李永正，黨煒，呂德勝，張澤明，梁兆剛

（1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）

0 引言

COTS（Commercial off-the-shelf即 “商用貨架”）元器件是指可以在市場(chǎng)上直接購(gòu)買的元器件[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，集成電路設(shè)計(jì)，以及半導(dǎo)體平面工藝等技術(shù)迅速發(fā)展，COTS元器件更新?lián)Q代較快，符合 “摩爾定律”的規(guī)律；而現(xiàn)有的宇航級(jí)元器件可靠性較高，但是更新?lián)Q代較慢、品種較少。COTS元器件具有高性能、低成本、易采購(gòu)和短貨期等優(yōu)點(diǎn)，但多為工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)的民用元器件[2]，生產(chǎn)工藝和制造標(biāo)準(zhǔn)主要面向工業(yè)和個(gè)人消費(fèi)等領(lǐng)域，在有高可靠性要求的空間領(lǐng)域使用存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，原則上其使用范圍受到限制。

我國(guó)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)的主要任務(wù)是利用載人航天器的空間實(shí)驗(yàn)支持能力開展各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，主要領(lǐng)域包括：對(duì)地觀測(cè)、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間天文、空間環(huán)境、空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)和微重力流體物理實(shí)驗(yàn)等[3]。空間科學(xué)與應(yīng)用載荷涉及學(xué)科廣泛，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量巨大、傳輸速率超高，精度、頻率和可靠性等指標(biāo)要求嚴(yán)酷，這就造成了宇航級(jí)元器件無(wú)法滿足高性能的要求，而高性能元器件無(wú)法滿足宇航高可靠性要求的現(xiàn)象。因而不得不采用低質(zhì)量等級(jí)的COTS元器件，為了降低在空間科學(xué)與應(yīng)用載荷中使用COTS元器件的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)研究制定相應(yīng)的質(zhì)量與可靠性保證措施。

本文對(duì)幾種空間科學(xué)載荷用COTS元器件在質(zhì)量保證過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了問(wèn)題出現(xiàn)的機(jī)理，以及可能造成的失效，制定并實(shí)施了相應(yīng)的質(zhì)量與可靠性保證措施，定量地預(yù)計(jì)了這幾種COTS元器件的使用可靠性，并得到了驗(yàn)證。本文對(duì)某空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)選用的幾種COTS元器件進(jìn)行了有意義的探索。

1 幾種COTS元器件的質(zhì)量問(wèn)題

1.1 元器件基本信息

某空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)選用的3種COTS元器件，分別是OHMITE公司生產(chǎn)的型號(hào)規(guī)格為SM 10302-5007-K的厚膜精密高壓電阻、Xilinx公司生產(chǎn)的型號(hào)規(guī)格為XQ2V3000-CG717AGT的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA：Field Programmable Gata Array）集成電路、某公司生產(chǎn)的型號(hào)規(guī)格為XX的激光二極管，3種元器件的基本信息如表1所示。在元器件質(zhì)量保證過(guò)程中，3種元器件均出現(xiàn)了質(zhì)量問(wèn)題，但是，由于該空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的特殊要求、經(jīng)費(fèi)約束，以及工程研制周期緊張等因素的限制，而不得不繼續(xù)使用，為此專門研究并制定了質(zhì)量與可靠性保證措施。

表1 3種元器件基本信息

1.2 SM 10302-5007-K型高壓電阻

SM 10302-5007-K型厚膜精密高壓電阻的特性參數(shù)如下：阻值參數(shù)5000 MΩ，精度±10%，額定功率2 W，最大工作電壓7.5 kV[4]。采用厚膜電阻技術(shù)，鋁基底散熱，高溫硅樹脂封裝。該電阻具有溫度系數(shù)穩(wěn)定、無(wú)電感效應(yīng)、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，可用于高壓電源和限流器等，外部形貌如圖1所示。厚膜電阻技術(shù)主要采用絲網(wǎng)印刷燒結(jié)工藝，包括制作原圖、制作掩膜、漿料配制、印刷成型和烘干燒結(jié)等幾個(gè)關(guān)鍵的工藝步驟[5]。電阻耐高壓特性主要取決于電阻材料的絕緣性、溫度系數(shù)，以及基底材料的散熱性等因素。在該項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，該電阻作為離子泵高壓電源電壓取樣電阻的分壓電阻，從耐壓指標(biāo)上比較，目前市場(chǎng)上沒(méi)有找到可替代的產(chǎn)品。

在元器件質(zhì)量保證過(guò)程中，該批高壓電阻抽取樣品做破壞性物理分析 （DPA：Destructive Physical Analysis）時(shí)發(fā)現(xiàn)電阻條出現(xiàn)粘連和帶狀空隙。由于此類電阻器是GJB 4027A-2006軍用電子元器件破壞性物理分析試方法[6]未列入的電子元器件類別，但是，電阻結(jié)構(gòu)與金屬箔固定電阻器類似，屬于條形電阻結(jié)構(gòu)。金屬箔電阻器的主要制作工藝為合金制備、合金剪切、壓延、熱處理、基板粘接、光刻、焊接、阻值調(diào)整、涂硅和成型封裝等流程[7]。金屬箔電阻器與厚膜高壓電阻結(jié)構(gòu)相近，其失效機(jī)理類似，帶狀空隙缺陷都易產(chǎn)生高阻過(guò)熱和過(guò)電應(yīng)力，造成電阻條開路失效，故參考GJB 4027A-2006工作項(xiàng)目0102金屬箔固定電阻器，給出合格與否的結(jié)論。內(nèi)部目檢發(fā)現(xiàn)電阻帶個(gè)別位置寬度小于原寬度的80%，同時(shí)存在將絕緣區(qū)寬度減小50%的粉粒，如圖2所示。依據(jù)GJB 4027A-2006工作項(xiàng)目0102-2.4.3d與工作項(xiàng)目0102-2.4.3h[6]，該缺陷屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷，內(nèi)部目檢項(xiàng)目不合格，DPA結(jié)論為不合格。

圖2 SM 10302-5007-K型高壓電阻內(nèi)部形貌

1.3 XQ 2V3000-CG717AGT型FPGA

XQ2V3000-CG717AGT型FPGA使用陶瓷金屬蓋密封封裝，可配置邏輯模塊數(shù)為64×56，片上隨機(jī)存儲(chǔ)器塊數(shù)448 Kbits，可用最大I/O數(shù)為516， 單元排列周期 1.27 mm， 尺寸 35 mm2×35 mm2，總計(jì)717個(gè)管腳[8]，外部形貌如圖3所示。FPGA芯片采用半導(dǎo)體CMOS工藝制作，特征線寬為0.15 μm/0.12 μm的8層布線技術(shù)。該器件具有處理速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，可用于數(shù)字信號(hào)處理、無(wú)線電通信等領(lǐng)域，尤其適合于該空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在元器件質(zhì)量保證過(guò)程中，該批集成電路抽取樣品做DPA時(shí)，X射線照相檢查發(fā)現(xiàn)器件密封區(qū)不連續(xù)，如圖4所示，依據(jù)MIL-STD-883H METHOD 2012.8-3.10.2.2e判據(jù)[9]，密封寬度不到設(shè)計(jì)密封寬度的75%，屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷，DPA結(jié)論為不合格。

圖3 XQ 2V3000-CG717AGT型電路外部形貌

圖4 X射線照相顯示密封區(qū)不連續(xù)

1.4 XX型激光二極管

該激光二極管基于單頻率激光芯片技術(shù)設(shè)計(jì)，分子束外延方法生長(zhǎng)而成，具有低損耗和高輸出功率的特點(diǎn)。采用TO-8金屬管殼密封封裝和半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)，輸出近紅外激光。在該項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，該器件作為激光冷卻的光源，是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的基本條件，從力學(xué)、熱穩(wěn)定性和功率需求上，目前市場(chǎng)上無(wú)替代產(chǎn)品。

在元器件質(zhì)量保證過(guò)程中，該批激光二極管抽取樣品做DPA時(shí)，內(nèi)部目檢發(fā)現(xiàn)鍵合點(diǎn)采用加固型復(fù)合鍵合，部分復(fù)合鍵合點(diǎn)引線的尾絲在鍵合區(qū)的長(zhǎng)度超過(guò)引線直徑的2倍，如圖5所示。由于GJB 4027A-2006標(biāo)準(zhǔn)無(wú)加固型復(fù)合鍵合點(diǎn)適用的檢驗(yàn)判據(jù)，故依據(jù)MIL-STD-883H 2017.9 METHOD 3.1.5.8h條[9]，內(nèi)部目檢項(xiàng)目不合格，DPA結(jié)論為不合格。

2 質(zhì)量問(wèn)題分析與可靠性保證研究

2.1 元器件質(zhì)量問(wèn)題FMEA

參考故障模式影響分析 （FMEA：Failure modes effect analysis）方法[10]對(duì)3種元器件質(zhì)量問(wèn)題主導(dǎo)的失效模式、失效機(jī)理以及可能產(chǎn)生的失效影響進(jìn)行了分析，如表2所示。

表2 3種COTS元器件質(zhì)量問(wèn)題FMEA表

圖5 激光二極管鍵合點(diǎn)

2.2 高壓電阻可靠性保證研究

該批厚膜高壓電阻上述缺陷具有較強(qiáng)的可檢測(cè)性，可利用X射線手段進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，屬于可篩選性缺陷，故暫不做批拒絕處理。經(jīng)研究討論，提出具體的可靠性保證流程，在該COTS元件的可靠性篩選方案中，除一般篩選項(xiàng)目外，增加并關(guān)注X射線照相檢查和老煉篩選項(xiàng)目。X射線照相檢查依據(jù)GJB 360B-2009方法209進(jìn)行[11]，直接剔除材料不均勻、構(gòu)件破損等失效的電阻，如圖6所示。在老煉試驗(yàn)中，電應(yīng)力與溫度應(yīng)力激發(fā)空隙和粘連等缺陷，暴露早期失效的電阻。

為了提高電阻器的使用可靠性，采取了以下可靠性保障設(shè)計(jì)：工作電壓、功率和環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)；高壓電阻內(nèi)部使用鋁基底散熱，由于安裝在空間非密封艙內(nèi)，鋁基底的散熱通道為引腳傳導(dǎo)和輻射散熱。

依據(jù)有針對(duì)性的可靠性保證方案，可靠性篩選試驗(yàn)結(jié)束后，剔除存在缺陷等失效電阻器的比例為10.5%。依據(jù)EEE-INST-002標(biāo)準(zhǔn)[12]，該剔除率對(duì)于該空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)可接受。

根據(jù)MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該批高壓電阻進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，固定合成電阻器的失效模型如公式（1） 所示[13]：

式 （1）中：λP——該元器件的工作失效率；

λb——基本失效率；

πT——溫度系數(shù)；

πP——功率系數(shù)；

πS——功率應(yīng)力系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πE——環(huán)境系數(shù)。

在項(xiàng)目研制過(guò)程中，落實(shí)了高壓電阻的上述可靠性保證建議，結(jié)合具體的參數(shù)和使用環(huán)境，進(jìn)行了可靠性預(yù)計(jì)。在公式 （1）中，基本失效率λb取為0.0017；管殼溫度為90℃，則πT為4.0；由于主要降額參數(shù)為電壓，其降額因子為0.47，使得實(shí)際功率為2.5 mW，則πP為0.097，功率應(yīng)力為0.00125，則πS為0.0028；經(jīng)過(guò)元器件質(zhì)量保證措施，該電阻器類別由 “商用未知篩選等級(jí)”提高到 “無(wú)可靠性指標(biāo)的電阻器”，則πQ為3.0；宇宙飛行環(huán)境πE為0.50。最終計(jì)算得到該批高壓電阻的失效率為2.77×10-12/h，相比原先未進(jìn)行COTS元器件可靠性保證的失效率3.76×10-7/h，可靠性至少提升了5個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6 X射線照相顯示電阻缺陷

2.3 FPGA可靠性保證研究

該批FPGA電路上述缺陷具有較強(qiáng)的可檢測(cè)性，可利用X射線手段進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，屬于可篩選性缺陷，故暫不做批拒絕處理。經(jīng)研究討論，提出具體的可靠性保證流程，在該COTS器件的可靠性篩選方案中，重點(diǎn)關(guān)注密封性檢查，增加并關(guān)注X射線照相檢查。X射線照相檢查，依據(jù)GJB 548B-2005方法2012.1X射線照相3.10.2.2[14]，有效地剔除存在密封區(qū)不連續(xù)或其他缺陷的器件。分析細(xì)檢漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)與X射線檢測(cè)密封區(qū)不連續(xù)程度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)漏率大小與密封區(qū)不連續(xù)程度無(wú)直接關(guān)系，但依據(jù)X射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，必須剔除密封區(qū)不連續(xù)超標(biāo)的器件。

為了提高FPGA的使用可靠性，采取了以下可靠性保障設(shè)計(jì)：對(duì)輸入電壓、輸出電流和最高結(jié)溫等參數(shù)降額設(shè)計(jì)；FPGA芯片工作時(shí)熱效應(yīng)明顯，采取相應(yīng)的散熱措施，提高FPGA的傳導(dǎo)和輻射散熱效果；FPGA芯片對(duì)單粒子效應(yīng)敏感，電路設(shè)計(jì)中使用了抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)。

依據(jù)有針對(duì)性的可靠性保證方案，可靠性篩選試驗(yàn)結(jié)束后，剔除存在缺陷等失效FPGA的比例為21.4%，該比例略高于EEE-INST-002標(biāo)準(zhǔn)[12]批允許不合格率20%的標(biāo)準(zhǔn)，考慮實(shí)際的工程要求，仍處于可接受范圍。

由于MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)雜FPGA集成電路無(wú)相關(guān)失效模型，故依據(jù)GJB/Z 299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)單片數(shù)字電路失效模型，如公式 （2） 所示[15]：

式 （2）中：λP——該元器件的工作失效率；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πT——溫度應(yīng)力系數(shù)；

πV——電壓應(yīng)力系數(shù)；

πE——環(huán)境系數(shù)；

πL——成熟系數(shù)；

C1、C2——電路復(fù)雜度失效率；

C3——封裝復(fù)雜度失效率。

結(jié)合該批FPGA集成電路的具體參數(shù)和使用環(huán)境，經(jīng)過(guò)元器件質(zhì)量保證措施，πQ由1.0改善至0.5；結(jié)溫為85℃，則πT為2.60；工作電壓小于8 V，則πV為1.0；宇宙飛行環(huán)境，則πE為1.2；符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)且已穩(wěn)定生產(chǎn)的產(chǎn)品，則πL為1.0；門數(shù)為3 M， 則C1為1.665，C2為0.047；C3為5.718。最終計(jì)算得到該批集成電路的失效率為5.62×10-6/h。相比原先未進(jìn)行COTS元器件可靠性保證的失效率1.19×10-4/h，可靠性至少提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.4 激光二極管可靠性保證研究

該批激光二極管上述缺陷可通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)和粒子碰撞噪聲檢測(cè)手段篩選，故暫不做批拒絕處理。經(jīng)研究討論，對(duì)該批激光二極管的解決方案是增加組件的力學(xué)試驗(yàn)，力學(xué)試驗(yàn)后通過(guò)粒子碰撞噪聲檢測(cè) （PIND）試驗(yàn)判斷尾絲是否斷裂產(chǎn)生多余物。然后，篩選合格元器件重新抽樣做DPA試驗(yàn)，判斷尾絲斷裂情況。

為了提高激光二極管的使用可靠性，采取了以下可靠性保障設(shè)計(jì)：對(duì)工作電壓、工作電流和最高結(jié)溫等參數(shù)降額設(shè)計(jì)；激光二極管屬于壽命敏感型器件，對(duì)熱學(xué)和力學(xué)因素敏感，使用中設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱和防振措施；該科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，激光二極管的有效工作時(shí)間較短，不考慮抗輻射要求。

依據(jù)有針對(duì)性的可靠性保證方案，可靠性篩選試驗(yàn)結(jié)束后，剔除失效的激光二極管比例為56.7%，該比例高于EEE-INST-002標(biāo)準(zhǔn)[12]批允許不合格率20%的標(biāo)準(zhǔn)，考慮實(shí)際的工程要求和激光二極管的有效工作時(shí)間較短等因素，最終決定繼續(xù)使用。

根據(jù)MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該批激光二極管進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。激光二極管的失效率模型如公式（3） 所示[13]：

式 （3）中：λP——該元器件的工作失效率；

λb——基本失效率；

πT——溫度系數(shù)；

πQ——質(zhì)量系數(shù)；

πI——前端電流系數(shù)；

πA——應(yīng)用系數(shù)；

πP——降額系數(shù)；

πE——環(huán)境系數(shù)。

結(jié)合該批激光二極管的具體參數(shù)和使用環(huán)境，λb為3.23；結(jié)溫為50℃，則πT為3.3；密封封裝，則πQ為1.0；前端峰值電流0.15 A，則πI為0.28；連續(xù)波，則πA為4.4；根據(jù)實(shí)際的功率，則πP為1.0；宇宙飛行環(huán)境，則πE為0.5。最終計(jì)算得到該批激光二極管的失效率為6.57×10-6/h，相比原先未進(jìn)行COTS元器件可靠性保證的失效率2.9×10-4/h，可靠性至少提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 驗(yàn)證與討論

在上述COTS元器件可靠性保證研究及相關(guān)質(zhì)量保證合格后，3種COTS元器件裝機(jī)使用。裝機(jī)后，在單機(jī)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行了一系列環(huán)境與可靠性試驗(yàn)，包括：?jiǎn)螜C(jī)測(cè)試、單機(jī)鑒定級(jí)/驗(yàn)收級(jí)環(huán)境與可靠性試驗(yàn)、分系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試和整器綜合測(cè)試，以及環(huán)境與可靠性試驗(yàn)。環(huán)境與可靠性試驗(yàn)的項(xiàng)目主要為：常溫測(cè)試、振動(dòng)、沖擊、熱循環(huán)和真空熱等。各階段、各產(chǎn)品級(jí)別的測(cè)試試驗(yàn)證明：產(chǎn)品的功能性能、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性指標(biāo)滿足任務(wù)書要求，與整器系統(tǒng)接口匹配、工作協(xié)同。

經(jīng)上述各項(xiàng)測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)特定的質(zhì)保措施和可靠性保證設(shè)計(jì)，可有效地提高COTS元器件的使用可靠性，滿足空間科學(xué)載荷的功能性能要求和空間應(yīng)用的高可靠性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)上述3種COTS元器件空間應(yīng)用質(zhì)量保證過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，分析了各自質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)的機(jī)理以及可能造成的失效。研究制定并實(shí)施了相應(yīng)的質(zhì)量與可靠性保證措施，定量地預(yù)計(jì)了3種COTS元器件的使用可靠性；并通過(guò)了鑒定級(jí)試驗(yàn)、分系統(tǒng)測(cè)試和系統(tǒng)集成測(cè)試，驗(yàn)證了解決方案的有效性。分析總結(jié)案例，可以得到如下結(jié)論：

1）COTS元器件空間應(yīng)用質(zhì)量保證過(guò)程尚缺乏統(tǒng)一、有效的元器件篩選規(guī)范，實(shí)際的篩選過(guò)程應(yīng)結(jié)合COTS元器件的自身特點(diǎn)和環(huán)境剖面來(lái)決定；

2）依靠有針對(duì)性的元器件質(zhì)量保證篩選手段，可以有效地提高COTS元器件批次的使用可靠性，滿足其空間應(yīng)用的性能參數(shù)和可靠性要求；

3）隨著空間科學(xué)對(duì)載荷高性能系統(tǒng)的需求、微電子技術(shù)和元器件質(zhì)量保證規(guī)范的研究發(fā)展，越來(lái)越多的COTS元器件將會(huì)應(yīng)用于空間任務(wù)中。

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