航空電子器件超溫使用分析及升額方法研究

梁 媛劉文媛楊 洋盧曉青蔡良續(xù)孟玉慈

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第六三一研究所，陜西 西安 710119 ）

航空電子器件超溫使用分析及升額方法研究

梁 媛1劉文媛2楊 洋1盧曉青1蔡良續(xù)1孟玉慈2

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第六三一研究所，陜西 西安 710119 ）

對(duì)航空電子器件超溫使用的現(xiàn)狀以及危害性進(jìn)行分析，結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR 62240，提出航空電子器件升額的器件參數(shù)特性重估法、應(yīng)力配平法、參數(shù)一致性評(píng)估法及更高裝配級(jí)測(cè)試法，為器件超溫使用評(píng)估提供理論依據(jù)。

航空電子；超溫使用；升額

電子元器件是組成電子產(chǎn)品的基本單元，其選用是保證電子產(chǎn)品可靠性的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的應(yīng)用于嚴(yán)酷環(huán)境的航空電子產(chǎn)品選用執(zhí)行軍用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體元器件，由生產(chǎn)軍用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體廠商提供貨源，因此能夠保證元器件的工作溫度范圍覆蓋電子產(chǎn)品的實(shí)際使用工作溫度范圍。由于近幾年來，許多元器件生產(chǎn)廠家已退出軍品市場(chǎng)，使得可供使用的寬溫度范圍電子器件大量減少，設(shè)備生產(chǎn)廠家經(jīng)常將電子器件應(yīng)用在超出產(chǎn)品手冊(cè)所規(guī)定的溫度范圍，這對(duì)半導(dǎo)體電子器件的使用和電子產(chǎn)品的可靠性帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，在航空電子與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，為滿足航空電子設(shè)備性能要求，大量使用商用貨架元器件（Commercial-off-the-shelf Products，以下簡(jiǎn)稱COTS器件），由于COTS器件工作的溫度范圍比航空電子環(huán)境的稍窄，電子元器件在超出制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，通常引起元器件可靠性降低，安全風(fēng)險(xiǎn)增大，從而影響武器裝備的質(zhì)量和可靠性[1]。

1 超溫使用對(duì)電子器件影響分析

通常，電子器件在高溫條件下工作的失效率遠(yuǎn)大于在室溫下工作的失效率。例如，對(duì)于PNP硅晶體管，在其工作溫度范圍內(nèi)，25℃和應(yīng)力比0.3的條件下，其基本失效率為0.009 6，130℃和應(yīng)力比0.3的條件下，其基本失效率為0.063，高溫與室溫失效率之比為7:1，低溫使用時(shí)失效率同樣高于室溫失效率[2]。由此可見，如果超溫使用電子器件，造成設(shè)備內(nèi)電子器件的溫度超出元器件的使用溫度范圍，加速元器件的失效，從而導(dǎo)致航空電子設(shè)備可靠性降低。

1.1 超高溫使用對(duì)電子器件可靠性的影響

當(dāng)電子器件使用于超過手冊(cè)規(guī)定的高溫環(huán)境時(shí)，通常出現(xiàn)電子器件材料加速老化、絕緣性能惡化、金屬材料加速膨脹或使不同材料膨脹差異變大、塑性材料加速變軟、同時(shí)化學(xué)變化加速等，從而引起電子器件性能改變或退化；絕緣不良使電子器件漏電或短路；膨脹使密封破壞或使磨損增加、化學(xué)腐蝕加劇等。這些是微電子器件、半導(dǎo)體分立器件較為常見的失效模式。

1.2 超低溫使用對(duì)元器件可靠性的影響

當(dāng)電子器件使用于超過手冊(cè)規(guī)定的低溫環(huán)境時(shí)，通常出現(xiàn)潤(rùn)滑劑等粘度增加，材料快速脆裂，冷凝結(jié)冰等現(xiàn)象，從而引起電子器件運(yùn)轉(zhuǎn)部分卡死，密封性破壞、零件斷裂或失去彈性；電性能變化，甚至出現(xiàn)短路等失效模式[2]。

2 航空電子器件超溫使用現(xiàn)狀分析

市場(chǎng)采用的電子器件根據(jù)不同的溫度范圍確定了不同的使用級(jí)別，其中軍工級(jí)電子器件溫度范圍最寬，汽車級(jí)電子器件次之，工業(yè)級(jí)電子器件較低，商業(yè)級(jí)電子器件最低，典型溫度范圍見表1。在超溫使用元器件過程中，首先選擇規(guī)定溫度范圍擴(kuò)展最小的電子器件。即在選擇制造商提供的不同溫度條件下工作的電子器件時(shí)，一般選擇額定溫度范圍最接近使用范圍的電子器件。例如，如果電子器件使用溫度范圍要求為-55℃～125℃，制造商給定可選的電子器件中，商用電子器件溫度范圍為0℃～70℃，相同型號(hào)工業(yè)級(jí)電子器件溫度范圍為-40℃～85℃，汽車級(jí)電子器件溫度范圍為-40℃～125℃，則選擇汽車級(jí)電子器件。

表1 市場(chǎng)采用器件典型溫度范圍

目前，軍用電子產(chǎn)品選用的超出制造商規(guī)定溫度范圍的COTS器件，其封裝類型大多為塑封電子器件（Plastic Encapsulated Microcircuit，以下簡(jiǎn)稱PEM）。塑封電子器件質(zhì)量輕、體積小、成本低、制造工藝簡(jiǎn)單，已廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)領(lǐng)域，但仍存在著許多可靠性問題，造成塑封電子器件在使用過程失效率較高，特別是在高溫高濕環(huán)境中由封裝氣密性造成的失效，在高電壓、高電流、高工作溫度的功率電子器件上表現(xiàn)得尤為突出，而這些失效通常無法通過普通的篩選來剔除。

軍用電子元器件中超出制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用COTS器件存在問題包括：

· 在按照系統(tǒng)或整機(jī)的篩選大綱進(jìn)行篩選過程中，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，如果系統(tǒng)或整機(jī)篩選大綱規(guī)定的溫度范圍超出電子器件手冊(cè)規(guī)定的溫度范圍（一般為貯存溫度范圍），會(huì)給電子器件帶來潛在的傷害；

· 對(duì)于超出制造商規(guī)定的溫度范圍使用的塑封電子器件，可依據(jù)PEM-INST-001 Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection, Screening, and Qualification（《塑封微電路選擇、篩選及鑒定》）[3]進(jìn)行高溫高壓蒸煮試驗(yàn)來評(píng)估其質(zhì)量。但通常試驗(yàn)費(fèi)用較高，試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，一般工程中難以實(shí)現(xiàn)；

· 隨整機(jī)進(jìn)行考核。但缺少統(tǒng)一的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，造成在超出制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用的塑封電子器件在使用過程中失效率較高，且失效后通常無法進(jìn)行正常歸零。

3 航空電子器件超溫使用方法研究

為保證COTS器件的可靠使用，針對(duì)超溫使用電子器件引起的上述問題，本文依據(jù)目前航空電子超溫使用電子器件的現(xiàn)狀，結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part1:Temperature uprating（《航空電子過程管理—電子器件使用性能—第一部分：升額》）[4]，給出航空電子器件超溫使用時(shí)升額的方法，以確保航空超溫使用塑封電子器件的使用可靠性。

3.1 電子器件參數(shù)特性重估法

電子器件參數(shù)重估指超過電子器件制造商規(guī)定溫度范圍的各類電子器件參數(shù)的重估，該過程在電子器件廠商規(guī)定的溫度范圍之外測(cè)試電子器件的電參數(shù)及其變化，如果測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確無誤，且符合參數(shù)閾值要求，則據(jù)此重新規(guī)定數(shù)據(jù)手冊(cè)中目標(biāo)參數(shù)在更寬溫度范圍的升額值或冗余，經(jīng)重估后的電子器件可在新參數(shù)提供的功能要求中使用。為了有效的評(píng)估電子器件制造差異性，需要考慮不同批次電子器件，同時(shí)通過應(yīng)用方式和使用頻率來識(shí)別該差異。

參數(shù)特性重估過程通常由電子器件使用者或特定測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行，具體重估過程見圖1。

3.1.1 選擇關(guān)鍵參數(shù)

確定使用中所有關(guān)鍵的電參數(shù)，并在全部應(yīng)用目標(biāo)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行重估。參數(shù)通常具有相互依賴性，例如邏輯電壓依賴于供電電壓，因此在確定參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮各參數(shù)之間的相關(guān)性。

3.1.2 確定樣本量

為了保證參數(shù)特性重估中的正常變化不會(huì)引起參數(shù)超限，要選擇大量的參數(shù)特性重估的樣本。樣本量應(yīng)根據(jù)每一個(gè)參數(shù)特性重估實(shí)例確定。由于質(zhì)量一致性可能是由實(shí)際使用及使用率決定的，為了有效地評(píng)估電子器件制造質(zhì)量一致性，需要對(duì)多批次電子器件進(jìn)行采樣。考慮的因素包括：

——可用于測(cè)試的電子器件數(shù)量；

——用于測(cè)試的參數(shù)類型；

——目標(biāo)溫度；

——進(jìn)行測(cè)試所需的資源；

——期望的置信水平；

——期望的參數(shù)裕度；

——與電子器件和使用相關(guān)的其它參數(shù)。

3.1.3 參數(shù)重估測(cè)試

參數(shù)重估測(cè)試通常要求在整個(gè)目標(biāo)溫度范圍內(nèi)，選取多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行，而且還要考慮目標(biāo)溫度范圍外的溫度裕值。在參數(shù)重估過程中，需要了解電子器件的絕對(duì)溫度極限值；并且在這個(gè)過程中控制所有溫度不能超過該極限值。實(shí)際使用的電子器件不能超過最大絕對(duì)溫度極限值。

圖1 參數(shù)特性重估過程流程圖

3.1.4 電測(cè)試結(jié)果的預(yù)估

如果測(cè)試結(jié)果顯示無功能失效，參數(shù)-溫度曲線連續(xù)，且修改的參數(shù)限制適用于使用情況，那么認(rèn)為升額過程成功。

3.2 應(yīng)力配平

半導(dǎo)體電子器件工作時(shí)，滿足公式：

式中：

TJ：電子器件結(jié)溫，℃；TC：電子器件殼溫，℃；P ：功耗，W；θJA：電子器件結(jié)到管殼間熱阻，℃/W。

由此可見，電子器件的功耗通常與電子器件使用時(shí)殼溫、結(jié)溫、結(jié)到管殼間熱阻相關(guān)。通常電子器件殼溫受環(huán)境溫度影響較大，可用環(huán)境溫度TA代替殼溫TC。電子器件參數(shù)重估就是通過充分降低功耗來保持結(jié)溫不變，達(dá)到電子器件在較高的環(huán)境溫度下工作的目的。考慮到電子器件在低溫下的啟動(dòng)問題，公式（1）通常適用于將電子器件工作溫度升額到額定最高工作溫度之一，不適用于對(duì)電子器件在低于其額定最低工作溫度的條件下使用的評(píng)估。電子器件工作在低于額定最低環(huán)境溫度時(shí)可使用其他方法評(píng)估，如：參數(shù)特性重估法。應(yīng)力平衡方法具體實(shí)施過程如圖2所示。

圖2 器件應(yīng)力配平流程圖

3.2.1 確定參數(shù)與功耗的關(guān)系

首先，確定出哪些電參數(shù)可被降低、降低多少，并計(jì)算出為了進(jìn)行升額，在給定應(yīng)用中電子器件應(yīng)降低的功耗值。在某些情況下，為保證功耗的減少滿足要求，有必要同時(shí)降低多個(gè)參數(shù)。

3.2.2 建立ISO-TJ曲線

在保持結(jié)溫不變的前提下，繪制ISO-TJ曲線。常用的方法有公式（1）所示的熱阻-功率公式法及熱仿真軟件仿真法。

使用熱阻-功率公式法繪制曲線時(shí)，在已知結(jié)到管殼間熱阻θJA的前提下，功耗-環(huán)境溫度斜率為-θJA的直線。如果該直線穿過點(diǎn)（TA-Max，PMax），即為ISO-TJ曲線。其中PMax為制造商規(guī)定的最高工作環(huán)境溫度（TA-Max）下的最大功耗。廣義的ISO-TJ曲線如圖3所示。曲線繪制于電子器件最低功耗（PMin）和規(guī)定的最高功耗（PMax）之間?？紤]到結(jié)溫存在數(shù)據(jù)和計(jì)算誤差，實(shí)際曲線向橫軸平移結(jié)溫裕度TM，從而ISO-TJ曲線計(jì)算出的使用功耗PAPP也相應(yīng)的降低了裕度PM，成為PAPP，由此可得到比制造商規(guī)定的最高工作環(huán)境溫度TA-Max更高的使用環(huán)境溫度TAPP。圖3中PMin對(duì)應(yīng)的溫度是電子器件可使用的最高溫度，記為TUp-Max。這樣，PMax–PMin–I–I’作為邊界確定的區(qū)域即為升額工作區(qū)域。

圖3 ISO-TJ曲線：環(huán)境溫度與功耗的關(guān)系

使用熱分析構(gòu)造ISO-TJ曲線時(shí)，根據(jù)使用環(huán)境溫度、功耗等條件，利用熱仿真軟件模擬電子器件工作情況。首先建立一個(gè)電子器件的熱模型，在熱測(cè)試條件下對(duì)電子器件進(jìn)行熱仿真，如果電子器件熱仿真結(jié)果與制造商提供的熱數(shù)據(jù)匹配，證明模型有效；然后模擬電子器件在應(yīng)用環(huán)境中不同的功耗值，從應(yīng)用熱模型得出功耗/溫度關(guān)系。

3.2.3 確定新參數(shù)值

如果應(yīng)力配平方法可用，繪制一條以某項(xiàng)電參數(shù)值為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為在PMin和PMax之間的功耗值的曲線。垂線對(duì)應(yīng)升額電子器件的應(yīng)用功耗PApp。垂線與曲線的交點(diǎn)縱坐標(biāo)的值就是通過應(yīng)力配平方法調(diào)整后的電參數(shù)值。電參數(shù)和功耗的關(guān)系如圖4所示。

完成以上步驟后，在目標(biāo)應(yīng)用溫度下對(duì)新的電參數(shù)值進(jìn)行功能測(cè)試，如果電子器件滿足電子器件手冊(cè)要求，但不能確定是否滿足使用中的功能要求，可進(jìn)行更高裝配級(jí)的功能測(cè)試，以判斷電子器件是否可用。

圖4 電參數(shù)和功耗的關(guān)系圖

3.3 參數(shù)一致性評(píng)估

在低于或高于制造商規(guī)定的額定溫度值的目標(biāo)溫度點(diǎn)評(píng)估電參數(shù)一致性時(shí)，考慮的因素有：電子器件規(guī)定的工作溫度、目標(biāo)溫度范圍以及電子器件前期經(jīng)歷，通常采用的兩種方案有：最小容差條件下測(cè)試和通過增量溫度測(cè)試確定容差。

3.3.1 最小容差條件下測(cè)試

最小容差條件下測(cè)試指在電子器件溫度高于規(guī)定溫度上限或低于規(guī)定溫度下限的條件下進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。電子器件目標(biāo)溫度限值增加（電子器件目標(biāo)溫度高于規(guī)定溫度上限）或減少（電子器件目標(biāo)溫度低于規(guī)定溫度下限）適當(dāng)?shù)脑６龋话愕湫偷脑６葹?～5℃。

采用該方法時(shí)，為保證置信度，樣本量選取數(shù)量足夠大，且所有被評(píng)估的臨界電參數(shù)都要通過參數(shù)“合格-失效”測(cè)試進(jìn)行評(píng)價(jià)。參數(shù)測(cè)試極限應(yīng)根據(jù)電子器件制造商提供的電子器件手冊(cè)而定。如果測(cè)試結(jié)果合格，電子器件進(jìn)行組裝前測(cè)試或進(jìn)行更高裝配級(jí)測(cè)試；如果測(cè)試結(jié)果不合格，說明電子器件不具備升額的能力，或者應(yīng)考慮其它的升額流程。

3.3.2 通過增量溫度測(cè)試確定容差

通過增量溫度測(cè)試確定容差時(shí)，電子器件測(cè)試溫度達(dá)到或接近規(guī)定溫度的上限（或下限），然后再連續(xù)提高（或降低）溫度，直到所關(guān)注的參數(shù)超出數(shù)據(jù)手冊(cè)中限值的范圍，通常推薦的溫度增量是5℃。通過該方法可得到參數(shù)非一致性的溫度分布以及新的溫度限值。經(jīng)過測(cè)試結(jié)果，如果符合公式2，則電子器件可投入使用。

式中：

Treq-max：系統(tǒng)中所需電子器件最高工作溫度；X ：樣本均值；CIX：平均值的置信區(qū)間；A ：容差的標(biāo)準(zhǔn)方差；CLσ：標(biāo)準(zhǔn)差置信度；TE ：測(cè)試設(shè)備容差。

3.4 更高裝配級(jí)測(cè)試

通過裝配級(jí)測(cè)試進(jìn)行升額是電子器件升額方法的一種，由測(cè)試包含該電子器件的組件實(shí)現(xiàn)。測(cè)試在裝配級(jí)進(jìn)行，通過測(cè)試電子器件和組件的相關(guān)性，確定在目標(biāo)使用溫度范圍內(nèi)電子器件是否滿足所需功能。

更高裝配級(jí)測(cè)試通常用于在目標(biāo)使用溫度范圍內(nèi)，電子器件用于包含其它電子器件及功能的更大裝配中時(shí)，驗(yàn)證電子器件是否滿足該組件所需功能和性能的能力。該過程要求對(duì)電子器件在特定應(yīng)用中重要性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并非針對(duì)所有規(guī)定的性能特性參數(shù)。因此，會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)應(yīng)用中驗(yàn)證可用的電子器件在其它應(yīng)用中可能不可用的情況。

4 總結(jié)

隨著COTS器件越來越多的應(yīng)用于航空航天及國防領(lǐng)域，超出制造商規(guī)定溫度范圍時(shí)半導(dǎo)體電子器件的使用造成武器裝備失效率升高，導(dǎo)致航空電子設(shè)備可靠性低。目前，超溫使用的電子器件無法通過常用的的篩選對(duì)影響使用可靠性的電子器件進(jìn)行有效的剔除，且工程中缺少有效可行的升額方法，因此，急需形成一套適用于工程應(yīng)用、有效可行的電子器件升額方法。

本文依據(jù)目前航空電子超溫使用電子器件的現(xiàn)狀，結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part1:Temperature uprating，提出航空電子電子器件升額的電子器件參數(shù)特性重估法、應(yīng)力配平法、參數(shù)一致性評(píng)估法及更高裝配級(jí)測(cè)試法，通過理論評(píng)價(jià)、仿真評(píng)估、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，保證超溫超溫使用電子器件的質(zhì)量及可靠性，為后續(xù)形成有效的超溫使用電子器件評(píng)估提供理論依據(jù)。

[1]黃永葵.IEC/TC107國際電工委員會(huì)航空電子過程管理技術(shù)委員會(huì)及相關(guān)情況介紹[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2004（3）.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第二十冊(cè) 可靠性、維修性設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社.1999.

[3]PEM-INST-001 Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection，Screening，and Qualifcation[S].

[4]IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part：Temperature uprating[S].2014.

（編輯：雨晴）

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1003-6660（2016）06-0036-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.009