馬榮國，范紅梅，肖軍強，王長成，郎需光

（山東航天電子技術研究所，山東 煙臺 264003）

0 引言

電子元器件是電子設備的基礎，是保證電子設備高可靠工作的基本資源，其可靠性直接影響設備的工作效能和優(yōu)良性能的充分發(fā)揮，隨著電子技術的迅速發(fā)展和電子元器件應用數量的增多及作用的突出，對電子元器件的工程應用可靠性和適用性提出了越來越高的要求。嚴酷的力學環(huán)境經常造成宇航元器件的結構損壞、機械強度損失、磨損增加和電參數漂移等故障損壞和失效[1-2]，例如：某航天器電子產品在做力學環(huán)境鑒定試驗后出現集成電路器件管腳斷裂和繼電器誤動作等器件失效，經分析其原因是由于動力環(huán)境條件使元器件結構產生較大的響應加速度、機械應力和應變。根據相關標準和規(guī)范，元器件和宇航產品的力學環(huán)境試驗的項目基本相同，主要有恒加速度試驗、沖擊試驗、正弦和隨機振動試驗，但是試驗條件和要求不盡相同。雖然元器件的篩選和鑒定試驗量級高于宇航產品，且試驗頻域較寬、時間也較長，但是元器件試驗時固定其殼體，而實際的宇航產品中為管腳焊裝；元器件試驗中一般不進行電性能實時監(jiān)測，而實際的宇航產品試驗過程中對產品電性能進行實時監(jiān)測，保證產品試驗過程中也要可靠、正常工作。由于元器件在宇航應用中的試驗條件、安裝邊界條件、測試使用狀態(tài)等都與元器件自身按標準開展的鑒定和篩選試驗有很大的差別，并且元器件在宇航產品應用中動力響應放大，其實際動力響應值有可能在局部頻段超出元器件的最大試驗量級，導致元器件在宇航型號產品應用中出現許多元器件因力學環(huán)境適應問題造成的失效和故障，這說明元器件確實存在與應用狀態(tài)和應用環(huán)境相關的適應性問題。元器件設計定型后對在宇航工程中應用的力學環(huán)境適應能力評價不充分，缺乏相關的支撐數據。所以非常有必要從實際應用系統(tǒng)的角度出發(fā)，對宇航元器件力學環(huán)境適應性評價技術進行研究，全面掌握元器件的電性能和機械性能對力學環(huán)境的承受能力，采用定量分級的判據對宇航元器件的力學環(huán)境適應能力進行評價，提高元器件在宇航系統(tǒng)中的應用可靠性。

美國與歐洲對運載器、航天器應承受的環(huán)境都制定了相應的標準和規(guī)范，對空間、軍事等領域的電子元器件在力學環(huán)境適應性方面已有較為深入和廣泛的研究。為降低新型元器件空間應用的風險，NASA和歐洲宇航公司設置了專門的研究機構，針對新型元器件的空間應用需求，開展了一系列應用驗證方法研究及試驗驗證工作。在開展應用驗證工作的基礎上形成了新型元器件選擇和應用指南，使設計師能夠選好、用好新型元器件，通過應用驗證而降低了新型元器件空間應用可能帶來的風險。

國內已制定了較全面、詳細的宇航產品和元器件力學環(huán)境試驗標準和規(guī)范，主要有GJB 1027A《運載器、上面級和航天器試驗要求》、GJB 150《軍用設備環(huán)境試驗方法》、GJB 548B《微電子器件試驗方法和程序》及一些企標等，對宇航產品和元器件的力學環(huán)境試驗方法和項目做了詳盡的要求和規(guī)定。但是元器件的應用驗證工作尚未系統(tǒng)開展，技術儲備薄弱，沒有專業(yè)機構可以系統(tǒng)地提供應用驗證技術服務，更無數據充分、針對性強的應用指南來指導宇航工程的合理使用。

1 研究內容和過程

研究主要內容包括宇航產品和元器件的力學使用環(huán)境、試驗標準規(guī)范的調研，宇航元器件特性和力學環(huán)境敏感要素的研究，宇航元器件力學環(huán)境適應性評價方法的研究，宇航元器件力學環(huán)境典型驗證系統(tǒng)的研制，并針對典型的宇航核心元器件，開展相關力學環(huán)境試驗驗證和評價。

環(huán)境工程是將多種學科技術和工程實踐經驗用于減緩各種環(huán)境對裝備效能影響或裝備耐環(huán)境能力的一門工程科學，包括環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應性設計和環(huán)境評價等方面的技術內容。本研究從實際的應用出發(fā)，以環(huán)境工程理論為基礎，廣泛調研和收集了國內外宇航產品和元器件的力學環(huán)境試驗標準規(guī)范，對典型的宇航級微電路、組件、系統(tǒng)的鑒定試驗中的力學環(huán)境試驗項目和試驗條件進行了對比分析，確定宇航元器件力學環(huán)境適應能力的應力剖面；深入研究宇航元器件的力學環(huán)境失效案例，根據典型的失效模式和失效機理，從力學環(huán)境和元器件機械特性兩方面研究并提出宇航元器件力學環(huán)境敏感要素主要有加速度、振動頻率和作用時間，材料、工藝、結構形式、尺寸和重量、封裝和安裝方式、電功能及性能等，最終形成宇航元器件對力學環(huán)境的敏感性和敏感要素矩陣表；按照宇航組件級產品設計規(guī)范的要求，建立有代表性的典型試驗評價系統(tǒng)，確定典型裝機條件下元器件的力學應力預計情況，建立宇航元器件的力學環(huán)境適應性評價方法。運用仿真分析技術和樣機試驗來驗證評價方法的正確性和合理性，最終的研究成果是一系列的研究報告和指南性文件。

2 評價方法和流程

2.1 評價方法

按照相關標準的規(guī)定，結合元器件力學環(huán)境適應性評價的具體特點和要求，力學環(huán)境適應性評價方法主要包括分析法、相似性法和試驗法等內容[3]。重點參照了標準QJ 3135-2001《導彈武器系統(tǒng)、運載火箭和航天器環(huán)境工程大綱》，該標準是根據導彈武器系統(tǒng)、運載火箭和航天器環(huán)境工程特點，參考MIL-STD-810F、 《美國國防裝備環(huán)境手冊》、 《美國軍用裝備環(huán)境指南》等內容，對產品環(huán)境適應性設計、試驗與驗證內容進行了規(guī)定。

一般情況下，應采用幾種方法的組合對宇航元器件進行力學環(huán)境適應性評價，例如：分析與試驗或者相似性與試驗，及三者的結合等。適用的裝配級可以是組件級、分系統(tǒng)級及飛行器級，當然，通常最重要和最有效的評價方法是試驗法。

a）仿真分析法

仿真分析通常用來獲取線路板和組件的力學特性，或在物理評價階段獲取無法通過物理試驗獲取的局部數據。因此，分析既是物理試驗的指導，也應與評價試驗結合進行，并通過試驗獲得的數據來修正分析模型。

分析的方法、所用的軟件應經過充分的驗證，以保證不會由于分析方法或軟件的原因而得到與實際情況差異較大的結果；此外，分析模型應經過局部或完整的驗證，以保證分析模型的準確性。

b）相似性法

相似性評價通常是與分析相結合來證明元器件的一種應用情況與另一種類似，而被比較者已經按等效的或更嚴格的準則經過了評價。該評價方法包括對元器件應用環(huán)境的組件結構狀態(tài)、組件應用狀態(tài)以及對以前試驗數據的評價與審查，還包括將以前試驗量值與新的特定力學環(huán)境適應性要求的比較。因此，相似性評價適用于元器件應用于組件級產品的評價。

當某元器件應用的組件在不同的型號上被繼承使用時，就可以用已經過驗證的組件來證明該組件具有規(guī)定的余量，從而表明該元器件能夠適應該組件的力學環(huán)境，對宇航元器件進行力學環(huán)境適應性評價。

c）試驗法

環(huán)境模擬試驗是工程中最有效的驗證方法，很多失效模式都是在力學環(huán)境試驗下激發(fā)的。環(huán)境試驗可以誘發(fā)產品中的設計缺陷、工藝缺陷以及元器件缺陷。這些缺陷是由于裝配連接或緊固操作不當，或工藝方法不當造成的。常見的缺陷是結構破壞、短路、開路、松脫和電性能異常等。應分析宇航元器件的應用環(huán)境，進行力學環(huán)境的剖面分析，確定力學環(huán)境試驗的類型和量級，并且在試驗前、中、后按規(guī)定要求檢查和監(jiān)測元器件的主要技術性能指標參數，對比試驗結果和判據，評價元器件的力學環(huán)境適應能力。

一般電子產品的力學試驗驗證項目包括恒加速度試驗、沖擊試驗、正弦振動試驗和隨機振動試驗[4]。

2.2 評價流程

按照力學環(huán)境適應性評價方案開展元器件力學環(huán)境適應性評價，一般工作流程如圖1所示，主要的工作項目包括元器件力學環(huán)境適應性特性分析、樣品確定、力學環(huán)境適應性試驗項目確定和試驗系統(tǒng)設計、力學環(huán)境適應性試驗，最終通過整理數據，形成宇航元器件力學環(huán)境適應性評價報告。宇航元器件力學環(huán)境適應性評價技術流程應按照圖2進行，主要內容包括分析并確定元器件力學敏感性和敏感參數、確定評價試驗應力剖面、試驗系統(tǒng)設計、評價試驗、數據分析和評價判據等。

3 評價判據

宇航元器件的種類繁多、應用廣泛，元器件的封裝形式、安裝方式、材料和工藝等特性不同，力學環(huán)境適應能力和失效模式也不同。常規(guī)的宇航電子產品力學環(huán)境項目有：恒加速度、正弦振動、隨機振動和機械沖擊。這些力學環(huán)境項目使元器件產生機械應力，機械應力可使電子元器件發(fā)生結構損壞、機械強度損失、磨損增加和電參數漂移等故障。通過分析這些力學環(huán)境對元器件性能指標影響較大的因素有加速度、振動頻率和作用時間等，而元器件自身對力學環(huán)境的敏感要素主要有材料特性、結構及安裝方式、尺寸及重量、電功能及性能等。

在對評價系統(tǒng)進行試驗過程中，全程實時監(jiān)測元器件電氣和機械功能和性能。宇航元器件力學環(huán)境驗證試驗前和試驗后，按照有關規(guī)范的要求，對元器件的外觀、焊點、功能和性能指標進行測試，分析比對，并按照這些評價要素的滿足程度分級定量評價宇航元器件的力學環(huán)境適應性能力水平，獲得的結果用于支撐宇航元器件和型號產品保證的技術和管理決策，并為編制應用指南提供數據和資料。

4 試驗驗證

4.1 試驗簡介

以某型號衛(wèi)星電子設備作為力學環(huán)境適應性評價試驗組件。設備中使用了DC/DC、SRAM、FPGA和CPU等宇航元器件，屬于宇航核心電子器件中的典型品種。設備結構為衛(wèi)星電子設備典型的模塊組合式結構，組件由7個結構功能模塊組成，其電功能和性能、結構形式、尺寸和重量均具有代表性。

組件的力學環(huán)境試驗項目和順序為：沖擊試驗、正弦振動試驗、隨機振動試驗和恒加速度試驗。試驗條件選取航天器組件產品通用的力學試驗條件和要求。根據仿真分析的結果，在元器件中心PCB板背面和關心的結構部位布置安裝加速度傳感器，并連接導線以全程實時監(jiān)測設備及元器件的電性能參數和加速度響應值。

試驗過程中組件電壓、電流等主要電功能和性能正常，軟件運行正常，未出現異常報警和程序停止等現象。試驗結束后，檢測組件的必要電功能和性能指標，在給定的力學環(huán)境試驗條件下，被測組件的電性能參數變化不大，在允許波動的范圍之內，發(fā)送數據和接收數據均正常，表明元器件工作正常。試驗前、后按照器件規(guī)范檢測器件主要機電功能和性能指標，測得器件電性能指標正常穩(wěn)定；器件外殼、管腿和焊點完好，沒有斷裂和脫落等故障現象，能夠滿足宇航型號產品力學環(huán)境的工程應用要求。

組件是元器件的直接載體，組件環(huán)境即為元器件的應用環(huán)境，對于不同的組件來說，不同的環(huán)境類型存在不同的放大或衰減效果。由于一般動力學環(huán)境量級以加速度值來衡量，且便于測量，所以試驗中重點監(jiān)測器件中心部位的加速度響應值，獲取器件中心部位的加速度等動力響應數據。因為驗證試驗使用工程應用的典型宇航電子產品，并且施加通用的航天器組件力學環(huán)境試驗條件，這樣能夠客觀、真實地驗證宇航元器件宇航應用狀態(tài)的技術性能，從而有效地評價元器件在宇航產品工程應用中對力學環(huán)境的適應能力。

通過分析對比響應加速度的試驗數據，仿真結果與試驗結果的誤差在5%以內，力學仿真分析的結論有較高的可信度。正弦振動器件中心最大響應加速度為16.87 g，小于GJB 548B方法2007器件的掃頻振動的試驗條件A（峰值加速度20 g）；隨機振動器件中心峰值功率譜密度為0.45 g2/Hz，小于GJB 548B方法2026.1器件的隨機振動的試驗條件H（峰值功率譜為0.60 g2/Hz）；而最大響應均方根加速度為49.4 g，略大于GJB 548B方法2026.1器件的隨機振動的最大試驗條件K（峰值加速度47.2 g）[5]。由試驗結果可以看出，雖然器件的試驗量級大于宇航產品的試驗量級，但是，由于試驗組件在力學環(huán)境激勵下存在動力響應放大作用，導致設備內監(jiān)測的器件實際動力響應值在局部頻段超出器件相關標準規(guī)定的最大試驗量級，再加上安裝邊界的不同，就有可能出現元器件在應用中的失效和故障，這就充分說明工程應用前對宇航元器件進行系統(tǒng)的力學環(huán)境適應性評價的重要性、必要性和有效性。

4.2 試驗要點

a）試驗組件是用于宇航元器件力學環(huán)境適應性評價試驗的系統(tǒng)平臺，所以試驗組件的設計應符合宇航產品的相關設計規(guī)范，滿足機、電、熱接口要求，試驗組件結構設計應具有足夠的強度、剛度等機械性能，不應出現由于組件結構設計不合理引起應力過度放大而損壞元器件的現象，以確保滿足評價試驗的要求。

b）應利用數字仿真分析工具，試驗前對評價試驗組件進行結構力學分析，預示宇航元器件在典型裝機條件下的力學環(huán)境應力，為宇航元器件的力學環(huán)境適應性評價試驗項目和應力剖面的確定提供依據，從而有效地指導了力學環(huán)境適應性評價試驗工作。

c）依據力學環(huán)境適應性評價試驗項目要求，結合被評價元器件的力學特點，確定元器件的力學環(huán)境敏感性和試驗評價要素并按照要求監(jiān)測和記錄相關試驗數據和試驗現象。對各項試驗數據進行分析和確認，從而得出器件相應的力學環(huán)境適應性能力。

5 結束語

通過對宇航產品和元器件工程應用的力學環(huán)境條件和相應的失效案例調研分析，初步確定了主要宇航元器件力學環(huán)境的敏感要素及分類原則，建立了宇航元器件力學環(huán)境適應性評價方法和力學環(huán)境適應能力量化分級判據指標，并通過力學環(huán)境試驗驗證了評價方法和流程合理可行。由于宇航元器件的種類繁多，應用部位、任務要求也有很大的差別，對于不同的元器件和不同的應用環(huán)境，具體的力學環(huán)境適應性評價方案會有較大的區(qū)別，因此這里僅對宇航元器件力學環(huán)境適應性的試驗評價方法進行通用的論述，今后尚需在實踐中不斷改進和完善，逐步形成宇航元器件應用驗證力學環(huán)境適應性評價指南和標準，為宇航元器件保證和宇航產品保證提供技術支撐。

[1]王藴輝，于宗光，孫再吉.電子元器件可靠性設計[M].北京：科學出版社出版，2007.

[2]金玉豐，王志平，陳兢.微系統(tǒng)封裝技術概論[M].北京：科學出版社出版，2006.

[3]GJB 1027A-2005，運載器、上面級和航天器試驗要求[S].

[4]QJ 3135-2001，導彈武器系統(tǒng)、運載火箭和航天器環(huán)境工程大綱[S].

[5]GJB 548B-2005，微電子器件試驗方法和程序[S].