的應(yīng)力，加速器件的失效，可以極大地節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間成本，已成為貯存壽命評(píng)估中的常用方法。加速退化試驗(yàn)在提高應(yīng)力的同時(shí)要保證不改變產(chǎn)品的失效機(jī)理，在此前提下，使用相應(yīng)的加速模型才可以正確預(yù)計(jì)產(chǎn)品在某一應(yīng)力下的壽命。

加速退化試驗(yàn)過(guò)程中，需要根據(jù)器件的特性及貯存環(huán)境確定試驗(yàn)應(yīng)力類型、應(yīng)力施加方式、加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、加速?yīng)力水平、各級(jí)應(yīng)力停滯時(shí)間、試驗(yàn)停止原則等，這些試驗(yàn)關(guān)鍵因素會(huì)影響器件貯存壽命評(píng)估的準(zhǔn)確性。

產(chǎn)品在貯存過(guò)程中經(jīng)受的應(yīng)力有溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、濕度應(yīng)力、電應(yīng)力等。產(chǎn)品在加速退化試驗(yàn)中，會(huì)結(jié)合產(chǎn)品貯存時(shí)實(shí)際的應(yīng)力將應(yīng)力單獨(dú)施加或組合施加。根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)力的施加方式，加速退化試驗(yàn)分為3類，分別為恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)、序進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)。恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)將產(chǎn)品分組，在恒定應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)[8]，適用于模擬長(zhǎng)期使用過(guò)程中的應(yīng)力環(huán)境。恒定應(yīng)力試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，但試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，所需器件數(shù)量較多。步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)是設(shè)定幾個(gè)應(yīng)力值，先在全部試件上施加某一應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，隨后到設(shè)定好的下一個(gè)應(yīng)力，適用于模擬實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)力的變化情況。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)軌蚰M實(shí)際應(yīng)力的變化過(guò)程，所需器件數(shù)量較少，但需要進(jìn)行多次加載和卸載，試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)而言不穩(wěn)定。序進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)的應(yīng)力施加方式是隨時(shí)間逐漸增加的，適用于評(píng)估材料在短時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力加速退化情況。序進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，能夠較快地評(píng)估器件的壽命，但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高。三種應(yīng)力施加方式如圖2所示。

在加速退化試驗(yàn)中，經(jīng)常選用Arrhenius模型來(lái)模擬器件的敏感參數(shù)退化速率與溫度的關(guān)系，公式如下：

[dMdt=Aexp-EakT] （1）

式中：M為器件退化敏感參數(shù)；t為試驗(yàn)時(shí)間（單位為h）；[dMdt]為退化速率；A為常數(shù)（不隨溫度變化而變化）；[Ea]為激活能；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為試驗(yàn)溫度。

對(duì)式（1）左右兩邊積分取對(duì)數(shù)，得到壽命的對(duì)數(shù)[lnt]和溫度倒數(shù)[1T]的線性關(guān)系，公式如下所示：

[lnt=lnΔMA+Eak?1T] （2）

加速退化試驗(yàn)在提高應(yīng)力的同時(shí)要保證不改變產(chǎn)品的失效機(jī)理，提高試驗(yàn)應(yīng)力只是加速了器件的退化速率。在進(jìn)行加速貯存壽命試驗(yàn)時(shí)，要進(jìn)行失效機(jī)理一致性判斷。對(duì)于同一失效機(jī)理，其失效激活能是恒定的，因此，加速試驗(yàn)過(guò)程中只需判斷失效激活能是否保持不變，就可以確定失效機(jī)理是否相同。

3" 脈寬調(diào)制器貯存壽命評(píng)估試驗(yàn)研究

JW1525的貯存壽命評(píng)估試驗(yàn)分為預(yù)試驗(yàn)和正式試驗(yàn)。預(yù)試驗(yàn)的目的是探索該型號(hào)脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)[9]以及正式試驗(yàn)應(yīng)力范圍，為正式試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。預(yù)試驗(yàn)和正式試驗(yàn)都采用加速退化試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)進(jìn)行完善的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，規(guī)定應(yīng)力的加載方法、受試產(chǎn)品要求和試驗(yàn)停止原則等，以達(dá)到試驗(yàn)快速激發(fā)缺陷的目的。

3.1" 預(yù)試驗(yàn)方案及結(jié)果

在預(yù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要確定試驗(yàn)應(yīng)力類型、應(yīng)力施加方式、加速應(yīng)力水平、各級(jí)應(yīng)力停滯時(shí)間、試驗(yàn)停止原則等，這些因素直接影響加速貯存壽命試驗(yàn)的效率和精度，是開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。預(yù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下。

1） 試驗(yàn)應(yīng)力類型。脈寬調(diào)制器等宇航用元器件，在貯存過(guò)程中通常會(huì)采取防霉菌、防潮濕、防鹽霧等措施，濕度和化學(xué)應(yīng)力對(duì)器件影響較小。相反，環(huán)境溫度對(duì)器件的影響較為顯著[10]，可視為主要的環(huán)境應(yīng)力，因此選擇溫度應(yīng)力作為試驗(yàn)應(yīng)力。

2） 應(yīng)力施加方式。根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)力的施加方式，加速退化試驗(yàn)分為3類，分別為恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)、序進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)。在預(yù)試驗(yàn)中，需要在較短時(shí)間內(nèi)得到該型號(hào)脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)以及應(yīng)力范圍，故選定步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)。相比于恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)，步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)?zāi)茉谳^少試驗(yàn)樣件數(shù)量下，短時(shí)間內(nèi)得出脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)[11]。

3） 加速試驗(yàn)應(yīng)力水平的選擇。JW1525的貯存溫度極限是150 ℃，根據(jù)器件貯存溫度范圍及相關(guān)文獻(xiàn)[12]，擬從135 ℃出發(fā)，選取15 ℃作為應(yīng)力增量，在每個(gè)應(yīng)力下貯存12 h。貯存結(jié)束后，待器件恢復(fù)到室溫再進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，保證JW1525完全達(dá)到溫度平衡。

4） 試驗(yàn)停止原則。預(yù)試驗(yàn)在兩種情況下停止：一是脈寬調(diào)制器失效；二是器件施加的應(yīng)力量級(jí)達(dá)到或者遠(yuǎn)超過(guò)器件規(guī)定的貯存應(yīng)力水平。

5） 硬件系統(tǒng)搭建。選用的硬件設(shè)備有JW1525脈寬調(diào)制器、高溫溫箱、TBS2000 SERIES示波器、GPC?60300電源、UT58B型萬(wàn)用表、導(dǎo)線若干、電阻若干、電容若干，而計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理終端。

在試驗(yàn)開(kāi)始之前，室溫下對(duì)JW1525脈寬調(diào)制器的電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，器件初始參數(shù)測(cè)量值在正常工作范圍內(nèi)。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)力步進(jìn)為210 ℃且在該應(yīng)力下完成12 h貯存后，器件仍未失效。而JW1525的貯存溫度極限是150 ℃，該應(yīng)力量級(jí)已經(jīng)遠(yuǎn)超器件規(guī)定的貯存應(yīng)力水平，預(yù)試驗(yàn)停止，總計(jì)耗時(shí)72 h。

預(yù)試驗(yàn)完成72 h加速退化試驗(yàn)后，各部分的基準(zhǔn)電壓、補(bǔ)償電壓、頻率、上升時(shí)間、占空比、輸出電壓等參數(shù)的退化趨勢(shì)如圖3所示。

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知，輸出電壓退化量較大，退化趨勢(shì)明顯，測(cè)量過(guò)程中較為穩(wěn)定，可以作為貯存壽命評(píng)估正式試驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)。根據(jù)輸出電壓的退化趨勢(shì)，在135～150 ℃，參數(shù)基本無(wú)退化；在150 ℃之后，器件退化趨勢(shì)明顯。故貯存壽命評(píng)估正式試驗(yàn)的應(yīng)力范圍可以設(shè)定在150～210 ℃。

3.2" 正式試驗(yàn)方案及結(jié)果

基于上述預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)JW1525貯存壽命評(píng)估正式試驗(yàn)方案。由于預(yù)試驗(yàn)與正式試驗(yàn)都是加速退化試驗(yàn)，因此在正式試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，同樣需要確定試驗(yàn)應(yīng)力類型、應(yīng)力施加方式、加速試驗(yàn)應(yīng)力水平、各級(jí)應(yīng)力停滯時(shí)間、試驗(yàn)停止原則等。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)得到的退化敏感參數(shù)和應(yīng)力范圍，設(shè)計(jì)正式試驗(yàn)方案如下。

1） 試驗(yàn)應(yīng)力類型：與預(yù)試驗(yàn)相同，正式試驗(yàn)中選用的應(yīng)力為溫度應(yīng)力。

2） 應(yīng)力施加方式：在加速貯存壽命試驗(yàn)中，需要進(jìn)行失效機(jī)理一致性判斷。恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)中，被試樣件一直穩(wěn)定處于同一環(huán)境下，失效機(jī)理一致且外部干擾因素少，壽命評(píng)估結(jié)果比較準(zhǔn)確。結(jié)合試驗(yàn)條件，選擇恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)。

3） 加速試驗(yàn)應(yīng)力水平：根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，退化敏感參數(shù)輸出電壓在150 ℃之后發(fā)生較為明顯的退化，為了在較短時(shí)間內(nèi)得出參數(shù)退化軌跡，選取170 ℃（443.15 K）、190 ℃（463.15 K）、210 ℃（483.15 K）三級(jí)應(yīng)力作為正式試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力。

4） 試驗(yàn)停止原則：正式試驗(yàn)為440 h定時(shí)結(jié)尾試驗(yàn)。

5） 硬件系統(tǒng)搭建：與預(yù)試驗(yàn)相同。

正式試驗(yàn)在每個(gè)應(yīng)力水平下投入6個(gè)器件作為試驗(yàn)樣件，其對(duì)應(yīng)的器件編號(hào)為A1～A6、B1～B6、C1～C6。在試驗(yàn)開(kāi)始之前，所有器件工作均表現(xiàn)正常。經(jīng)過(guò)測(cè)試，試驗(yàn)獲得了在各個(gè)應(yīng)力下各器件的11組參數(shù)退化數(shù)據(jù)。

4" 脈寬調(diào)制器激活能及貯存壽命確定

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的核心為Arrhenius模型，利用該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到器件的激活能和貯存壽命。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

4.1" 脈寬調(diào)制器退化軌跡擬合

建立退化?時(shí)間模型，對(duì)器件輸出電壓的退化軌跡進(jìn)行擬合。常見(jiàn)退化?時(shí)間模型有以下幾種：

[yi=αi+βit] （3）

[lgyi=αi+βit] （4）

[lgyi=αi+βilgt] （5）

根據(jù)參數(shù)的退化趨勢(shì)，選用模型式（3）擬合器件退化軌跡，擬得出各器件的輸出電壓隨貯存時(shí)間的退化擬合方程表達(dá)式。

4.2" 脈寬調(diào)制器各應(yīng)力下偽壽命計(jì)算

根據(jù)JW1525的詳細(xì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)器件的輸出電壓小于2.55 V時(shí)，判定器件失效。根據(jù)失效判據(jù)以及器件退化軌跡擬合方程，計(jì)算出各應(yīng)力下各個(gè)器件的偽壽命值。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，半導(dǎo)體集成電路的壽命通常符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

[f（t）=1σt2π?exp-12lnt-μσ2，" t≥0] （6）

均值和方差為：

[mean=expμ+σ22] （7）

[variance=exp（σ2）-1exp（2μ+σ2）] （8）

假設(shè)每個(gè)應(yīng)力值下器件的壽命值都符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，采用K?S檢驗(yàn)方法，在顯著性水平是0.05的基礎(chǔ)上，三個(gè)應(yīng)力下器件偽壽命值均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。根據(jù)分布擬合出的[μ]和[σ2]，可以計(jì)算出各應(yīng)力下器件壽命的均值，即各應(yīng)力下JW1525的偽壽命，計(jì)算結(jié)果如表2所示。在三個(gè)應(yīng)力下，器件對(duì)應(yīng)的壽命均值分別是14 155.62 h、11 596.87 h、7 524.18 h。

4.3" 失效機(jī)理一致性檢驗(yàn)

根據(jù)加速模型分析中的公式（2）可知，玻耳茲曼常數(shù)k為恒定值，JW1525壽命的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。若要判斷在正式試驗(yàn)過(guò)程中失效機(jī)理是否一致，只需判斷三個(gè)應(yīng)力下的壽命均值的對(duì)數(shù)[lnt]與溫度倒數(shù)[1T]是否符合線性關(guān)系即可。本次采用最小二乘法擬合器件三個(gè)應(yīng)力下的壽命均值的對(duì)數(shù)[lnt]與溫度倒數(shù)[1T]的線性關(guān)系，擬合直線表達(dá)式及相關(guān)系數(shù)為：

[lnt=3 362.8051T+2.011 0] （9）

[R2=0.945 85] （10）

由公式（10）可知，相關(guān)系數(shù)[R2]的值非常接近1，可以判斷三個(gè)應(yīng)力下的壽命均值的對(duì)數(shù)[lnt]與溫度倒數(shù)[1T]符合線性關(guān)系，即激活能值恒定。從而判定在加速退化試驗(yàn)過(guò)程中，器件的失效機(jī)理一致。

4.4" 計(jì)算激活能及器件常溫貯存壽命

由4.3節(jié)中失效機(jī)理一致性判斷可知，擬合曲線的斜率為：

[b=3 362.805] （11）

該直線的斜率為[Eak]，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，則激活能（單位為eV）為：

[Ea=k?b=0.29] （12）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到，JW1525的激活能為0.29 eV。

在加速退化試驗(yàn)過(guò)程中，即在170～210 ℃時(shí)，器件的失效機(jī)理一致。而JW1525最大貯存溫度可以達(dá)到150 ℃，與加速試驗(yàn)中的第一級(jí)應(yīng)力相近，且器件為陶瓷封裝，具有良好的耐熱性[14]。因此，可以認(rèn)為器件在提高應(yīng)力的同時(shí)沒(méi)有引入其他失效機(jī)理，加速試驗(yàn)結(jié)果得到的激活能可以用來(lái)預(yù)測(cè)器件的常溫壽命。根據(jù)擬合的函數(shù)表達(dá)式可以預(yù)測(cè)出JW1525型脈寬調(diào)制器常溫下的貯存壽命為70～80年。不同溫度下器件壽命預(yù)測(cè)如表3所示。

5" 結(jié)" 論

本文以JW1525型脈寬調(diào)制器為研究對(duì)象，開(kāi)展512 h的加速退化試驗(yàn)，基于Arrhenius模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到器件的激活能和貯存壽命，主要結(jié)論如下。

1） 脈寬調(diào)制器在溫度應(yīng)力下的退化敏感參數(shù)為輸出電壓，且參數(shù)在150 ℃以上退化趨勢(shì)較為明顯。

2） 在貯存壽命評(píng)估正式試驗(yàn)中，采用恒定應(yīng)力加載方式，盡量少地引入其他因素的影響，驗(yàn)證了JW1525 脈寬調(diào)制器失效機(jī)理的一致性。

3） JW1525型脈寬調(diào)制器在貯存過(guò)程中，不施加任何電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等其他應(yīng)力，其激活能是0.29 eV，在常溫（25 ℃）下的貯存壽命約是67年。

本研究后續(xù)將獲取脈寬調(diào)制器常溫貯存的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，完善貯存壽命評(píng)估試驗(yàn)并驗(yàn)證壽命評(píng)估的準(zhǔn)確性。

注：本文通訊作者為黃姣英。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓曉東，梁盛銘，張皓源，等.宇航用脈寬調(diào)制器評(píng)估試驗(yàn)方法[J].航天器環(huán)境工程，2017，34（1）：91?97.

[2] 王勇，夏昌福，郭茂.基于加速退化模型的加速度開(kāi)關(guān)貯存壽命評(píng)估[J].壓電與聲光，2023，45（3）：484?488.

[3] 向剛，苗靜，邱豐.航天電子產(chǎn)品貯存期評(píng)估方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，40（1）：1?5.

[4] 李秀杰，孫書，劉麗霞，等.基于濕熱老化試驗(yàn)的航天器用丁腈橡膠貯存壽命預(yù)測(cè)[J].航天器環(huán)境工程，2022，39（5）：539?544.

[5] 牛峰，張博恒，李貴衡，等.基于加速退化試驗(yàn)的漏電信號(hào)調(diào)理電路性能退化及可靠性研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2024，28（1）：61?68.

[6] 呂瑛，王愛(ài)清，閆凱，等.微波功率放大組件加速貯存數(shù)據(jù)處理及壽命評(píng)估[J].裝備環(huán)境工程，2023，20（10）：108?117.

[7] 高會(huì)壯，王長(zhǎng)鑫，陳波，等.集成電路老煉試驗(yàn)條件分析及優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（18）：57?60.

[8] 姚軍，韓娜，傅玲莉.加速貯存壽命試驗(yàn)及可靠性評(píng)估[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（3）：71?75.

[9] 姚芳，王少杰，李志剛.考慮退化狀態(tài)的功率器件壽命預(yù)測(cè)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（14）：132?135.

[10] 張博軒.微波放大器貯存壽命評(píng)估方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2020.

[11] 李湘寧.武器系統(tǒng)貯存壽命評(píng)定方法研究[J].艦船電子工程，2018，38（12）：169?171.

[12] 郭振華.電子門鎖可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[13] 馮雪峰.基于加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性統(tǒng)計(jì)分析與其優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[14] 黃姣英，何明瑞，高成，等.灌膠工藝對(duì)陶封隔離器鍵合點(diǎn)影響仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（10）：5?9.