范紅梅，馬榮國，任澤亮，王長成，郎需光

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264003）

0 引言

盡管宇航元器件使用之前都經(jīng)歷了按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)開展的鑒定和篩選試驗，但是宇航產(chǎn)品在研制使用過程中仍然會出現(xiàn)元器件熱環(huán)境應(yīng)用失效的案例，這是因為元器件在宇航工程應(yīng)用中的試驗項目、安裝邊界條件、測試使用狀態(tài)等都與元器件的鑒定和篩選試驗有較大的差異。為此，非常有必要從系統(tǒng)的角度對宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性能力進(jìn)行驗證，以提高元器件在宇航系統(tǒng)中的應(yīng)用可靠性，滿足宇航產(chǎn)品的可靠性要求。

美國與歐洲對運(yùn)載器、航天器應(yīng)承受的環(huán)境都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對空間領(lǐng)域元器件的熱環(huán)境適應(yīng)性已有深入和廣泛的研究。為降低新型元器件空間應(yīng)用的風(fēng)險，NASA和歐洲宇航公司設(shè)置了專門的研究機(jī)構(gòu)，針對新型元器件的空間應(yīng)用需求，開展了一系列應(yīng)用驗證方法研究及試驗驗證工作，通過應(yīng)用驗證降低了新型元器件空間應(yīng)用可能帶來的風(fēng)險。國內(nèi)也已制定了宇航產(chǎn)品熱環(huán)境試驗規(guī)范，如GJB 1027A《運(yùn)載器、上面級和航天器試驗要求》、GJB 150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》、GJB 548B《微電子器件試驗方法和程序》等。盡管這些規(guī)范都對宇航產(chǎn)品的熱環(huán)境試驗方法和項目做了詳盡的要求和規(guī)定，但卻尚未形成系統(tǒng)的元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價方法。

本文從工程實際出發(fā)，研究了宇航元器件使用狀態(tài)的熱環(huán)境特性和失效案例，在對宇航元器件熱敏感性分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮相關(guān)的熱環(huán)境試驗項目、試驗程序、試驗剖面與判據(jù)，并通過實驗分析和總結(jié)，提出了宇航元器件應(yīng)用驗證熱環(huán)境適應(yīng)性評價流程和方法，建立了宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價技術(shù)。

1 熱環(huán)境適應(yīng)性評價

環(huán)境工程是系統(tǒng)地應(yīng)用各種技術(shù)和管理措施使研制和生產(chǎn)的產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性達(dá)到規(guī)定要求的系統(tǒng)工程。環(huán)境適應(yīng)性是 “裝備在其壽命期預(yù)計可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和 (或)不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一”[1]。

熱環(huán)境適應(yīng)性評價技術(shù)的研究是在調(diào)研分析國內(nèi)外宇航產(chǎn)品使用環(huán)境、試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、器件特性等基礎(chǔ)上開展的，重點(diǎn)研究了宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價試驗項目、評價判據(jù)和評價流程。

1.1 評價試驗

試驗驗證是最重要的和通常最有效的評價方法。但在某些情況下，也可使用其它評價方法，如分析與計算、檢驗、演示與仿真和相似性類比，或者將這些方法中的一種或幾種與試驗方法結(jié)合。本文研究的評價方法主要為試驗驗證。

在通常情況下，宇航元器件會經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)溫度（高/低溫）、溫度交變、真空等熱環(huán)境，這些環(huán)境將會引起元器件的材料退化和機(jī)械損壞，導(dǎo)致元器件產(chǎn)生熱失效。穩(wěn)態(tài)溫度、溫度交變、真空3種熱環(huán)境分別對應(yīng)于熱平衡、熱循環(huán)、熱真空3類試驗，宇航元器件的熱環(huán)境適應(yīng)性評價試驗通常包括上述3種試驗項目。

1.2 評價判據(jù)

宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價以試驗驗證的方式進(jìn)行，評價判據(jù)包括試驗失效判據(jù)、元器件滿足熱環(huán)境適應(yīng)性要求的判據(jù)、元器件不滿足熱環(huán)境適應(yīng)性要求的判據(jù)。

a）試驗失效判據(jù)

當(dāng)試驗發(fā)生下列任何一種情況時，可以認(rèn)為試驗失效：

1）檢測的性能參數(shù)指標(biāo)超出了電子設(shè)備有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的允許極限；

2）不滿足安全要求或出現(xiàn)危及安全的情況；

3）試驗組件出現(xiàn)某些變化，從而使電子設(shè)備不能滿足原定的使用壽命或維修要求；

4）試驗達(dá)不到規(guī)定的要求；

5）試驗偏離規(guī)定的環(huán)境要求；

6）在電子設(shè)備有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的、另外的不同的失效判據(jù)。

b）元器件滿足熱環(huán)境適應(yīng)性要求的判據(jù)

宇航元器件的種類繁多、應(yīng)用廣泛，元器件的封裝形式、安裝方式、材料和工藝等特性的不同，對熱環(huán)境適應(yīng)能力和失效模式也不同。當(dāng)試驗元器件滿足下列情況時，可以認(rèn)為滿足熱環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)用驗證要求：

1）元器件工作正常、結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，且航天器用元器件的工作溫度應(yīng)該滿足I級溫度降額要求；

2）元器件工作正常、結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭用元器件的工作溫度應(yīng)該滿足II級溫度降額要求；

3）元器件表面殼溫或關(guān)鍵部位溫度不超出設(shè)計范圍。

c）元器件不滿足熱環(huán)境適應(yīng)性要求的判據(jù)

當(dāng)試驗元器件滿足下列任何一種情況時，可以認(rèn)為不滿足熱環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)用驗證要求：

1）航天器用元器件的工作溫度不滿足I級溫度降額要求；

2）導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭用元器件的工作溫度不滿足II級溫度降額要求；

3）性能參數(shù)指標(biāo)的偏離值超出了元器件有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件規(guī)定的允許極限；

4）結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；

5）元器件表面殼溫或關(guān)鍵部位溫度超出設(shè)計范圍。

1.3 評價流程

為了實現(xiàn)宇航元器件的熱環(huán)境適應(yīng)能力的評價目的，本文綜合考慮宇航型號產(chǎn)品的熱環(huán)境試驗要求和元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價目的，形成了宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價流程。評價流程包括選擇元器件樣品、確定元器件熱敏感參數(shù)、設(shè)計試驗剖面和試驗系統(tǒng)、確定監(jiān)控參數(shù)、試驗實施和數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)，如圖1所示。

a）選擇元器件樣品

參與評價試驗的元器件樣品，包括被評價元器件樣品和比對用元器件樣品，確定樣品可參考以下原則：

1）被評價元器件樣品的數(shù)量一般為2～5只，具體的數(shù)量可根據(jù)元器件的特點(diǎn)、試驗項目和試驗要求確定；

2）使用1只成熟的同類型元器件進(jìn)行功能、性能比對。

b）確定元器件的熱敏感參數(shù)

分析元器件的熱環(huán)境敏感性，需要綜合考慮宇航元器件的封裝形式、成型工藝、外形尺寸、功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。元器件的應(yīng)用可靠性主要會受元器件自身特性和應(yīng)用環(huán)境嚴(yán)酷程度的影響，確定元器件的熱敏感參數(shù)要將元器件的熱敏感性與熱環(huán)境相結(jié)合。

通過元器件的熱敏感性分析可以確定是否開展該元器件的熱環(huán)境適應(yīng)性驗證。元器件的封裝、基體材料、安裝方式、電參數(shù)只要有一項對某一熱環(huán)境敏感，則這類環(huán)境試驗是必須進(jìn)行的。

c）確定熱試驗剖面

熱試驗剖面包括：熱應(yīng)力和電應(yīng)力剖面。

熱應(yīng)力和電應(yīng)力剖面一般以元器件的試驗條件和壽命要求為參考，在應(yīng)用環(huán)境實測或預(yù)測應(yīng)力水平上增加一定的裕量即得到試驗應(yīng)力，溫度裕量值通常為5～15℃。若試驗應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)熱試驗應(yīng)力水平，則適當(dāng)?shù)靥岣咴Ａ恐怠?/p>

宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價試驗要求在元器件工作狀態(tài)下進(jìn)行，試驗電應(yīng)力剖面應(yīng)與元器件真實的工作應(yīng)力剖面一致。

d）試驗系統(tǒng)的設(shè)計

試驗系統(tǒng)需要具有代表性且能在規(guī)定的熱環(huán)境條件下正常工作。

e）監(jiān)控參數(shù)的確定

宇航元器件很多參數(shù)會受熱環(huán)境的影響，最終因參數(shù)超出應(yīng)用要求而影響設(shè)備性能。在試驗過程中，一般選取如下參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控：

1）熱敏感參數(shù)反映了元器件性能對于熱環(huán)境的敏感性，應(yīng)對元器件的熱敏感參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控；

2）元器件的性能關(guān)鍵參數(shù)反映了元器件的應(yīng)用性能要求，應(yīng)對元器件的性能關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控；

3）應(yīng)對元器件的電參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，監(jiān)測試驗過程電參數(shù)是否存在變化、瞬態(tài)電參數(shù)變化是否會影響產(chǎn)品功能；

4）應(yīng)對元器件安裝點(diǎn)及殼體溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，以監(jiān)測元器件溫度是否超出設(shè)計范圍；

5）結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的元器件，應(yīng)對其發(fā)熱量較大的部位和影響元器件功能的關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度監(jiān)控。

f）評價試驗實施

宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗在力學(xué)環(huán)境適應(yīng)驗證試驗之后進(jìn)行，宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價按照試驗大綱中規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行。熱試驗可按以下兩種試驗順序進(jìn)行：

1）熱循環(huán)、熱真空、熱平衡；

2）熱真空、熱循環(huán)、熱平衡。

在試驗過程中，可以根據(jù)試驗失效判據(jù)來判定試驗的有效性。若試驗無效，則需要分析原因，修正后重新進(jìn)行試驗。

g）評價結(jié)論

若試驗有效，則對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和評價判據(jù)，給出宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價結(jié)論。

2 試驗驗證

根據(jù)器件樣品選取原則，選取國產(chǎn)元器件FPGA為被評價對象、進(jìn)口元器件FPGA為比對用元器件，元器件的焊裝符合宇航產(chǎn)品焊裝工藝要求。印制板選用基材為FR-4的覆銅板，板厚為2 mm。設(shè)備結(jié)構(gòu)為衛(wèi)星電子設(shè)備典型的插件式結(jié)構(gòu)，機(jī)殼材料為鋁合金2A12-H112，國產(chǎn)和進(jìn)口FPGA器件分別安裝在兩塊完全相同的印制板上，驗證試驗單機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

在圖2中，插件1和插件7為單印制板插件，印制板上無發(fā)熱器件；插件2、插件4和插件6中均無印制板，插件面板上打過線孔；插件3和插件5的設(shè)計狀態(tài)一致。插件3上FPGA器件為進(jìn)口器件，插件5上為國產(chǎn)器件。插件通過1394通訊來驗證印制板上FPGA器件的熱環(huán)境適應(yīng)性。

根據(jù)被評價元器件的特點(diǎn)，可以確定其對穩(wěn)態(tài)溫度、溫度交變和真空3種熱環(huán)境都很敏感。因此，評價試驗項目為熱平衡、熱循環(huán)、熱真空，試驗順序為熱循環(huán)、熱真空和熱平衡，試驗條件選取航天器組件產(chǎn)品通用的熱環(huán)境試驗條件。熱試驗獲得了元器件實際工程應(yīng)用中的性能指標(biāo)和溫度分布情況，給出了評價結(jié)果。宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價總結(jié)如下：

a）宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性試驗組件的設(shè)計應(yīng)符合宇航產(chǎn)品的相關(guān)設(shè)計規(guī)范，應(yīng)具有良好的傳熱性能并滿足機(jī)-電-熱接口要求，不應(yīng)出現(xiàn)熱源集中或傳熱路徑切斷而損壞元器件的現(xiàn)象，確保組件設(shè)計滿足試驗要求。

b）試驗前，應(yīng)利用熱分析軟件預(yù)示宇航元器件在典型裝機(jī)條件下的熱環(huán)境，并根據(jù)熱分析結(jié)果將溫度傳感器布置在元器件殼體的高溫區(qū)域，以減少傳感器位置不當(dāng)而引起的試驗誤差。在驗證試驗中，F(xiàn)PGA器件的測溫傳感器分別在器件外殼中心、器件外殼邊腳、器件附近的印制板上。通過對測溫點(diǎn)的熱分析和熱試驗溫差進(jìn)行分析，可知所有的溫度測點(diǎn)的熱分析與熱試驗溫差小于3%，均在工程誤差范圍以內(nèi)。因此，熱分析結(jié)果可以作為溫度傳感器的布局依據(jù)。

c）應(yīng)按照要求監(jiān)測和記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象。對各項試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和確認(rèn)，從而得出器件相應(yīng)的熱環(huán)境適應(yīng)性能力。

d）熱試驗前按照器件規(guī)范檢測器件主要功能和性能指標(biāo)，并測試正常工作狀態(tài)下單板的電性能。試驗過程中實時監(jiān)測應(yīng)用熱環(huán)境狀態(tài)下實現(xiàn)的1394總線數(shù)據(jù)傳輸、處理功能以及FPGA器件的溫度和單板電流、電壓。試驗后對器件進(jìn)行外觀、功能和性能檢測，并測得正常工作狀態(tài)下單板的電性能。

表1 電性能測量結(jié)果

通過對比試驗前，試驗中，試驗后的電壓、電流值，國產(chǎn)FPGA單板的電壓變化范圍在0.01 V以內(nèi)，進(jìn)口FPGA單板的電壓變化范圍在0.009 V以內(nèi)；國產(chǎn)FPGA單板的電流變化范圍在0.005 A以內(nèi)，進(jìn)口FPGA單板的電流變化范圍在0.01 A以內(nèi)。國產(chǎn)和進(jìn)口FPGA單板測量電流不一致，主要是因為兩個單板上電源模塊的轉(zhuǎn)換效率不一樣；在給定的熱試驗條件下，被測單板的電性能參數(shù)變化不大，在允許波動的范圍之內(nèi)；發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)均正常，表明元器件電性能正常。

表2 環(huán)境溫度70℃時的溫度測量結(jié)果

從試驗數(shù)據(jù)來看，國產(chǎn)FPGA和進(jìn)口FPGA相對于環(huán)境的最高溫升為7.1℃，且國產(chǎn)FPGA器件的溫升高于進(jìn)口FPGA器件。

試驗后FPGA器件沒有出現(xiàn)管腿或者殼體燒蝕的情況，F(xiàn)PGA器件外觀正常。

綜上所述，可以判定進(jìn)口和國產(chǎn)FPGA器件均適應(yīng)于給定的熱環(huán)境，但進(jìn)口FPGA器件的熱環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。

e）元器件熱環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗是一種新的元器件評估方式，與元器件級的試驗不同的是，前者考慮了元器件的安裝熱阻且能夠反映出元器件在不同熱環(huán)境中的使用薄弱環(huán)節(jié)，可以作為元器件熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計驗證的必要手段。需要說明的是，元器件熱環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗也不同于宇航組件的熱試驗，后者關(guān)心的是整機(jī)的功能適應(yīng)性，而前者更側(cè)重于監(jiān)測元器件在應(yīng)用狀態(tài)下的性能參數(shù)變化和溫度對元器件性能的影響。

綜上所述，熱環(huán)境適應(yīng)性驗證結(jié)果說明所進(jìn)行的熱試驗方法正確、可行，元器件熱環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗有效地補(bǔ)充了元器件鑒定和篩選試驗數(shù)據(jù)，能夠有效地評價元器件在宇航產(chǎn)品中對熱環(huán)境的適應(yīng)能力，具有較高的工程實用價值。

3 結(jié)束語

本文通過研究，確立了宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價技術(shù)，為后續(xù)應(yīng)用驗證工作的開展奠定了基礎(chǔ)。宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價技術(shù)的應(yīng)用既滿足了用戶了解元器件熱環(huán)境適應(yīng)能力的需要，也為元器件的工藝和設(shè)計改進(jìn)提供了技術(shù)支持，最終將為宇航元器件質(zhì)量保證工作提供技術(shù)支撐。

[1] GJB 4239-2001，裝備環(huán)境工程通用要求 [S].