真空電子器件是發(fā)明最早的一類電子器件，真空電子器件是利用處于真空氣體媒質(zhì)中的電子（或離子）發(fā)生的各種效應(yīng)，而產(chǎn)生、放大、轉(zhuǎn)換電磁波信號(hào)的有源器件。目前的主要管型有行波管、速調(diào)管、磁控管。而行波管在大功率、寬頻帶、長(zhǎng)壽命方面占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。盡管半導(dǎo)體器件在很多場(chǎng)合已取代了真空電子器件，但由于半導(dǎo)體器件是基于載流子在固體中運(yùn)動(dòng)的工作機(jī)理而研發(fā)的，這就使得半導(dǎo)體器件在工作頻率、帶寬、功率容量、耐高壓、熱耗散、耐潮濕、抗電沖擊等方面遠(yuǎn)不如真空電子器件，特別是在微波、毫米波頻段的寬帶大功率器件中仍是真空電子器件占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖1 TWTA原理框圖

行波管放大器（TWTA）是由行波管（TWT）、行波管電源（EPC）兩部分組成的，EPC與TWT之間采用高壓電纜連接，TWTA原理框圖如圖1所示。行波管是用量最大的真空電子器件，以其高頻率、寬頻帶、大功率的優(yōu)勢(shì)，成為雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信和精密制導(dǎo)設(shè)備的“心臟”。TWTA通常工作在非常惡劣的環(huán)境下，所以對(duì)其振動(dòng)可靠性要求極高。EPC通常由低壓電路、高壓電路兩部分組成。EPC中元器件由電阻、電容、電感、二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和集成電路組成。

根據(jù)批量使用情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，行波管失效模式主要有十種：①陰極發(fā)射下降；②熱絲短路和斷路；③管內(nèi)放電打火；④自然老化；⑤收集極擊穿；⑥真空度下降甚至泄漏；⑦自激振蕩；⑧輸出窗炸裂漏氣/燒毀；⑨柵極失效；⑩振動(dòng)損壞。

批量使用的失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明：陰極發(fā)射下降、熱絲短路和斷路、管內(nèi)放電打火、自然老化、收集極擊穿五種失效模式占總失效率的74%；而陰極發(fā)射下降與熱絲短路和斷路就占總失效率的47%，是行波管的主要失效模式，其中陰極發(fā)射下降占31%、熱絲短路和斷路占16%。從封裝、組裝可靠性角度來(lái)說(shuō)，行波管的失效主要表現(xiàn)在五個(gè)方面：熱絲短路和斷路、管內(nèi)放電打火、收集極擊穿、輸出窗炸裂漏氣/燒毀、柵極失效。

一、 熱絲短路和斷路

行波管為支持大電流通過(guò)，往往提高熱絲加熱功率，使熱絲溫度過(guò)高。因工作溫度過(guò)高，涂層發(fā)生開(kāi)裂、脫落從而造成短路燒斷。高溫下，熱絲表面絕緣涂層的性能很不穩(wěn)定，涂層材料不僅蒸發(fā)快，而且其絕緣性能、強(qiáng)度和附著力等都會(huì)明顯下降，在高溫應(yīng)力的作用下，容易發(fā)生開(kāi)裂脫落，暴露裸絲。裸露的芯絲匝間相碰或與陰極套筒內(nèi)壁相碰，都會(huì)導(dǎo)致短路，熱絲電流猛增，甚至燒毀熱絲。另外，熱絲過(guò)高的工作溫度會(huì)加速熱絲材料性能退化。

熱絲材料質(zhì)量差或因溫度過(guò)高使芯絲發(fā)脆、強(qiáng)度降低，在應(yīng)力的作用下就容易折斷，導(dǎo)致開(kāi)路。導(dǎo)致熱絲工作溫度過(guò)高的主要原因是陰極熱絲組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致熱量無(wú)效散失過(guò)多，加熱效率太低。為降低熱絲-陰極間溫差，可采用陰極-熱子組件。實(shí)踐證明，制成組件后，熱絲和陰極之間的熱傳遞得到很大改進(jìn)，熱絲溫度降低約300℃，加熱功率節(jié)省30%。同時(shí)熱絲嵌入氧化鋁中給了熱絲機(jī)械支撐使它具有抗振動(dòng)和沖擊的性能，滿足抗振動(dòng)、耐沖擊等使用要求。

圖2所示為失效熱絲Al2O3涂層嚴(yán)重開(kāi)裂脫落圖，失效機(jī)理為燈絲芯絲裸露，裸露的芯絲與套筒壁之間發(fā)生短路。失效原因?yàn)殛帢O熱絲組件熱結(jié)構(gòu)不良，燈絲對(duì)陰極的加熱效率低。使用時(shí)加大燈絲功率引起燈絲溫度過(guò)高，燈絲涂覆層（Al2O3）升華，引起燈絲芯絲裸露，導(dǎo)致芯絲與陰極套筒短路，短路產(chǎn)生大電流，最終引起燈絲過(guò)熱熔斷。

圖2 失效熱絲Al2O3涂層嚴(yán)重開(kāi)裂脫落圖

圖3和圖4所示分別為白金帶端的熱絲斷裂形貌和熱絲引出端斷口形貌，均為熱絲斷路失效模式，失效機(jī)理為熱絲機(jī)械斷裂。失效分析表明熱絲斷口特征與拉伸應(yīng)力分析顯示熱絲芯材斷裂處均有頸縮、彎折的現(xiàn)象，說(shuō)明失效產(chǎn)品熱絲在斷裂前受到了拉伸應(yīng)力的作用而發(fā)生明顯塑性變形。但失效產(chǎn)品斷口的磨平特征表明，熱絲在反復(fù)拉伸應(yīng)力的作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展并磨平最終導(dǎo)致斷裂。形成拉伸應(yīng)力的原因主要來(lái)自熱絲通斷過(guò)程熱脹冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，其應(yīng)力大小與電子槍熱絲組件的材料、結(jié)構(gòu)、電功率有關(guān)。

熱絲斷裂部位形貌與切向應(yīng)力分析顯示熱絲均斷裂于氧化鋁陶瓷表面，說(shuō)明熱絲在該處受到明顯的切向應(yīng)力作用，熱絲是在拉伸應(yīng)力和切向應(yīng)力的共同作用下斷裂的。形成切向應(yīng)力的原因主要來(lái)自熱絲通斷過(guò)程中的熱脹冷縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力的切向分力，以及使用環(huán)境的振動(dòng)/沖擊等機(jī)械應(yīng)力，其切向應(yīng)力的大小與產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、電功率、使用環(huán)境的機(jī)械應(yīng)力水平有關(guān)。

圖3 白金帶端的熱絲斷裂形貌

圖4 熱絲引出端斷口形貌

二、管內(nèi)放電打火

管內(nèi)放電打火是TWT的一種常見(jiàn)的失效模式。陰極發(fā)射下降、收集極擊穿、真空度下降造成的管子失效，是由于管內(nèi)放電打火而引起的。國(guó)產(chǎn)TWT打火現(xiàn)象的主要形式有高壓打火、低壓打火、絕緣擊穿打火。

大功率TWT中最常見(jiàn)的是高壓打火，其原因有：

（1）電極形狀設(shè)計(jì)不合理。由于電極表面不平整，突起部分的場(chǎng)強(qiáng)將增強(qiáng)，使擊穿電壓降低，易引起放電打火。

（2）電極表面的微突起和毛刺。如柵網(wǎng)有毛刺，由于電子槍空間太小導(dǎo)致柵網(wǎng)極間距離過(guò)小，造成陰柵短路。

（3）封裝、組裝過(guò)程中真空衛(wèi)生不好。在零件材料形狀及結(jié)構(gòu)選擇確定后，如果真空環(huán)境的衛(wèi)生狀況不好，極易使零件表面吸附各種固態(tài)和氣態(tài)微粒，排氣也不可能徹底清除，在工作過(guò)程中會(huì)不斷放氣，影響和破壞工作真空條件，引發(fā)打火和擊穿。

三、收集極擊穿

由于收集極散熱不良，工作溫度過(guò)高，致使收集極材料大量放氣或揮發(fā)到絕緣材料表面，造成極間耐壓降低或管內(nèi)真空度下降，降低了擊穿電壓，引起打火放電，嚴(yán)重則導(dǎo)致?lián)舸Ｒ虼耍訌?qiáng)外部散熱，降低收集極工作溫度是關(guān)鍵，若出現(xiàn)批量失效則有必要從產(chǎn)品零件、材料及工藝方面改進(jìn)。例如在收集極內(nèi)孔涂覆鉬、鎢等耐高溫的難熔金屬。這些方法能減少收集極放氣，減少材料揮發(fā)。

四、 輸出窗炸裂漏氣/燒毀

1．輸出窗片炸裂漏氣

圖5所示為BeO輸出窗片炸裂失效模式。窗片材料從Al2O3改為BeO后，BeO陶瓷窗的封接工藝不成熟，窗片內(nèi)部有過(guò)高的殘存應(yīng)力；BeO窗片過(guò)薄，強(qiáng)度不夠，從而在外部應(yīng)力（特別是溫度變化應(yīng)力）的作用下導(dǎo)致窗片炸裂漏氣。

圖5 BeO輸出窗片炸裂失效模式

2．輸出開(kāi)路

圖6所示為螺旋線末段熔斷部位，是導(dǎo)致輸出開(kāi)路的失效模式。由圖6可見(jiàn)，開(kāi)路部位的兩端已經(jīng)熔融成球狀，具有局部過(guò)熱熔斷的明顯特征。鉬的熔點(diǎn)是2620℃，能夠使鉬螺旋線的局部點(diǎn)達(dá)到熔融的高溫，必須有極高的能量集中消耗在該局部點(diǎn)上。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是由于螺旋線末端發(fā)生了變形，使該點(diǎn)切入了內(nèi)圓，該點(diǎn)受到了高能電子束的連續(xù)轟擊，大量截獲電子使溫度急劇增高而燒毀。

圖6 螺旋線末段熔斷部位

3．RF輸入端開(kāi)路

圖7所示為輸入同軸線與慢波結(jié)構(gòu)連接處燒斷熔球形貌，是導(dǎo)致RF輸入端開(kāi)路的失效模式。管子的正常工作位置遭到了破壞，導(dǎo)致電子注注腰發(fā)散，慢波電路輸入處的環(huán)圈大量截獲電子，發(fā)生過(guò)熱燒毀，屬于因使用引起的關(guān)聯(lián)性失效，與管子本身的質(zhì)量無(wú)關(guān)。

圖7 輸入同軸線與慢波結(jié)構(gòu)連接處燒斷熔球形貌

五、 柵極失效

根據(jù)收集到的整機(jī)用TWT的質(zhì)量信息，從封裝、組裝可靠性角度分析認(rèn)為柵極失效的主要原因有：①柵極引線焊接不牢脫焊；②柵極表面涂覆層未能有效抑制柵放射；③陰極溫度過(guò)高，造成柵放射；④管內(nèi)有異物，引起陰柵短路。