航天型號(hào)元器件補(bǔ)充篩選必要性分析

崔 帥，張 穎，曹德峰，李志勇，盧 健，胥佳靈

（1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203； 2.中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203；3.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海 201109）

航天型號(hào)元器件補(bǔ)充篩選必要性分析

崔 帥1,2，張 穎3，曹德峰1,2，李志勇1,2，盧 健1,2，胥佳靈1,2

（1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203； 2.中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203；3.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海 201109）

以多顆衛(wèi)星元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本，探究元器件補(bǔ)充篩選必要性分析。經(jīng)過(guò)分析研究，認(rèn)為低成本商業(yè)衛(wèi)星元器件的補(bǔ)充篩選，改變現(xiàn)有篩選模式，結(jié)合元器件自身特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用需求，合理制定篩選技術(shù)方案，能夠在保證型號(hào)進(jìn)度以及可靠性的條件下節(jié)省成本，一定程度上為商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展提供技術(shù)支持。

補(bǔ)充篩選；商業(yè)衛(wèi)星；航天型號(hào)工程

引言

元器件可靠性數(shù)據(jù)分析作為描述、評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性的理論方法，隨著可靠性概念的提出和應(yīng)用逐漸發(fā)展起來(lái)，成為可靠性工程的重要組成部分?？煽啃愿拍钆c1957年美國(guó)國(guó)防部首次提出，典型報(bào)告為《軍用電子設(shè)備可靠性》，提出了指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法，為可靠性發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)為期60多年的發(fā)展，可靠性評(píng)價(jià)逐漸成熟，已經(jīng)向綜合化、智能綜合化發(fā)展。

就目前國(guó)內(nèi)元器件質(zhì)量保證技術(shù)而言，主要有元器件補(bǔ)充篩選[1]（二篩）、破壞性物理分析（DPA）、失效分析（FA）和結(jié)構(gòu)分析（CA）。此外，今年來(lái)逐步發(fā)展的還包括新品評(píng)價(jià)、應(yīng)用驗(yàn)證等技術(shù)。這些技術(shù)可以從事前、事中以及事后對(duì)元器件可靠性進(jìn)行指導(dǎo)，在很大程度上提高了產(chǎn)品的可靠性。對(duì)于元器件生產(chǎn)商，通過(guò)相應(yīng)的分析技術(shù)指導(dǎo)，不斷改進(jìn)器件制備工藝，生產(chǎn)出性能趨于穩(wěn)定的產(chǎn)品。對(duì)于用戶(hù)而言，增強(qiáng)了從元器件、單機(jī)以及系統(tǒng)方面的綜合認(rèn)識(shí)，進(jìn)行電裝工藝、系統(tǒng)兼容、冗余設(shè)計(jì)等方面的改進(jìn)，提高了系統(tǒng)可靠性。

航天型號(hào)產(chǎn)品需要使用大量的元器件，元器件的可靠性是型號(hào)工程可靠性的基礎(chǔ)。航天產(chǎn)品具有不可維修性的典型特征，可能因?yàn)橐粋€(gè)元器件失效而引起單機(jī)或系統(tǒng)的失效，因而元器件要保證高可靠性。伴隨著衛(wèi)星微型化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，型號(hào)元器件的選用、質(zhì)量保證等方面的要求也越來(lái)越高。與此同時(shí)，元器件生產(chǎn)工藝逐漸趨于成熟，生產(chǎn)的元器件性能越來(lái)越穩(wěn)定。生產(chǎn)廠進(jìn)行一次篩選，剔除早期失效的產(chǎn)品，補(bǔ)充篩選過(guò)程中剔除的不合格品越來(lái)越少[2]。型號(hào)規(guī)定：裝星元器件都要經(jīng)過(guò)補(bǔ)充篩選，以保證可靠性技術(shù)要求。

但是，在生產(chǎn)工藝逐漸成熟的今天，元器件進(jìn)行補(bǔ)充篩選試驗(yàn)有沒(méi)有必要進(jìn)行？進(jìn)行此試驗(yàn)?zāi)軌蛟诙啻蟪潭壬媳ＷC元器件可靠性？進(jìn)行此試驗(yàn)會(huì)不會(huì)引入新的損而降低元器件可靠性？補(bǔ)充篩選分析的意義究竟有多大？尤其是面對(duì)高密度封裝、高度集成器件，補(bǔ)充篩選很容易引入新的損傷（如引腳彎曲變形，等），造成元器件裝配過(guò)程中不確定因素的存在。各型號(hào)每年對(duì)于元器件補(bǔ)充篩選投入的時(shí)間較長(zhǎng)而且費(fèi)用較高，但是業(yè)內(nèi)沒(méi)有元器件補(bǔ)充篩選統(tǒng)計(jì)分析的研究進(jìn)展?；诖?，通過(guò)各型號(hào)元器件補(bǔ)充篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究二次篩選對(duì)元器件可靠性質(zhì)量保證可靠度方面的研究，保證型號(hào)工行的高可靠運(yùn)行勢(shì)在必行。本文以多顆衛(wèi)星的篩選數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)并提出合理化建議，對(duì)低成本商業(yè)衛(wèi)星元器件可靠性保證具有一定的指導(dǎo)意義。

1 國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口元器件數(shù)量分析

參與統(tǒng)計(jì)的所有元器件共計(jì)208.441 6萬(wàn)只，16 060批次。其中，國(guó)產(chǎn)元器件191.274 1萬(wàn)只，比例為91.76 %；進(jìn)口元器件17.167 5萬(wàn)只，比例為8.24 %。國(guó)產(chǎn)元器件中，元件有181.375 2萬(wàn)只，比例為94.68 %；器件有10.186 1萬(wàn)只，比例為5.32 %。進(jìn)口元器件中，元件9.686 5萬(wàn)只，比例為56.42 %；器件7.481 0萬(wàn)只，比例為43.58 %。國(guó)產(chǎn)元件、國(guó)產(chǎn)器件數(shù)量、比例分布情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口元器件數(shù)量比例關(guān)系

2 國(guó)產(chǎn)元器件失效數(shù)據(jù)分析

通過(guò)查閱數(shù)顆衛(wèi)星所用元器件的補(bǔ)充篩選數(shù)據(jù)，對(duì)所有元器件進(jìn)行分類(lèi)、歸納、總結(jié)，并對(duì)各類(lèi)元器件失效信息進(jìn)行匯總。國(guó)產(chǎn)元器件使用信息匯總見(jiàn)表2，國(guó)產(chǎn)元件失效信息匯總見(jiàn)表3，國(guó)產(chǎn)器件失效信息匯總見(jiàn)表4。

由表3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，部分元件失效信息為：某單位生產(chǎn)的熱敏電阻，失效比例為3.888 9%；某單位生產(chǎn)鉭電解電容，失效比例為2.758 6%；某單位生產(chǎn)的微型磁保持繼電器，失效比例為0.092 26%；失效比例相對(duì)較小。失效數(shù)量與參與計(jì)算樣本總數(shù)量的相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖1。

表2 國(guó)產(chǎn)元器件使用信息匯總

表3 國(guó)產(chǎn)元件失效信息匯總

表4 國(guó)產(chǎn)器件失效信息匯總

在國(guó)產(chǎn)器件的補(bǔ)充篩選失效統(tǒng)計(jì)分析中，分為二極管、三極管、集成電路三個(gè)部分。分立器件中，二極管包括硅階躍恢復(fù)二極管、變?nèi)荻O管、二極管、瞬態(tài)抑制二極管等，生產(chǎn)廠家共5家，總失效數(shù)量11只，參與計(jì)算樣本容量1 134只，失效比例為0.970 0 %；三極管包括三極管、晶體管，生產(chǎn)廠家共4家，總失效數(shù)量22只，參與計(jì)算樣本容量582只，失效比例為3.780 1 %；集成電路包括CMOS電路、放大器、混頻器、三端穩(wěn)壓器等，生產(chǎn)廠家共3家，總失效數(shù)量9只，參與計(jì)算樣本容量348只，失效比例為2.586 2 %?？偟氖П壤鄬?duì)較小。器件總失效數(shù)量與參與統(tǒng)計(jì)計(jì)算的樣本容量的數(shù)量關(guān)系見(jiàn)圖2。

3 討論與分析

近年來(lái)，我國(guó)航天事業(yè)取得了很大進(jìn)展。其中，元器件的補(bǔ)充篩選，對(duì)航天型號(hào)可靠性起著極其重要的作用，多項(xiàng)航天任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。然而，元器件加工業(yè)也在飛速發(fā)展，目前生產(chǎn)的元器件可靠性多數(shù)較高，經(jīng)過(guò)補(bǔ)充篩選后沒(méi)有淘汰或很少淘汰早期失效產(chǎn)品。為保證航天型號(hào)工程質(zhì)量，各承研單位的元器件電裝工藝前，仍然按照原來(lái)的補(bǔ)充篩選技術(shù)條件進(jìn)行。然而，在元器件本身可靠性提升的條件下，補(bǔ)充篩選的適用性到底有多大，元器件需不需要篩選以及如何篩選，成為航天型號(hào)研究領(lǐng)域各用戶(hù)關(guān)心的問(wèn)題。特別是國(guó)際、國(guó)內(nèi)低成本商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用需求，各單位對(duì)篩選問(wèn)題更為關(guān)注。

1）元件。通過(guò)對(duì)多顆衛(wèi)星元件補(bǔ)充篩選數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以看出：經(jīng)過(guò)補(bǔ)充篩選，電阻器、電容器、電感器，電連接器等元件失效比例較小，甚至可以忽略。失效電阻主要為熱敏電阻、鉭電解電容器和繼電器。

為此，筆者建議，元件二篩需要改變?cè)械暮Y選模式。元件類(lèi)篩選，可以通過(guò)減少篩選項(xiàng)目或委托生產(chǎn)廠在一篩中進(jìn)行[3]。廠家一篩的條件為，元器件可靠性質(zhì)量保證機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)廠家建立較為完善的廠家考核機(jī)制，能夠?qū)嵭袑?duì)生產(chǎn)廠家的動(dòng)態(tài)管理，對(duì)不合格元件生產(chǎn)廠家有相應(yīng)的管理辦法，如限制供貨甚至是不采用該廠家產(chǎn)品。

對(duì)熱敏電阻、鉭電解電容器，由于生產(chǎn)工藝本身特點(diǎn)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品二篩過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定比例的失效，但批允許不合格率（PDA）一般都符合技術(shù)文件規(guī)定要求，該類(lèi)元件按照原有補(bǔ)充篩選試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行。對(duì)繼電器的篩選，沿用原有的篩選試驗(yàn)條件。其原因是，繼電器屬于型號(hào)產(chǎn)品關(guān)鍵元件，該元件失效會(huì)導(dǎo)致所控制單機(jī)的失效。單機(jī)可靠性再高，若控制的繼電器失效，則該單機(jī)失效，喪失原有功能。

圖2 器件失效數(shù)量與參與計(jì)算樣本總數(shù)量的相對(duì)關(guān)系

2）器件。通過(guò)對(duì)多顆衛(wèi)星器件補(bǔ)充篩選數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以看出：經(jīng)過(guò)補(bǔ)充篩選，各類(lèi)二極管、三極管以及集成電路失效比例較小，甚至可以忽略，但失效器件較為分散，不同種類(lèi)、不同批次器件均可能失效。對(duì)于器件類(lèi)篩選，可以部分程度上采用元件類(lèi)篩選模式，如器件補(bǔ)充篩選納入廠家一篩，建立廠家動(dòng)態(tài)考核機(jī)制等。部分程度上沿用原來(lái)航天型號(hào)元器件篩選模式。在低成本商業(yè)衛(wèi)星的背景需求下，可以探究元器件補(bǔ)充篩選新模式，如按照衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命制定篩選技術(shù)方案、按照衛(wèi)星運(yùn)行軌道制定補(bǔ)充篩選技術(shù)方案等。

由于器件類(lèi)生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，每一道生產(chǎn)工藝不當(dāng)，均會(huì)對(duì)產(chǎn)品可靠性造成影響。器件生產(chǎn)涉及氧化、摻雜、金屬化、表面鈍化等技術(shù)環(huán)節(jié)，且多數(shù)步驟需要清洗工藝?？赡芤蛞粋€(gè)步驟不當(dāng)就會(huì)造成器件的批次性失效。因此，器件類(lèi)補(bǔ)充篩選要較為慎重，篩選方案制定時(shí)要綜合考慮方案的合理性、篩選成本、進(jìn)度等方面[4]。

此外，元器件補(bǔ)充篩選過(guò)程中，其他可能導(dǎo)致可靠性降低的因素較多，如靜電敏感元器件的篩選、假冒翻新元器件的識(shí)別以及新型元器件篩選問(wèn)題。以目前型號(hào)采用的BGA器件為例，可能存在篩選技術(shù)員對(duì)器件不了解導(dǎo)致過(guò)應(yīng)力篩選、篩選后因焊錫球氧化而不如不篩選元器件的可靠性（電裝過(guò)程中出現(xiàn)虛焊或不能焊接）。

塑封器件篩選問(wèn)題也是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)[5]。商用塑封器件與宇航級(jí)元器件相比，存在明顯的區(qū)別，如溫度適用性范圍、質(zhì)量等級(jí)等。按照常規(guī)篩選模式進(jìn)行篩選，周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，低成本衛(wèi)星實(shí)際現(xiàn)狀以及發(fā)展方向難于接受。但塑封器件在航天型號(hào)上的應(yīng)用逐漸增多，如何合理制定篩選技術(shù)方案，如何有效對(duì)塑封元器件進(jìn)行篩選，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

元器件補(bǔ)充篩選對(duì)航天型號(hào)工程型號(hào)可靠性保證起到了積極的推動(dòng)作用，很大程度上保證了型號(hào)工程的可靠性。本文對(duì)多顆衛(wèi)星元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)失效元器件數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)目前元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1）元件類(lèi)篩選?？梢酝ㄟ^(guò)減少篩選項(xiàng)目或委托生產(chǎn)廠在一篩中進(jìn)行，建立廠家動(dòng)態(tài)考核機(jī)制；熱敏電阻、鉭電解電容器以及繼電器，按照原有補(bǔ)充篩選試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行。

2）器件類(lèi)篩選。器件補(bǔ)充篩選納入廠家一篩，建立廠家動(dòng)態(tài)考核機(jī)制等；部分程度上沿用原來(lái)航天型號(hào)元器件篩選模式；探究元器件補(bǔ)充篩選新模式，如按照衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命制定篩選技術(shù)方案、按照衛(wèi)星運(yùn)行軌道制定補(bǔ)充篩選技術(shù)方案等。

3）低成本衛(wèi)星下塑封器件篩選問(wèn)題。改變或沿用現(xiàn)有篩選模式，合理編制篩選方案，有效對(duì)塑封元器件進(jìn)行篩選。

[1]楊?yuàn)^為. 航天用電連接器的二次篩選研討[J]. 機(jī)電元件, 1997, 17(2):53-56

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[5]林湘云,來(lái)萍,劉建,等. 塑封微電路篩選鑒定和DPA技術(shù)的研究[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2008,33(12):1108-1111.

崔帥，男，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，上海微小衛(wèi)星質(zhì)量部工作，從事航天型號(hào)元器件可靠性及質(zhì)量管理工作。

The Necessity Analysis of Space Project Components Screening

CUI Shuai1,2, ZHANG Ying3, CAO De-feng1,2, LI Zhi-yong1,2, LU Jian1,2, XU Jia-ling1,2
(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 201203; 2. Key Laboratory for Microsatellites, Chinese Academy of sciences, Shanghai 201203; 3. Shanghai Research Institute of Precision Measuring Physics, Shanghai 201109)

In this paper, the necessity of components screening is investigated which used a number of satellite components screening test data as a sample. Through the corresponding analysis, it suggests the screening of commercial satellite components with low cost, so as to change the existing screening mode. Combined with the own characteristics and actual application requirements of components, the screening technical proposal is formulated reasonably. The technical proposal can guarantee the reliability of the components under the condition of model schedule and cost saving and provide technical support to a certain extent for the development of commercial satellites.

screening; commercial satellite; Space Project

V461

B

1004-7204（2017）03-0034-05