高分三号卫星X频段固放寿命试验方案设计与验证

张高磊 吴言沛 胡晓曦

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710100)

高分三号卫星X频段固放寿命试验方案设计与验证

张高磊 吴言沛 胡晓曦

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710100)

首先对X频段固态功率放大器(简称固放)的寿命进行了相关分析。针对高分三号(GF-3)卫星的在轨使用工况,分析出其寿命期内关键验证项目,并分别对设计试验进行验证。包含开关机电路的寿命分析及验证、大功率放大电路的寿命分析及验证、典型工艺的寿命分析及验证三个方面。其中大功率放大电路的寿命验证使用经典的Arrhenius模型,以热应力作为加速因子,进行加速验证。典型工艺选取导电胶粘接工艺,疲劳失效采用Confin-Manson模型进行分析验证。通过相关寿命试验验证,证明X频段10 W固放可以满足8年寿命要求。

高分三号卫星;X频段固放;寿命验证;热应力;Arrhenius模型;Confin-Manson模型

1 引言

星载固态功率放大器(以下简称固放)作为星载微波有源技术的标志产品,是一个技术含量高、价值高、使用广、综合性强的复杂产品,国外主要宇航公司和星载微波产品供应商都将此类产品和技术作为其核心技术和产品来发展并加以保护。在国际市场上,卫星固放的主要供货商有法国ALCATEL公司、日本NTS公司、德国TESAT公司和西班牙Mier公司等,这几家在卫星固放方面有较强的设计、集成和测试能力。

之前,我国使用的X频段固放主要来自国外,现在国产卫星X频段10 W固放已研制成功,在体积、质量、效率等核心性能方面优于同类型引进产品,并通过了相关的环境试验考核,但在国产化X频段固放的推广上,因在轨数量和时长的欠缺,在可靠性、长寿命方面的数据积累不足,不能适应如高分三号(GF-3)卫星8年长寿命高可靠的要求。因此需要设计寿命验证试验,对单机的寿命进行相关分析验证。

本文以GF-3卫星为例,探讨了固放产品加速寿命验证技术,对固放寿命分析方法进行了研究,可为后续星载有源产品的寿命验证试验提供参考。

2 方案设计

加速寿命试验是为了缩短试验时间,在不改变故障模式和故障机理的条件下,用加大应力的方法进行的寿命试验。加速寿命试验已经广泛应用于航天产品和其他工业产品的寿命预测研究。

固放产品中没有寿命短板器件,获取实际失效数据的时间和成本代价都较高,在工程上难以实现。因此本文主要采用单样本,设计相关加速寿命验证试验,验证其寿命满足在轨8年的使用要求。

2．1 试验目标

X频段固放主要用于GF-3等遥感类卫星数据传输分系统,必须保证遥感类卫星8年的在轨使用寿命。在8年工作期内,其核心指标饱和输出功率下降不超过0．5 d B。

根据GF-3卫星X频段10 W固放在轨工作实际状态,1天开关机9次,每次开机工作时间27 min,为满足在轨8年工作要求,固放需要考核的指标见表1。

表1 固放寿命考核试验参数表Table 1 SSPA life test parameters

2．2 试验方法

X频段10 W固放的主要作用是将前级微波信号放大至10 W,传送至末级设备。其核心功能为功率放大,特点为大功耗、大热耗。而在类似GF-3的遥感类卫星的使用中,反复开关机为其典型的使用方式。

分别设计相关试验进行验证。包含开关机电路的寿命分析及验证、大功率微波放大电路的寿命分析及验证、典型工艺的寿命分析及验证三个方面。

1)开关机电路寿命分析及验证

固放开关机使用的是以光电耦合器为核心的开关电路。光电耦合器理论使用寿命很长,与常规的继电器不同,没有切换寿命限制。但为验证开关机电路以及整机电路的稳定性,对整机开展开关验证试验。参考相关引进产品的指标,将开关机试验验证次数定为10万次。

2)大功率微波放大电路的寿命分析及验证

温度应力加速试验利用产品寿命与温度的关系,工程上以环境温度作为恒定加速变量,建立基于Arrhenius模型[1]的寿命加速试验模型,该模型是在总结大量数据的基础上,描述了各类产品在温度影响下的退化特性[2-4]。

加速因子是一个重要参数,它表征当高低不同的应力水平施加于同一受试产品时,导致产品失效加速程度的差异性,该参数确定后,可进一步获取不同加速应力水平所对应的等效试验时间,为加速寿命试验的方案设计奠定基础[5-7]。

固放功率放大电路的核心器件为末级功率放大晶体管,其功耗占整机的70%,也是整机温度的最高点。高温会使元器件电性能恶化,引起元器件失效从而导致设备可靠性变差。据经验表明,晶体管的可靠性随温度升高而按指数规律下降,温度每升高10℃,可靠性大约降低50%。因此选取其中的核心元器件,来计算加速因子。此处选取的核心器件为末级功率晶体管。末级功率晶体管作为整机射频链路的最后一级放大器件,是功率放大的核心器件。

加速因子计算如下:

式中:Ea为激活能(由厂家提供,Ea取1．47);k为波尔兹曼常数,k＝0．000 086 159;T1、T2为晶体管正常使用时的结温和加速试验中的结温,℃。

X频段固放星上最高工作温度为50℃,为了保证试验的安全性及最大的加速因子,取试验时的最高温为70℃,试验温度容差为0～3℃。此时末级晶体管的壳温、结温见表2。

表2 不同工况末级晶体管壳温、结温表Table 2 Transistor shell temperature and junction temperature

将表2中的T1、T2代入式(1),可以计算出加速因子为9。根据计算可得:在试验温度选取70℃时,要等效在轨8年工作时间(11 826 h),需要进行连续试验1 314 h,即54．75天。

此处因实际在轨温度小于50℃,即留有使用温度余量,所以不再增加试验时间的余量。

3)典型工艺的寿命分析及验证

X频段固放产品中采用584-29导电胶粘接工艺,将微波基片、器件直接粘接到机壳上,其粘接质量和寿命直接影响单机的性能与可靠性,是本产品的核心工艺。

而导电胶粘接工艺的主要失效模式为疲劳失效,表现形式为电阻增加。其寿命与温度直接相关,因此选用热疲劳加速寿命试验(高低温循环试验),当其电阻率增加50%视为失效[8]。

本文中疲劳失效主要采用Confin-Manson模型[9]:

式中:c为疲劳延展指数;h为粘接高度;LD为部件中心距离边缘的最大距离;x为N次循环后可接受累积失效概率;Nf(x%)为x%失效率对应的循环次数;ΔTe为环境最大温差;Δα为被粘接件的热膨胀系数之差;εf为疲劳延展系数;β为weibull形状参数。

2．3 试验策划

1)开关机试验及高温加速寿命试验

使用一台国产化X频段10 W固放鉴定件整机作为样品,串行进行开关机寿命验证试验和高温加速寿命试验,试验流程如图1所示。开关机试验共进行10万次循环(开机、关机操作均10万次),70℃高温加速寿命试验(加电、通信号状态下)共55天。

2)导电胶粘接工艺的寿命分析及验证

导电胶粘接工艺选用两种粘接样件,分别为晶体管管壳、微波介质板。机壳尺寸参考产品尺寸,每个机壳上粘接16个微波介质板和16个晶体管管壳,共2组。

由于试验条件所限,寿命试验过程中对每组16个试验件进行了在线测阻。每3 min采集1次阻值,共进行了2000个温度循环。温度范围为－55～125℃,温变速率15℃/min,到温保持15 min。

3 试验总结

1)开关机寿命验证试验

开关机试验中,电源为长期加电,通过控制指令发生器,对固放单机循环发送开机-关机指令,通过数字遥测盒,对固放的工作电流、开关机状态遥测、电流遥测等信息进行采集。通过近3个月的开关机试验,试验前后固放产品开关机功能正常、其性能稳定,性能比对见表3。

2)整机高温加速寿命试验

高温加速试验中,电源长期加电、微波信号源为连续单载波,固放输出接大功率衰减器,定时观测功率变化。因设备资源紧张,固放本身又为大散热设备,因此不用温箱,使用其自身作为加热源。X频段固放10 W工作在额定状态时,其热耗为43 W左右,仔细控制固放的散热状态,可以使固放在常温工作台上,其机壳温度达到70℃,满足试验需求。试验前后性能稳定,其详测指标对比见表3。

表3 试验前后性能对比表Table 3 Performance comparison before and after experiment

续 表

3)核心工艺温循加速寿命试验

用于热疲劳加速寿命试验的样件有两组部件:微波基板和微波器件。试验过程对样件的电阻值进行实时监测,每3 min采集一次阻值,电阻率增加50%视为失效。

对所有样件的测试数据进行整理,表4给出了两类部件在不同循环次数下的累积失效率。

表4 不同循环数下的累积失效率Table 4 Comulative failure rate under different cycle times

将试验条件下表4的数据代入式(2),可得εf＝2．14。

根据实际条件下的相关数据,可知卫星实际使用环境中微波基板粘接的平均寿命约32．6年,微波器件粘接的平均寿命约86年。

4 结束语

本文提出了一种固放整机产品寿命的评估方法,通过分析GF-3卫星中固放的具体使用工况,设计了整机高温加速试验、整机开关机试验和导电胶粘接温循加速寿命试验。将较为复杂的整机寿命验证,分解为核心功能、典型使用方式、核心工艺分别进行验证;并根据关键器件和关键工艺自身特性,分别设计了加速寿命试验,给出了寿命验证方案。此方法对类似有源星上设备以及其他高可靠长寿命产品的寿命考核试验具有较重要参考意义。

References)

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Design and Verification of Longevity Test Scheme of X-band SSPA for GF-3 Satellite

ZHANG Gaolei WU Yanpei HU Xiaoxi
(China Academy of Space Technology(Xi’an),Xi’an 710100,China)

In this paper,the factors influencing X-band solid state power amplifier(SSPA)life are analyzed．For the use of GF-3 satellites,the key validation items during its lifetime have been analyzed,then three tests are conducted to verity the switching circuit,microwave high-power circuit and typical technology．The test for microwave high-power circuit used thermal stress as an acceleration element,the Arrhenius model had been used to calculate the acceleration factor．The conductive adhesive had been selected for the typical process and the Confin-Manson model had been used to analyze its reliability．Through thee relevant life tests,the domestic X-band 10W SSPA of more than 8 years life on-orbit had been proved．

GF-3 satellite;X-band SSPA;longevity test;thermal stress;Arrhenius model;Confin-Manson model

TN834

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.021

2017-10-17;

2017-11-22

国家重大科技专项工程

张高磊,男,硕士,工程师,从事星载微波功率放大器研究工作。Email:zhanggaolei＠163．com。

(编辑:李多)