航天磁性器件失效分析與篩選試驗

　　磁性器件在航天產(chǎn)品中廣泛，尤其在電源系統(tǒng)中，起著關鍵的作用。基于美國航天磁性器件的失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了磁性器件的主要失效原因。又對國內航天磁性器件的失效進行了初步的統(tǒng)計和分析。通過對比美國和國內航天磁性器件由設計、生產(chǎn)和使用中發(fā)生的失效對比，給出了發(fā)生失效的主要原因。為了保證磁性器件的質量和可靠性，提出在參考美軍標和國軍標的基礎上，實施國內航天磁性器件篩選試驗的建議。

1、引言

　　在航天產(chǎn)品中廣泛使用了磁性器件，尤其是衛(wèi)星和飛船等航天器電源系統(tǒng)中的電源變換器(也稱二次電源或DC-DC模塊電源)。磁性器件包括變壓器，以及共模/差模電感器等。變壓器在電源變換器中起著功率變換、電氣隔離的重要作用，電感器使用在產(chǎn)品的輸入端和輸端，起到輸入/輸出濾波作用。由于各個電源變換器的功能、輸入/輸出電壓和輸出功率的差別，導致產(chǎn)品中使用的各種磁性器件的使用條件、加工工藝及性能參數(shù)各不相同，所以形成了磁性器件很難形成標準器件的狀況。給器件的生產(chǎn)和使用帶來了不確定性和質量風險。而磁性器件在電源變換器中都是關鍵器件，如果器件發(fā)生失效往往會導致產(chǎn)品的功能失效。通過對國外航天變壓器、電感器以及國內同類產(chǎn)品的檢測和使用可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計及對比，分析了航天變壓器和電感器的主要失效模式及原因，并提出針對保證航天磁性器件可靠性和質量的篩選試驗要求。

2、航天磁性器件的失效分析

　　失效是指元器件功能終止或性能參數(shù)超出容許的范圍，不能完成規(guī)定任務的一種狀態(tài)。磁性器件是航天器電子產(chǎn)品，尤其是電源產(chǎn)品中基本而關鍵的器件。它在制造過程中由于材料、工藝的缺陷，質量控制不當，可能會形成器件的固有缺陷。在器件使用過程中由于時間及其它力的關系將導致器件失效。

　　2.1、國外航天磁性器件失效統(tǒng)計和分析

　　由于磁性器件為非標準器件，在產(chǎn)品中又起著重要作用的特殊性，美國航空航天局(NASA)從1971年～2005年所使用的航天磁性器件進行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)包括器件制造商數(shù)據(jù)、器件篩選實驗室數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)。按照磁性器件制造和使用流程分類，可將失效發(fā)生來源分為設計、生產(chǎn)和電裝。

　　設計造成的磁性器件失效主要包括：器件的參數(shù)設計不合理，如電感量設計偏低，不能滿足使用要求；選用了不合格的材料，包括漆包線規(guī)格及磁性材料規(guī)格型號，導致器件不能滿足使用要求；不正確的篩選試驗；不正確或詳細的電裝要求，如對器件的安裝和焊接沒有考慮力學、散熱等條件要求，在使用中發(fā)生器件失效。生產(chǎn)過程產(chǎn)生的器件失效主要包括：不能滿足要求的加工工藝；使用了不合格或有質量缺陷的原材料，如有微裂紋的磁環(huán)、漆膜受損的漆包線；生產(chǎn)過程質量控制不當，造成器件的潛在損傷；不正確的器件標識。電裝產(chǎn)生失效的原因包括：不符合要求的電裝質量，如虛焊或焊接溫度不受控制造成對器件內部焊接點的損傷；不滿足力學要求的安裝方式；操作不當，如器件引腿的折斷。由設計、生產(chǎn)和電裝引起的磁性器件失效百分比統(tǒng)計表如圖1所示。

圖1 美國航天磁性器件失效百分比統(tǒng)計表

　　可以看到，磁性器件在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷是失效的主要原因。但是也得出在每3個失效器件中，就有一個是由設計不當引起的。美國航天磁性器件的生產(chǎn)歷史很早，仍有這么多設計缺陷，值得引起航天磁性器件設計工程師的關注，從設計源頭減少器件的失效。

　　磁性器件的失效模式主要有：開路、短路、性能不合格、其他。按照這4種失效模式統(tǒng)計失效發(fā)生的比例如圖2所示。由統(tǒng)計結果得到，磁性器件的開路故障占器件失效模式的比例超過50%，其次性能不合格，例如電感量超標、耐壓不合格等占到了約四分之一。

圖2 美國航天磁性器件失效模式分類百分比統(tǒng)計表

　　2.2、國內航天磁性器件失效統(tǒng)計和分析

　　我國航天磁性器件的生產(chǎn)和使用也已有近20年的歷史，由于大部分磁性器件，尤其是變壓器都是由單機研制單位自己設計，再由專業(yè)廠家加工生產(chǎn)，最后交付用戶裝機使用，加工單位分散、使用單位眾多，因此對失效的數(shù)據(jù)積累工作欠缺。所以磁性器件的失效案例和數(shù)據(jù)有限，通過對本單位航天磁性器件檢驗不合格和使用時發(fā)生失效的統(tǒng)計，得到在產(chǎn)品生產(chǎn)完成后的檢驗中發(fā)生不合格的比例普遍較高，約占3%。不合格主要包括：外觀檢查、性能參數(shù)、絕緣耐壓，主要失效模式的比例如圖3所示。外觀檢查主要包括：外形尺寸、標識、重量，性能參數(shù)主要包括：開路、短路、電感量、匝比等。其中性能參數(shù)是國內磁性器件，尤其是變壓器的主要失效模式，約占90%以上，此外對有高壓要求的磁性器件，在器件生產(chǎn)初期，絕緣耐壓不合格占較大比例，但在工藝和設計改進后，不合格率顯著下降。

圖3 國產(chǎn)航天磁性器件失效模式分類百分比統(tǒng)計表

　　美國磁性器件的失效率約為0.1%，國產(chǎn)航天磁性器件失效率約為5%，遠高于美國。主要表現(xiàn)在器件的加工能力和技術水平差距，器件的計差距和使用差距。國產(chǎn)磁性器件的性能參數(shù)失效高達89%，有設計原因和生產(chǎn)原因，設計原因主要包括對器件參數(shù)不能滿足使用要求，例如繞組匝數(shù)設計不當及電感量參數(shù)的范圍確定不合理，造成驗收測試不合格，或在器件電裝后由磁性器件參數(shù)不當，引起產(chǎn)品性能不能滿足設計要求等，說明了我們的設計師在磁性器件的設計上還存在欠缺，最終導致器件不合格或在使用過程中發(fā)生失效。造成器件失效的生產(chǎn)原因主要是由于國內磁性器件生產(chǎn)廠家加工水平參差不齊，質量控制能力較低，由于加工工藝缺陷、工藝不固化，在生產(chǎn)過程中發(fā)生對原材料的潛在損壞等，如器件繞制過程中對尖銳物、烙鐵頭等漆包線的漆膜造成破損，都將導致包括器件外形尺寸、性能參數(shù)、絕緣耐壓等各種不合格及失效發(fā)生，或者在器件使用過程中隨著機械應力及溫度應力的作用，使器件性能參數(shù)發(fā)生變化甚至功能失效。由于航天產(chǎn)品的整體質量意識和要求的不斷提高，國產(chǎn)磁性器件的失效率在近幾年也有了很大改善，器件設計師通過電路實驗不斷完善性能參數(shù)要求，減少了設計原因的失效率。生產(chǎn)廠家也不斷提高加工工藝的研究和質量控制，大幅提高了由生產(chǎn)原因產(chǎn)生的器件不合格及失效率。

　　例如在電推進系統(tǒng)電源處理單元產(chǎn)品中，使用的具有耐高壓絕緣的磁性器件，使用電壓達到1000V以上，設計要求器件的絕緣耐壓不小于3000V。在該器件的加工初期，絕緣耐壓的合格率只有50%，通過原因分析，改進了絕緣防護工藝設計，完全解決了高耐壓絕緣問題，并且在加工現(xiàn)場進行嚴格的質量控制，杜絕漆包線的漆皮在加工過程中受損，避免將有缺陷的漆包線使用到器件加工中，最終鑒定耐壓測試達到了5000V。在該器件正式裝機使用后，沒有發(fā)生一起器件失效。

3、航天磁性器件的篩選試驗

　　通過對磁性器件的失效分析，絕大部分的失效是由于設計、生產(chǎn)及不當?shù)难b機引起的，這也說明可以通過完善設計、可靠的工藝和嚴格的質量控制，可以避免很多磁性器件的失效。但仍然不能杜絕由于原材料或人為因素導致的潛在質量缺陷，這將導致器件在后期的使用中發(fā)生失效，并且會造成代價較高的損失。為了保證元器件的可靠性，特別是對航天產(chǎn)品，為了滿足整機及整星可靠性要求，必須將在使用條件下可能出現(xiàn)失效的元器件剔除。因此，最有效的做法就是對磁性器件進行篩選試驗。篩選是通過對元器件施加各種環(huán)境應力和電應力，將元器件中各種缺陷引發(fā)的早期失效激發(fā)出來的試驗。因此篩選可以暴露器件的各種早期失效而剔除，是提高整機可靠性的有效途徑。

　　3.1、航天磁性器件篩選試驗現(xiàn)狀

　　失效可以為連結性失效、功能性失效和電參數(shù)失效。每種失效對應器件的缺陷各不相同，而篩選試驗的方法一起的失效模式也不同，所以元器件的篩選試驗先后順序對篩選結果也有影響。NASA采用了MIL-STD-981B《空間飛行用自定義磁性器件的設計制造和質量標準》，其中規(guī)定了航天磁性器件篩選試驗項目的優(yōu)先順序如下：

　　溫度沖擊→老化→密封(適用時)→絕緣耐壓(也稱介質耐電壓)→感應電壓→絕緣電阻→電性能→X光檢測→外觀和機械檢查。

　　美國不同的磁性器件制造商對MIL-STD-981篩選試驗中的各項目重要性意見也不同，大部分制造商認為：將絕緣耐壓和電性能列為最優(yōu)的試驗項目，再根據(jù)應用差異，選擇篩選試驗項目及排序，而X光檢查和密封被認為是最后排列的要求，只有在特殊要求時，才需要進行。并且通過大量的數(shù)據(jù)表明，器件在溫度沖擊試驗中失效數(shù)多于其他試驗，絕緣擊穿和不正確的焊接及安裝引發(fā)的失效多發(fā)生在使用中。

　　我國在1992年參考美國軍用標準制定了GJB1435《開關電源變壓器總規(guī)范》國家軍用標準，但由于磁性器件應用環(huán)境和條件差異較大，各航天用戶又根據(jù)自身的特殊要求，在國軍標的基礎上，各自制定企業(yè)標準要求。所以針對磁性器件的溫度沖擊、老化、絕緣耐壓、感應電壓、絕緣電阻、電性能、X光檢查等并不是全部都作為篩選項目。而是根據(jù)自身要求將其中一部分作為篩選項目，試驗排序也是參考標準或經(jīng)驗來確定。

　　目前，國內航天磁性器件對電性能、絕緣電阻、絕緣耐壓、外觀檢查均作為篩選項目，并進行100%檢驗。對于通用、批量生產(chǎn)的電感器將溫度沖擊和老化定為比做篩選項目。數(shù)量少、單件產(chǎn)品用的磁性器件質量管理和控制由單機研制單位負責，沒有統(tǒng)一要求。

　　3.2、航天磁性器件篩選試驗建議

　　由于航天磁性器件與單機產(chǎn)品設計緊密相連，使其品種多，使用條件差異大，造成器件的篩選試驗各不相同，不能對器件的質量和可靠性起到有效的控制，容易導致在產(chǎn)品應用后期發(fā)生由于磁性器件失效產(chǎn)生的嚴重后果。因此，針對航天磁性器件的特殊性和高質量、高可靠性要求，并根據(jù)器件制造商具體的能力分析，提出滿足航天要求的器件篩選試驗，以及符合實際的試驗排序。具體建議如下：

　　(a)磁性器件的外觀檢查、性能參數(shù)及絕緣耐壓必須進行100%的出廠測試和用戶復驗測試；

　　(b)對電壓低于100V的磁性器件，必須進行抽樣鑒定試驗，鑒定試驗包括至少包括溫度沖擊和老化；

　　(c)對電壓高于100V及工作壽命大于5年的磁性器件，必須進行100%的溫度沖擊和老化篩選試驗；

　　(d)溫度沖擊試驗的低溫不高于-55℃，高溫不低于85℃，循環(huán)次數(shù)不少于10次，老化溫度不低于85℃；

　　(e)對有安裝接口的磁性器件，必須開展相關的振動、沖擊等力學篩選試驗；

　　(f)有條件制造商及器件用戶可以開展X光檢查、DPA檢查和壽命試驗；

　　(i)按照經(jīng)濟性和覆蓋性原則，容易篩選試驗放在兩頭做。性能參數(shù)測試成本低而便宜，并且考慮其它試驗后性能的變化，可以將性能參數(shù)測試放在最前面和其它試驗后面進行；

　　(j)其次對重要指標，并且容易觸發(fā)失效的篩選試驗放在前面進行，絕緣耐壓是高壓變壓器的重要性能，并且是發(fā)生失效率較高的項目，可以優(yōu)先測試；

　　(k)失效概率最大的篩選試驗先做，可以在完成性能測試后即可進行溫度沖擊；

　　(h)最后考慮時間性，時間長的篩選試驗后做，老化試驗可以放在最后進行。

4、結論

　　通過對美國和國內航天磁性器件的失效統(tǒng)計和分析，得到了航天磁性器件容易發(fā)生失效的主要原因和失效模式，從磁性器件的設計、生產(chǎn)和電裝各方面如何降低器件失效率提供了有效參考。并且提出了針對暴露早期失效，提高器件及整機產(chǎn)品的可靠性，而進行磁性器件篩選試驗的建議。希望得到我國航天磁性器件設計、生產(chǎn)和使用單位的關注，制定適合航天磁性器件的設計、制造和篩選試驗標準，有效降低航天磁性器件的失效率，滿足我國航天高可靠和長壽命的要求。