真空电子器件可靠性分析

蔡明

摘要：真空电子器件是现代电子设备中的主要器件。它们的可靠性要求必须服从于用户对电子设备的可靠性要求。现代电子设备的复杂性日益增加，并越来越多地应用于各种使用环境中，如机载雷达、导弹、航空航天和放射性辐射。现在，我们需要讨论真空电子器件在工作和非工作寿命中的可靠性要求和失效机理。

关键词：真空电子器件；失效机理；可靠性

1几种应用情况

真空电子器件对海底电缆的寿命要求很高，如海底电缆中所需要使用的增音管，因为它们在使用后无法更换，因此在埋入海底之前，必须对其工作的长期可靠性进行验证。通信卫星具有通信距离长、信息容量大的特点，是现代通信技术的一个飞跃，但卫星上的行波管是不可替代的。法国开发的用于通信卫星的行波管寿命约为7年。为了验证行波管的可靠性，采用故障概率法，使用40只行波管，进行了一年以上的试验。此外，欧洲轨道测试（OTS）卫星的目标是在太空中工作7年。欧洲空间研究组织（ESRD）规定，12GHz行波管的可靠性要求为60%，MTBF必须通过250000 h寿命试验，没有行波管失效；而在500000h寿命试验中的一个样管失效，这样才能保证在卫星运行期内行波管的寿命（约7年）。虽然真空电子器件的某些品种不需要很长的工作时间，但它们在长期储存后仍然需要正常工作，例如在导弹上使用的真空电子器件，虽然真空电子器件的工作时间不长，必须保证其在长时间（非工作存储）中的良好性能，以保证导弹飞行正常飞行。因此，原料的制备和零件的加工特别严格，需要严格的制管工艺和新型的脱气剂，以保证长期储存中的最小气体含量。这是因为当导弹行波管增加电压时，从内部部件释放微量气体会在导弹的初始操作过程中引起严重的信号失真。

2真空电子器件在非工作存储寿命中的失效机理

基于现场数据和理论模型的分析，我们建立了真空电子器件非工作存储失效率的预测模型。它可以应用于各种电子管和环境条件的使用。我们已经收集了设备在存储寿命中的数据。通过归纳和分析，可以得出真空电子器件的主要失效机理是经过长时间的存储从而使真空度降低。如果真空度降低，器件的失效最终会导致器件寿命的失效。因此会导致设备产生故障，无法正常工作。故障率是随时间的延长而增加。此外，在真空电子器件存储期间，也存在腐蚀和灯丝结构的脆性。随着时间的增加而增加的是这些失效率的频率（随机、无法预料）。此外，在真空电子器件使用的行业标准中明确定义了存储寿命和设备非工作失效率的概念。相关行业标准规定了这些类型电子真空器件的存储寿命。存储寿命与器件的工作寿命（即保证使用寿命）必然不同，在深入研究电子物理和固体物理之后，我们已经得出结论：时间与器件的非工作失效率有关，即使器件的存储失效机制也是。根据实际研究表明，不同类型的真空电子器件具有固定的存储寿命。从所收集的各种类型的设备的数据中，假设在非工作存储寿命期间设备的故障率较低，并且一旦达到存储寿命期，因为失效率的原因导致的损失将增加。由于真空电子器件的特殊用途，从设备工厂到武器应用，几年和十多年的时间，许多关键项目在长期储存和非工作的要求下提出了其高可靠性的贮存寿命指标。

对真空电子器件的分析可知，由于长期储存，各种器件的性能将从微观向宏观转变，甚至会导致失效。当然这种变化是一个漫长的过程，这与设备的设计、结构和工艺质量密切相关。为了进一步解释失效机理，以微波三极真空器件为例说明：

（1）壳体金属部分，特别是焊缝薄弱部位的腐蚀，造成部件的长期泄漏，器件中的部件因为除气不彻底，气体将在存储过程中缓慢释放。真空会降低，阴极会中毒。

（2）由于器件内部由不同的材料制成，从电子物理上看，器件之间存在接触电位差。在接触电位差的作用下，阴极涂层和阴极表面的活性物质会缓慢迁移和再分布，从而降低阴极的活性，使性能参数变差，最终导致失效。

（3）器件内栅极的栅丝是用预张力绕上的，经长期存储后，栅丝张力逐渐消失、栅丝缓慢松驰，使极点之间的细微距离进一步降低，并导致器件的电特性的离散。综上所述，真空电子器件必须解决长期存储的可靠性，延长存储寿命，提高存储可靠性的问题。这是一个技术难度大、投资大的研究领域。这也是一项重大国防工程亟待解决的技术难题。

3非工作可靠性分析

经过长期的数据采集与分析，我们得到如下结果，真空电子器件失效的唯一原因是来自于其内部组件的真空度降低。而在真空电子器件的正常真空度应优于1×10^-6Pa。

国内外相关的数据和经验表明，真空电子器件在存储过程中最有可能的失效机理是气体泄漏或渗透，即管内部气体的释放和管壳处的泄漏，导致管子真空度下降。随着管子制造工艺的改进，管子外壳泄漏得到有效控制。真空电子器件非工作存储过程中真空度下降的主要原因是管子内部的漏气。真空电子器件由于气体泄漏和气体释放的失效率在偶然失效期内应为常数，分布应呈指数分布。当真空电子器件进入正常存储过程中时，故障率以正态分布的形式存在的。

器件内真空度是影响真空电子器件质量可靠性的关键因素之一。由于管内真空度下降，管内气体可能会在管子启动时引起管子内部打火。管内气体的增多导致阴极中毒，导致阴极发射性能下降，管内特性差异；管内气体电离导致管子异常工作等，导致管子无法正常工作，即管子失效。

管内真空度的测量是真空电子器件存储和使用过程中的常规无损检测方法。这对于分析和掌握真空管的性能，特别是对长期存储的真空电子器件寿命的研究具有重要意义。近十年来，随着材料科学的发展和真空设备制造工艺的进步，在电子管时代，我们不可能用密封的真空管来测量这些电子。真空测量技术的持续改进对于研究、开发阶段和生产中具有重大的意义，越来越受到世界各国的高度关注。

电子真空器件非工作状态的长期存储寿命评估与预测技术研究真空度的测量工作是影响真空器件贮存寿命的最重要因素。如何测量管子内部的真空度是研究的关键。为了建立一个由電真空管内部装置组成的电离计，必须充分了解真空管的工作原理、结构、各电极的功能以及管子的工作条件和环境，特别是测量的方法和手段。由于管子的特殊性，如电极的散射参数、电极表面状态的变化、阴极发射性能的衰减以及复杂的物理化学过程等因素的影响。测量各种管材、管材类型、结构型式都不一样。

结束语

真空电子器件是现代电子设备中的主要器件，随着现代电子设备的功能性、复杂性等特性日益增加，对真空电子器件的工作和非工作可靠性要求越来越严。造成真空电子器件失效的因素很多，但在非工作状态下，长期存储真空电子器件最容易产生的是管内压力升高。当管内的压力持续上升至临界点（即真空度降低至临界值），真空电子器件便失去了它的用途，成为不合格品。因此，可以通过测量管内的真空度来确定真空器件失效曲线。通过测量管内真空度，建立了真空电子器件贮存寿命的理论模型。某些用途的器件的工作期时间虽然比较短暂，但对器件的整个存储寿命有着较高的要求，长期存储后使用应能正常工作。因此，对这些器件的非工作状态的寿命失效分析研究有着比较好的现实意义和经济效益。

（作者单位：南京三乐集团有限公司）