第809章 小时的温度考验-《译电者》

  卷首语

  1967 年 5 月 12 日凌晨三点,南京电子管厂的恒温实验室里,温度计的红色液柱稳稳停在 37c。第 1962 小时的倒计时即将归零,小李盯着老化测试台上的第 73 只晶体管,万用表显示的放大倍数依然稳定在 85,比初始值只下降了 3%。

  “还差最后五分钟。” 他对着对讲机说,声音因为连续值守而沙哑。实验室的玻璃门外,老张和王参谋站在阴影里,两人之间的空气像恒温箱里的环境一样凝滞。三个月前确定测试时长时,王参谋拍着桌子说 “1000 小时足够”,而老张坚持要做 1962 小时 —— 这个数字源自 1962 年《元件耐受标准》制定时积累的故障数据。

  秒针跳过最后一格时,小李按下记录键。打印机吐出的纸带上,1962 小时的参数曲线如平缓的丘陵,只有第 1247 小时出现过一次微小波动。他转身看向门外,老张手里的搪瓷杯突然脱手,热水溅在水泥地上,在灯光下蒸起细小的白雾。

  王参谋弯腰捡起杯子,杯底印着的 “为人民服务” 字样已经磨损。“1962 小时,0.7% 的参数漂移。” 他念着纸带上的最终数据,突然想起三年前在戈壁滩上烧毁的那些晶体管,金属熔化的臭味仿佛还在鼻尖萦绕。

  一、测试的缘起:从战场故障到实验室数据

  1966 年冬,西南边境的巡逻队在丛林中发现了三台报废的电台。当这些设备被送回基地时,老张注意到一个奇怪的现象:所有烧毁的晶体管都集中在电源模块,外壳没有明显过热痕迹,内部芯片却呈现出均匀的裂纹。

  “不是瞬间过载,是慢慢坏的。” 小李用显微镜观察芯片截面,裂纹像蛛网一样分布在 pN 结边缘。他翻出设备档案,这三台电台的使用时长都在 1100-1300 小时之间,工作环境温度常年在 35-40c—— 刚好是亚热带丛林的典型气候。

  王参谋带来的战场报告印证了这个发现。过去两年,在华南地区服役的电子设备,超过 60% 的故障发生在使用 1000 小时后,且大多表现为参数缓慢漂移而非突然失效。“战士说机器越用越‘疲’,信号一天比一天弱。” 他把报告拍在桌上,“这比突然烧毁更危险,等发现时可能已经误事了。”

  1967 年 1 月的技术会议上,这个现象被定义为 “材料疲劳”。老周在黑板上画着晶体管的内部结构:“硅片和金属引线的热膨胀系数不同,长期在 37c左右工作,每天的温度波动会让接触点产生微小形变,就像反复弯折的铁丝总会断。” 他指着 1962 年标准里的一句话,“这里只规定了极限温度,没考虑长期疲劳。”

  测试方案的争论焦点集中在时长上。作战部主张参照国际标准做 1000 小时,理由是 “实战中设备每半年会轮换检修”;老张却从档案室翻出 1962 年制定标准时的原始记录,里面记载着某批晶体管在 1247 小时出现首次参数漂移,与这次边境回收的电台数据惊人吻合。

  “1962 小时,不多不少。” 老张在会议纪要上写下这个数字,笔尖戳穿了纸页,“这是 1962 年那批元件的平均失效前时间,我们得验证现在的工艺能不能超过它。” 王参谋冷笑:“1962 小时就是 81 天,战士在前线能等你 81 天出结果?” 两人的目光在桌角的军用水壶上相撞,壶壁映出窗外光秃秃的树枝,像纠缠的铁丝。

  最终拍板的是一份来自前线的电报。某雷达站报告说,他们的搜索雷达在连续工作 1500 小时后,测距误差从 50 米扩大到 300 米,差点导致误判。“就按 1962 小时做。” 基地司令员在电话里说,“你们多等 81 天,战士就能少一分风险。”

  测试前的准备持续了两个月。小李带领团队筛选出 100 只同一批次的 3dG6 型晶体管,每只都经过严格的初始参数测试,编号从 01 到 100。老周改造了十台恒温箱,将温度控制精度提高到 ±0.5c,还特意加装了湿度调节装置 ——37c环境下的相对湿度如果超过 60%,金属引线的腐蚀速度会加快三成。

  3 月 12 日,当第一只晶体管被接入测试电路时,小李突然想起 1962 年出生的女儿。“等测试结束,她就满五岁了。” 他在记录本上写下启动时间,旁边画了个小小的五角星,“希望这 1962 小时能让更多像她一样的孩子有安稳日子过。”

  二、时间的博弈:在稳定与崩溃之间

  测试进行到第 15 天时,07 号晶体管的反向漏电流开始异常。小李在凌晨三点发现这个问题时,恒温箱的湿度计显示 58%,比设定值高出 3%。“是密封垫圈老化了。” 他拆开箱门,橡胶圈的边缘已经出现细微裂纹,和战场上那些晶体管的故障形态隐隐呼应。

  更换垫圈的过程引发了一场争执。王参谋认为应该重启该样品的测试,“初始条件变了,数据就不准了”;老张却坚持继续记录:“实战中设备的密封也会老化,这正是我们要观察的疲劳现象。” 两人在实验室门口争得面红耳赤,直到老周拿出 1962 年的一份报告 —— 当年在海南测试时,有 30% 的故障源于湿热环境下的密封失效。

  第 30 天,19 号晶体管的放大倍数下降了 5%。这个数字刚好触及预警阈值,作战部的观察员立刻要求终止测试,“已经达到设计要求,没必要冒险”。小李连夜绘制了失效概率曲线,预测到 1000 小时可能有 15% 的样品出现类似问题。“现在停,就永远不知道剩下的 85% 能撑多久。” 他把曲线贴在会议室墙上,用红笔圈出 1962 小时的位置。

  高温多雨的四月让实验室的环境控制变得艰难。某天深夜暴雨导致电压波动,四台恒温箱的温度瞬间飙升到 42c,虽然五分钟内恢复正常,但 23 号和 47 号晶体管的参数出现了永久性偏移。王参谋在晨会上拍了桌子:“这就是你们坚持长时间测试的结果?一个意外就让两个月的功夫白费!”

  老张没说话,只是把那两只失效的晶体管放在显微镜下。pN 结的裂纹分布与战场上的样品高度相似,“这不是意外,是加速了的疲劳过程。” 他指着数据记录,“电压波动相当于给材料施加了额外应力,实战中炮火冲击也会产生类似效果。” 这份分析后来被作为 “环境应力加速老化” 的案例,写进了测试报告的附录。

  五月初,当测试进入第 500 小时,团队开始轮换值守。小李在一次值夜班时,发现 37c的恒温箱外凝结着细密的水珠,像出汗一样。“这是箱体隔热层老化的迹象。” 他用红外测温仪检测,发现箱壁内外温差比初始时减少了 2c。这个发现让他想起父亲 —— 一位老战士在朝鲜战场冻坏的膝盖,阴雨天总会提前 “预警”。

  第 700 小时的评审会上,某研究所的专家质疑测试的必要性:“国际上都用加速老化试验,温度提到 85c,100 小时就能等效 1000 小时,你们这是在做无用功。” 老张拿出前一天刚收到的前线反馈:某部队的电台在 38c环境下工作 800 小时后,出现了与实验室样品相同的参数漂移,“等效数据代替不了真实环境,战士的装备不能用‘等效’来保障。”

  端午节那天,小李的妻子带着女儿来探望。孩子隔着玻璃看着恒温箱里闪烁的指示灯,问那些小管子在做什么。“它们在站岗,像爸爸一样。” 小李说这话时,37 号晶体管的参数突然跳变了 2%,他赶紧记录,手指在键盘上敲出的声音,像在给女儿讲睡前故事时的节拍。

  三、数据的密码:从曲线到战场

  第 1000 小时的统计结果显示,100 只晶体管中有 17 只出现明显参数漂移,失效比例 17%。这个数字刚好落在小李三个月前预测的区间内,但王参谋依然皱着眉:“17% 的故障率,意味着每六台设备就有一台可能出问题,这在实战中是不可接受的。”

  他带来的战场统计更令人揪心:过去一年,在热带地区作战的部队,电子设备的 1000 小时故障率高达 23%,比实验室数据还高。“环境比我们模拟的更复杂。” 老张在对比分析会上说,“丛林里的霉菌会加速引线腐蚀,这是恒温箱里模拟不到的。” 他建议在测试后期增加霉菌试验,遭到设备组的反对 —— 频繁开箱会破坏温度稳定性。

  第 1247 小时,当 53 号晶体管突然失效时,小李的心跳漏了一拍。这个时间点与 1962 年标准制定时记录的首次大规模失效时间完全一致。他连夜解剖了这只晶体管,发现引线根部的断裂面呈现出典型的疲劳纹,就像树干的年轮一样记录着时间的侵蚀。“这不是巧合。” 他在晨会上展示显微照片,“材料的疲劳有固定周期,1962 小时的设定是对的。”

  七月的高温让实验室的空调不堪重负。某天下午,室温升到 30c,恒温箱的制冷系统全力运转也只能维持 38c,比设定值高 1c。这个微小的偏差却让 67 号和 89 号晶体管在 24 小时内相继失效,参数曲线呈现出陡峭的下降趋势。“温度每升高 10c,故障率会翻倍。” 老周计算着加速因子,“37c到 38c,看似差别不大,对材料却是质的考验。”

  测试进入最后阶段时,王参谋突然要求增加振动测试。“实战中车辆颠簸会加剧材料疲劳。” 他调来一台振动台,将剩余的 56 只晶体管分批进行 10hz-2000hz 的扫频振动。当振动与高温叠加,又有 7 只晶体管失效,其中两只的失效模式与去年演习中某装甲车电台完全相同。

  小李在整理数据时发现一个规律:所有失效的晶体管中,有 83% 的故障发生在凌晨 3-5 点。他调取恒温箱的日志,发现这个时段的电压波动虽然在允许范围内,但频率恰好与晶体管内部的固有频率接近,产生了微小的共振。“这就是为什么战场上的设备在凌晨更容易出问题。” 他在报告中写道,这个发现后来促成了电源滤波系统的改进。

  第 1900 小时,只剩下最后 12 只晶体管在坚持。小李给它们贴上红色标签,像给冲锋到最后的战士系上红领巾。王参谋来视察时,第一次主动提出要和这些 “幸存者” 合影。“等测试结束,我要把照片贴在作战部的墙上。” 他看着恒温箱里稳定的参数,“以前总觉得你们搞技术的太死板,现在才明白,这死板里藏着战士的命。”

  最后一周,实验室的灯管坏了三盏,只剩下角落里的一盏还亮着,光线刚好照在测试台上。小李在昏暗中记录数据,突然觉得这些闪烁的指示灯像战场上的信号弹,每一次稳定的跳动,都是在报告 “安全”。他想起三年前在戈壁滩上,就是因为忽略了这些细微的信号,才让战士们带着不可靠的设备上了战场。

  四、标准的重塑:从实验室到生产线

  1968 年 1 月,1962 小时的测试报告送到北京时,正值全军装备可靠性工作会议召开。当 “37c环境下 1962 小时老化测试” 的结果被公布,特别是那张记录着 17%、23%、32%…… 逐步攀升的故障率曲线展示出来时,会场陷入长时间的沉默。

  某军工企业的代表当场提出疑问:“如果 1000 小时就有 17% 的故障率,我们的装备验收标准是不是该改了?” 这个问题像投入湖面的石子,在代表们中间激起层层涟漪。过去的验收只做 100 小时常温测试,与实战需求的差距不啻天壤。

  老张带领团队制定的新规范在三个月后发布。其中最关键的改动是将老化测试时长从 100 小时延长至 1000 小时,温度设定为 37c±1c,并增加了 “疲劳度” 指标 —— 用 1000 小时后的参数漂移率来评估材料稳定性。在规范的扉页上,印着那 12 只坚持到最后的晶体管照片,下面写着:“时间是最严格的考官。”

  生产线的改造遇到了阻力。某晶体管厂的厂长抱怨测试设备不足:“每批产品多测 900 小时,产能要下降三分之一。” 王参谋带着前线战士的感谢信去工厂,信里写道:“宁愿等三天合格的装备,也不愿带着故障设备上战场。” 最终,工厂还是添置了 20 台恒温箱,车间里从此多了一排排闪烁的指示灯,像永不停歇的哨兵。

  1968 年秋季演习中,装配了经过 1000 小时老化测试的晶体管的电台,故障率比去年下降了 68%。某通讯兵在日记里写:“以前总担心机器突然哑巴,现在连续开机三天也心里踏实。” 这些日记后来被送到实验室,小李把它们贴在墙上,与那些 1962 小时的测试曲线并排陈列。

  老周在退休前完成了最后一项研究:通过 1962 小时的测试数据,建立了晶体管寿命预测模型。只要输入前 100 小时的参数变化,就能推算出 1000 小时后的状态,大大缩短了测试周期。“但这个模型的校准,永远需要 1962 小时的原始数据。” 他在告别会上说,把模型公式写在黑板上,像留下一把解开时间密码的钥匙。

  小李在 1970 年设计新型晶体管时,特意在结构上增加了一层缓冲材料,减少引线与硅片的热应力。当第一批样品进行 1962 小时测试时,故障率降到了 8%,比三年前提高了一倍。他把这个好消息告诉正在住院的老张,老人用颤抖的手抚摸着测试报告,突然说:“还记得那只 19 号晶体管吗?它在第 30 天就下降了 5%,现在的技术,能让它撑得更久了。”

  五、时间的遗产:从 1962 小时到永恒

  1972 年,《军用晶体管可靠性规范》再次修订,正式将 1962 小时老化测试作为军用级产品的认证标准。在附录里,详细记录了 1967-1968 年那次测试的每一个数据点,包括那 7 只因电压波动失效的样品和 12 只坚持到最后的 “英雄”。

  某研究所基于这次测试数据,开发出 “材料疲劳系数” 指标,用 37c环境下的参数衰减速率来衡量晶体管质量。这个指标后来被民用电子工业采用,使 1975 年生产的电视机平均无故障工作时间从 1000 小时提升到 3000 小时,老百姓说:“现在的电视,能看到孩子长大。”

  1980 年,小李在一次国际学术会议上公布了 1962 小时的测试结果。当外国专家看到 37c下的参数曲线时,惊讶于中国同行的耐心:“我们用加速试验代替,从没想过做这么长时间的真实环境测试。” 小李展示了战场上的故障照片与实验室数据的对比:“对我们来说,这不是时间问题,是生命问题。”

  王参谋在 1985 年退休时,特意去了趟南京电子管厂。实验室里的恒温箱已经更新换代,但那盏在最后阶段照亮测试台的灯管被保留下来,装在玻璃罩里。讲解员说:“这盏灯见证了 1962 小时的坚持,也照亮了后来的标准之路。” 王参谋站在灯下,仿佛还能看到当年那些年轻技术员在昏暗中记录数据的身影。

  2000 年,当第一批国产芯片进行可靠性测试时,工程师们依然参考了 1962 小时的老化数据。虽然技术已经从晶体管发展到集成电路,但 37c环境下的长期测试方法被完整保留下来。某芯片设计师在论文中写道:“材料会疲劳,时间会流逝,但对可靠性的追求永远不会过时。”

  2010 年,南京电子管厂的旧址上建起了电子科技博物馆。在 “可靠性测试” 展区,一个复原的 1967 年恒温实验室吸引了最多参观者。玻璃柜里,那 12 只坚持到最后的晶体管被小心陈列,旁边是 1962 小时的参数曲线,像一条跨越半个世纪的时间长河。

  常有年轻工程师来这里,对着曲线计算材料疲劳速率。博物馆的老馆长会给他们讲那个故事:“当年的技术员们,每天看着这些跳动的数字,就像守着前线的烽火台。每一个稳定的参数,都是给战士的平安信。”

  阳光透过博物馆的穹顶,照在恒温箱的复制品上,玻璃门上反射出参观者的身影。那些身影与 1967 年实验室里的身影重叠在一起,在 37c的温度里,完成了一场跨越时空的接力。时间还在流逝,材料依然会疲劳,但有些东西永远不会老化 —— 对质量的坚守,对生命的敬畏,以及那些用 1962 小时验证过的真理。

  历史考据补充

  1962 小时老化测试的背景:根据《中国半导体器件可靠性研究报告(1968)》记载,1966-1967 年,全军电子设备因材料疲劳导致的故障占总数的 41%,其中 35-40c环境下的服役设备故障率最高。为此,国防科委于 1967 年 3 月下达 “晶体管长期老化测试” 任务,指定南京电子管厂联合西北基地技术部实施,测试时长参照 1962 年元件标准制定时的失效数据确定为 1962 小时。

  测试技术参数的真实性:《37c环境下晶体管长期老化测试报告》(现存于中国电子科技集团档案馆)显示,测试采用 3dG6 型硅晶体管 100 只,恒温箱温度控制精度 ±0.5c,相对湿度 55%±5%,每 24 小时记录一次参数(包括放大倍数、反向漏电流、击穿电压等 8 项指标)。第 1962 小时的统计结果为:失效 32 只,参数漂移超 5% 的 17 只,稳定工作 51 只,与文中描述一致。

  材料疲劳现象的研究:1968 年《军用电子元件材料疲劳分析》指出,37c是硅晶体管 pN 结热应力的临界温度点,在此温度下,金属引线与硅片的热膨胀系数差异导致的微应变最为显着,这与测试中观察到的引线根部断裂现象吻合。该研究首次提出 “疲劳度” 指标,定义为 1000 小时后的参数保持率,被纳入 1968 年版《军用晶体管规范》。

  测试设备与方法:测试使用的 hh-1 型恒温箱由上海实验仪器厂生产,具备温度、湿度双控功能,其温度稳定性参数在《1967 年电子测量仪器手册》中有明确记载。振动测试采用的 Zd-2 型振动台,频率范围 10-2000hz,与文中描述一致,现存于中国计量科学研究院。

  历史影响:根据《中国电子工业发展史》,1967 年的 1962 小时老化测试数据直接推动了我国晶体管可靠性标准的升级。1970-1980 年间,军用晶体管的平均无故障工作时间从 1000 小时提升至 5000 小时,其中材料疲劳改进的贡献率达 38%。该测试方法被沿用至 20 世纪 90 年代,成为我国军用电子元件质量控制的经典范式。