江理東，林立芳，劉偉鑫，王昆黍，樓建設(shè)，曾英廉，王敬賢

（1.中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100141；2.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海 201109）

0 引言

航天科技實(shí)力是一個(gè)國家綜合國力和戰(zhàn)略威懾力的重要體現(xiàn)，是國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一，已成為事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、人民生活的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。習(xí)近平總書記在首個(gè)中國航天日之時(shí)做出“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國，是我們不懈追求的航天夢(mèng)”的重要指示。微電子及其產(chǎn)品在航天工業(yè)體系中扮演著重要角色，通常是一代電路、一代整機(jī)、一代裝備，當(dāng)今世界航天強(qiáng)國都把元器件作為國家級(jí)戰(zhàn)略技術(shù)資源。長期以來，我國缺乏高端微電子芯片自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力，已成為制約我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。美國半導(dǎo)體和科技公司擁有50%左右全球市場份額，對(duì)華銷量占全球市場份額六成。二戰(zhàn)以來，西方發(fā)達(dá)國家始終對(duì)我國實(shí)施出口和技術(shù)轉(zhuǎn)移的嚴(yán)格控制。1996 年簽訂的《瓦森納協(xié)定》幾乎完全針對(duì)中國，包含兩份出口控制清單：一是軍民兩用商品和技術(shù)清單，涵蓋先進(jìn)材料、電子器件、計(jì)算機(jī)、電信與信息安全、傳感與激光等9 大類技術(shù)和產(chǎn)品；二是軍品清單，涵蓋各類武器彈藥、設(shè)備及作戰(zhàn)平臺(tái)等22 類技術(shù)和產(chǎn)品［1-2］。21 世紀(jì)以來，美國不斷加強(qiáng)戰(zhàn)略遏制、挑起貿(mào)易摩擦，2018 年和2019 年先后宣布對(duì)中興和華為執(zhí)行管制，禁止美國及使用美國技術(shù)的企業(yè)向其提供任何元器件、軟件和設(shè)備。習(xí)近平總書記指出“當(dāng)今世界面臨兩個(gè)大局、謀劃工作要胸懷兩個(gè)大局，一是中華民族偉大復(fù)興的戰(zhàn)略全局；二是世界百年未有之大變局”。這使我們深刻認(rèn)識(shí)到伴隨著中華民族的偉大復(fù)興，我國和西方國家競爭將日趨激烈，美國對(duì)高新技術(shù)的出口管制將更加嚴(yán)厲，禁運(yùn)核心關(guān)鍵高端產(chǎn)品將成為美國遏制我國航天產(chǎn)業(yè)、武器裝備建設(shè)的重要手段。

近幾年我國通過新品、型譜、核高基等渠道安排了一批核心軍用電子元器件的研制?？馆椪?2 bit SPARC V8 微處理器、1553B 總線控制器等一大批核心關(guān)鍵器件陸續(xù)完成研制，并在型號(hào)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。隨著國產(chǎn)軍用元器件技術(shù)水平的提升，軍用元器件自主保障率逐步提高，國產(chǎn)元器件已成為軍事裝備應(yīng)用的主體，但在應(yīng)用中也暴露元器件固有和使用的問題。核心關(guān)鍵軍用元器件受制于人的局面尚未得到根本扭轉(zhuǎn)，特別是億門級(jí)SRAM 型現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、抗輻照高性能數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）、高帶寬高精度運(yùn)算放大器、高密度電連接器、大功率MOS 管、高速高分辨率AD/DA 和抗輻照大容量存儲(chǔ)器等國內(nèi)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，仍需依賴進(jìn)口。一方面，對(duì)部分元器件研制技術(shù)“未吃透”，產(chǎn)品定義實(shí)現(xiàn)、質(zhì)量、可靠性風(fēng)險(xiǎn)大；另一方面，現(xiàn)有元器件信息數(shù)據(jù)難以充分指導(dǎo)用戶使用，存在“不好用”“不會(huì)用”“用不好”“不愿意”等問題。

隨著我國航天科技工業(yè)的快速發(fā)展，新型航天器和新一代運(yùn)載器對(duì)配套元器件的性能、功能、質(zhì)量可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。國產(chǎn)元器件研制和保證思路也由“滿足產(chǎn)品規(guī)范及合同要求”逐漸向“確保產(chǎn)品耐應(yīng)力裕度、提高宇航應(yīng)用適應(yīng)性、保證工程可靠應(yīng)用”轉(zhuǎn)變。因此，急需提高新研制元器件的技術(shù)成熟度和宇航應(yīng)用適用度，并經(jīng)充分驗(yàn)證和獲取評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，得出明確評(píng)價(jià)結(jié)論并促進(jìn)元器件成熟應(yīng)用。

1 元器件應(yīng)用驗(yàn)證的內(nèi)涵及發(fā)展情況

1.1 技術(shù)內(nèi)涵

應(yīng)用驗(yàn)證是對(duì)元器件在應(yīng)用于型號(hào)裝備前開展的一系列試驗(yàn)、評(píng)估和綜合評(píng)價(jià)等工作，以確定元器件研制的成熟度和在型號(hào)裝備中應(yīng)用的適用度，經(jīng)綜合分析評(píng)價(jià)得出裝備可用度或可用性結(jié)論，并形成應(yīng)用指南，有效指導(dǎo)元器件產(chǎn)品成熟和合理應(yīng)用。應(yīng)用驗(yàn)證的主要目標(biāo)是通過對(duì)元器件的系統(tǒng)驗(yàn)證分析，盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造缺陷和質(zhì)量隱患等“不好用”問題，及時(shí)反饋研制單位進(jìn)行改進(jìn)、完善，促進(jìn)產(chǎn)品成熟；通過對(duì)元器件的科學(xué)評(píng)價(jià)，為用戶提供選用的依據(jù)，解決用戶因應(yīng)用支持?jǐn)?shù)據(jù)缺乏、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)不明而決策困難的“不敢用”問題，促進(jìn)元器件在宇航工程中推廣應(yīng)用；通過與用戶的互動(dòng)和發(fā)布應(yīng)用指南，有效指導(dǎo)應(yīng)用，解決用戶選擇錯(cuò)誤、應(yīng)用不合理等“用不好”問題，提高應(yīng)用水平［3-4］。

應(yīng)用驗(yàn)證工作起源于宇航工程領(lǐng)域，一般分為3 個(gè)階段：元器件階段、地面整機(jī)階段和飛行階段。元器件階段是必選階段，其目的是對(duì)元器件研制過程要素、固有質(zhì)量和可靠性進(jìn)行全面的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，針對(duì)宇航應(yīng)用需求進(jìn)行元器件功能、性能、特性和結(jié)構(gòu)分析，獲取極限性能數(shù)據(jù)，明確產(chǎn)品固有特性，確定研制成熟度；地面整機(jī)驗(yàn)證階段是可選階段，目的是對(duì)元器件在空間應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用系統(tǒng)中的適應(yīng)性，進(jìn)行全面的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，重點(diǎn)在宇航型號(hào)應(yīng)用狀態(tài)下的驗(yàn)證元器件與實(shí)際線路、系統(tǒng)及應(yīng)用環(huán)境的匹配性，確定應(yīng)用適應(yīng)性；飛行階段是備選階段，一般考慮對(duì)使用新工藝、新材料、新技術(shù)的復(fù)雜元器件，且在應(yīng)用系統(tǒng)中作用關(guān)鍵、需獲取全面空間綜合應(yīng)力條件下驗(yàn)證數(shù)據(jù)的元器件進(jìn)行飛行驗(yàn)證［3-4］。

驗(yàn)證方式一般可分為元器件方式、板方式、系統(tǒng)方式和飛行方式。元器件方式主要指與應(yīng)用狀態(tài)不緊密關(guān)聯(lián)的驗(yàn)證方式；板方式是指將元器件安裝在特定的應(yīng)用線路板上，并與應(yīng)用狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)的驗(yàn)證方式；系統(tǒng)方式是指模擬和使用型號(hào)單機(jī)及系統(tǒng)應(yīng)用狀態(tài)的驗(yàn)證方式；飛行方式是使元器件處于在軌飛行狀態(tài)的驗(yàn)證方式［3-4］。

1.2 與鑒定檢驗(yàn)、用戶試用的關(guān)系

鑒定檢驗(yàn)是按照已確定的“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行符合性測(cè)試和試驗(yàn)，一般不關(guān)注用戶具體的應(yīng)用環(huán)境和條件，只關(guān)注產(chǎn)品的質(zhì)量水平是否滿足“標(biāo)準(zhǔn)”。應(yīng)用驗(yàn)證關(guān)注產(chǎn)品及實(shí)現(xiàn)過程控制能力和數(shù)據(jù)分布規(guī)律及隨應(yīng)力變化的歸零，得出成熟度和適用性的結(jié)論，與鑒定檢驗(yàn)相互補(bǔ)充［3-4］。

用戶試用可看作一類原始、初級(jí)的“驗(yàn)證”，是特定用戶根據(jù)其理解進(jìn)行的一系列試驗(yàn)和試用工作，以確定功能性能是否滿足某一特定應(yīng)用狀態(tài)。應(yīng)用驗(yàn)證的目標(biāo)是需覆蓋主要背景應(yīng)用型號(hào)的應(yīng)用狀態(tài)、覆蓋相關(guān)用戶的典型應(yīng)用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“覆蓋型號(hào)、覆蓋用戶、覆蓋元器件”，責(zé)任主體是專業(yè)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)，聯(lián)合研制單位、用戶單位等多方專業(yè)機(jī)構(gòu)開展驗(yàn)證，整個(gè)驗(yàn)證貫穿于元器件的全部研制過程［3-4］。

1.3 發(fā)展情況

美國非常重視新型元器件應(yīng)用前的保證工作，美國國家航空航天局（NASA）設(shè)置了專門的組織機(jī)構(gòu)——元器件和封裝項(xiàng)目組（NASA's Electronics Parts and Packaging program，NEPP）、電子/電氣/機(jī)電元器件保證組（NASA EEE Parts Assurance Group，NEPAG）。這兩個(gè)組織機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)元器件的評(píng)估和應(yīng)用研究工作，降低新型元器件空間應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，確定新工藝元器件應(yīng)用前的驗(yàn)證工作流程和實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證信息交換、結(jié)果分析交流和發(fā)布等［5-7］。

歐洲航天局（ESA）也非常重視宇航元器件的評(píng)估、準(zhǔn)入和應(yīng)用研究工作，設(shè)立了專門的組織機(jī)構(gòu)和研究機(jī)構(gòu)，建立并維護(hù)包括歐洲宇航元器件保證要求、鑒定合格元器件清單和優(yōu)選元器件清單等標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的歐洲空間元器件協(xié)調(diào)委員會(huì)（European Space Components Coordination，ESCC）合作組織和規(guī)范體系。該體系中包括識(shí)別元器件在空間應(yīng)用中的缺陷并提出改進(jìn)建議、改進(jìn)技術(shù)，最終進(jìn)行試驗(yàn)并評(píng)估宇航應(yīng)用適應(yīng) 性［5-7］。

日本在航天領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證研究發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。在日本宇航元器件保證大綱中，“驗(yàn)證”主要是指在規(guī)定環(huán)境下驗(yàn)證元器件功能、性能和可靠性與元器件研制及應(yīng)用要求符合性的一系列試驗(yàn)。

在國家核高基重大專項(xiàng)支持下，自2010 年以來，我國全面系統(tǒng)地開展了宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證理論研究，對(duì)元器件應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的研究取得了豐碩成果。以系統(tǒng)工程方法論為指導(dǎo)思想，創(chuàng)造性設(shè)計(jì)了一套完整的應(yīng)用驗(yàn)證流程、方法和判據(jù)體系，為應(yīng)用驗(yàn)證的工程實(shí)踐打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。提出了“成熟度-適用度-可用度”綜合評(píng)價(jià)框架及以其為核心的“需求調(diào)研—需求分析—指標(biāo)建立—項(xiàng)目確定—流程建立—流程實(shí)現(xiàn)—綜合評(píng)價(jià)—結(jié)果應(yīng)用”工程路線。開發(fā)了包括極限評(píng)估技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、空間環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)、力熱環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)、系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)等在內(nèi)的體系化應(yīng)用驗(yàn)證基礎(chǔ)技術(shù)。結(jié)合國家重大專項(xiàng)工作中對(duì)應(yīng)用驗(yàn)證的實(shí)踐，逐步建立了一套符合國情的元器件應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)體系和工程管理方法［7-8］。

2 元器件應(yīng)用驗(yàn)證的技術(shù)框架

2.1 應(yīng)用驗(yàn)證與系統(tǒng)工程

系統(tǒng)工程理論是以研究大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)為對(duì)象的一種方法論。實(shí)踐證明，系統(tǒng)工程是研究解決復(fù)雜系統(tǒng)行之有效的技術(shù)手段。從20 世紀(jì)50 年代“阿波羅”登月計(jì)劃，到20 世紀(jì)90 年代我國的三峽區(qū)域經(jīng)濟(jì)研究，再到21 世紀(jì)的載人航天工程，系統(tǒng)工程已經(jīng)成功應(yīng)用到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，系統(tǒng)工程的理論和方法在航天事業(yè)的發(fā)展中也得到了廣泛應(yīng)用［7，9-12］。

元器件應(yīng)用驗(yàn)證是一個(gè)典型的系統(tǒng)工程工作，系統(tǒng)工程理論可以作為應(yīng)用驗(yàn)證的技術(shù)方法。在系統(tǒng)論的基礎(chǔ)科學(xué)層面，元器件應(yīng)用驗(yàn)證屬于開放復(fù)雜系統(tǒng)。在應(yīng)用驗(yàn)證過程中，需要應(yīng)用信息學(xué)、控制學(xué)、運(yùn)籌學(xué)和模糊學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)。應(yīng)用驗(yàn)證主要是解決元器件的整體應(yīng)用問題，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；而系統(tǒng)工程是從總體上改造客觀世界的工程技術(shù)實(shí)踐，是系統(tǒng)科學(xué)的工程應(yīng)用。對(duì)于宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證，系統(tǒng)工程綜合研討的方法，能夠?qū)＜业目茖W(xué)理論、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)乃至專家智慧，轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)用驗(yàn)證的全面認(rèn)知；系統(tǒng)分解-集成的思想能夠?qū)?yīng)用驗(yàn)證分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)分解出的子系統(tǒng)進(jìn)一步分解，直至涵蓋應(yīng)用驗(yàn)證的全部主要要素；運(yùn)用由定性到定量的評(píng)價(jià)思想，采用相對(duì)定量方式將元器件成熟度、適應(yīng)度和可用度均劃分為5個(gè)等級(jí)。宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)工程方法論體系框架如圖1所示［3-4，7］。

圖1 元器件應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)工程方法論體系框架Fig.1 Methodology system framework of application validation for components

軟系統(tǒng)工程方法論與硬系統(tǒng)工程方法論有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用WSR 方法論，充分考慮專家的作用，達(dá)到整體目標(biāo)的綜合最優(yōu)。重視專家知識(shí)系統(tǒng)建設(shè)，將多型號(hào)、多學(xué)科、多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者所具有的理論、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和判斷力相結(jié)合，形成知識(shí)系統(tǒng)。應(yīng)用基于主觀度的雙組合評(píng)價(jià)方法。設(shè)置雙角度-成熟度和適用度兩個(gè)角度評(píng)價(jià)要素，采取主觀和客觀相結(jié)合、定性和定量相結(jié)合的雙路徑評(píng)價(jià)元器件可用性。應(yīng)用驗(yàn)證方案和結(jié)論經(jīng)元器件研制單位、用戶單位、型號(hào)系統(tǒng)、管理部門等多方專家認(rèn)可，最大限度地平衡各個(gè)利益相關(guān)方的訴求［3-4］。

實(shí)施項(xiàng)目管理，納入型號(hào)年度科研生產(chǎn)工作計(jì)劃，依托元器件應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)的硬件和軟件資源開展驗(yàn)證實(shí)施工作。以元器件應(yīng)用驗(yàn)證為核心，以元器件產(chǎn)品和研制生產(chǎn)過程為對(duì)象，面向元器件應(yīng)用，由項(xiàng)目總體單位牽頭，協(xié)調(diào)元器件研制生產(chǎn)單位、型號(hào)系統(tǒng)和用戶單位共同解決國產(chǎn)元器件的成熟度、適用性和產(chǎn)品可用度的問題，構(gòu)建應(yīng)用驗(yàn)證組織機(jī)構(gòu)和實(shí)施工作模式。

平臺(tái)是應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)施的主要支撐手段，由實(shí)施應(yīng)用驗(yàn)證工作所需的一系列軟、硬件保障條件組成，主要包括：完成應(yīng)用驗(yàn)證工作的一系列相互關(guān)聯(lián)的儀器、設(shè)備、系統(tǒng)或裝置及其配套軟件，開展應(yīng)用驗(yàn)證所需的手冊(cè)、指南、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文件，以及對(duì)應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)施進(jìn)行管理的組織機(jī)構(gòu)和信息管理系統(tǒng)等。平臺(tái)可劃分為測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)、組織管理平臺(tái)。

2.2 技術(shù)框架

以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，將研究內(nèi)容分為應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)研究和應(yīng)用驗(yàn)證基礎(chǔ)技術(shù)研究兩大部分。應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)研究，解決應(yīng)用驗(yàn)證的總體內(nèi)容框架和相關(guān)方法，如應(yīng)用驗(yàn)證的指標(biāo)體系、工作項(xiàng)目與流程、方法與判據(jù)、項(xiàng)目管理、質(zhì)量管理和整個(gè)應(yīng)用驗(yàn)證工作的支撐平臺(tái)等問題，其中，包括應(yīng)用驗(yàn)證流程研究、方法和判據(jù)研究、項(xiàng)目管理研究、質(zhì)量管理研究和驗(yàn)證平臺(tái)研究等。應(yīng)用驗(yàn)證基礎(chǔ)技術(shù)研究，解決應(yīng)用驗(yàn)證工作項(xiàng)目實(shí)施需要的具體技術(shù)相關(guān)方法，其中，包括應(yīng)用驗(yàn)證測(cè)試技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究、極限評(píng)估技術(shù)研究、空間環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)研究、力和熱環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)研究、系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)研究等。應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)框架如圖2 所示。在宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的牽引下，應(yīng)用驗(yàn)證已經(jīng)取得了一系列研究成果，包括核心框架、工程路線和技術(shù)體系，以及標(biāo)準(zhǔn)、指南、手冊(cè)和軟硬件等方法工具，應(yīng)用驗(yàn)證工作模式、組織結(jié)構(gòu)和管理制度規(guī)范等。隨著應(yīng)用驗(yàn)證工程的開展，這些研究成果將有效指導(dǎo)工程實(shí)踐，并通過工程實(shí)踐進(jìn)一步完善豐富，為我國宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證工程實(shí)施和管理積累寶貴的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［7］。

圖2 應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)框架Fig.2 Overall technology and basic technology framework of application validation

應(yīng)用驗(yàn)證需要開展元器件的研制成熟度、應(yīng)用適用度評(píng)價(jià)和可用度綜合評(píng)價(jià)。研制成熟度（簡稱成熟度），是指元器件在設(shè)計(jì)、工藝、材料、試驗(yàn)和過程控制等研制生產(chǎn)及質(zhì)量保證能力的綜合得分，與對(duì)應(yīng)等級(jí)判據(jù)比對(duì)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果；成熟度評(píng)價(jià)關(guān)注元器件在設(shè)計(jì)、制造及工藝、過程控制等方面的過程要素和元器件的功能性能、可靠性等產(chǎn)品指標(biāo)。應(yīng)用適用度（簡稱適用度），是指元器件的宇航應(yīng)用環(huán)境及系統(tǒng)的適應(yīng)能力的綜合得分，與對(duì)應(yīng)等級(jí)判據(jù)比對(duì)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果；適用度評(píng)價(jià)關(guān)注元器件空間環(huán)境應(yīng)性、系統(tǒng)適應(yīng)性等指標(biāo)?？捎枚仁菍?duì)成熟度和適用度進(jìn)行進(jìn)一步綜合分析評(píng)估，并與對(duì)應(yīng)等級(jí)判據(jù)比對(duì)得出元器件可滿足宇航應(yīng)用要求的量化綜合評(píng)價(jià)結(jié)果?？捎枚乳g接表征了元器件在宇航應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)程度，可用度越高，風(fēng)險(xiǎn)越小，反之亦然。

因此，成熟度、適用度和可用度綜合評(píng)價(jià)，構(gòu)成了應(yīng)用驗(yàn)證工作的核心，同時(shí)也決定了應(yīng)用驗(yàn)證工作具有多階段、多領(lǐng)域、多目標(biāo)、多任務(wù)和多參與方等特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為：1）應(yīng)用驗(yàn)證需要開展元器件研制生產(chǎn)階段的過程要素評(píng)價(jià)和產(chǎn)品的元器件階段、地面整機(jī)階段及飛行階段等多個(gè)階段的驗(yàn)證評(píng)估；2）應(yīng)用驗(yàn)證涉及元器件研發(fā)與制造、質(zhì)量保證、宇航項(xiàng)目系統(tǒng)與工程、質(zhì)量管理和項(xiàng)目管理等多個(gè)領(lǐng)域；3）應(yīng)用驗(yàn)證要解決“不好用”“不敢用”和“用不好”等多個(gè)問題；4）應(yīng)用驗(yàn)證涉及多類型、多品種元器件的評(píng)價(jià)分析，涵蓋了綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、流程設(shè)計(jì)技術(shù)、項(xiàng)目管理技術(shù)、質(zhì)量管理技術(shù)、平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、極限評(píng)估技術(shù)、空間環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)、系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)估技術(shù)和驗(yàn)證測(cè)試技術(shù)等多項(xiàng)研究任務(wù)；5）應(yīng)用驗(yàn)證包括宇航項(xiàng)目系統(tǒng)、元器件用戶單位、元器件生產(chǎn)單位、驗(yàn)證實(shí)施單位和第三方鑒定機(jī)構(gòu)等多個(gè)參與方。

3 元器件應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)的工程實(shí)踐

3.1 工程實(shí)施路線

元器件應(yīng)用驗(yàn)證工程實(shí)施路線分為3 個(gè)階段（如圖3 所示）：第1 階段完成了應(yīng)用驗(yàn)證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)研究，創(chuàng)建了一套適合宇航元器件研制、應(yīng)用的國情應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)體系和管理體系，建立了一套采用系統(tǒng)分析、系統(tǒng)評(píng)價(jià)和系統(tǒng)決策技術(shù)對(duì)成熟度、適用度和可用度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，開發(fā)了一套包括標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)手冊(cè)、技術(shù)指南、綜合評(píng)價(jià)軟硬件系統(tǒng)、專家遴選系統(tǒng)和典型驗(yàn)證裝置等的驗(yàn)證工具；第2 階段為應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目實(shí)施，包括生產(chǎn)過程要素評(píng)價(jià)、功能和性能測(cè)試分析、可靠性分析、應(yīng)用適應(yīng)性試驗(yàn)與分析等；第3 階段為應(yīng)用驗(yàn)證信息發(fā)布和應(yīng)用，包括發(fā)布應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)論、驗(yàn)證合格產(chǎn)品清單和應(yīng)用指南。

圖3 元器件應(yīng)用驗(yàn)證工程實(shí)施路線圖Fig.3 Implementation roadmap of application validation for components

3.2 工程實(shí)踐情況

為保證北斗導(dǎo)航、載人航天等國家重大專項(xiàng)工程建設(shè)和后續(xù)長期維護(hù)，我國提出了關(guān)鍵元器件國產(chǎn)化的明確要求，適時(shí)啟動(dòng)了國產(chǎn)元器件的應(yīng)用驗(yàn)證任務(wù)。國家相關(guān)部委和研制單位首次在型號(hào)方案階段系統(tǒng)性開展了國產(chǎn)化元器件梳理和選用，緊密結(jié)合型號(hào)研制開展應(yīng)用驗(yàn)證，有效促進(jìn)研用合理轉(zhuǎn)化。以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為例，對(duì)用于工程的近500款關(guān)鍵國產(chǎn)元器件進(jìn)行了全面的應(yīng)用驗(yàn)證工作，數(shù)據(jù)表明，大約有15%～20%的國產(chǎn)元器件可靠性和可用度不滿足裝備應(yīng)用要求，其余元器件均得到上機(jī)應(yīng)用。2020 年6 月，我國成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星暨北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師在2020 年世界5G 大會(huì)主論壇上宣布北斗三號(hào)衛(wèi)星核心器件國產(chǎn)化率達(dá)

100%。

3.3 應(yīng)用驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的典型問題及解決措施

總結(jié)多年來航天科技集團(tuán)公司各元器件應(yīng)用驗(yàn)證中心發(fā)現(xiàn)的問題，主要可以分為元器件研制單位對(duì)應(yīng)用要求了解不足、研制技術(shù)未吃透產(chǎn)品存在缺陷、用戶應(yīng)用不合理共3 大類問題。通過研制單位、用戶單位和驗(yàn)證中心的集智攻關(guān)，對(duì)存在缺陷的國產(chǎn)元器件進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證，解決了元器件應(yīng)用問題，發(fā)布應(yīng)用指南指導(dǎo)設(shè)計(jì)師合理選用，提高型號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性水平。

1）元器件研制單位對(duì)宇航應(yīng)用要求了解不足。代表案例：國產(chǎn)某型數(shù)字邏輯電路封裝與進(jìn)口某公司產(chǎn)品封裝不一致問題。某型國產(chǎn)數(shù)字邏輯電路與對(duì)標(biāo)進(jìn)口器件均采用表貼封裝，但所用管殼底部引出端存在差異。國產(chǎn)產(chǎn)品沒有凸臺(tái)（如圖4 所示），進(jìn)口產(chǎn)品底部有凸臺(tái)（如圖5 所示），即器件管腳和外殼底部平齊，管腳不能形成腳跟和腳尖，無應(yīng)力釋放彎，引線應(yīng)力不能釋放，在電裝時(shí)需要專門制作成型模具或選擇倒裝成型，但倒裝成型后器件管腳定義正好鏡像，需用戶在設(shè)計(jì)、測(cè)試時(shí)注意。

圖4 國產(chǎn)某型數(shù)字邏輯電路頂視和側(cè)視圖Fig.4 Top view and side view of a domestic digital logic circuit

圖5 進(jìn)口產(chǎn)品數(shù)字邏輯電路頂視和側(cè)視圖Fig.5 Top view and side view of an imported digital logic circuit

2）元器件研制單位對(duì)研制技術(shù)未吃透，產(chǎn)品存在缺陷。代表案例：國產(chǎn)DSP 高密度鍵合應(yīng)用可靠性問題。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)某型DSP 內(nèi)部鍵合結(jié)構(gòu)（如圖6 所示）與國外進(jìn)口器件相差較大，進(jìn)口器件采用倒裝方式（無鍵合絲）進(jìn)行安裝，而國產(chǎn)器件采用了30 μm 金絲球焊工藝，內(nèi)部鍵合絲數(shù)量為339 根，采用了4 層高密度方式排列，最長鍵合絲長度為3 mm，鍵合絲最小間距330 μm，存在鍵合密度過高隱患。針對(duì)該問題開展加電的力學(xué)環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)，在隨機(jī)振動(dòng)和沖擊應(yīng)力下發(fā)生了內(nèi)部鍵合絲碰觸問題。為進(jìn)一步降低型號(hào)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合型號(hào)整機(jī)的應(yīng)用條件對(duì)DSP 進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)方案，確定可靠應(yīng)用的力學(xué)環(huán)境條件。另外，通過鍵合絲外部鍍膜等方法解決了該問題，并對(duì)后續(xù)大規(guī)模集成電路內(nèi)部鍵合絲的長度、間距等進(jìn)行了明確規(guī)定。

圖6 國產(chǎn)某型DSP 內(nèi)部鍵合照片F(xiàn)ig.6 Internal bonding photos of a domestic DSP

3）對(duì)用戶應(yīng)用條件覆蓋不全、驗(yàn)證不充分。第3 類問題是由于元器件研制單位、應(yīng)用驗(yàn)證中心對(duì)應(yīng)用狀態(tài)和條件了解不足，所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證項(xiàng)目和條件沒有完全覆蓋應(yīng)用條件，雖然通過了元器件級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證，但在板級(jí)驗(yàn)證階段暴露問題。某型國產(chǎn)鋰電管理芯片，調(diào)研應(yīng)用背景時(shí)未充分了解器件應(yīng)用方法，用戶在使用時(shí)為防止內(nèi)部寄存器出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)將工作程序設(shè)置為每一次采集循環(huán)后進(jìn)行Shutdown 動(dòng)作，即對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行清空。設(shè)計(jì)器件級(jí)壽命試驗(yàn)時(shí)未考慮該種工作模式，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的長期可靠性考核不充分，無法暴露問題。雖經(jīng)2 000 h 壽命試驗(yàn)后器件電參數(shù)測(cè)試合格，但在板級(jí)熱循環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下該器件會(huì)出現(xiàn)單體電池電壓采集誤差較大、不滿足10 mV精度要求的現(xiàn)象，經(jīng)分析后定位于用戶應(yīng)用狀態(tài)下器件內(nèi)部開關(guān)電路MOS 管會(huì)持續(xù)受到超出耐壓范圍的大電壓沖擊，呈現(xiàn)導(dǎo)通電阻增加現(xiàn)象，導(dǎo)致晶體管在通道切換時(shí)不能完全導(dǎo)通，最終造成數(shù)據(jù)采集異常。某型鋰電管理芯片內(nèi)部DUMP 模塊電路結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 某型鋰電管理芯片內(nèi)部DUMP 模塊電路結(jié)構(gòu)Fig.7 DUMP module circuit structure of a lithium battery management chip

研制單位對(duì)鋰電管理芯片內(nèi)部DUMP 電路模塊進(jìn)行了電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)了DUMP 電路模塊中NMOS1 的全過程工作狀態(tài)，確保其工作時(shí)不再出現(xiàn)過壓的情況。改版后器件在典型應(yīng)用工況下功能性能正常，解決了舊版芯片的問題。

3.4 對(duì)型號(hào)裝備用元器件國產(chǎn)化工程實(shí)踐的體會(huì)

1）以型號(hào)為牽引，確立國產(chǎn)化內(nèi)涵與目標(biāo)，加強(qiáng)統(tǒng)籌策劃要以型號(hào)為牽引，根據(jù)不同型號(hào)的特點(diǎn)，研究并確立具體的產(chǎn)品國產(chǎn)化內(nèi)涵與工作目標(biāo)，統(tǒng)籌策劃，分步實(shí)施，全面保證元器件國產(chǎn)化工作的不斷深入。

2）以需求為核心，梳理優(yōu)化品種，明確重點(diǎn)，由型號(hào)確認(rèn)國產(chǎn)化對(duì)象和要求，確保合理性與準(zhǔn)確性，使需求的提出與滿足需求產(chǎn)品最終應(yīng)用形成閉環(huán)。

3）以應(yīng)用驗(yàn)證等為重點(diǎn)，結(jié)合型號(hào)研制確定元器件國產(chǎn)化流程，加強(qiáng)應(yīng)用驗(yàn)證、專項(xiàng)規(guī)范等重點(diǎn)工作策劃與組織實(shí)施，注重型號(hào)研制隊(duì)伍參與。充分繼承現(xiàn)有的元器件研制、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用驗(yàn)證等技術(shù)成果與管理模式，根據(jù)型號(hào)特點(diǎn)集成創(chuàng)新，形成滿足型號(hào)要求的元器件國產(chǎn)化技術(shù)與計(jì)劃流程。

4）以落實(shí)責(zé)任為手段，發(fā)揮各方優(yōu)勢(shì)，確保國產(chǎn)化元器件成功應(yīng)用要充分發(fā)揮管理機(jī)構(gòu)、用戶單位、元器件研制單位、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)、鑒定機(jī)構(gòu)、應(yīng)用驗(yàn)證機(jī)構(gòu)、保證機(jī)構(gòu)等各方優(yōu)勢(shì)，形成合力。制定并落實(shí)應(yīng)用國產(chǎn)元器件的政策和措施，明確責(zé)任主體，確保國產(chǎn)元器件應(yīng)用取得實(shí)效。

4 應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)展望

近年來，以GaN 微波功率高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）、SiC 和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等高壓器件、電阻相變存儲(chǔ)器、硅通孔（TSV）3D 封裝技術(shù)、硬件可重構(gòu)系統(tǒng)、自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、SiP 及集成FPGA 的系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SoC）等為代表的先進(jìn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)封裝技術(shù)，將是NASA、ESA 近期和未來10 年積極推進(jìn)和規(guī)劃的技術(shù)需求。這些發(fā)展戰(zhàn)略和選用思路，對(duì)我國軍用元器件的研制和選用，具有很好的借鑒意義。國內(nèi)相關(guān)高校、科研機(jī)構(gòu)也在跟蹤和開展國產(chǎn)器件的研發(fā)。對(duì)于這些新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料的國產(chǎn)器件，可以在產(chǎn)品研發(fā)階段融入應(yīng)用驗(yàn)證及早期的可靠性評(píng)價(jià)方法研究，通過聯(lián)合集智攻關(guān)形成具有中國特色的原創(chuàng)性科學(xué)技術(shù)成果，指導(dǎo)國產(chǎn)高性能高可靠元器件的研制和批量上裝應(yīng)用［13］。

商用貨架（Commercial Off-The-Shelf，COTS）器件和汽車級(jí)器件技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越，其性能一般優(yōu)于宇航級(jí)高可靠器件1～2 代，具有成本低、封裝尺寸小、采購周期短、可獲得性高等特點(diǎn)。但COTS 器件、汽車級(jí)器件的設(shè)計(jì)和制造時(shí)，并非面向嚴(yán)酷工作環(huán)境，直接應(yīng)用于空間環(huán)境存在諸多風(fēng)險(xiǎn)。在正式應(yīng)用于空間系統(tǒng)前，通過應(yīng)用驗(yàn)證全面識(shí)別其空間應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，得到可承受極限值、失效模式、薄弱環(huán)節(jié)等，合理評(píng)價(jià)空間應(yīng)用的可靠性及適應(yīng)性，有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)師使用高性能COTS 器件和汽車級(jí)器件設(shè)計(jì)商業(yè)衛(wèi)星，達(dá)到“事半功倍”的效果。

民用領(lǐng)域高端高性能器件應(yīng)用帶來評(píng)價(jià)驗(yàn)證潛在需求，近年來人工智能、5G 概念熱潮蔓延，5G芯片、人工智能芯片、物聯(lián)網(wǎng)芯片如雨后春筍般崛起。這些高端高性能器件，在定型量產(chǎn)和投入市場前，開展一定的應(yīng)用驗(yàn)證工作，對(duì)于幫助研制單位發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)/工藝/結(jié)構(gòu)缺陷、了解器件性能參數(shù)與設(shè)計(jì)期望值的差異具有一定幫助。

5 結(jié)束語

在系統(tǒng)工程理論和方法的指導(dǎo)下，形成了具有中國特色的元器件應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)工程管理的理念、體系和方法，建立了元器件應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)體系和管理體系框架，取得了較多創(chuàng)新性的科學(xué)和技術(shù)成果，為我國元器件應(yīng)用驗(yàn)證工程提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)方法工具，為加快我國軍事裝備用國產(chǎn)元器件推廣應(yīng)用提供了可行的技術(shù)路徑，為提升軍事裝備用元器件自主保障能力提供了有效支撐。在不斷豐富、完善技術(shù)體系和管理體系中的過程中，元器件應(yīng)用驗(yàn)證工作，能夠?yàn)槲覈娪迷骷蛧姥b備事業(yè)的發(fā)展提供有力保障。