适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法

摘要

本发明涉及适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法，该方法从热试验的两种失效机理（高温效应和循环交变效应）出发，以不降低试验的有效性为原则，创造性的在高、低温段采用非对称性的保持时间，通过延长高温端保持时间，压缩低温端保持时间，减少试验次数的方法，达到压缩试验周期，减少试验经费的目的；本发明方法优化试验技术条件和试验剖面，缩短了试验周期，节省了研制经费，提高了星上产品返修后的工艺可靠性，加快了研制周期。

说明书

技术领域

本发明涉及一种为暴露星上产品材料和工艺制造质量方面的潜在缺陷 试验方法，特别涉及适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法，属于 星上产品再试验技术领域。

背景技术

星上产品是很特殊的一类产品，其特殊性不仅在于它经受的环境十分 特殊和复杂，而在于它是小批量甚至单件生产，并要求有极高的可靠性。 为确保卫星能够在发射入轨后在规定的寿命期内完成规定的任务，需要在 研制过程中通过各种手段来验证其设计和制造质量满足要求，能够经受将 遇到的各种环境的作用而可靠的工作，因此形成了一套独特的验证程序来 保证它的性能要求和可靠性。实践证明，通过大量的环境试验来验证星上 产品是最有效的。为了更有效的进行试验验证，各国都制定了相关标准， 这些标准随着实践经验的积累和相关研究工作的进展，每隔一定时间都要 进行修订，使之更有效。

根据美军标MIL-STD-1540D中的资料，星上产品试验与常见失效模式 的识别关系（如下表1所示为美军标MIL-STD-1540D中试验项目与常见失 效模式的识别关系）和1981年ESSH（环境科学研究所）在广泛的调研后 对13种试验方法进行了有效性排序（如图1所示）。1999年ESA开展了 类似的研究(Model And Test Effectiveness Study)，形成数据库MATESD， 根据统计得到不同试验项目的有效性（如下表2所示为ESA研究试验项目 与常见失效模式的识别关系）。说明热循环试验（含常压和热真空试验）是 暴露组件制造质量缺陷最有效的试验方法。原因是：一方面热（高温环境） 能诱发出电子元器件各种故障模式，如二次慢俘获、表面电荷扩散、蠕变、 电迁移、介质击穿等；另一方面，热（一定的温变速率、温变范围）能导 致机械应力（疲劳），能诱发出组件的制造质量缺陷，如印刷电路、焊点、 管脚、材料和制造工艺上的缺陷。热循环的试验剖面有高温端和低温端， 同时对高低温之间的温变速率还有要求，这对于暴露组件的制造质量缺陷 是很有效的，这可以用两种失效机理来解释。

表1

第一种失效机理是根据与阿伦尼斯反应率有关的物理现象，它认为电 子元器件处于高温下的时间长短是验证其可靠性的关键，公式（1）是电子 产品元器件失效率、激活能和温度关系的阿伦尼斯数学模型如公式(1)：

λ/λ0＝exp{-Ea/K（1/T-1/T₀）}    (1)

式中：

λ——温度T时的反应率（单位时间失效率）

λ0——参考温度T0时的反应率；

Ea——激活能ev（表示活化分子的平均能量与所有分子平均能量的差 值）；

T——绝对温度温标（K）；

T0——绝对温标参考温度（K）；

K——玻尔兹曼常数（8.617×10^-5ev/K）。

它的数学模型反应出元器件失效率与元器件结温的关系，元器件结温 越高其失效率也越高，诱发出故障也越高且呈指数分布上升趋势。因此， 元器件结温高低与组件试验温度高低密切相关。第一种失效机理说明了要 暴露电子元器件的可能潜在的失效模式，就需要有一定的高温温度和在其 温度下工作的时间。

表2

第二种失效机理是产品中固有或被诱发的缺陷在热循环试验时由热导 致的机械应力（包括疲劳）能促使缺陷的暴露原理。也就是说如果组件内 存在固有的或诱发的缺陷，当组件温度在热循环试验高低温度变化时，组 件中不同材料会产生交替膨胀和收缩，同时在极端温度状态下组件通电工 作将促使组件内热应力和应变扩大，从而导致组件内部出现瞬时热梯度， 这种热应力和应变在组件有缺陷处是最大的，如果组件内部相连接部分材 料的热膨胀系数不匹配或是材料、元器件本身有损伤，则在这些部位的热 应力和应变将会加剧，并出现应力集中。随着循环加载（循环次数增加）， 在热应力和应变的作用下，缺陷将发生扩展或变成故障现象被检测出来。 可用公式（2）定量筛选应力（变）的数学模型计算常压热循环筛选度

SS＝1-exp{-0.0017（R+0.6）^0.6[ln(e+v)]³N}    （2）

式中：

SS——筛选度

R——温度变化范围(T1-T2)℃

e——自然对数的底

v——温度变化速率(℃/min)

N——循环次数；

它的数学模型反应表征热循环筛选应力的四个基本参数如下：上、下 限温度值T1、T2，上、下限温度热浸时间t1、t2，温度变化率V和热循环 次数N。其关系曲线见图2。

为提高产品的可靠性，一般电子产品需要进行热试验。常见的热试验 方法有三种：（1）高低温循环试验（加电老炼）；（2）高温试验（加电老炼）； （3）常温试验（加电老炼）。其中（1）方法就最严厉也是最有效的，各国 航天标准一般采用（1）方法用于星上产品的热试验，并且形成了比较成熟 的试验技术条件。

在航天器型号研制过程中，不可避免的出现各种问题或者根据举一反 三的要求对产品进行返修，如图3所示，星上产品的状态的更改及操作主 要包括：（1）开盖合盖（含电路板或部件装卸）；（2）维修（如电路板的解 焊落焊）；（3）通电测试。其中，开盖合盖的装配工艺性，返修可能新引入 的是制造缺陷、其它正常的元器件产生影响及新换元器件的参数匹配性等 还需要环境试验来暴露。

目前国内外相关标准都要求返修后的产品进行再试验。如美军标 MIL-STD-1540、NASA标准GSFC-STD-7000、国军标GJB1027A-2005、 航天五院标准QJ3138-2001、Q/W950-2002。GEVS-STD-7000标准明确 规定返修的组件需要进行再试验，目的是检验工艺，热试验是主要试验项 目之一，并进行了举例说明。如：“如果因为故障而进行了修改，例如某个 部件的重新设计，影响了之前已完成试验的有效性，必须重复之前的试验 直到能够证明产品性能符合要求”。“返修的设备，通常是组件，后续的试验 应该充分保证适飞性。如果额外的试验在分系统或系统（载荷）级进行， 试验的循环次数能减少，只要总循环次数满足12次的要求”。

但是如何进行再试验，没有统一的标准和指导原则。对比较重要的返 修，一般要求进行完全的热试验，根据国内外相关标准要求，完全的热试 验周期和试验经费较长。特别是研制后期，严重影响的研制进度，带来较 大的损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出适用于星上产品返 修后的非对称性热试验方法，该方法优化试验技术条件和试验剖面，缩短 了试验周期，节省了研制经费，提高了星上产品返修后的工艺可靠性，加 快了研制周期。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法，包括如下步骤：

步骤（一）、将返修后的星上产品按照设定的变温率要求升温，升温同 时对返修后的星上产品性能进行监测；

步骤（二）、当返修后的星上产品温度达到试验要求下限值时进行温度 保持；

步骤（三）、当返修后的星上产品满足规定的温度保持时间，并使星上 产品温度达到稳定后星上产品断电，断电时间大于0.5h，之后对星上产品 进行热启动；所述星上产品温度达到稳定是指当星上产品温度控制点的温 度达到设定的容差要求范围时，且温度变化率小于1℃/h，认为星上产品温 度达到稳定；

步骤（四）、星上产品热启动后开始计时，星上产品模拟在轨工作模式 进行工作并做性能检测，连续运行工作时间8～12h，完成第一个循环的高 温测试；

步骤（五）、第一个循环的高温测试结束后，所述星上产品不断电，按 照设定的变温率要求进行降温，并对星上产品的性能进行监测；

步骤（六）、星上产品温度降至试验要求温度的上限值时，星上产品断 电，当星上产品温度达到试验要求值时进行温度保持；

步骤（七）、当星上产品满足设定的温度保持时间并使星上产品温度达 到稳定后，星上产品进行冷启动并开始计时，模拟星上产品在轨工作模式 运行并进行性能检测，连续运行工作时间1～3h；完成第一个循环的低温测 试；所述星上产品温度达到稳定是指当星上产品温度控制点的温度达到设 定的容差要求范围时，且温度变化率小于1℃/h，认为星上产品温度达到稳 定；

步骤（八）、继续将星上产品按设定的变温率要求升温，升温同时对星 上产品性能进行监测；当星上产品温度达到试验要求下限值时进行温度保 持；当星上产品满足规定的温度保持时间，并使星上产品温度达到稳定后 进行星上产品性能监测，连续运行工作时间8～12h，完成第二个循环的高 温测试；所述星上产品温度达到稳定是指当星上产品温度控制点的温度达 到设定的容差要求范围时，且温度变化率小于1℃/h，认为星上产品温度达 到稳定；

步骤（九）、继续将星上产品按设定的变温率要求降温，降温同时对星 上产品性能进行监测；当所述星上产品温度达到试验要求上限值时进行温 度保持；当所述星上产品满足规定的温度保持时间，并使所述星上产品内 温度达到稳定后进行星上产品性能监测，连续运行工作时间1～3h，完成第 二个循环的低温测试；所述星上产品温度达到稳定是指当星上产品温度控 制点的温度达到设定的容差要求范围时，且温度变化率小于1℃/h，认为星 上产品温度达到稳定；

步骤（十）、重复步骤（八）～（九），依次类推，完成第三个循环、第 四个循环、……第N-2个循环的高温测试和低温测试；

步骤（十一）、重复步骤（八），完成第N-1个循环的高温测试；

步骤（十二）、重复步骤（五）～（七），完成第N-1个循环的低温测试；

步骤（十三）、重复步骤（一）～（四），完成第N个循环的高温测试；

其中N为正整数，且N≥2。

在上述适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法中，试验开始前， 首先将返修后的星上产品进行性能检测，检测合格后进入步骤（一）开始 试验监测。

在上述适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法中，试验过程中 为了防止低温时星上产品表面和内部产生冷凝水，应在试验箱或容器内充 满干燥空气或氮气，最后第N个高温半循环中，应使星上设备处于通电工 作状态。

在上述适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法中，有主、备份 的星上产品在第一个循环和最后一个循环各做三次热启动和冷启动，并进 行性能检测，即每次热启动或冷启动前，星上产品断电，断电时间大于0.5h。

在上述适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法中，所述N个循 环中，连续工作8～12小时的高温测试中和连续工作1～3小时的低温测试 中，进行标称电压±10％的拉偏试验。

在上述适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法中，所述N个循 环中，至少有两个循环进行标称电压±10％的拉偏试验。

在上述适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法中，所述N个循 环中N取值为9～13。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明创新提出了一种适用于星上产品返修后的非对称性热试验 方法，确定了从热试验失效机理出发，以不降低试验的有效性为原则，压 缩试验周期的方法优化准则；

（2）、本发明创造性的在高、低温段采用非对称性的保持时间，通过延 长高温端保持时间，压缩低温端保持时间，减少试验次数的方法，达到压 缩试验周期的目的；

（3）、本发明根据筛选度公式，在一定温差范围内寻找拐点，确定了最 优试验次数；

（4）、本发明根据高温端总试验时间，通过试验分析制定了最优试验循 环次数以及高温测试及低温测试保持时间，保证了试验测试的有效性。

附图说明

图1为ESSH研究试验项目有效性对比；

图2为热循环应力强度与四个基本参数的关系；

图3为星上产品返修流程图；

图4为本发明试件热试验内外部温度曲线；

图5为本发明非对称性热试验循环剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明从热试验的两种失效机理（高温效应和循环交变效应）出发， 以不降低试验的有效性为原则，创造性的在高、低温段采用非对称性的保 持时间，通过延长高温端保持时间，压缩低温端保持时间，减少试验次数 的方法，达到压缩试验周期，减少试验经费的目的。试验技术条件的确定 方法如下:

温变速率确定方法：沿用国内外相关标准要求3～5℃/min。

高温端的总试验时间T确定方法：星上产品的总试验时间在200～400h 之间，本发明要求至少保持100h的连续无故障测试，这个时间是高、低温 两端的总时间。因为本方法高、低温端采用非对称保持时间，因此高温端 的总时间T确定为上述相关标准总试验时间的一半，但至少保持100h的连 续无故障测试。

试验次数N的确定方法：根据常压热循环筛选度公式2（背景技术） 进行分析，在一定的温差范围内（星上产品的试验温差一般在65～85℃）， 存在一个拐点N₀，通过再增加试验次数时，筛选度增量开始降低，经济性 下降。这个拐点就是最低试验次数。由于试验次数越少，试验的变温过程 时间越短，总的试验周期就压缩，所以在不降低试验有效性的前提下，试 验次数越少越好。需要注意到一般后续还会有系统级热试验次数为N₁，因 此N=N₀-N₁。试验为了防止污染，从高温端开始，高温段结束，试验会有 个半次循环。本发明中试验次数N（即循环次数N）中N取值为9～13。

高温端保持时间确定方法：与高温端的总时间T、试验次数N相关， 本发明高温端保持时间为8～12h。

低温端保持时间确定方法：以星上产品的一般冷透时间为约束，这个 时间一般和试件质量相关，通过大量试验经验的积累可获得。星上产品都 有一定的热惯性（星上产品主要是铝结构，参照铝的比热容，热惯性和质 量正相关），要使星上产品内外部温度基本一致。否则部分区域由于温差变 小，根据热试验第二种失效机理，受试产品温差影响筛选效果，试验有效 性降低。在试验开始的一段时间内受试产品表面的温度远低于的内部温度， 受试产品表面的温度已达到试验规定温度而试件内部温度远高于试验规定 温度。要持续一段时间后两者才逐渐趋于平衡。这个过程持续时间长短取 决于产品热惯性（如图4所示为本发明试件热试验内外部温度曲线）。如果 产品热惯性很大而且在高低温端保持时间较短，产品上温度还未达到稳定 容易造成激励缺陷的应力不足以完全暴露试验产品的缺陷会造成试验不充 分。本发明中低温端保持时间为1～3h。

试验目的：为暴露星上产品材料和工艺制造质量方面的潜在缺陷试验 方法，特别适用于星上产品返修后的再试验项目。

本发明适用于星上产品返修后的非对称性热试验方法包括如下步骤， 本实施例中N=11：

试验开始前，首先将返修后的星上产品行性能检测，检测合格后进入 步骤（一）开始试验检测。

步骤（一）、将返修后的星上产品按设定的变温率要求升温，升温同时 对返修后的星上产品性能进行监测。

步骤（二）、当返修后的星上产品温度达到试验要求下限值时进行温度 保持。

步骤（三）、当返修后的星上产品满足规定的温度保持时间，并使星上 产品内温度达到稳定后星上产品断电，断电时间大于0.5h，之后对星上产 品进行热启动；所述星上产品温度达到稳定是指当星上产品温度控制点的 温度达到设定的容差要求范围时，且温度变化率小于1℃/h，认为星上产品 温度达到稳定。

步骤（四）、星上产品热启动后开始计时，星上产品模拟在轨工作模式 进行工作并做性能检测，连续运行工作时间8～12h，本实施例中连续运行 工作时间为9h；完成第一个循环的高温测试。

步骤（五）、第一个循环的高温检测结束后，星上产品不断电，按照设 定的变温率要求进行降温，并对星上产品的性能进行监测。

步骤（六）、星上产品温度降至试验要求温度的上限值时，星上产品断 电，当产品温度达到试验要求值时进行温度保持。

步骤（七）、当星上产品满足设定的温度保持时间并使星上产品温度达 到稳定后，星上产品进行冷启动并开始计时，模拟星上产品在轨工作模式 运行并进行性能检测，连续运行工作时间1～3h，完成第一个循环的低温测 试；本实施例中连续运行工作时间为1.5h；所述星上产品温度达到稳定是 指当星上产品温度控制点的温度达到设定的容差要求范围时，且温度变化 率小于1℃/h，认为星上产品温度达到稳定。

步骤（八）、继续将星上产品按设定的变温率要求升温，升温同时对星 上产品性能进行监测；当所述星上产品温度达到试验要求下限值时进行温 度保持；当所述星上产品满足规定的温度保持时间，并使所述星上产品内 温度达到稳定后进行星上产品性能监测，连续运行工作时间8～12h，完成 第二个循环的高温测试；本实施例中连续运行工作时间为9h；所述星上产 品温度达到稳定是指当星上产品温度控制点的温度达到设定的容差要求范 围时，且温度变化率小于1℃/h，认为星上产品温度达到稳定。

步骤（九）、继续将星上产品按设定的变温率要求降温，降温同时对星 上产品性能进行监测；当所述星上产品温度达到试验要求上限值时进行温 度保持；当所述星上产品满足规定的温度保持时间，并使所述星上产品内 温度达到稳定后进行星上产品性能监测，连续运行工作时间1～3h，本实施 例中连续运行工作时间为1.5h，完成第二个循环的低温测试。

步骤（十）、重复步骤（八）～（九），依次类推，完成第三个循环、第 四个循环、……第九个循环的高温测试和低温测试。

步骤（十一）、重复步骤（八），完成第10个循环的高温测试。

步骤（十二）、重复步骤（五）～（七），完成第10个循环的低温测试。

步骤（十三）、重复步骤（一）～（四），完成第11个循环（半个循环） 的高温测试。如图5所示为本发明非对称性热试验循环剖面图，图5中各 符号说明如下：

●通电，性能检测；

○断电；

①⑦升降温过程温度变化率为3-5°/min；

②⑧热和冷工况温度稳定时间；

③⑨热和冷工况保持时间；

④热工况断电到启动时间间隔＞0.5h；

⑤⑩热和冷工况的热启动和冷启动；

⑥⑾通电模拟在轨工作模式连续工作，高温工况8～12h，低温工况 1～3h，并进行性能检测；

⑿⒀通电模拟在轨工作模式连续工作，高温工况8～12h，低温工况 1～3h，并进行性能监测；

如下表3所示为本发明非对称性热试验技术条件：

表3

上述性能检测指星上产品在轨运行模式下的详细测试，测试覆盖率 100%；性能监测指星上产品在轨运行的要求工作模式下的测试，一般为主 要工作模式的测试。

本发明试验要求如下：

（1）、循环的最后100h应为无故障；

（2）、为了防止低温时星上产品表面和内部产生冷凝水，应在试验箱（容 器）内充满干燥空气或氮气，最后半个循环应为高温半循环，并应使星上 产品处于通电工作状态；

（3）、星上产品应带真实负载试验，如果星上产品内部有短寿命的器件 或部件，可以把此器件或部件断开，用模拟负载代替进行；

（4）、在整个试验过程中星上产品应通电工作，有主、备份的星上产品 在第一个循环和最后一个循环应各做三次热启动和冷启动，并进行性能检 测，即每次热启动或冷启动前，星上产品断电，断电时间大于0.5h。中间 循环只做主要参数的监测。对于星上产品内的冗余电路或通道应经历各种 工作工况，并尽最大可能检测敏感参数，检查故障和间歇现象；

（5）、星上产品内有主、备冗余电路或通道，其工作时间应平均分配。

（6）、带有主动热控的电子组件或带有光学组件不能进行常压热循环试 验的，在组装前对电子线路部件按上述要求进行热试验；

（7）、进行标称电压±10％的拉偏试验，11个循环中正、负拉偏至少各 进行两个热循环。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。