真空电子器件的失效模式及原因分析

宋波

摘要：真空电子器件广泛应用于通信设备、医疗电子、成像器件、探测器、国防等领域，在一些关键领域发挥着不可替代的作用。由于真空电子器件是在真空高电压环境下工作的，制造工艺复杂，工艺要求严格，所使用的材料是特殊的和多样的。因此，真空电子器件的失效模式是多种多样的，各种失效模式的机理是不同的，理论和实际问题亟待解决。这就成了真空环境下提高电子设备质量和可靠性的瓶颈。真空电子器件失效模式和原因分析是提高其质量和可靠性的重要手段。

關键词：失效模式；失效原因

1阴极发射能力差

阴极是真空电子器件的心脏，其性能是决定器件可靠性的关键因素。阴极发射的下降是阴极的退化结果。其主要原因有：阴极发射能力差、负载重。（a）目前国外的阴极发射能力是连续发射大于10 A/cm²，脉冲为20～30 A/cm²。如果阴极发射能力差，并且使用过大的电流密度，则阴极会过载并加速其老化。（b）阴极的制造工艺落后。国外有先进的技术设备和全过程质量监控方法。同时，先进的阴极表面处理和表面涂覆技术得到了广泛的应用。不同的材料、工艺和结构可以用来改变和控制阴极发射能力。国内微波管生产厂家，除了个别研究机构、厂家整体水平还停留在80年代，部分进口技术仍处于摸索阶段，此外，还存在一些特殊材料缺乏的问题。（c）阴极分解活化工艺规范较差，缺乏严格的试验方法。国外对阴极材料、配方、工艺规范、阴极表面条件和阴极发射性能有严格的分析、检测和控制方法。由于国内基础工业落后，缺乏监测手段，难以提高技术水平，选择最佳工艺。因此，很难保证阴极特性的可控性和稳定性。（d）阴极温度过高（氧化物阴极为850摄氏度，钡钨阴极为1050～1100摄氏度），国产阴极发射能力往往不足，为达到较高的发射水平，往往阴极工作温度并不在最佳工作温度，活性物质的过量损耗导致过早发射。（e）管内真空恶化，阴极工作环境恶化，阴极逐渐中毒，排放降低。

2灯丝断裂

用于微波真空电子器件的大电流密度阴极往往使用增加灯丝的功率以保证其工作温度（850～1100℃），但灯丝的工作温度达到1100～1400℃，容易引起灯丝断裂。主要原因有：（a）热丝材料质量差，加工工艺不合理。热丝主要由钨、钼等高熔点金属制成，在高工作温度下，如果在制作过程中应力去除不当，或材料本身有缺陷，如开裂和脆化，则会被烧毁。（b）热丝的工作温度过高，绝缘层开裂，粉末断裂，导致短路烧毁。在许多情况下，为了获得更大的电流，管子趋向于增加灯丝的加热功率，从而增加灯丝的热负荷。此外，由于阴极发射性能的低水平，在设计中经常使用高温阴极，从而增加灯丝负载。（c）阴极灯丝结构不良，加热效率低。如果灯丝与阴极之间的热接触不良，则加热效率低。同样的，为了保证阴极的工作温度，灯丝的功率往往过大，使得灯丝的工作温度过高。

3打火和击穿

当电极间电压超过一定值时，就会发生打火和击穿。瞬时放电和快速放气将产生冲击波并释放声音，这通常可以被其他电极或吸气剂迅速吸收。当点火严重时，极间等离子体放电的电流密度将非常大，从而导致电极间电压的击穿。打火和击穿的主要原因是：（a）电极形状和电极表面光滑，无毛刺，表面电场均匀，击穿电压较高，相反，易放电和打火。当电极间距在极高真空（10^-7Pa）时，1毫米的间隙可以承受50千伏的电压。表面光滑的电极具有最高的耐击穿电压，表面越多毛刺击穿电压也越低。同时，与单间隙相比，多间隙的耐压比单间隙更大，间隙越多，击穿电压也越高。如果电极的外形设计和电极安装距离不合理，在真空电子管工作过程中，外部原因（如电极上的异物的出现）会导致管内发生打火和击穿。（b）电极材料和表面镀层材料的熔点较低，含有挥发性物质，如阴极活性物质蒸发；真空管管壁表面不光滑毛刺等吸附气体；另外排气台使用的真空泵也可能对管内造成油气污染（c）目前国内对真空电子管进行动态老练和稳定性老练，目的就是充分活化阴极，进一步除气，改善管内真空，希望可以消除电极上的灰尘、毛刺和蒸发出的活性颗粒，提高绝缘强度。从而稳定电气参数。真空电子器件的特点就包含了多种材料、形状复杂、工艺复杂等特点，受到环境和设备的影响，如某机载雷达用行波管，500余零件、40余种材料、100多条焊缝。而全管生产设备100余台，工序总耗时超过3000h。在加工过程中，如果制造过程中某些材料的选择不当或工艺过程中发生一些缺陷没有及时发现并处理，就会出现失效现象。（d）散热不良，例如，收集级击穿是由散热不良引起的，工作温度过高，导致绝缘材料表面放气，导致管内真空度变差，击穿电压降低，放电打火甚至严重击穿。目前国内已逐步改善工艺，通过增加效率、管体与底板直接焊接等方法提高了散热性能，增加管体工作的稳定性。

4管内真空下降

管内真空度是影响微波真空电子器件质量可靠性的关键因素之一。微波真空电子器件的正常真空度应优于1×10^-6Pa。如果真空度变差，阴极工作环境恶化，则会导致阴极的逐渐中毒，从而降低电子发射。真空变差也可能导致管内高压打火和击穿，严重时可使阴极损坏不能工作。造成管内真空度下降的原因主要有两个：（a）真空电子器件管内的零件材料的形状和结构的复杂性决定了管内排气很难真正的排干净。生产过程中的污染对产品有很大影响，目前国内产品零件生产后需要经过清洗，组装一般是在超净间完成的，就是为了减少管内污染。零件表面容易吸收各种固体和气态颗粒，在装配和焊接过程中，管子具有“死空间”。排气过程不能完全去除，导致电子管在工作或储存过程中会长期持续性的放气。b）慢性漏气慢性漏气是指管外气体慢慢漏入管内。在现有的条件下，早期漏气难以发现。只有在管子使用或存放中，在一定的外部应力下发生工作故障，这是属于可靠性的问题。常见发生故障场景是在环境试验如振动、高低温应力试验、热真空试验条件下等。其原因是：（a）金属焊缝缺陷气体泄漏；（b）陶瓷和金属密封表面的微观组织质量较差，造成了长期的漏气，真空电子器件行业目前还没有完全理解这一问题。在微波真空电子器件中，电子枪、集电极和能量传输装置往往都使用陶瓷与金属封接。封接表面的微观结构如果质量较差，将严重影响产品的质量和可靠性。

5栅极发射

栅控行波管的一个经常发生的问题是栅极发射，它将会直接影响到真空电子管的参数和寿命。产生栅极发射的原因是：（a）栅极截获。如果控制栅和阴影栅没有精准的安装控制，则从阴极发射的电子将被直接截获形成栅极电流。（b）本身栅极很靠近阴极，阴极的工作温度又比较高。从而栅极在高温下往往也会发射、漏电，增加了栅流（c）阴极的活性物质在高温下会蒸发，沉积在温度相对较低的栅极。另外，阴极表面的毛刺造成的打火，往往也会造成一定的活性物质溅射。在合适的温度下活性增加的栅极也会发射电子。

6自然老化

这种自然老化是指产品异常失效未达到规定的使用寿命。主要原因有设计不合理、选材不当、工艺不合理、使用不当等原因。这种故障模式的原因是复杂的，往往难以准确地确定。往往在设计研制鉴定阶段，通过试验的方法，改进相应的设计及工艺要求。

7其它失效模式

上述失效模式具有一定的规律性和必然性，是研究的重点。其他故障模式，如振动损坏和电极导线故障，更清楚直接也更容易采取适当的措施。也有一些故障现象，例如真空电子管工作功率性能变差，分析可以是以上失效原因的一个综合。

结束语

本文讨论了真空电子器件的常见失效模式和失效原因。希望能起到抛砖引玉的作用，引起同行的重视并进行更深入的研究，进一步促进真空电子器件的质量和可靠性的提高。

（作者单位：南京三乐集团有限公司）