星载T/R组件加速寿命试验方法

杨 鹏，毛睿杰，杨 立，梁 平

(西南电子设备研究所，成都610036)

星载T/R组件加速寿命试验方法

杨 鹏，毛睿杰，杨 立，梁 平

(西南电子设备研究所，成都610036)

T/R组件作为相控阵天线的核心部件，结构复杂、体积小、集成度高，其可靠性直接影响整机寿命.国内星载毫米波T/R组件尚无长期在轨工作经历，缺乏有效的加速寿命试验方法，为支撑星载毫米波相控阵天线可靠性设计及寿命评估，需开展T/R组件加速寿命试验方法研究.本文研究T/R组件原理及失效机理，结合国内外加速寿命试验研究现状，提出T/R组件加速寿命试验流程，分析比较激活能预估验证法、可靠性预计验证法和多应力评估试验法三种不同试验方法的试验流程、试验方法选取原则及试验参数确定等内容，为开展星载毫米波相控阵天线T/R组件加速寿命试验提供指南.

T/R组件;加速寿命试验;试验方法

0 引言

毫米波相控阵天线属于近年来国内外天线技术运用的热门领域，T/R组件作为相控阵天线的核心部件，其可靠性是影响相控阵天线寿命的关键因素.评估T/R组件工作寿命，开展其加速寿命试验成为星载相控阵天线可靠性研究的迫切需求.国内T/R组件寿命研究集中在元器件级的失效机理分析与加速寿命试验方面，缺乏组件级的寿命试验的系统论述与试验方法的研究.

国内星载单机或模块电子产品加速寿命试验方法如关键部件激活能代替电子单机或模块产品激活进行试验设计，文献［1］详细介绍了基于激活能预估的加速寿命试验设计评估方法，提供了一种长寿命、高可靠航天电子产品寿命与可靠性评估方法;文献［2］提出了一种基于可靠性预计数据的星载电子产品寿命试验加速因子的估计方法通过比较产品在工作环境温度与寿命试验温度下的预计失效率数据，估计寿命试验加速因子.

国外GaAs基及硅基单片加速寿命试验和寿命评估研究已经比较成熟，从失效分析到寿命评估已经形成了一套系统的研究体系，而关于T/R组件的加速寿命试验的内容较少.由于星载相控阵天线的可靠性研究需求日益迫切，而寿命试验缺乏相关理论支持，因此T/R组件加速寿命试验方法研究成为星载相控阵天线可靠性研究的新课题，具有重要的实用价值.

1 T/R组件原理简述

T/R组件是相控阵天线的核心组件，多个通道共同馈电和受控，收发分时工作.各通道独立工作，互不影响.典型的T/R组件工作原理如图1所示［3］.

图1 T/R组件原理框图Fig.1 Principle block diagram of T/R module

T/R组件采用高密度集成射频设计，射频通道有源器件主要包括收发放大芯片、幅相控制芯片，而控制网络主要是电源控制电路、收发控制电路、幅相控制电路.T/R组件中的无源器件包括功分网络、射频传输线及接头等.T/R组件内部的收发/控制芯片、控制电路等均为硅基或GaAs基单片微波集成电路(MMIC).

发射状态激励信号经过等幅同相功分为多路信号，各通道信号完成相位调节后，经功率放大后输出;接收状态下各通道信号经过低噪声放大，完成幅度相位调节后，经多路合成后输出.

2 T/R组件失效机理分析

根据相控阵天线工作原理，T/R组件的失效模式与失效机理如表1所示.

表1 T/R组件失效模式与失效机理Tab.1 Failure mode and mechanism of T/R module

T/R组件内部收发/控制芯片、控制电路等均为单片微波集成电路(MMIC)，MMIC失效可分为烧毁失效和退化失效，对于芯片、电路的故障和退化失效，主要的失效模式有饱和漏源电流退化、栅极漏电流退化、夹断电压退化、漏源电阻上升、输出功率下降和烧毁［4］.经过分析，MMIC失效机理主要与高温应力有关.

因此，T/R组件的主要失效模式归结为收发放大芯片故障(退化)、幅相控制芯片故障(退化)、收发控制电路故障、幅相控制电路故障、电源控制电路故障等，主要失效机理是MMIC失效、故障或退化.高温是导致失效、故障或退化的主要应力.

3 加速寿命试验方法研究

3.1 试验前提

相控阵天线在轨工作时间长，主要安装在舱外，辐照是影响其寿命的重要因素.以T/R组件元器件为研究对象，对各敏感器件抗辐照性能进行分析，并结合单机抗辐照设计，论证T/R组件是否满足抗辐照指标要求.

元器件生产厂商负责完成T/R组件关键元器件寿命试验，用于支撑 T/R组件加速寿命试验，主要包括型号元器件寿命试验和同机理近似元器件寿命试验.

温度是T/R组件加速寿命试验的关键参数，通过热仿真分析结合高温步进应力试验确定试验温度范围.高温步进应力试验目的是查找、确定T/R组件的高温工作极限、高温破坏极限，保证在加速寿命过程中未引入新的失效机理.

在常规的加速试验方法及标准中，不易判定失效机理一致性的应力范围.文献［5］提出了一种加速试验失效机理一致性的判定方法，可以快速得到失效机理一致的应力范围.

辐照分析试验、元器件寿命试验、T/R组件仿真分析与高温步进应力试验是T/R组件加速寿命试验的前提条件，避免引入新的失效模式与失效机理，并确定了高温加速寿命试验的温度选取范围.

3.2 筛选试验

T/R组件筛选试验目的是剔除早期失效，避免组件故障对加速寿命试验结论造成干扰，在加速寿命试验前需要完成筛选试验.

T/R组件样件是在完成筛选试验的基础上进行加速寿命试验.

3.3 加速寿命试验方法

T/R组件一般按照多通道模式进行设计，根据实际情况选取试验样本通道数，同一种应力水平下的通道样本数量应该大于5个.

加速寿命试验需要覆盖T/R组件收发切换的可靠性测试，T/R组件加速寿命试验框图如图2所示.

图2 T/R组件加速寿命试验示意图Fig.2 Schematic diagram of accelerated life test

网络分析仪作为射频测量仪器，可实现收发快速切换功能，并记录发射增益、接收增益等指标.开关矩阵用于单个通道测试，并按照计算机命令完成矩阵通道切换.

计算机控制直流稳压电源，通过控制板实现T/ R组件的收发切换、测试通道选择，并同步进行开关矩阵通道切换、网络分析仪收发切换.

T/R组件加速寿命试验测试参数主要包括通道接收增益、发射增益、收发功耗等指标.试验合格判据通过组件内部主要元器件的性能指标及组件相关测试数据得到.

结合国内外相关经验，T/R组件高温加速寿命试验有三种方法:激活能预估验证试验、可靠性预计验证试验、多应力法评估试验.激活能预估验证试验、可靠性预计验证试验是对T/R组件是否满足在轨工作时间要求进行验证，多应力法评估试验则主要对T/R组件工作寿命进行评估.

3.3.1 激活能预估验证试验法

激活能预估验证试验是依据工程经验对激活能值进行预估，或用关键元器件激活能代替组件激活能［1］.通过激活能值推算出满足正常工作所需的高温加速寿命试验时间，再进行试验验证.

根据阿伦尼兹方程得到产品寿命方程:

式中，LT为组件寿命，c为寿命数据常数，EA为激活能，K为波尔茨曼常数，T为绝对温度.

阿伦尼兹方程模型表明，寿命特征将随着温度上升而按指数下降，寿命特征的对数是温度倒数的线性函数.

根据高温TA、寿命LTA推导正常工作温度TU下的寿命LTU的计算方程如下:

其中，LTU为工作温度 TU下的寿命，LTA为加速温度TA下的寿命.

激活能是根据工程经验预估，或用GaAs基、硅基元器件激活能代替T/R组件激活能.考虑到T/R组件内部集成度高、制造工艺复杂，激活能值需保守估计.根据美国、欧空局标准ECSS-Q-30-1(2002)给出的典型激活能值，半导体器件中砷化镓(GaAs)激活能为1.4 eV，硅(Si)为1.1 eV［1］.

加速温度TA在确定的寿命试验温度范围内选取，保证温度条件不引起新失效机理.

根据式(2)选取合适的加速温度 TA即可得到满足正常工作寿命所需的加速温度下的寿命 LTA，并以加速温度TA作为试验条件开展试验.

以某相控阵天线T/R组件为例，激活能EA取值0.8 eV，试验加速温度为70℃，工作温度TU为40℃，满足工作寿命3 a的加速寿命试验时间需要2 000 h，如表2所示.

开展寿命试验，检验T/R组件寿命是否满足理论计算的加速温度寿命 LTA.在试验过程中，记录T/R组件通道故障数据，对试验温度、时间及失效样本数量进行统计与分析，该试验方法得到的T/R组件寿命为各通道平均寿命.

表2 激活能预估验证试验参数确定Tab.2 Determination of activation energy test parameters

3.3.2 可靠性预计验证试验法

可靠性预计验证试验，是通过可靠性预计得到正常工作温度、高温加速温度下的失效率，由正常工作寿命推算出所需的加速温度寿命.

T/R组件正常工作温度失效率λ0、T/R组件加速温度失效率 λ1.根据阿伦尼兹模型，工作温度作用下的寿命 LTU与加速温度作用下产品的寿命 LTA之比与失效率之比的关系［2］为

根据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》和MIL-HDBK-217F《电子设备可靠性预计》，通过计算可以得到工作温度TU下的失效率λ0和加速温度T下的失效率λ［2］.

根据式(3)，结合工作温度下的寿命 LTU，可以得到加速温度作用下产品的寿命LTA.

以某相控阵天线T/R组件为例，T/R组件正常工作温度为40℃，加速寿命试验温度选取为70℃.

计算不同温度应力系数下对应的T/R组件通道失效率，如表3所示.

表3 不同温度应力系数的T/R组件失效率Tab.3 Failure rate of T/R module in varying stresses

由式(3)可得，按照正常工作时间为3 a计算，所需的高温加速寿命为1 726 h.

可靠性预计与激活能预估得到的寿命试验时间存在差异，分析认为是由于T/R组件采用较多新器件、复杂工艺等，影响可靠性预计模型准确度，同时激活能预估法的激活能参数选取相对保守.

3.3.3 多应力评估试验法

多应力评估试验是在多个高温应力条件下进行加速寿命试验，得到不同高温温度下的T/R组件寿命分布，从而对T/R组件工作寿命进行评估.

根据热仿真分析，在高温步进应力试验的基础上，多应力法评估试验温度、样本选取原则如下: 1)选取3～5个试验温度点;2)试验温度不超过组件工作极限;3)每个温度点样本数量在5个以上.开展试验过程中，详细记录各温度点的性能参数.样本出现故障时，记录故障时间.每组样本需要发生一定数量的故障数，得到如图3所示不同温度条件下T/R组件通道发生故障的时间分布.

图3 通道故障时间分布Fig.3 Failure distribution of T/R module channels

选取合适的寿命分布函数进行寿命统计，如威布尔分布.威布尔分布［6］是指数分布的推广，它的失效率函数形式灵活，可以反应产品不同的失效特性，可以适用于各类试验数据.

采用威布尔分布的图分析法，需确保在高温水平下T/R组件的失效机理与在正常温度下的失效机理相同.估计各温度水平下的特征寿命从而推出工作温度下的特征寿命.

多应力法评估试验通过T/R组件寿命曲线，计算在工作温度下的预期寿命值.该方法样本数量多，试验成本较高，可结合项目周期、经费等情况进行选取.

3.4 方法小结

通过分析辐照指标、元器件寿命试验、T/R组件筛选试验、T/R组件寿命试验温度范围确定、高温加速寿命试验等多个内容，相控阵天线T/R组件高温加速寿命试验流程如图4所示.

不同项目背景、指标要求的T/R组件，根据自身工艺、材料、器件及组件设计特性，选取不同的流程开展验证试验工作.

T/R组件高温加速寿命试验3种方法对比如表4所示，通过对比3种试验方法，T/R组件加速寿命试验方法选取的原则如下:

(1)相控阵天线 T/R组件组成复杂、采用新工艺、新材料与新器件较多时，一般选用激活能预估试验.该方法可以避免组件复杂度对可靠性预计模型的影响，通过选取合理激活能进行验证试验.

图4 加速寿命试验流程图Fig.4 Flow chart of accelerated life test

表4 T/R组件加速寿命试验方法比较Tab.4 Comparison of accelerated life test methods

(2)相控阵天线T/R组件组成相对简单，未(或局部)采用新工艺、新材料或新器件时，一般选用可靠性预计验证试验.该方法使用可靠性预计模型的理论支撑强，可靠性预计模型的准确性、有效性较高.

(3)多应力法评估试验可以对相控阵天线 T/R组件的预期工作寿命进行评估，试验需要考虑成本等因素.

3.5 应用案例

为完成某星载毫米波相控阵天线的寿命评估任务，对其核心部件T/R组件开展加速寿命试验.

该频段T/R组件采用高密度集成射频设计，芯片、基板与结构腔体关联度高，这些因素影响了可靠性预计的准确性.毫米波T/R组件研制成本高，经费有限，不宜采用多应力法试验，故以激活能预估法进行加速寿命试验.

T/R组件试验件与正样产品完全一致，试验环境按照激活能预估法试验要求架设，如图5所示.所需测试仪器如表5所示.

图5 加速寿命试验现场图Fig.5 Real scene of accelerated life test

表5 T/R组件加速寿命试验仪器Tab.5 Instrument for accelerated life test

根据T/R组件元器件厂商提供的失效机理一致性温度应力范围，结合热仿真分析确定T/R组件高温加速寿命试验温度范围在90℃以内.T/R组件的关键元器件为收发放大芯片、幅相控制芯片及控制电路等，均为GaAs基或硅基单片.相关可靠性试验数据表明，GaAs基单片的失效激活能为1.4 eV［7］，硅基单片的平均失效激活能为0.8 eV［8］.用硅基单片激活能代替T/R组件激活能进行试验，T/R组件激活能确定为0.8 eV.

依据相关项目在轨遥测温度计算，T/R组件的工作温度40℃;试验温度选取为70℃，此时未引入新的失效机理;在轨寿命按3 a计算，所需的加速寿命试验时间为2 000 h，如表2所示.

确定温度、时间后开展激活能预估寿命试验，主要测试指标包括通道发射、接收增益及功耗等.

试验过程中，监测主要指标数据，T/R组件工作正常.完成2 000 h寿命试验后，对T/R组件试验前后常温指标进行对比，其结果如表6～8所示.

表6 T/R组件通道发射增益变化Tab.6 Transmit gain variations of T/R module channels

表7 T/R组件通道接收增益变化Tab.7 Receive gain variations of T/R module channels

表8 T/R组件通道功耗变化Tab.8 Power variations of T/R module channels

通过试验数据说明，各通道增益与功耗变化量均在合格判据范围内，T/R组件通道试验前后未出现故障或失效，满足激活能预估寿命试验要求，从而验证T/R组件能够满足在轨工作寿命的需求.

激活能预估寿命试验需要的理论模型较少，特别是元器件激活能试验方法较为成熟，针对日益小型化、高集成度的T/R组件，除非可靠性预计模型足够准确，通常建议选用激活能预估法进行试验，具有实践性强、试验成本低的优势.

4 结论

国内星载毫米波相控阵天线应用逐渐增多，可靠性需求也日益迫切.通过T/R组件加速寿命试验方法研究，为开展T/R组件加速寿命试验提供指南.

在进行试验方案设计时，综合考虑T/R组件设计难度、周期进度、成本经费等方面因素，合理选取试验方法与关键参数开展T/R组件加速寿命试验.

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Spaceborne T/R Module Accelerated Life Testing Method

YANG Peng，MAO Ruijie，YANG Li，LIANG Ping
(Southwest Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China)

As a key component of phased array antenna，T/R module has the characteristics of complicated structure，miniaturization and high integration.The reliability of T/R module is the main factor influencing the phased array antenna’s life.Domestic spaceborne millimeter-wave phased array antenna lacks of long-term on-orbit working experience.Meanwhile there is no T/R module accelerated life testing method.So it is necessary to research into the testing method of T/R module accelerated life for the reliability design and life evaluation of phased array antenna.The principle and failure mechanism of T/R module are presented.Combined with the status of accelerated life testing，the flow of T/R module accelerated life testing is suggested.The activation energy testing method，reliability prediction testing method and multiplestress testing method are compared.The testing flow，testing method and determination of parameters can guide for the accelerated life testing of spaceborne millimeter-wave phased array antenna T/R module.

T/R module;accelerated life testing;testing method

TB114.3

A

1674-1579(2016)03-0038-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.03.007

杨 鹏(1982—)，男，工程师，研究方向为天线设计研制;毛睿杰(1978—)，男，高级工程师，研究方向为天线设计研制;杨 立(1984—)，男，工程师，研究方向为T/R组件设计研制;梁 平(1982—)，男，工程师，研究方向为天线设计研制.

2016-03-11