磁性器件在航天產品中廣泛，尤其在電源系統中，起著關鍵的作用。基于美國航天磁性器件的失效統計數據，分析了磁性器件的主要失效原因。又對國內航天磁性器件的失效進行了初步的統計和分析。通過對比美國和國內航天磁性器件由設計、生產和使用中發生的失效對比，給出了發生失效的主要原因。為了保證磁性器件的質量和可靠性，提出在參考美軍標和國軍標的基礎上，實施國內航天磁性器件篩選試驗的建議。

1、引言

　　在航天產品中廣泛使用了磁性器件，尤其是衛星和飛船等航天器電源系統中的電源變換器(也稱二次電源或DC-DC模塊電源)。磁性器件包括變壓器，以及共模/差模電感器等。變壓器在電源變換器中起著功率變換、電氣隔離的重要作用，電感器使用在產品的輸入端和輸端，起到輸入/輸出濾波作用。由于各個電源變換器的功能、輸入/輸出電壓和輸出功率的差別，導致產品中使用的各種磁性器件的使用條件、加工工藝及性能參數各不相同，所以形成了磁性器件很難形成標準器件的狀況。給器件的生產和使用帶來了不確定性和質量風險。而磁性器件在電源變換器中都是關鍵器件，如果器件發生失效往往會導致產品的功能失效。通過對國外航天變壓器、電感器以及國內同類產品的檢測和使用可靠性數據統計及對比，分析了航天變壓器和電感器的主要失效模式及原因，并提出針對保證航天磁性器件可靠性和質量的篩選試驗要求。

2、航天磁性器件的失效分析

　　失效是指元器件功能終止或性能參數超出容許的范圍，不能完成規定任務的一種狀態。磁性器件是航天器電子產品，尤其是電源產品中基本而關鍵的器件。它在制造過程中由于材料、工藝的缺陷，質量控制不當，可能會形成器件的固有缺陷。在器件使用過程中由于時間及其它力的關系將導致器件失效。

　　2.1、國外航天磁性器件失效統計和分析

　　由于磁性器件為非標準器件，在產品中又起著重要作用的特殊性，美國航空航天局(NASA)從1971年～2005年所使用的航天磁性器件進行了統計，數據包括器件制造商數據、器件篩選實驗室數據及用戶數據。按照磁性器件制造和使用流程分類，可將失效發生來源分為設計、生產和電裝。

　　設計造成的磁性器件失效主要包括：器件的參數設計不合理，如電感量設計偏低，不能滿足使用要求；選用了不合格的材料，包括漆包線規格及磁性材料規格型號，導致器件不能滿足使用要求；不正確的篩選試驗；不正確或詳細的電裝要求，如對器件的安裝和焊接沒有考慮力學、散熱等條件要求，在使用中發生器件失效。生產過程產生的器件失效主要包括：不能滿足要求的加工工藝；使用了不合格或有質量缺陷的原材料，如有微裂紋的磁環、漆膜受損的漆包線；生產過程質量控制不當，造成器件的潛在損傷；不正確的器件標識。電裝產生失效的原因包括：不符合要求的電裝質量，如虛焊或焊接溫度不受控制造成對器件內部焊接點的損傷；不滿足力學要求的安裝方式；操作不當，如器件引腿的折斷。由設計、生產和電裝引起的磁性器件失效百分比統計表如圖1所示。

圖1 美國航天磁性器件失效百分比統計表

　　可以看到，磁性器件在生產過程中產生的缺陷是失效的主要原因。但是也得出在每3個失效器件中，就有一個是由設計不當引起的。美國航天磁性器件的生產歷史很早，仍有這么多設計缺陷，值得引起航天磁性器件設計工程師的關注，從設計源頭減少器件的失效。

　　磁性器件的失效模式主要有：開路、短路、性能不合格、其他。按照這4種失效模式統計失效發生的比例如圖2所示。由統計結果得到，磁性器件的開路故障占器件失效模式的比例超過50%，其次性能不合格，例如電感量超標、耐壓不合格等占到了約四分之一。

圖2 美國航天磁性器件失效模式分類百分比統計表

　　2.2、國內航天磁性器件失效統計和分析

　　我國航天磁性器件的生產和使用也已有近20年的歷史，由于大部分磁性器件，尤其是變壓器都是由單機研制單位自己設計，再由專業廠家加工生產，最后交付用戶裝機使用，加工單位分散、使用單位眾多，因此對失效的數據積累工作欠缺。所以磁性器件的失效案例和數據有限，通過對本單位航天磁性器件檢驗不合格和使用時發生失效的統計，得到在產品生產完成后的檢驗中發生不合格的比例普遍較高，約占3%。不合格主要包括：外觀檢查、性能參數、絕緣耐壓，主要失效模式的比例如圖3所示。外觀檢查主要包括：外形尺寸、標識、重量，性能參數主要包括：開路、短路、電感量、匝比等。其中性能參數是國內磁性器件，尤其是變壓器的主要失效模式，約占90%以上，此外對有高壓要求的磁性器件，在器件生產初期，絕緣耐壓不合格占較大比例，但在工藝和設計改進后，不合格率顯著下降。

圖3 國產航天磁性器件失效模式分類百分比統計表

　　美國磁性器件的失效率約為0.1%，國產航天磁性器件失效率約為5%，遠高于美國。主要表現在器件的加工能力和技術水平差距，器件的計差距和使用差距。國產磁性器件的性能參數失效高達89%，有設計原因和生產原因，設計原因主要包括對器件參數不能滿足使用要求，例如繞組匝數設計不當及電感量參數的范圍確定不合理，造成驗收測試不合格，或在器件電裝后由磁性器件參數不當，引起產品性能不能滿足設計要求等，說明了我們的設計師在磁性器件的設計上還存在欠缺，最終導致器件不合格或在使用過程中發生失效。造成器件失效的生產原因主要是由于國內磁性器件生產廠家加工水平參差不齊，質量控制能力較低，由于加工工藝缺陷、工藝不固化，在生產過程中發生對原材料的潛在損壞等，如器件繞制過程中對尖銳物、烙鐵頭等漆包線的漆膜造成破損，都將導致包括器件外形尺寸、性能參數、絕緣耐壓等各種不合格及失效發生，或者在器件使用過程中隨著機械應力及溫度應力的作用，使器件性能參數發生變化甚至功能失效。由于航天產品的整體質量意識和要求的不斷提高，國產磁性器件的失效率在近幾年也有了很大改善，器件設計師通過電路實驗不斷完善性能參數要求，減少了設計原因的失效率。生產廠家也不斷提高加工工藝的研究和質量控制，大幅提高了由生產原因產生的器件不合格及失效率。

　　例如在電推進系統電源處理單元產品中，使用的具有耐高壓絕緣的磁性器件，使用電壓達到1000V以上，設計要求器件的絕緣耐壓不小于3000V。在該器件的加工初期，絕緣耐壓的合格率只有50%，通過原因分析，改進了絕緣防護工藝設計，完全解決了高耐壓絕緣問題，并且在加工現場進行嚴格的質量控制，杜絕漆包線的漆皮在加工過程中受損，避免將有缺陷的漆包線使用到器件加工中，最終鑒定耐壓測試達到了5000V。在該器件正式裝機使用后，沒有發生一起器件失效。

3、航天磁性器件的篩選試驗

　　通過對磁性器件的失效分析，絕大部分的失效是由于設計、生產及不當的裝機引起的，這也說明可以通過完善設計、可靠的工藝和嚴格的質量控制，可以避免很多磁性器件的失效。但仍然不能杜絕由于原材料或人為因素導致的潛在質量缺陷，這將導致器件在后期的使用中發生失效，并且會造成代價較高的損失。為了保證元器件的可靠性，特別是對航天產品，為了滿足整機及整星可靠性要求，必須將在使用條件下可能出現失效的元器件剔除。因此，最有效的做法就是對磁性器件進行篩選試驗。篩選是通過對元器件施加各種環境應力和電應力，將元器件中各種缺陷引發的早期失效激發出來的試驗。因此篩選可以暴露器件的各種早期失效而剔除，是提高整機可靠性的有效途徑。

　　3.1、航天磁性器件篩選試驗現狀

　　失效可以為連結性失效、功能性失效和電參數失效。每種失效對應器件的缺陷各不相同，而篩選試驗的方法一起的失效模式也不同，所以元器件的篩選試驗先后順序對篩選結果也有影響。NASA采用了MIL-STD-981B《空間飛行用自定義磁性器件的設計制造和質量標準》，其中規定了航天磁性器件篩選試驗項目的優先順序如下：

　　溫度沖擊→老化→密封(適用時)→絕緣耐壓(也稱介質耐電壓)→感應電壓→絕緣電阻→電性能→X光檢測→外觀和機械檢查。

　　美國不同的磁性器件制造商對MIL-STD-981篩選試驗中的各項目重要性意見也不同，大部分制造商認為：將絕緣耐壓和電性能列為最優的試驗項目，再根據應用差異，選擇篩選試驗項目及排序，而X光檢查和密封被認為是最后排列的要求，只有在特殊要求時，才需要進行。并且通過大量的數據表明，器件在溫度沖擊試驗中失效數多于其他試驗，絕緣擊穿和不正確的焊接及安裝引發的失效多發生在使用中。

　　我國在1992年參考美國軍用標準制定了GJB1435《開關電源變壓器總規范》國家軍用標準，但由于磁性器件應用環境和條件差異較大，各航天用戶又根據自身的特殊要求，在國軍標的基礎上，各自制定企業標準要求。所以針對磁性器件的溫度沖擊、老化、絕緣耐壓、感應電壓、絕緣電阻、電性能、X光檢查等并不是全部都作為篩選項目。而是根據自身要求將其中一部分作為篩選項目，試驗排序也是參考標準或經驗來確定。

　　目前，國內航天磁性器件對電性能、絕緣電阻、絕緣耐壓、外觀檢查均作為篩選項目，并進行100%檢驗。對于通用、批量生產的電感器將溫度沖擊和老化定為比做篩選項目。數量少、單件產品用的磁性器件質量管理和控制由單機研制單位負責，沒有統一要求。

　　3.2、航天磁性器件篩選試驗建議

　　由于航天磁性器件與單機產品設計緊密相連，使其品種多，使用條件差異大，造成器件的篩選試驗各不相同，不能對器件的質量和可靠性起到有效的控制，容易導致在產品應用后期發生由于磁性器件失效產生的嚴重后果。因此，針對航天磁性器件的特殊性和高質量、高可靠性要求，并根據器件制造商具體的能力分析，提出滿足航天要求的器件篩選試驗，以及符合實際的試驗排序。具體建議如下：

　　(a)磁性器件的外觀檢查、性能參數及絕緣耐壓必須進行100%的出廠測試和用戶復驗測試；

　　(b)對電壓低于100V的磁性器件，必須進行抽樣鑒定試驗，鑒定試驗包括至少包括溫度沖擊和老化；

　　(c)對電壓高于100V及工作壽命大于5年的磁性器件，必須進行100%的溫度沖擊和老化篩選試驗；

　　(d)溫度沖擊試驗的低溫不高于-55℃，高溫不低于85℃，循環次數不少于10次，老化溫度不低于85℃；

　　(e)對有安裝接口的磁性器件，必須開展相關的振動、沖擊等力學篩選試驗；

　　(f)有條件制造商及器件用戶可以開展X光檢查、DPA檢查和壽命試驗；

　　(i)按照經濟性和覆蓋性原則，容易篩選試驗放在兩頭做。性能參數測試成本低而便宜，并且考慮其它試驗后性能的變化，可以將性能參數測試放在最前面和其它試驗后面進行；

　　(j)其次對重要指標，并且容易觸發失效的篩選試驗放在前面進行，絕緣耐壓是高壓變壓器的重要性能，并且是發生失效率較高的項目，可以優先測試；

　　(k)失效概率最大的篩選試驗先做，可以在完成性能測試后即可進行溫度沖擊；

　　(h)最后考慮時間性，時間長的篩選試驗后做，老化試驗可以放在最后進行。

4、結論

　　通過對美國和國內航天磁性器件的失效統計和分析，得到了航天磁性器件容易發生失效的主要原因和失效模式，從磁性器件的設計、生產和電裝各方面如何降低器件失效率提供了有效參考。并且提出了針對暴露早期失效，提高器件及整機產品的可靠性，而進行磁性器件篩選試驗的建議。希望得到我國航天磁性器件設計、生產和使用單位的關注，制定適合航天磁性器件的設計、制造和篩選試驗標準，有效降低航天磁性器件的失效率，滿足我國航天高可靠和長壽命的要求。