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1 引言
在設(shè)計(jì)宇航用功率電子元器件中，存在著許多風(fēng)險(xiǎn)。為了確保最高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量和可靠性，通常有許多標(biāo)準(zhǔn)被強(qiáng)制應(yīng)用于宇航用元器件的零部件設(shè)計(jì)、制造過(guò)程，以達(dá)到其在使用中失效減到最少的目的。對(duì)于定制的宇航用電磁器件，所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-981《空間飛行用磁性器件設(shè)計(jì)制造要求》。
雖然宇航用元器件失效的安全和替換費(fèi)用昂貴到無(wú)法估量，但是在工程設(shè)計(jì)中不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)其可靠性的重要性。由于應(yīng)用于宇航用的元器件的數(shù)量很少，因此，很難區(qū)分出失效設(shè)計(jì)缺陷、過(guò)應(yīng)力或因?yàn)椴涣嫉碾娮釉骷鸬摹榱藴p少電子元器件的應(yīng)力，每只宇航用功率電子元器件在應(yīng)用設(shè)計(jì)中應(yīng)按工程要求進(jìn)行降額。另外，大量的電子元器件在宇航工程中裝機(jī)之前需逐一進(jìn)行篩選。作為附加安全保險(xiǎn)，除了需承受的電應(yīng)力外，工程項(xiàng)目辦公室通常要求進(jìn)行一些附加的分析，包括失效模式和后果、可靠性、最壞條件電路、安全、輻射、維修性、機(jī)械應(yīng)力、熱等。即使在完成了所有這些分析之后，主要元件通常還需在整個(gè)可能的各種工作和非工作情況下進(jìn)行試驗(yàn)。盡管有這些標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格的試驗(yàn)以及相應(yīng)的高成本，但某些失效仍然會(huì)發(fā)生。
客觀上，希望知道失效與所進(jìn)行的試驗(yàn)和分析的類(lèi)型之間是否存在某一種關(guān)系。對(duì)于功率電子元器件，如果能確定某一些試驗(yàn)和分析的性能就能極大地提高任務(wù)的成功率，而不進(jìn)行其他試驗(yàn)和分析;則在試驗(yàn)和分析的選擇上就能給用戶(hù)提出較好的建議，而使每一美元的費(fèi)用具有最好的價(jià)值。
2 研究焦點(diǎn)
對(duì)于鑒別宇航用元器件失效的機(jī)理的目的，合乎邏輯的做法是關(guān)注關(guān)鍵分立元器件而不是制造成的一個(gè)單元的組件。這種觀點(diǎn)的一個(gè)明顯理由是只設(shè)計(jì)供宇航用的元器件的數(shù)量很少，因而限制了評(píng)價(jià)用的樣品數(shù)量。相反，某些特定的元器件，例如電源電感器和變壓器，是構(gòu)成功率電子元器件結(jié)構(gòu)的基本單元。因此，對(duì)評(píng)價(jià)電感器和變壓器用樣品的合理數(shù)量提出建議是研究的關(guān)注點(diǎn);并合理地認(rèn)為這是兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耐用和技術(shù)成熟的元器件;為此而提出的問(wèn)題是采用多少數(shù)量且按MIL-STD-981的要求進(jìn)行試驗(yàn)才確實(shí)能反映這兩種元器件的可靠性指標(biāo)。
3 研究途徑
對(duì)宇航用電感器和變壓器的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析。電感器和變壓器數(shù)據(jù)的主要來(lái)源包括以下幾個(gè)方面：
a) 美國(guó)政府工業(yè)數(shù)據(jù)交換項(xiàng)目(GIDEP);
b) 美國(guó)宇航局對(duì)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)可靠性的推薦的規(guī)程：課程學(xué)習(xí)資料;
c) 磁性元器件制造廠(chǎng);
d) 電子元器件篩選試驗(yàn)室，等等;
3.1 失效數(shù)據(jù)分析
對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)并可歸為以下幾類(lèi)：
a) 失效按來(lái)源分類(lèi)，即：制造、設(shè)計(jì)、裝機(jī);
b) 失效按故障類(lèi)型分類(lèi)，即：開(kāi)路、短路、特性不合格、其它;
● 發(fā)生失效的頻度
● 單件數(shù)量
c) 每年發(fā)生的總失效數(shù);
d) 由于檢測(cè)方法引起的失效數(shù)。
3.1.1 失效界定
從調(diào)查的失效報(bào)告看出，制造、設(shè)計(jì)與裝機(jī)的失效之間的分界線(xiàn)是模糊的。下面的定義是美國(guó)某研究中心擬定的有助于在各種界線(xiàn)之間區(qū)分，并提供分類(lèi)的一致性。關(guān)于失效，這里采用了最常用的分類(lèi)方法。
a) 制造失效主要表現(xiàn)為：
● 不合適的制造過(guò)程;
● 使用錯(cuò)誤的材料;
● 低劣的加工質(zhì)量;
● 不正確的裝配;
● 不正確的操作——封裝和運(yùn)輸。
b) 設(shè)計(jì)失效主要表現(xiàn)為：
● 基本設(shè)計(jì)缺陷;
● 不合適的材料規(guī)范;
● 不正確的試驗(yàn)規(guī)范;
● 不正確/不合適的裝機(jī)指南。
c) 裝機(jī)失效主要表現(xiàn)為：
● 低劣的裝機(jī)質(zhì)量;
● 不合適的連接;
● 操作不當(dāng);
● 不符合裝機(jī)規(guī)范。
3.1.2 失效結(jié)果分析
根據(jù)此分析中使用的有效GIDEP數(shù)據(jù)，提出以下意見(jiàn)：
a) 磁性元器件在開(kāi)路模式多于短路模式;
b) 制造差錯(cuò)引起的失效多于設(shè)計(jì)或裝機(jī)差錯(cuò)引起的失效;
c)制造技術(shù)的逐年進(jìn)步未顯示出與制造相關(guān)的失效逐年減少;
d)在溫度循環(huán)試驗(yàn)中失效的元器件多于其他試驗(yàn);
e)大約20%的失效是在使用中發(fā)生的;
f)在使用中發(fā)生的失效有多種原因，而絕緣擊穿和不正確的焊點(diǎn)較為普遍。
3.2 試驗(yàn)順序 信
由磁性元器件制造廠(chǎng)對(duì)電源變壓器和電源電感器進(jìn)行MIL-STD-981中B組試驗(yàn)的相對(duì)優(yōu)先排序，磁性元器件制造廠(chǎng)通常進(jìn)行一些試驗(yàn)，以證實(shí)其產(chǎn)品符合用戶(hù)規(guī)范的規(guī)定。這些試驗(yàn)中的某些項(xiàng)目符合MIL-STD-981手冊(cè)的表4-B組電源變壓器和電感器的試驗(yàn)的規(guī)定，如：
a) 溫度沖擊;
b)老煉;
c)密封(適用時(shí));
d)介質(zhì)耐電壓;
e)感應(yīng)電壓;
f)絕緣電阻;
g)電特性;
h) X光檢杳;
i)目檢和尺寸檢查 (外部的)。
對(duì)磁性元件制造廠(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)其試驗(yàn)，如何評(píng)價(jià)MIL-STD-981中各試驗(yàn)項(xiàng)目的相對(duì)重要性。被調(diào)查的一些制造廠(chǎng)，按MIL-STD-981 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了試驗(yàn)，而另一些則未按規(guī)定進(jìn)行。但對(duì)其數(shù)據(jù)分析后未發(fā)現(xiàn)兩者有明顯的差異。
3.2.1 調(diào)查結(jié)果
通過(guò)對(duì)磁性元件制造商的調(diào)查結(jié)果，對(duì)MIL-STD- 981 中各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目的相對(duì)重要性得出結(jié)論如下：
a) 根據(jù)用戶(hù)應(yīng)用所進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目;
b)不考慮應(yīng)用，大多數(shù)磁性元器件制造廠(chǎng)將介質(zhì)絕緣和電特性視為最優(yōu)先的試驗(yàn)項(xiàng)目;
c)密封和X光檢查通常被認(rèn)為是最低限的要求。需要注意在某些
