基于系统连续运行的功率管老炼筛选方法

电子产品可靠性与环境试验
ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING 可靠性与环境试验技术及评价

2006年6 月第24 卷第3 期

基于系统连续运行的功率管老炼筛选方法
赵欢军
( 中国电子科技集团公司第三十八研究所, 安徽合肥230031)
摘要: 提出了一种可以在试验台上进行无条件的筛选、或对已装机而又存在某种隐患的功率管进行老炼筛选的方法, 并介绍了如何进行老炼筛选应力的确定和控制, 以及试验的过程检测和故障处理。通过理论分析和试验证明, 这种方法是切实可行的, 能达到老炼筛选的预期目标。
关键词: 功率管; 老炼筛选; 系统; 应力
中图分类号: TN956 文献标识码: A 文章编号: 1672- 5468 ( 2006) 03- 0029- 03

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Burn-in Screening of Power Tube Based on Continuous Operating of System
ZHAO Huan- jun
( 38th Research Institute of China Electronic Technology Corporation, Hefei 230031, China)
Abstract: A burn-in screening method that can be performed unconditionally on the test bed
or performed on the power tubes that has been installed in system but has some latent flaws.
The determination and control of stresses for burn-in screening, testing during burn-in and failure treatment are present. Based on the theoretical analysis and the experimental proof, this method is demonstrated to be practical and feasible, and can achieve expected target for burn-in screenting.
Key words: power tube; burn- in screen; system; stress

1 引言
功率管是雷达发射系统的关键器件, 如果失效就会导致雷达性能降低, 甚至丧失战斗力。为了保证装机功率管的高质量和高可靠性, 一般应在装机前就通过检测和筛选来剔除原材料、制造、工艺以及设计带来的缺陷, 以快速消除功率管的早期失效。在通常情况下, 功率管老炼筛选是在专用的功率老炼台上, 以单个功率管为单元进行老炼, 通过控制管壳的温度, 达到老炼筛选的目的。但这种方法却存在一定的局限性, 尤其对于在试验台上进行无条件筛选的或已装机而又存在某种隐患的功率管不适应。如某装备发射系统组件使用的XXXXA功率管底座的焊接空洞率在装机前没有检测到, 致使装机的功率管存在隐患。这种空洞率过大的直接后果是导致功率管的热阻增大, 管芯内的热量不能及时传导到底座, 从而造成晶体管的结温过高, 并产生故障。为了消除功率管的空洞隐患和早期失效, 有必要对功率管进行老炼筛选, 但因装机数量较大( 共250 只) , 考虑拆装损坏和周期的问题,不能对每个功率管的空洞率进行检测, 又不具备单管老炼的条件, 故采用以整个发射系统连续运行的方法对功率管进行老炼。系统连续运行的功率管老炼是通过组件向功率管施加环境应力和电应力, 将其内部潜在的缺陷加速激发为故障并排除故障, 以达到剔除缺陷器件, 快速消除早期失效的目的。
2 功率管老炼筛选的应力
功率管老炼筛选的应力包含老炼温度和老炼时间。基于系统连续运行的功率管老炼筛选方法的重点是确定系统运行时的环境温度, 确保系统在此温度下连续运行达到热平衡时的功率管结温满足功率管老炼试验的结温要求。同时, 应考虑与功率管共同组成系统的器件的耐温范围, 保证试验温度在其耐温范围内, 防止这些器件发生过应力损坏。

2.1 试验温度的确定
系统连续运行的功率管老炼筛选与单管筛选的应力控制方法不同, 后者的重点是检测控制管壳的温度, 前者的重点是系统运行的温度。但二者应力选择的依据是一致的, 都是按照GJB 128 A- 97《半导体分力器件试验方法》中晶体管的老炼试验条件B ( 稳态功率) 的规定进行。标准中规定, 对底座或散热器安装的器件, 老炼的结温应为Tj=TJmax- 25℃( 即控制功率管结温在最大结温到最大结温降低25℃之间) 。对于系统连续运行的功率管老炼试验而言, 由于无法对功率管的结温和壳温进行检测, 很难保证老炼时功率管的结温在要求的范围内。但我们知道功率管的工作壳温与功率管的工作结温的关系( 式1) , 以及环境温度与功率管热平衡时的工作结温的关系( 式2) , 通过控制环境温度来保证功率管的结温在要求的范围内:

该发射系统所选用功率管( PHXXXXA) 的最大结温为200 ℃, 因此, 其老炼结温控制范围为175~200 ℃。为了提高老炼筛选效果并保证安全选择工作结温为180 ℃。依据功率管的耗散功率、结壳热阻、热时间常数可计算得到工作壳温与工作结温的温差为112 ℃。所以可认为功率管在壳温为68 ℃时的老炼等同功率管在结温180 ℃的老炼。

2.2 试验时间的确定
按半导体分立器件试验方法( GJB 128A- 97)的要求, 晶体管的老炼时间至少为168 h。系统在高温连续运行的功率管老炼中, 不易散热或局部散热不均, 实际老炼环境要较单管老炼的环境恶劣,所以考虑采用标准的低线时间———168 h。

3 功率管老炼筛选
整个系统( 含机柜) 放入高温环境试验箱, 模拟实际工作状态, 负载置于试验箱外进行168h 的连续老炼试验。在试验过程中, 系统组件连续工作, 不开箱( 除非发生异常情况或更换组件) 。

3.1 温度控制
系统在试验箱内连续运行, 发出的热量很难散出, 箱内实际温度会超过设置的老炼温度, 所以在系统内选择几个温度监测点进行监控。当温度过高时, 可适当地调整试验箱内温度, 保证温度为规定的老炼温度。
3.2 功率检测
系统在连续运行时, 要对输出功率进行必要的监控。当系统达到热平衡后, 检测到输出功率降低时, 发出故障报警, 检查放进试验箱的组件, 确认故障组件, 并进行相应的故障处理。
3.3 故障处理
故障处理是立足于试验目的, 结合试验样品的结构和布局来制定的。根据系统高温连续运行试验的功率管老炼筛选目的, 处理故障的原则是: 以失效的功率管是否独立事件为依据———当某些功率管在试验过程中失效, 判断该失效是否影响到试验中其它功率管的老炼状态, 若不影响, 则是独立事件, 继续进行试验; 若影响, 则更换备件或失效功率管后继续试验, 直至试验结束。

该发射系统的放大链为前级、末前级和末级组件, 其中前级和末前级组件分别为1 个, 末级组件共20 个。前级组件包含PHXXXXB 和PHXXXXC两种功率管; 末级组件包含PHXXXXC 和PHXXXXA 两种功率管, 结构为一推二推八,PHXXXXC 处于第一级, PHXXXXA 处在第二级和第三级; 末前级组件的结构和末级组件是一样的。试验的目的是剔除PHXXXXA 中有空洞隐患的功率管。根据老炼试验的目的和功率管的结构分布,故障处理的措施有:
a) 若前级组件和末前级发生故障时, 无论故障是否PHXXXXA 功率管, 都需要更换备件继续试验, 并对损坏部件进行维修。
b) 若末级组件中, PHXXXXA 功率管发生故障时, 继续进行试验, 故障组件不进行更换; 若是组件的其它部分出现故障, 则需更换, 并进行维修。
c) 若因故障或其它原因停机超过20 min, 则追加运行时间12 h。 #p#副标题#e#
3.4 试验设备
系统连续运行试验的功率管老炼试验所需的设备为步入式的高低温试验箱、功率计、电源等。高低温试验箱是为系统连续工作时提供环境温度。功率计是在系统运行达到平衡后, 用来检测系统功率输出, 判定系统组件是否有故障。电源是给系统电路提供电应力。
3.5 注意问题
当老炼结束后, 不要迅速开箱门降温, 应将系统缓慢地降到常温, 并稳定一段时间, 使系统组件内外的温度一致。因为迅速降温会使系统电路本身的工艺参数发生一些变化, 产生非老炼的影响或使其性能受到影响。

4 试验结果分析
该发射系统在40 ℃的高温环境下连续运行168 h, PHXXXXA 功率管共失效11 只, 统计系统在调机、组件筛选、试验和日常运行中PHXXXXA功率管共失效15 只, 故发射系统从调机到功率管筛选结束, 共有26 只失效。
根据以往的数据, 系统从调机到状态稳定, 功率管正常失效约占2 %, 发射系统共用PHXXXXA功率管250 只, 即该系统功率管正常失效约5 只。
故可判断26 只失效的功率管中, 共有21 只功率管基本为有空洞率的管子。发射系统含空洞率的管子数量约20 只( 其它批检测结果, 空洞率不合格率约占8 %) , 两者基本相符。该发射系统在试验后
又间断开机300 多小时, 没有再发生功率管失效。
通过以上结果可以说明, 通过系统连续运行的功率管筛选基本剔除了有空洞率隐患的管子, 并消除了管子的早期失效, 达到了预期的目标。

5 结束语
基于系统连续运行的功率管老炼筛选是一种消除器件潜在制造等缺陷的有效方法, 不仅有利于消除早期失效, 而且还可以剔除某种缺陷和隐患。这种方法从理论分析和实验证明都是切实可行的, 不需要专用的功率管老炼筛选设备, 仅需要高低温试验箱, 设备简单、费用低, 重点在于对试验应力的确定和控制。

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参考文献:
[1] GJB 128 A- 97, 半导体分立器件试验方法[S] .
[2] 陆培永, 何岩平. 环境应力筛选方法及效果评估[J] . 电子产品可靠性与环境试验, 2005, 23 ( 6) : 36- 39.

收稿日期: 2006- 01- 12
作者简介: 赵欢军( 1978- ) , 男, 陕西长安人, 中国电子科技集团公司第三十八研究所助理工程师, 西安电子科技大学在读硕士研究生, 主要从事雷达可靠性研究。