宇航用电感器和变压器失效特征
2009-09-07 10:46:51
来源：《国际电子变压器》2009年9月刊
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1 引言
在设计宇航用功率电子元器件中，存在着许多风险。为了确保最高标准的质量和可靠性，通常有许多标准被强制应用于宇航用元器件的零部件设计、制造过程，以达到其在使用中失效减到最少的目的。对于定制的宇航用电磁器件，所依据的标准是美国标准MIL-STD-981《空间飞行用磁性器件设计制造要求》。
虽然宇航用元器件失效的安全和替换费用昂贵到无法估量，但是在工程设计中不能过分强调其可靠性的重要性。由于应用于宇航用的元器件的数量很少，因此，很难区分出失效设计缺陷、过应力或因为不良的电子元器件所引起的。为了减少电子元器件的应力，每只宇航用功率电子元器件在应用设计中应按工程要求进行降额。另外，大量的电子元器件在宇航工程中装机之前需逐一进行筛选。作为附加安全保险，除了需承受的电应力外，工程项目办公室通常要求进行一些附加的分析，包括失效模式和后果、可靠性、最坏条件电路、安全、辐射、维修性、机械应力、热等。即使在完成了所有这些分析之后，主要元件通常还需在整个可能的各种工作和非工作情况下进行试验。尽管有这些标准、严格的试验以及相应的高成本，但某些失效仍然会发生。
客观上，希望知道失效与所进行的试验和分析的类型之间是否存在某一种关系。对于功率电子元器件，如果能确定某一些试验和分析的性能就能极大地提高任务的成功率，而不进行其他试验和分析；则在试验和分析的选择上就能给用户提出较好的建议，而使每一美元的费用具有最好的价值。
2 研究焦点
对于鉴别宇航用元器件失效的机理的目的，合乎逻辑的做法是关注关键分立元器件而不是制造成的一个单元的组件。这种观点的一个明显理由是只设计供宇航用的元器件的数量很少，因而限制了评价用的样品数量。相反，某些特定的元器件，例如电源电感器和变压器，是构成功率电子元器件结构的基本单元。因此，对评价电感器和变压器用样品的合理数量提出建议是研究的关注点；并合理地认为这是两种结构简单、材料耐用和技术成熟的元器件；为此而提出的问题是采用多少数量且按MIL-STD-981的要求进行试验才确实能反映这两种元器件的可靠性指标。
3 研究途径
对宇航用电感器和变压器的失效数据进行收集和分析。电感器和变压器数据的主要来源包括以下几个方面：
a) 美国政府工业数据交换项目(GIDEP)；
b) 美国宇航局对设计和试验可靠性的推荐的规程：课程学习资料；
c) 磁性元器件制造厂；
d) 电子元器件筛选试验室，等等；
3.1 失效数据分析
对收集的数据进行评价并可归为以下几类：
a) 失效按来源分类，即：制造、设计、装机；
b) 失效按故障类型分类，即：开路、短路、特性不合格、其它；
● 发生失效的频度
● 单件数量
c) 每年发生的总失效数；
d) 由于检测方法引起的失效数。
3.1.1 失效界定
从调查的失效报告看出，制造、设计与装机的失效之间的分界线是模糊的。下面的定义是美国某研究中心拟定的有助于在各种界线之间区分，并提供分类的一致性。关于失效，这里采用了最常用的分类方法。
a) 制造失效主要表现为：
● 不合适的制造过程；
● 使用错误的材料；
● 低劣的加工质量；
● 不正确的装配；
● 不正确的操作——封装和运输。
b) 设计失效主要表现为：
● 基本设计缺陷；
● 不合适的材料规范；
● 不正确的试验规范；
● 不正确/不合适的装机指南。
c) 装机失效主要表现为：
● 低劣的装机质量；
● 不合适的连接；
● 操作不当；
● 不符合装机规范。
3.1.2 失效结果分析
根据此分析中使用的有效GIDEP数据，提出以下意见：
a) 磁性元器件在开路模式多于短路模式；
b) 制造差错引起的失效多于设计或装机差错引起的失效；
c)制造技术的逐年进步未显示出与制造相关的失效逐年减少；
d)在温度循环试验中失效的元器件多于其他试验；
e)大约20%的失效是在使用中发生的；
f)在使用中发生的失效有多种原因，而绝缘击穿和不正确的焊点较为普遍。
失效结果见图1。
3.2 试验顺序
由磁性元器件制造厂对电源变压器和电源电感器进行MIL-STD-981中B组试验的相对优先排序，磁性元器件制造厂通常进行一些试验，以证实其产品符合用户规范的规定。这些试验中的某些项目符合MIL-STD-981手册的表4-B组电源变压器和电感器的试验的规定，如：
a) 温度冲击；
b)老炼；
c)密封（适用时）；
d)介质耐电压；
e)感应电压；
f)绝缘电阻；
g)电特性；
h) X光检杳；
i)目检和尺寸检查 (外部的)。
对磁性元件制造厂进行调查，根据其试验，如何评价MIL-STD-981中各试验项目的相对重要性。被调查的一些制造厂，按MIL-STD-981 标准进行了试验，而另一些则未按规定进行。但对其数据分析后未发现两者有明显的差异。
3.2.1 调查结果
通过对磁性元件制造商的调查结果，对MIL-STD- 981 中各项试验项目的相对重要性得出结论如下：
a) 根据用户应用所进行的试验项目；
b)不考虑应用，大多数磁性元器件制造厂将介质绝缘和电特性视为最优先的试验项目；
c)密封和X光检查通常被认为是最低限的要求。需要注意在某些应用中， 这些试验则是必需的。
对众多制造商的调查结果见图2。图中反映了根据试验产生失效倾向的所示试验项目的相对重要性。图中序号 “5”表示排序中的最高，建议这项试验将最能暴露元器件的潜在失效；相反，序号“1” 表示该项试验是排序中最低位，暴露元器件的潜在失效可能性最小。图中“%”值，表明对调查问题所给出试验项目所示序号的制造厂的百分比。
4 结论
按照失效原因、故障类型和发生的频度，年度发生率统计和检测方法，对宇航用电源电感器和变压器的失效进行了分析和归类。以及磁性元件制造厂的经验对MIL-STD-981的试验项目产生绝大多数失效所具有的潜能。研究结果如下：
a)磁性元器件所遇到的失效，特别是电感器和变压器，不是很常见的。
b)收集的数据表明：
● 磁性元器件的失效开路模式多于短路模式；
● 制造差错造成的失效多于设计或装机差错造成的失效；
● 随着制造技术的不断进步，由于制造差错造成的失效并不是逐年减少；
● 元器件在温度循环试验中的失效多于其他试验；
● 绝缘击穿和不正确的焊接点多数是在使用中产生的失效。
c) 来自磁性元器件制造厂的调查显示：
磁性元器件制造厂通常认为电介质和电测试项目是在最优先的，而密封和X 光检查通常认为排位最低。
宇航用元器件研发和要保持高可靠必须维护反映失效趋向的有效数据库，以支持对失效机理的分析和了解，这些费用也在不断提高。对于这些工作我国目前还属空白，仍有待于大量的工作和数据积累。
在设计宇航用功率电子元器件中，存在着许多风险。为了确保最高标准的质量和可靠性，通常有许多标准被强制应用于宇航用元器件的零部件设计、制造过程，以达到其在使用中失效减到最少的目的。对于定制的宇航用电磁器件，所依据的标准是美国标准MIL-STD-981《空间飞行用磁性器件设计制造要求》。
虽然宇航用元器件失效的安全和替换费用昂贵到无法估量，但是在工程设计中不能过分强调其可靠性的重要性。由于应用于宇航用的元器件的数量很少，因此，很难区分出失效设计缺陷、过应力或因为不良的电子元器件所引起的。为了减少电子元器件的应力，每只宇航用功率电子元器件在应用设计中应按工程要求进行降额。另外，大量的电子元器件在宇航工程中装机之前需逐一进行筛选。作为附加安全保险，除了需承受的电应力外，工程项目办公室通常要求进行一些附加的分析，包括失效模式和后果、可靠性、最坏条件电路、安全、辐射、维修性、机械应力、热等。即使在完成了所有这些分析之后，主要元件通常还需在整个可能的各种工作和非工作情况下进行试验。尽管有这些标准、严格的试验以及相应的高成本，但某些失效仍然会发生。
客观上，希望知道失效与所进行的试验和分析的类型之间是否存在某一种关系。对于功率电子元器件，如果能确定某一些试验和分析的性能就能极大地提高任务的成功率，而不进行其他试验和分析；则在试验和分析的选择上就能给用户提出较好的建议，而使每一美元的费用具有最好的价值。
2 研究焦点
对于鉴别宇航用元器件失效的机理的目的，合乎逻辑的做法是关注关键分立元器件而不是制造成的一个单元的组件。这种观点的一个明显理由是只设计供宇航用的元器件的数量很少，因而限制了评价用的样品数量。相反，某些特定的元器件，例如电源电感器和变压器，是构成功率电子元器件结构的基本单元。因此，对评价电感器和变压器用样品的合理数量提出建议是研究的关注点；并合理地认为这是两种结构简单、材料耐用和技术成熟的元器件；为此而提出的问题是采用多少数量且按MIL-STD-981的要求进行试验才确实能反映这两种元器件的可靠性指标。
3 研究途径
对宇航用电感器和变压器的失效数据进行收集和分析。电感器和变压器数据的主要来源包括以下几个方面：
a) 美国政府工业数据交换项目(GIDEP)；
b) 美国宇航局对设计和试验可靠性的推荐的规程：课程学习资料；
c) 磁性元器件制造厂；
d) 电子元器件筛选试验室，等等；
3.1 失效数据分析
对收集的数据进行评价并可归为以下几类：
a) 失效按来源分类，即：制造、设计、装机；
b) 失效按故障类型分类，即：开路、短路、特性不合格、其它；
● 发生失效的频度
● 单件数量
c) 每年发生的总失效数；
d) 由于检测方法引起的失效数。
3.1.1 失效界定
从调查的失效报告看出，制造、设计与装机的失效之间的分界线是模糊的。下面的定义是美国某研究中心拟定的有助于在各种界线之间区分，并提供分类的一致性。关于失效，这里采用了最常用的分类方法。
a) 制造失效主要表现为：
● 不合适的制造过程；
● 使用错误的材料；
● 低劣的加工质量；
● 不正确的装配；
● 不正确的操作——封装和运输。
b) 设计失效主要表现为：
● 基本设计缺陷；
● 不合适的材料规范；
● 不正确的试验规范；
● 不正确/不合适的装机指南。
c) 装机失效主要表现为：
● 低劣的装机质量；
● 不合适的连接；
● 操作不当；
● 不符合装机规范。
3.1.2 失效结果分析
根据此分析中使用的有效GIDEP数据，提出以下意见：
a) 磁性元器件在开路模式多于短路模式；
b) 制造差错引起的失效多于设计或装机差错引起的失效；
c)制造技术的逐年进步未显示出与制造相关的失效逐年减少；
d)在温度循环试验中失效的元器件多于其他试验；
e)大约20%的失效是在使用中发生的；
f)在使用中发生的失效有多种原因，而绝缘击穿和不正确的焊点较为普遍。
失效结果见图1。
3.2 试验顺序
由磁性元器件制造厂对电源变压器和电源电感器进行MIL-STD-981中B组试验的相对优先排序，磁性元器件制造厂通常进行一些试验，以证实其产品符合用户规范的规定。这些试验中的某些项目符合MIL-STD-981手册的表4-B组电源变压器和电感器的试验的规定，如：
a) 温度冲击；
b)老炼；
c)密封（适用时）；
d)介质耐电压；
e)感应电压；
f)绝缘电阻；
g)电特性；
h) X光检杳；
i)目检和尺寸检查 (外部的)。
对磁性元件制造厂进行调查，根据其试验，如何评价MIL-STD-981中各试验项目的相对重要性。被调查的一些制造厂，按MIL-STD-981 标准进行了试验，而另一些则未按规定进行。但对其数据分析后未发现两者有明显的差异。
3.2.1 调查结果
通过对磁性元件制造商的调查结果，对MIL-STD- 981 中各项试验项目的相对重要性得出结论如下：
a) 根据用户应用所进行的试验项目；
b)不考虑应用，大多数磁性元器件制造厂将介质绝缘和电特性视为最优先的试验项目；
c)密封和X光检查通常被认为是最低限的要求。需要注意在某些应用中， 这些试验则是必需的。
对众多制造商的调查结果见图2。图中反映了根据试验产生失效倾向的所示试验项目的相对重要性。图中序号 “5”表示排序中的最高，建议这项试验将最能暴露元器件的潜在失效；相反，序号“1” 表示该项试验是排序中最低位，暴露元器件的潜在失效可能性最小。图中“%”值，表明对调查问题所给出试验项目所示序号的制造厂的百分比。
4 结论
按照失效原因、故障类型和发生的频度，年度发生率统计和检测方法，对宇航用电源电感器和变压器的失效进行了分析和归类。以及磁性元件制造厂的经验对MIL-STD-981的试验项目产生绝大多数失效所具有的潜能。研究结果如下：
a)磁性元器件所遇到的失效，特别是电感器和变压器，不是很常见的。
b)收集的数据表明：
● 磁性元器件的失效开路模式多于短路模式；
● 制造差错造成的失效多于设计或装机差错造成的失效；
● 随着制造技术的不断进步，由于制造差错造成的失效并不是逐年减少；
● 元器件在温度循环试验中的失效多于其他试验；
● 绝缘击穿和不正确的焊接点多数是在使用中产生的失效。
c) 来自磁性元器件制造厂的调查显示：
磁性元器件制造厂通常认为电介质和电测试项目是在最优先的，而密封和X 光检查通常认为排位最低。
宇航用元器件研发和要保持高可靠必须维护反映失效趋向的有效数据库，以支持对失效机理的分析和了解，这些费用也在不断提高。对于这些工作我国目前还属空白，仍有待于大量的工作和数据积累。
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