低等级元器件在宇航型号应用的可靠性评估方法_梁银会.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|73电子元器件与材料低等级元器件在宇航型号应用的可靠性评估方法梁银会中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都，610036摘要：随着航天技术的快速发展，对电子元器件的功能和性能要求也越来越高，而目前高质量等级电子元器件的研制和应用相对落后，不能满足宇航型号的使用需求。迫切需要吸纳一些功能和性能满足需求的低等级元器件，但这些低等级元器件的可靠性实验要求、辐照实验要求和工艺要求等可能存在不满足宇航型号要求的情况，或者没有可靠性的数据支撑，无法直接使用，需要对这些低等级元器件进行可靠性的评估。本文针对低等级电子元器件在某宇航型号应用的问题进行了分析，并对低等级元器件在航天应用的可靠性评估方法和试验方法做了研究和分析总结。关键词：低等级元器件；宇航型号；可靠性评估中图分类号:TJ03文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.017 0引言宇航产品的高可靠性要求，以及所处的特殊空间环境，对电子元器件质量等级要求较高，要求使用高质量等级的电子元器件。随着通信技术和航天事业的快速发展，许多新技术开始在宇航产品中大量应用，如光通信和高速传输技术等，但这些新技术需要使用的很多关键元器件难以找到高质量等级，或者高质量等级元器件的性能、工作速度、容量、功耗和供货周期等不满足型号要求，如光电子器件、高速数模转换芯片等。在这种背景下，我们既要考虑宇航产品的高可靠性应用要求，又要考虑电子元器件的性能要求和可获得性，对低等级元器件在宇航产品应用的可靠性评估显得尤为重要1。某宇航型号对处理、存储、传输能力要求高，为了满足系统需求，在元器件选用上考虑了大量的低等级的光电器件（如激光器、探测器、波分复用器等），以及部分低等级高性能的时钟驱动器、模数转换芯片和FLASH等。对于这些待应用的低等级元器件，需要从航天器产品用元器件质量保证要求的符合性、工艺可实施性、空间运行环境适应性、存在的风险等方面进行评估和质量认定，必要时进行试验验证，并办理目录外元器件审批手续。本文主要从元器件应用可靠性方面，对低等级元器件在某宇航型号应用的可靠性评估方法进行分析和研究。1宇航型号元器件质量和可靠性要求1.1元器件质量等级和辐照要求一般情况下，宇航产品在质量保证过程中，对元器件的质量等级和可靠性都提出了明确的要求，对于低轨应用的某宇航型号，要求元器件质量等级为院标的CAST、SAST，以及YB等，或者有丰富在轨应用经历的高可靠元器件。对选用进口元器件要严格限制，进入QPL产品目录是最基本的要求2。对空间耐辐照要求：元器件耐受电离总剂量的能力原则上不低于10krad（Si）；元器件抗单粒子锁定LET阀值大于75MeVcm2/mg可直接选作者简介：梁银会，男，汉族，河南南阳，硕士，工程师，研究方向：电子通信。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术74|用，单粒子锁定LET阀值小于37MeVcm2/mg的器件，原则上不应选用，如选用需要有加固措施和风险评估分析。1.2低于规定等级元器件质量保证低于规定等级元器件质量保证要求如下。（1）应进行充分论证，必要时还应进行试验验证，并按规定履行审批程序。（2）应开展低于规定等级元器件的质量保证。（3）应制定升级试验方案或针对性质量保证方案，并严格按照方案要求实施。（4）升级试验方案一般包括升级筛选、DPA和到货检验等；质量保证方案一般包括元器件结构分析、筛选试验、考核试验、抗辐射能力评估（对辐射敏感元器件）、DPA试验和到货检验等。（5）升级试验方案或针对性质量保证方案的制定应考虑元器件生产厂的质量保证信息、元器件的使用经历、元器件应用部位的关键性等。（6）不能进行元器件级测试和老炼试验的元器件，应结合实际应用状态，进行针对性地测试和老炼；同时，应结合整机方案进行风险评估并采取相应措施。（7）试验完成后，在质量证明文件中应体现元器件已经历的质量保证工作。2低等级元器件质量保证和问题低于宇航型号规定的质量等级的元器件，可视为低等级元器件，针对元器件选用情况，本文所涉及的低等级元器件主要包括工业级元器件和普军级元器件。工业级元器件封装形式主要是塑封，也有少部分是金属或陶瓷封装，生产过程控制不严格，工艺、设计可能会经常更改，不同批次的图纸可能不一致，可靠性相对较低，无辐照指标，成品不进行可靠性筛选，无质量一致性检验，无其他质量证明文件，厂家一般只能提供产品合格证，且不同批次产品质量差距可能会很大。塑封器件的主要问题为温度范围窄、分层问题、吸潮问题和生产工艺问题等3-4。普军级元器件虽然一般都有详细规范，对生产过程有控制，有可靠性筛选要求和质量一致性检验要求，但可靠性筛选条件相对较低，不能满足宇航产品长期高可靠性质量要求，并且无辐照指标。3低等级元器件可靠性评估方法元器件的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性，低等级元器件材料的特殊性、设计的不完善和变更、生产过程控制不严、缺乏必要的检验手段等，决定了它较低的固有可靠性，即使经过升级筛选，也无法提高它固有的质量状态，在宇航环境中使用必然也存在风险5。我们的目的是，通过一套有效的评估和试验方法来评价产品是否具备能够在空间复杂环境中长期可靠工作的能力。元器件评价要求和措施包括以下几个方面。对采用新设计、新工艺或新材料的元器件，或缺乏可靠性应用支持数据的低等级元器件，有针对性地开展试验、分析和评估工作，以评价元器件的研制成熟度。应开展相应的质量保证工作。应根据元器件的实际状态和已有基础，对已有数据进行分析，结合具体应用要求，制定元器件评价方案，并组织实施。3.1元器件评价一般包括的实验内容（1）元器件通用规范中规定的鉴定检验所要求的试验项目。（2）元器件功能性能分析：在不同的工作条件（如温度、频率、电源电压、输入电平、负载等）下开展元器件测试覆盖性分析，测试并分析元器件的功能和性能，给出测试分析报告。（3）元器件结构分析（CA）：实施元器件结构分析（CA）工作。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|75电子元器件与材料（4）元器件极限试验：开展元器件极限试验工作，包括机械应力（如冲击、振动、恒定加速度等）、环境应力（如热冲击、温度循环、高温和贮存、潮湿等）和针对封装的试验。（5）强化寿命试验：在提高后的温度和电应力下进行元器件寿命试验。结构分析作为一种判别元器件的设计、结构和工艺合理性的重要手段，已经在宇航用元器件的质量保证过程中成熟应用。结构分析包括破坏性和非破坏性检验、分析和试验，验证元器件内部结构和构造，确定其结构设计、工艺选择和材料选择的合理性，并进一步确定是否存在可能引起失效的潜在缺陷，为我们选用元器件提供技术支撑。结构分析是可靠性评估的基础，结构分析合格后方可开展其他寿命和极端工作环境试验。3.2极端环境试验针对在轨运行过程中可能出现的突发极端工作环境，开展摸底试验，证明元器件各项性能指标能够抵御该环境。根据型号可靠性要求，以及各类元器件特点，整理出可靠性评估试验要求。对于光电子器件、混合/单片集成电路，极端环境试验的评估要求如表1所示。3.3强化寿命通过强化寿命试验评估器件工作寿命，使其能够满足型号在轨运行寿命要求。根据型号可靠性要求和各类元器件特点，整理出评估要求。对于光电子器件、混合/单片集成电路，强化寿命的评估要求如表2所示。3.4抗辐照评估（1）对缺乏辐照数据的低等级元器件，应进行抗辐照试验，获得元器件抗辐照数据。表 1光电子器件、混合/单片集成电路极端环境试验评估评估项目器件分类试验方法条件和要求样本数（不合格数）外观及机械检验光电子器件GJB128A 方法 2071按 GJB 规定至少 2（0）混合/单片集成电路GJB548B 方法 2009密封（适用时）细检漏粗检漏光电子器件GJB128A 方法 1071试验条件 H1 或 H2试验条件 C 或 D混合/单片集成电路GJB548B 方法 1014试验条件 A1 或 A2试验条件 C常温测试光电子器件混合/单片集成电路253，按详细规范测试，应符合详细规范性能要求。记录原始数据温度循环光电子器件GJB128A 方法 1051按照器件贮存温度，循环 100 次，转换时间不大于 1min混合/单片集成电路GJB548B 方法 1010常温测试光电子器件混合/单片集成电路253，按详细规范进行测试，应符合详细规范要求。记录测试数据并对比初始数据，判断变化量是否满足要求扫频振动混合/单片集成电路GJB 548B 方法 2007条件 A（20g）光电子器件GJB548B 方法 2007试验条件 A（20g）恒定加速度混合/单片集成电路GJB 548B 方法 2001参考产品技术资料，依据产品结构、力学敏感度确定机械冲击光电子器件GJB548B 方法 2002试验条件 B（1500g）混合/单片集成电路GJB 548B 方法 2002条件 B（1500g，脉宽 0.5ms）外观及机械检验混合/单片集成电路GJB548B 方法 2009按方法光电子器件GJB128A 方法 2071按规定常温测试光电子器件混合/单片集成电路253，按详细规范测试，应符合详细规范要求。记录测试数据并对比初始数据，判断变化量是否满足要求密封（适用时）细检漏粗检漏光电子器件GJB128A 方法 1071试验条件 H1 或 H2试验条件 C 或 D混合/单片集成电路GJB548B 方法 1014试验条件 A1 或 A2试验条件 Cdianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术76|（2）抗电离总剂量试验应按QJ10004的规定进行，单粒子效应试验应按QJ10005或GJB7242-2011的规定进行。（3）在完成相应的元器件辐照试验工作后，出具结论和报告。（4）如果器件辐照实验结果不能满足型号要求，而又必须选用，需要在设计上进行加固，或者评估影响域。比如低等级元器件的单粒子锁定实验结果不满足型号要求，可考虑限流加固等措施。4结语随着航天事业的快速发展，必将需要更多功能强大、性能优越、封装更小和可获得性强的电子元器件来满足项目需求，而高质量等级元器件的研制和应用相对滞后，结果是低等级电子元器件的宇航应用将越来越多，其高可靠性使用的风险评估也越来越重要。本文以某宇航型号低等级电子元器件的可靠性评估和应用成功经验作为依据，重点研究和分析了低等级元器件在宇航产品应用的可靠性评估方法和试验验证方法，为项目电子元器件的选型提供理论和数据支撑，也为其他宇航型号的低等级元器件选型和可靠性评估提供参考和借鉴。参考文献1 赵丽,张楠,王坦,等.降低商业低轨卫星星座用元器件成本的方法研究J.传感器世界,2021,27(09):7-11.2 刘伟鑫,汪波,马林东,等.低成本和商业卫星元器件抗辐射保证流程研究J.微电子学,2020,50(01):78-83.3 张洪伟,李鹏伟,孙毅.商业航天元器件抗辐射性能保证研究J.航天器工程,2019,28(06):81-86.4 赵颖,宋翔.可靠性保证中低等级器件的生产批次表征模型J.电子质量,2017(05):37-39.5 李茹.低等级进口元器件卫星使用存在问题及风险评估方法探索J.空间电子技术,2010,7(04):89-92.表 2光电子器件、混合/单片集成电路强化寿命试验评估要求试验项目器件分类试验方法条件和要求样本数（不合格数）常温测试光电子器件混合/单片集成电路253，按器件详细规范测试，应符合详细规范要求。记录初始测试数据至少 2（0）强化寿命试验光电子器件GJB128A 方法 1026按器件最高工作温度，常加电模块：4000h，其他模块：2000h混合/单片集成电路GJB 548B 方法 1005按器件最高工作温度，常加电模块：4000h，其他模块：2000h常温测试光电子器件混合/单片集成电路253，按器件详细规范测试，应符合详细规范要求。记录测试数据并对比初始数据，判断变化量是否满足要求