低气压环境下的电子元器件可靠性

低气压环境下的电子元器件可靠性

陈照海

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摘要：随着中国航天事业的飞速发展，航天用电子元器件的需求也随之迅猛增长，而低气压环境作为航天用电子元器件的典型应用环境，对其可靠性有非常高的要求。航天器所处空间环境越来越复杂，其环境影响因素也越来越多。除一般的自然因素外，航天器上还需要承受包括高温、高真空、高辐照、高热、强电磁干扰等在内的多种严酷的空间环境。低气压是指大气压力低于大气压0.96兆帕（420兆帕）以下的大气压力。在航天器中，低气压环境会对电子元器件产生各种不利影响，特别是对高可靠性器件影响较大。本文就低气压对电子元器件可靠性影响及原因进行了分析，并提出了相应的改善措施。

关键词：电子元器件  

前言

我国在载人航天、月球探测、深空探测等方面的事业都取得了巨大的成功，这些成就的取得，都是中国航天人艰苦奋斗、无私奉献，与科学工作者和广大科技人员密切协作的结果。随着这些事业的发展，需要在空间进行大量的工作。空间环境是航天器工作环境中最恶劣的一种，其空间环境对航天器性能及使用寿命都有着直接或间接的影响，并直接或间接地影响着航天器功能的实现。航天用电子元器件所处环境就是在低气压环境下工作。在空间飞行过程中，航天器处于各种复杂多变和极端恶劣的环境中。当航天器处于这种环境时，各种空间效应和对航天器的损害作用就会出现。如低温、低压、真空、紫外线辐射、等离子体、电离辐射等，这些因素对电子元器件的影响非常大，特别是在空间低气压环境下，空气分子、水分子和其他气体分子也会出现不同程度的电离现象。这些电离作用对电子元器件产生了多种不利影响，其工作状态和可靠性。

一、试验环境

在航天产品研制过程中，需要在地面进行各种环境试验，以考核产品的功能性能和环境适应性。这些试验一般有环境模拟试验、环境可靠性试验、低气压环境试验、高温高湿试验等。低气压环境条件是对电子元器件可靠性影响最大的环境因素，主要有以下几个方面：

1)航天器在地面做低气压模拟试验时，一般会受到地球引力的影响，使试验设备受到很大的附加力矩。

2)航天器在地面做低气压模拟试验时，通常要考虑各种复杂的模拟手段，如：空气动力循环、气体传输及控制系统等。这些手段会造成设备周围产生各种不同的压力梯度，从而造成设备表面局部出现气穴。

在高温高湿环境下进行低气压模拟试验时，由于环境温度高于器件所能承受的极限温度，因此会导致器件表面形成冷凝现象。

如：太阳X射线、太阳高能粒子、空间碎片等。这些辐射会对器件产生不同程度的损伤作用，同时也会对其他电子元器件产生一定的影响。

二、试验方法

低气压下电子元器件的失效与正常状态下相比，发生的机理及规律是完全不同的。正常工作状态下，元器件主要是在表面形成氧化膜，并依靠其表面形成的氧化膜抵抗外界离子和辐射。当气压降低到一定值时，由于氧化膜变薄，其电性能将会严重下降，使器件内的电子迁移率明显下降，从而导致器件的开关性能严重下降。当压力降低到一定值时，由于氧化膜的阻碍作用，表面形成的氧化膜将会完全消失，此时电子迁移率又开始上升。当压力进一步降低时，由于氧化膜受到破坏，表面极易形成空洞或裂缝，导致器件内部电子迁移率急剧下降，最终导致器件失效。

低气压环境下电子元器件可靠性试验一般包括以下内容：

（1）在真空条件下对元器件进行寿命试验。

（2）对元器件进行高低温循环试验。

三、低气压对元器件的影响

航天器中的电子元器件由于工作环境的特殊性，特别是在低气压环境下工作，对其可靠性会产生不利影响。根据航天应用中的特点，低气压环境主要包括：真空、低温、高辐照、高温等环境，其中真空和高真空环境又可分为绝对真空和相对真空。绝对真空是指没有大气存在的环境。相对真空是指在一个大气压下，大气中所有气体的分子数为1/2或1/10。

在航天器中，由于受地球引力的影响，在高真空和低气压下，大气对电子元器件会产生不同程度的影响，其中最主要的影响包括以下几个方面：

1)低气压下，气体分子对电子元器件的机械冲击大，易导致电子元器件产生裂纹、剥落和损伤。

2)由于电子元器件长期处于低气压环境中工作，器件内部可能会形成微小的气泡和氧化物。气泡和氧化物将会降低器件的性能及寿命，特别是在温度变化较大的环境中。

四、典型的低气压环境试验结果及分析

从低气压环境对器件的影响看，主要表现为：

1、工作电压下降，这是由于气压降低导致高电压器件内部空间压降增大，导致其工作电压下降。从目前已知的情况来看，电路中的主要元器件工作电压下降一般在10%左右，个别下降幅度会更大。

2、工作电流增大，这是由于气压降低导致电路中的电子运动速度变慢，在低气压下电子运动速度变慢就会引起电流增大。

3、工作温度升高，这是由于气压降低导致电介质的击穿电压下降。

4、环境适应性变差。由于气压降低导致电介质击穿电压下降会引起电路中的电子运动速度变慢，这就会引起电路中的电子运动速度变慢就会引起电流增大，从已知的情况来看，电路中主要元器件击穿电压下降一般在10%左右。

五、结束语

航天器中电子元器件的低气压可靠性对航天系统的可靠性、任务成功率、长期运行及整体可靠性水平都有重要影响。航天器在设计阶段，应根据所使用电子元器件的工作特点及实际要求，对其在低气压下的可靠性进行评估，并对其进行相应的设计改进。

在电子元器件使用阶段，应对其进行低气压可靠性评估，并根据其在低气压下的可靠性特征，制定相应的使用条件和使用要求。此外，应针对航天器所使用的电子元器件，制订一系列针对性强、实用性强的可靠性管理措施。同时，应建立电子元器件低气压可靠性管理体系，为航天产品的研发、生产及使用提供指导和保障。

参考文献

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