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真空電子器件是發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中的電子（或離子）發生的各種效應，而產生、放大、轉換電磁波信號的有源器件。目前的主要管型有行波管、速調管、磁控管。而行波管在大功率、寬頻帶、長壽命方面占絕對優勢。盡管半導體器件在很多場合已取代了真空電子器件，但由于半導體器件是基于載流子在固體中運動的工作機理而研發的，這就使得半導體器件在工作頻率、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優勢。

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、大功率的優勢，成為雷達、電子戰、通信和精密制導設備的“心臟”。TWTA通常工作在非常惡劣的環境下，所以對其振動可靠性要求極高。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、場效應管和集成電路組成。

根據批量使用情況的調查統計，行波管失效模式主要有十種：①陰極發射下降；②熱絲短路和斷路；③管內放電打火；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振動損壞。

批量使用的失效數據統計分析表明：陰極發射下降、熱絲短路和斷路、管內放電打火、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、組裝可靠性角度來說，行波管的失效主要表現在五個方面：熱絲短路和斷路、管內放電打火、收集極擊穿、輸出窗炸裂漏氣/燒毀、柵極失效。

1. 熱絲短路和斷路

行波管為支持大電流通過，往往提高熱絲加熱功率，使熱絲溫度過高。因工作溫度過高，涂層發生開裂、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定，涂層材料不僅蒸發快，而且其絕緣性能、強度和附著力等都會明顯下降，在高溫應力的作用下，容易發生開裂脫落，暴露裸絲。裸露的芯絲匝間相碰或與陰極套筒內壁相碰，都會導致短路，熱絲電流猛增，甚至燒毀熱絲。另外，熱絲過高的工作溫度會加速熱絲材料性能退化。

熱絲材料質量差或因溫度過高使芯絲發脆、強度降低，在應力的作用下就容易折斷，導致開路。導致熱絲工作溫度過高的主要原因是陰極熱絲組件結構設計不合理，導致熱量無效散失過多，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，熱絲溫度降低約300℃，加熱功率節省30%。同時熱絲嵌入氧化鋁中給了熱絲機械支撐使它具有抗振動和沖擊的性能，滿足抗振動、耐沖擊等使用要求。

圖2所示為失效熱絲Al2O3涂層嚴重開裂脫落圖，失效機理為燈絲芯絲裸露，裸露的芯絲與套筒壁之間發生短路。失效原因為陰極熱絲組件熱結構不良，燈絲對陰極的加熱效率低。使用時加大燈絲功率引起燈絲溫度過高，燈絲涂覆層（Al2O3）升華，引起燈絲芯絲裸露，導致芯絲與陰極套筒短路，短路產生大電流，最終引起燈絲過熱熔斷。

圖2 失效熱絲Al2O3涂層嚴重開裂脫落圖

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，失效機理為熱絲機械斷裂。失效分析表明熱絲斷口特征與拉伸應力分析顯示熱絲芯材斷裂處均有頸縮、彎折的現象，說明失效產品熱絲在斷裂前受到了拉伸應力的作用而發生明顯塑性變形。但失效產品斷口的磨平特征表明，熱絲在反復拉伸應力的作用下，裂紋逐漸擴展并磨平最終導致斷裂。形成拉伸應力的原因主要來自熱絲通斷過程熱脹冷縮產生的拉應力，其應力大小與電子槍熱絲組件的材料、結構、電功率有關。

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

圖3 白金帶端的熱絲斷裂形貌

圖4 熱絲引出端斷口形貌

2. 管內放電打火

管內放電打火是TWT的一種常見的失效模式。陰極發射下降、收集極擊穿、真空度下降造成的管子失效，是由于管內放電打火而引起的。國產TWT打火現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中最常見的是高壓打火，其原因有：

（1）電極形狀設計不合理。由于電極表面不平整，突起部分的場強將增強，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。如柵網有毛刺，由于電子槍空間太小導致柵網極間距離過小，造成陰柵短路。

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

3. 收集極擊穿

由于收集極散熱不良，工作溫度過高，致使收集極材料大量放氣或揮發到絕緣材料表面，造成極間耐壓降低或管內真空度下降，降低了擊穿電壓，引起打火放電，嚴重則導致擊穿。因此，加強外部散熱，降低收集極工作溫度是關鍵，若出現批量失效則有必要從產品零件、材料及工藝方面改進。例如在收集極內孔涂覆鉬、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。

4. 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，窗片內部有過高的殘存應力；BeO窗片過薄，強度不夠，從而在外部應力（特別是溫度變化應力）的作用下導致窗片炸裂漏氣。

圖5 BeO輸出窗片炸裂失效模式

(2) 輸出開路

圖6所示為螺旋線末段熔斷部位，是導致輸出開路的失效模式。由圖6可見，開路部位的兩端已經熔融成球狀，具有局部過熱熔斷的明顯特征。鉬的熔點是2620℃，能夠使鉬螺旋線的局部點達到熔融的高溫，必須有極高的能量集中消耗在該局部點上。經分析發現是由于螺旋線末端發生了變形，使該點切入了內圓，該點受到了高能電子束的連續轟擊，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

圖7所示為輸入同軸線與慢波結構連接處燒斷熔球形貌，是導致RF輸入端開路的失效模式。管子的正常工作位置遭到了破壞，導致電子注注腰發散，慢波電路輸入處的環圈大量截獲電子，發生過熱燒毀，屬于因使用引起的關聯性失效，與管子本身的質量無關。

圖7 輸入同軸線與慢波結構連接處燒斷熔球形貌

5. 柵極失效

根據收集到的整機用TWT的質量信息，從封裝、組裝可靠性角度分析認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陰極溫度過高，造成柵放射；④管內有異物，引起陰柵短路。