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无源元件在军事和航空领域的应用
日期:2007/2/1 14:44:18   作者:AVX Corporation

为了在日益显著的军事及航空领域分食,电子制造业者目前正在积极努力,制造高可靠、高质量的无源元件,满足关键任务应用的需求。除了需要满足一些简单的技术标准外,军用无源元件还必须符合苛刻的军事标准和控制文件的要求。


无源元件

术语“无源(passives)”包含了很多有关元件设计方面的技术,如电容器、电阻器、线路保护器,以及与ESR、ESL、EMI和ESD等要求有关的参数。此外,无源元件还面临着在提高功能的同时,必须不断降低成本和缩小外形尺寸等方面的压力。

在军事和航空领域,无源元件也是所有电子产品的基本需求。如同消费电子中的情况一样,线路保护装置对高可信度设计来说是至关重要的,一些军事设施经常会采用大量的电容器。打开军事及航空设备,就会发现用量最多的是各种不同类型的电容器:多层陶瓷电容器(MLCC)、钽电解电容器和玻璃电容器。


MLCC

由于采用符合MIL-Spec标准的陶瓷材料,多层陶瓷电容器(MLCC)具有出色的ESR性能、应对电源的能力和噪音过滤等。MIL-Spec陶瓷具有广泛的测试保证和可信度。表面安装型钽电容器的稳态和动态可靠性受以下因素的影响:电压降低(voltage derating)、纹波电流和电压环境、最大操作温度和线路阻抗等。

钽电容器结构坚固,不存在机械磨损,因此已经在军事领域使用了很长一段历史。目前,钽电容器技术一直处于不断演变之中,功率负荷在不断提高,尺寸在不断缩小,容量在不断的增大。

在军事和航空领域,设计师应该选择通过ISO9001认证供应商,以保证所选产品支持所有必须的军事规范,因为只有这些产品,才拥有全部工艺控制文件和产品可追溯性(traceability)。


玻璃电容器

在电容器行业,以玻璃作为电介质的电容器能够为终端用户提供最高等级的性能和可靠性。玻璃电容器在结构上只有三部分:玻璃电介质和外壳、铝电极、电线端子。按照军用标准的要求,必须对每个电容器的容量值和偏差、额定电压和密封性能进行100%的检查。就电容器本身来说,严格质量控制、简单的设计、使用高等级的原材料这三点对军事和航空应用是至关重要的。

传统上讲,玻璃电容器一直用于军事领域,最近几年的一些新设计已经出现在航空和要求高性能的商业用途。玻璃电容器的应用涉及整个电子线路,成功案例包括各种各样的有人、无人驾驶的太空飞船。近来,玻璃电容器在军事和航空工业的应用开始升温。


军用标准和规范

根据行业特点,军事和航空工业用元件只能是最好质量和最高可靠度的。这些元件一定要符合相当严格的军事工业标准,而军用标准的等级则远远超过了消费产品的要求。

举例来说,按照军用陶瓷电容器规范的要求,假设置信度等级为90%,对于每1,000小时的服务,合格的FRL范围应该是1.0-0.001%/1000小时。按照这样的预期,就需要制定相当苛刻的元件设计和测试条款,以保证如此的性能等级。这意谓着,在已经建立的所有可靠性应用中,军用级别的产品能够为各类应用提供显著的附加值。

但是,元件的可信度等级高不仅仅上述好处,它们还包括其他重要因素,例如完整的产品和测试文件、完整的可追溯性(traceability)、绝对控制和稳定的供应,因此,MIL方案是所有“关键任务(mission-critical)”类项目的重要考虑。

所有用于电子和电气元器件的MIL文件均可以通过“军事规范和标准(Military Specification and Standards)”进行详细解释。其中,独立陶瓷电容器的性能规范涵盖高可靠性ER和非ER器件,具体测试方法由MIL-STD-202标准进行定义。这些标准用于对采购活动进行标准化,以及按照军用QPL,对相关物品和服务的可靠性进行认定。

这些标准的建立和维护权归位于Columbus OH的权威机构——美国国防采购中心(Defense Supply Center)所有。建立这些标准的目的是为军事操作设立一套必须的独特性能要求,形成一个独立于商业设计和市场的体系。


电容器的可靠性测试方法
 
一些无源元件制造业者按照MIL-Spec,对所有元器件进行100%的测试。对于商业用途的电容器,100%测试通常只限于标准电气和物理叁数的测试,但是样品可能是随机抽取的。典型的寿命测试结果必须形成数据库,以便查证所测试产品的性能连续性。

相反,MIL-Spec电容器除了必须接受100%的参数测试外,还必须对专用测试环境进行100%的预处理,其中包括“老化试验(burn-in)”。老化试验要求将每个独立电容器置于温度/电压负荷条件下保持更长一段时间,以监测电容器的性能。大部份情形下,如果电容器或电子器件即将失效,它将会在使用的早期表现出来,典型情况是使用后的几个小时之内。

对于很多无源元件来说,老化和过应力试验是最重要的,这意谓着从产品中剔除可能存在早期失效隐患的个别产品。举例来说,钽片式电容器具有可靠的性能特性,符合韦伯(Weibull)开口浴缸曲线。按照统计原理,Weibull测试通常在监测40小时的老化试验后,测量曲线的外形,最后得出可信度等级。对於动态环境,可以使用浪涌测试方法。


分批测试

一旦早期寿命失效产品被剔除,接下来就是按照最适宜的失效可信度水平进行分批测试。试验应该按照专用规范的要求(典型值为0.1-0.01%/1,000小时,置信度为90%)进行,否则进行降级试验。

由於广泛的时间和对于每一个分批的测试要求不同,供应一批符合MIL-Spec的电容器的成本远远高于同等批量的商业级器件的成本。然而,这些费用还应该加上该器件的所有制造阶段的整批产品的可溯性(traceability)的维护费用,以及测试文件的验证。


一致性测试

对于每一个批,须抽取一定百分比的样品接受额外的破坏性测试。同时,每一批电容器还必须接受一组测试,其中包括从温度特性到击穿电压和物理结构等,以检查待测电容器每一方面的性能。在整个指定的温度和操作电压范围内,这一连串的测试保证了每个独立批号的电容器能够在所有要求的环境可靠的运行。

如此测试的好处远远超越了个别零件的表现。MIL-PRF标准的发展趋势是将批接收试验标准也包含在里面。举例来说,用于陶瓷器件的MIL-PRF-123标准要求,不仅每个被检定的元件要符合规范的要求和预先进行环境处理,而且整批产品的特性也能够达到所提供的能力标准,否则,整个批将被拒收。

验证和可追溯性方面的要求,也能够在工厂层面或整个赋予特权的分销商范围内,使供应链得到连续的验证。


MIL标准发展趋势

军用规范的发展趋势是生成一系列的性能标准,其中包括批级别(lot-level)的选择和对个别元件进行测试而生成的有关特性数据。

就标准陶瓷电容器而言,带引线类产品的通用标准是MIL-PRF-123(以及用于径向、轴向和模块化DIP包装的MIL-PRF-39014标准)。

对於玻璃电容器,通用标准为MIL-PRF-11272。玻璃电容器是一个独特、极其稳定和富有弹性的技术产品,主要用于高温、航天和各种电磁脉冲(electromagnetic pulse)防护方面的应用。

然而,所有这些规范均可以由MIL-PRF-123所取代。MIL-PRF-123可以将产品从ER指定,提高到Hi-Rel层面,用于航天级的供应商资格认定。

同样,MLCC和高频微波器件(MIL-PRF-55681)可以通过MIL-PRF-123进行质量合格认定,而高压芯片和开关电源电容器目前采国防供应中心(DSCC)制定的草案87106和88011进行验收,供应商可以按照MIL-PRF-49470规范规定的性能等级进行供货。

对于符合MIL-PRF-55365标准的片式钽电容器,所有产品只能按照Wiebull曲线规定的可靠性等级进行验收,以替代早期的指数式可信度分级标准,其中,前者具有较高的加速度过应力环境,可以保证90%以上置信度的可靠性,后者定义的置信度只有60%。片式钽电容器也符合采用MIL-PRF-55365标准规定的大电容量、低ESR要求,如CWR19和CWR29系列。

按照MIL-PRF-23269要求的可靠性等级进行交付的玻璃电容器,符合M和S类失效率等级,能够抵抗极端的高、低温度冲击,以及长期暴露在辐射性环境下。在经过总共108 rad(H20)的试验之後,玻璃电容器的容值只有较小的改变,仅仅±0.5%,而介质损耗因素的改变只有8%。除此之外,玻璃电容器可以在快速的中子流环境中工作,并且元件叁数变化很小或甚至没有降格。由于这些出色的电气特性,玻璃电容器非常适合在航天领域的应用,例如喷气式引擎监视、雷达系统、航天火箭、卫星、导弹和航空电子系统等。

虽然这些初现的标准具有广泛的适合性,但是依然存在许多至关重要的项目、辅助测试计划和一些专用电气化设计需要进行专门的配置。因此,对于一些特定的客户和项目,可以制订和采用一些最接近现有标准的源控制文件。这需要供应商在资格基础、设计和制造灵活性、设备等方面具有广泛的经验,以便能够继续保持和提供强大应用支持的能力。


COTS

COTS是commercial off of the shelf的缩写,意思是商业现货。该标准制订于1994年,最初动机是基于最好的商业经验(six-S) 和“更快、更省、更好”的理念,为军用采购商提供廉价、符合MIL规范的零部件。从严格意义上讲,COTS是以纯商业形式出现的,但是随着时间的推移,该定义的内涵发生了改变,已经成了基于商业条款的“坚固耐用产品”的代名词。目前,一个比较好的术语已经出现,它就是“COTS-plus”,这里的“plus”是指各种额外的制造商专用设计或测试计划,它们能够增强产品的使用寿命或环境性能。

因为并非所有需要电容器的军事应用都必须采用符合MIL-spec规范的电容器,这种COTS-plus产品可以为依然需要某些等级可靠性的特定应用提供一个桥梁。虽然COTS-plus产品不能够提供与MIL-Spec器件一样出色的可靠性,它们通常在很多非关键任务(non-mission critical)的应用中完成很多要求,如非现场类应用中的无线电发射机和计算机等。

该方法能够在降低整体费用的情况下,保持在某些关键方面的可靠性等级。COTS-plus方案具有明显的好处,它可以应用于更宽的产品范围和一些即将出现的技术,这些技术已经超出了QPL的范围。COTS-plus的典型应用例子体现在安全通信和数据处理市场。


COTS-plus

然而,要使COTS-plus稳健实施并不是一个简单程序可以解决的,需要各个领域业者的共同努力。虽然政府官员已经被授权采用更坚固的器件,COTS-plus产品依然需要进行严厉的测试。供应商一定要对使用这些器件的产品进行测试和验证,以保证它们在苛刻的环境下使用时具有适当的性能,而不是必须满足一定的军用规范要求。然而,很多军事领域的设计师和买家仍然可以从MIL-spec元器件那里得到实惠。


超越COTS

目前,人们对军事领域使用纯粹商业化元件的发展趋势较为关注。此类趋势的一个例子就是在电子组装中使用标准零件,然後再验证最终产品是否满足相关MIL标准的要求。这样做的问题是,一旦投入使用,电容器一般将被减载(derated)使用,没有机会测试其最高可靠性的机会。因此,在将电容器集成到系统之前,选择正确的电容器可靠性等级是相当重要的。

从目前的市场趋势来看,由於需要进行严格的测试,以及供应环节的不确定性,军事设计师在使用纯粹商业产品方面已经开始变得越来越犹豫,并开始采用COTS-plus产品,或者返回来使用符合MIL-Spec的产品,这在关键任务应用方面显得特别突出。

最后一个问题是,从用户的角度考虑,应该顺应工业界推行“无铅焊”的潮流,对于电容器类产品,最终产品应该是100%的锡制品。很多商用电子产品在几年前就已经采用无铅制造技术,如陶瓷片式电容器和片式电阻器。2004年,其它SMT类元器件将会完全转入无铅制造行列,例如片式钽电容器和片式可变电阻器。

值得一提的是,如果需要将Pb保留在其应用中的话,MIL用户应该与其供应商进行协商,指定相应的商用零件的特殊要求。


结论

在关键任务方面的苛刻军事环境下,需要高可靠和长寿命的产品。由於具有出色的置信度和电气特性,陶瓷电容器、钽电容器和玻璃电容器为MIL-spec电子产品的设计提供了一系列选择。同样,MIL标准也在不断提升之中。

今天,越来越少的供应商愿意,或拥有生产MIL-Spec陶瓷电容器所必须的技术能力。然而,军事应用必须采用任务关键型零件,以保证其任务能够成功,保证他们的军事设备能够高可靠地运行。尽管目前的市场起伏不定,但是这些因素的组合,将会保证符合MIL-Spec的无源电子元器件的需求稳定地增长!


作者简介: 
Chris C. Reynolds
AVX Corporation产品应用部经理,高级工程师
进一步信息,请访问http://www.avx.com

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