張澤明，張楠

（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京 100094）

引言

多年來COTS 元器件是否勝任航天任務(wù)一直是航天系統(tǒng)研制的熱門話題。COTS 器件具有成本低、性能高、貨期短、可獲得性高等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，很多航天任務(wù)成功使用了COTS 器件，如吉林一號(hào)、珠海一號(hào)、高景一號(hào)等衛(wèi)星[3]，此外空間站也大量使用了COTS 器件[4]。另一方面，半導(dǎo)體行業(yè)里持續(xù)不斷在投入大量成本研發(fā)宇航級(jí)元器件[5]。

兩種思路，兩條路徑都在航天工程中廣泛實(shí)踐，本文從抗輻射性能、質(zhì)量保證等級(jí)和質(zhì)量等級(jí)、成熟度魯棒性和用戶使用風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)幾個(gè)方面比較分析研究宇航級(jí)元器件和COTS 元器件的優(yōu)劣，探討航天任務(wù)中元器件的選擇 。

1 關(guān)于抗輻射性能

集成電路是對(duì)空間輻射環(huán)境最為敏感的元器件，在航天工程應(yīng)用中關(guān)注最多的抗輻射特性是電離輻射總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。

宇航級(jí)元器件是專門為適應(yīng)航天任務(wù)或核爆等強(qiáng)輻射環(huán)境研制，滿足軍用航天元器件標(biāo)準(zhǔn)體系中最高質(zhì)量保證等級(jí)認(rèn)證要求具有優(yōu)異抗輻照性能的元器件。最早美軍標(biāo)MIL-PRF-38510 將集成電路分B、S 兩個(gè)質(zhì)量保證等級(jí)，S 級(jí)代表宇航級(jí)集成電路，該標(biāo)準(zhǔn)已廢止并入MIL-PRF-38535，MIL-PRF-38535K 按質(zhì)量保證水平分為M、Q、V、Y、N、T 六個(gè)質(zhì)量保證等級(jí)[6]， GJB 597B 分為B、BG、S 三個(gè)質(zhì)量保證等級(jí)[7]，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系都把輻射強(qiáng)度級(jí)別（Radiation Hardness Assurance，RHA）分為八級(jí)，來表征集成電路電離輻射總劑量（Total Ionizing Dose，簡稱TID）能力，見表1，這八級(jí)與質(zhì)量保證等級(jí)沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 國軍標(biāo)和美軍標(biāo)集成電路電離總劑量效應(yīng)等級(jí)規(guī)定

MIL-PRF-38535K 和GJB 597B 在質(zhì)量一致性檢驗(yàn)E組試驗(yàn)都提出了全面的輻射鑒定項(xiàng)目要求，見表2，雖然GJB 597B 沒有明確5 分組，但實(shí)際上國內(nèi)宇航級(jí)集成電路在采購規(guī)范會(huì)規(guī)定單粒子效應(yīng)閾值指標(biāo)和試驗(yàn)鑒定要求。通常只有在S、V、Y 宇航級(jí)集成電路里規(guī)定E 組試驗(yàn)鑒定要求。E 組試驗(yàn)有5 個(gè)分組，但往往根據(jù)器件類型、材料、應(yīng)用需求等不同在采購規(guī)范、詳細(xì)規(guī)范中進(jìn)行裁剪，并將指標(biāo)定量化規(guī)定，通常宇航級(jí)集成電路至少會(huì)開展2 分組和5 分組鑒定試驗(yàn)。

表2 國軍標(biāo)和美軍標(biāo)對(duì)宇航級(jí)元器件抗輻射性能的E 分組試驗(yàn)項(xiàng)目要求

不同的抗輻射指標(biāo)表示不同的抗輻射能力，前文表1 展示了電離輻射總劑量指標(biāo)情況，而單粒子效應(yīng)閾值指標(biāo)通常規(guī)定為75 MeV·cm2/mg，由于空間中LET大于37 MeV·cm2/mg 的粒子通量極小，也往往降低為37 MeV·cm2/mg。處理器、存儲(chǔ)器等集成電路往往達(dá)不到這么高的閾值，并且因?yàn)榭臻g環(huán)境中絕大部分是質(zhì)子，因此單粒子效應(yīng)閾值也經(jīng)常定為15 MeV·cm2/mg[8]，或者翻轉(zhuǎn)、功能中斷等軟錯(cuò)誤閾值概率不大于1×10-10次/（位·天）（存儲(chǔ)器類）或不大于1×10-5次/（器件·天）（處理器類）。

因此，宇航級(jí)元器件是標(biāo)識(shí)有明確抗輻射性能指標(biāo)并經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)按照元器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確認(rèn)和鑒定檢驗(yàn)的元器件，既有明確較高的抗輻射指標(biāo)要求，也有最高的質(zhì)量保證要求。

宇航級(jí)元器件最重要的特征是抗輻射能力強(qiáng)，這意味著它可以長時(shí)間在輻射環(huán)境復(fù)雜的太空中穩(wěn)定運(yùn)行，并且不會(huì)或極少由于單粒子閂鎖、單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷等輻射效應(yīng)造成板卡、單機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤、異常中斷或者硬件失效。因此一般至少在關(guān)鍵任務(wù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上選用宇航級(jí)元器件，確保最小系統(tǒng)的安全可靠，在其它電子設(shè)備異常時(shí)對(duì)其進(jìn)行處置，保證能夠恢復(fù)全系統(tǒng)正常運(yùn)行。例如RAD750 應(yīng)在詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡、毅力號(hào)火星車和100 多顆衛(wèi)星上，幾十年運(yùn)行正常。

COTS 集成電路沒有采取抗輻射加固設(shè)計(jì)和試驗(yàn)考核，表面上看是先天劣勢(shì)，但并不意味著完全不具有抗輻射能力，器件自身電離總劑量效應(yīng)閾值可通過試驗(yàn)測(cè)試獲得，不同工藝類別器件TID 水平有高有低，并可通過適當(dāng)屏蔽大大降低在軌實(shí)際吸收劑量，適應(yīng)不同壽命要求和不同軌道環(huán)境的航天任務(wù)[9]。單粒子效應(yīng)在不同類型集成電路上閾值有顯著差異，有相當(dāng)一部分抗輻照性能優(yōu)異能夠達(dá)到15 MeV·cm2/mg 或37 MeV·cm2/mg甚至75 MeV·cm2/mg 以上，但通常存儲(chǔ)器、FPGA、DSP、CPU 等對(duì)重離子、中子較敏感，例如美國極紫外探測(cè)衛(wèi)星（EUVE）由于單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致探測(cè)器窗口發(fā)生緊急關(guān)閉故障。這類單粒子事件風(fēng)險(xiǎn)一般可以在器件級(jí)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)避任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)[10]。

有一種情況，某些集成電路廠家專門研發(fā)了具備抗輻射能力的COTS 元器件宣傳為“宇航用”元器件，沒有經(jīng)上述標(biāo)準(zhǔn)的宇航級(jí)認(rèn)證，冠以“宇航用 、Radhard、rad-hardened、rad-tolerant”等詞語宣傳其特性，這類元器件具有優(yōu)異的抗輻射能力，但并不是所有輻射效應(yīng)閾值都特別高，也有些指標(biāo)和機(jī)構(gòu)評(píng)測(cè)的指標(biāo)相差非常大，需注意甄別[11]。

絕大部分不采用半導(dǎo)體工藝的元器件對(duì)空間輻射環(huán)境效應(yīng)并不敏感，例如電阻電容電感，電連接器、機(jī)械開關(guān)、機(jī)械繼電器等沒有明顯的電離輻射總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。

在選用COTS 元器件時(shí)，需綜合考慮軌道空間環(huán)境輻射環(huán)境特點(diǎn)、器件本身抗輻射能力、系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)措施、冗余設(shè)計(jì)、系統(tǒng)可靠性風(fēng)險(xiǎn)承受水平等因素，比較不同COTS 元器件勝任任務(wù)的能力。電離輻射總劑量效應(yīng)是累積效應(yīng)，周邊的各種材料和機(jī)箱都起屏蔽作用，例如達(dá)到20 KRad（Si）抗電離輻射總劑量能力的電路，經(jīng)過適當(dāng)屏蔽可以滿足在低軌或較短壽命中高軌的任務(wù)需求。單粒子效應(yīng)是偶然事件，可以在器件級(jí)、板卡級(jí)、單機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中去防護(hù)和應(yīng)對(duì)。

2 關(guān)于質(zhì)量保證等級(jí)和質(zhì)量水平

宇航級(jí)元器件質(zhì)量保證等級(jí)最高，在設(shè)計(jì)、工藝、材料、檢驗(yàn)方法和程序、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面采取了最嚴(yán)格的質(zhì)量保證措施，盡最大可能消除材料缺陷、制造缺陷等導(dǎo)致的早期失效和偶然失效。宇航級(jí)集成電路按照GJB 597、MIL-PRF-38535 等標(biāo)準(zhǔn)中宇航級(jí)規(guī)定的質(zhì)量控制措施進(jìn)行質(zhì)量控制，生產(chǎn)線應(yīng)通過宇航級(jí)認(rèn)證，嚴(yán)格質(zhì)量一致性抽樣試驗(yàn)保證批次質(zhì)量可信度，并通過100 %篩選檢驗(yàn)剔除不合格產(chǎn)品。 通常宇航級(jí)集成電路屬于小批量生產(chǎn)，因此上述措施保證質(zhì)量的同時(shí)也造成生產(chǎn)成本的大幅提高，因此元器件單價(jià)非常高。

總體上COTS 元器件沒有統(tǒng)一的強(qiáng)制規(guī)范來規(guī)定質(zhì)量保證等級(jí)，質(zhì)量保證措施是在商業(yè)環(huán)境下提高產(chǎn)品競爭力和企業(yè)競爭力由企業(yè)自發(fā)制定的，主要通過大批量生產(chǎn)中采用統(tǒng)計(jì)過程控制Statistics Processing Control（SPC）來保證產(chǎn)品質(zhì)量水平的[12]，一般沒有100 %的測(cè)試和檢驗(yàn)。由于宇航級(jí)元器件市場(chǎng)較小無法持續(xù)大批量生產(chǎn)，總體上SPC 方法不適于宇航級(jí)元器件的可靠性評(píng)價(jià)。

但由于市場(chǎng)充分競爭，競相為了滿足客戶不斷增長的需求不斷提升性能和質(zhì)量，整體上COTS 元器件質(zhì)量水平持續(xù)提升[13]，例如塑封集成電路TPS74401 失效率達(dá)到了0.2 FIT（見圖1），這是廠家大批量生產(chǎn)通過長期持續(xù)累計(jì)達(dá)到57508 只抽樣高溫壽命檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。行業(yè)上形成的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（例如JEDEC，AEC-Q），對(duì)促進(jìn)COTS 元器件質(zhì)量水平也起到了推動(dòng)作用，美軍自從1994年制定政策鼓勵(lì)在軍用裝備中使用COTS 器件以來，證明其質(zhì)量水平可以滿足高可靠領(lǐng)域的需求[14]。但由于可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217 對(duì)COTS 元器件的質(zhì)量系數(shù)評(píng)價(jià)過低，導(dǎo)致長期以來誤導(dǎo)和阻礙了COTS 器件在軍用和航天領(lǐng)域的應(yīng)用[15]。

圖1 廠家公布的COTS TPS74401RGRR 失效率評(píng)估數(shù)據(jù)

宇航級(jí)元器件通常由于批量小并且沒有長期持續(xù)生產(chǎn)，通常無法通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來定量評(píng)價(jià)質(zhì)量等級(jí)水平，因此宇航級(jí)元器件雖然質(zhì)量保證等級(jí)最高但往往并不給出失效率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這是兩種不同的質(zhì)量保證控制措施的差異所致。

這里需要注意的是，集成電路的S 級(jí)是質(zhì)量保證等級(jí)，而元件的S 級(jí)是質(zhì)量等級(jí)，表示失效率水平達(dá)到了0.1FIT，代表了元件本身的固有可靠性。

COTS 元器件雖然沒有軍用標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定的Q、V、B、S 等質(zhì)量保證等級(jí)，但是不同元器件廠家根據(jù)市場(chǎng)用途（Applications）往往對(duì)COTS 器件的等級(jí)做了一定程度的細(xì)分，例如廠家Linear Technology Corporation劃分為C、E、I、H、MP 等級(jí)，TI 分為Commercial、Industry、AEC-Q100、Enhanced Product（EP）、Space EP Products，選用時(shí)可以加以甄別。

軍用元器件標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)量保證等級(jí)越高意味著元器件質(zhì)量水平越高，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)較小。而COTS 元器件從另一種形式的質(zhì)量保證措施來提高和保持質(zhì)量水平，在航天選用時(shí)需根據(jù)所在設(shè)備或系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)承受情況來適當(dāng)選擇COTS 元器件，比如考慮加電時(shí)長需求，系統(tǒng)冗余情況等等。尤其是COTS 質(zhì)量水平參次不齊，需要在繁多的等級(jí)、廠家、種類、規(guī)格中遴選和優(yōu)選，大量航天實(shí)踐證明COTS 元器件是可行的方案。表3列出了宇航級(jí)和COTS 元器件在抗輻照性能和質(zhì)量特點(diǎn)對(duì)比。

表3 宇航級(jí)元器件與COTS 器件的綜合對(duì)比

3 成熟度魯棒性

宇航級(jí)元器件一旦鑒定定型，版圖設(shè)計(jì)是受控的，廠家不能隨意修改，設(shè)計(jì)提升需要申請(qǐng)批準(zhǔn)和驗(yàn)證，因此廠家是沒有很強(qiáng)的意愿和商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)去更新升級(jí)，很多宇航級(jí)元器件從幾十年前設(shè)計(jì)定型一直沿用至今，并不與主流商業(yè)技術(shù)同步。

COTS 元器件由于商業(yè)市場(chǎng)海量用戶使用驗(yàn)證，通過市場(chǎng)反饋和需求提升反復(fù)多次迭代持續(xù)升級(jí)，趨向成熟穩(wěn)定。不僅對(duì)性能指標(biāo)本身快速提升，在異常操作保護(hù)設(shè)計(jì)、多種封裝形式、配套開發(fā)的軟硬件產(chǎn)品等也不斷完善提供了更強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)用戶的應(yīng)用操作要求不斷降低，提升了應(yīng)用可靠性。

在這點(diǎn)上COTS 元器件是有顯著優(yōu)勢(shì)的。例如RS422 總線收發(fā)器使用在接口電路中，測(cè)試使用環(huán)境復(fù)雜多變，容易誤操作引起過電應(yīng)力失效，為此有些COTS RS422 總線收發(fā)器提供了高達(dá)±35 kV ESD 的魯棒性保護(hù)[16]。

4 用戶使用風(fēng)險(xiǎn)和代價(jià)

宇航級(jí)元器件抗輻射性能高，質(zhì)量保證等級(jí)高，在軌應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)極低。由于訂貨量小，宇航級(jí)元器件單價(jià)往往是同等性能商業(yè)器件的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，用戶采購成本非常高[17]。為了達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的抗輻射指標(biāo)，還需要在功耗、性能、尺寸等方面和抗輻射能力上進(jìn)行平衡，宇航級(jí)元器件通常是金屬陶瓷氣密封裝，元器件尺寸重量較大，電路板卡和機(jī)箱尺寸重量相應(yīng)增加，航天器姿態(tài)控制設(shè)備、推進(jìn)劑用量以及能源系統(tǒng)也隨之增重，導(dǎo)致整星發(fā)射成本較高，因此整體成本較高。

COTS 元器件由于適用性廣，用戶多，商業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)大幅降低了單位成本，用戶采購成本低。COTS 元器件有利于設(shè)計(jì)建造小型超小型航天器，航天系統(tǒng)整體成本大大降低。但是市場(chǎng)上COTS 元器件品種繁多，可靠性水平參次不齊，以及COTS 元器件新技術(shù)帶來可靠性風(fēng)險(xiǎn)需要針對(duì)性識(shí)別和驗(yàn)證，因此需要在可靠性評(píng)估、篩選、系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取必要的針對(duì)性措施降低使用風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)用戶元器件管控能力要求較高。

5 總結(jié)

航天電子系統(tǒng)的高可靠在很大程度上取決于元器件的固有高可靠特性，但是優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往可以在元器件自身特性基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性。因此采用宇航級(jí)元器件還是采用COTS 元器件來構(gòu)建航天電子系統(tǒng)，一方面需要在器件級(jí)考量元器件自身可靠性，另一方面需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次統(tǒng)籌考慮，利用COTS 元器件的高性能、低成本和宇航級(jí)元器件的高可靠、輻照免疫優(yōu)勢(shì)，采取必要措施規(guī)避各自的使用風(fēng)險(xiǎn)。

采用宇航級(jí)元器件和COTS 元器件都是可行可取的方案，只是在具體的某塊板卡、某個(gè)單機(jī)、某個(gè)分系統(tǒng)中可以具體考量，適當(dāng)加以選擇和分辨。