商業(yè)航天元器件質(zhì)量控制模式簡(jiǎn)議

張穎　曹德峰　許美娟

（1上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海，201109；2上海微小衛(wèi)星工程中心，上海，201203）

航天型號(hào)工程的可靠性，最為基礎(chǔ)也最為關(guān)鍵的是元器件可靠性，元器件可靠性是航天型號(hào)可靠性的基礎(chǔ)。伴隨火箭回收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)、國(guó)際商業(yè)航天邁入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。商業(yè)航天典型特征是競(jìng)爭(zhēng)性采購(gòu)、低成本、研制周期短以及技術(shù)創(chuàng)新快等，其總體發(fā)展任務(wù)目標(biāo)是以國(guó)內(nèi)商業(yè)航天為主導(dǎo)，以商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展為核心，通過(guò)科技創(chuàng)新、管理模式創(chuàng)新和管理創(chuàng)新方式，打造商業(yè)航天新天地。

1　商用航天元器件特點(diǎn)及其質(zhì)量控制要求

目前，國(guó)內(nèi)、國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)迅速發(fā)展，生產(chǎn)出的半導(dǎo)體器件功能、性能逐漸趨于成熟穩(wěn)定，篩選出的不合格元器件比例較少，批次性質(zhì)量問(wèn)題較少發(fā)生。以往的宇航型號(hào)屬于高可靠、長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，選用的元器件質(zhì)量等級(jí)通常較高，且宇航級(jí)元器件的質(zhì)量控制均是按照宇航高可靠技術(shù)要求嚴(yán)格執(zhí)行。商業(yè)航天型號(hào)設(shè)計(jì)壽命通常較短，其特征表現(xiàn)為低成本、小型化以及高響應(yīng)速度等，因此使用了越來(lái)越多的功能較為先進(jìn)的低等級(jí)元器件。

商業(yè)航天元器件質(zhì)量控制多延用以往的宇航高可靠技術(shù)要求執(zhí)行，主要涵蓋監(jiān)制、驗(yàn)收、補(bǔ)充篩選、破壞性物理分析 （DPA）以及新研元器件的應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)等。宇航級(jí)元器件高可靠技術(shù)篩選應(yīng)力較高且試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)較高，應(yīng)用于商業(yè)航天可能存在一定的局限性，如篩選的過(guò)應(yīng)力問(wèn)題。因此，商業(yè)航天發(fā)展需求下，元器件選用、管理以及質(zhì)量保證方式均需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以此推動(dòng)商業(yè)航天的又好又快發(fā)展。其中，調(diào)整內(nèi)容主要有：篩選中，保留必要試驗(yàn)項(xiàng)目、去除非必要試驗(yàn)項(xiàng)目，避免過(guò)應(yīng)力篩選；選用中，選取大量功能先進(jìn)的低等級(jí)元器件，如商用貨架器件（COTS器件）；管理中，進(jìn)行全方位、多角度的管理。

基于國(guó)內(nèi)商業(yè)航天處于快速發(fā)展階段，但缺乏一套完整的元器件選用及質(zhì)量保證技術(shù)。為了促進(jìn)商業(yè)航天的快速發(fā)展，又能達(dá)到減少試驗(yàn)成本、避免過(guò)應(yīng)力篩選及提高可靠性等目的，需要對(duì)宇航級(jí)元器件的質(zhì)量控制模式進(jìn)行研究。本文以商業(yè)航天型號(hào)工程可靠性為技術(shù)需求，對(duì)商業(yè)航天元器件管理提出加強(qiáng)源頭控制和質(zhì)量控制要求，旨在推動(dòng)商業(yè)航天的元器件選用、管理及質(zhì)量控制等工作。

2　加強(qiáng)商用航天元器件源頭控制和質(zhì)量保證

2.1　加強(qiáng)元器件源頭控制

源頭控制方面，主要從選用和采購(gòu)兩方面以及在此基礎(chǔ)上的合理化管理。以往衛(wèi)星型號(hào)元器件選用過(guò)程中，未能按照實(shí)際需求合理壓縮廠家、宇航高可靠元器件選用較多及國(guó)產(chǎn)化替代元器件種類較少，在可靠性能夠滿足的條件下出現(xiàn)衛(wèi)星型號(hào)工程研制成本較高的問(wèn)題，難于適應(yīng)目前衛(wèi)星型號(hào) （尤其是低成本商業(yè)衛(wèi)星）技術(shù)發(fā)展需求。

目前，小衛(wèi)星型號(hào)研制過(guò)程中，應(yīng)督促承研單位依據(jù)應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，綜合考慮應(yīng)用部位、研制經(jīng)費(fèi)、研制進(jìn)度及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平等因素，選用過(guò)程中應(yīng)遵循如下原則。

a）“三定”選用原則。元器件選用過(guò)程中，堅(jiān)持“三定”原則，即定品種、定廠家、定規(guī)范。滿足型號(hào)工程的使用要求且質(zhì)量狀態(tài)比較穩(wěn)定的品種和廠家；關(guān)鍵元器件，必要時(shí)對(duì)生產(chǎn)方進(jìn)行質(zhì)量調(diào)研或質(zhì)量認(rèn)證；盡量壓縮元器件生產(chǎn)廠家個(gè)數(shù)，便于選型和管理；優(yōu)先選用具有足夠可靠性數(shù)據(jù)的元器件，供貨單位應(yīng)選擇有成功合作經(jīng)歷、國(guó)際著名公司或中間代理商[1]。

b）使用國(guó)外成熟的低等級(jí)元器件，如塑封器件 （COTS器件）。型號(hào)任務(wù)研制前，應(yīng)比較不同類型元器件的可靠性及廠家供貨能力，盡量選擇知名廠家 （信譽(yù)較好）的產(chǎn)品。同時(shí)必須保證衛(wèi)星研制過(guò)程中元器件供貨能力的穩(wěn)定性。

c）深入元器件國(guó)產(chǎn)化替代工作。優(yōu)先選用有發(fā)展前途且符合標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化和可靠性水平高的元器件。同等技術(shù)條件下，優(yōu)先選用國(guó)產(chǎn)元器件，促進(jìn)元器件國(guó)產(chǎn)化替代工作。新研元器件應(yīng)用于航天型號(hào)，建議進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。未經(jīng)技術(shù)鑒定合格的元器件，不能在航天型號(hào)使用；對(duì)元器件有特殊要求時(shí)，應(yīng)與元器件生產(chǎn)廠家簽訂技術(shù)協(xié)議。

d）在上述基礎(chǔ)上建立商業(yè)航天元器件優(yōu)選目錄，建立供應(yīng)商市場(chǎng)準(zhǔn)入與退出機(jī)制。優(yōu)選目錄的編制借鑒宇航高可靠型號(hào)產(chǎn)品，逐步進(jìn)行拓展。結(jié)合選用元器件型號(hào)上的使用情況，環(huán)境試驗(yàn)反饋意見(jiàn)和各生產(chǎn)廠家的質(zhì)量供貨情況，對(duì)優(yōu)選目錄實(shí)施動(dòng)態(tài)管理。

綜上所述，商業(yè)航天各型號(hào)研制過(guò)程中，應(yīng)督促承研單位根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境條件及可靠性要求，綜合考慮應(yīng)用環(huán)境、研制費(fèi)用、研制進(jìn)度及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)水平等因素來(lái)確定元器件的選用。

2.2　加強(qiáng)元器件質(zhì)量保證

隨著國(guó)內(nèi)、國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝經(jīng)過(guò)了大幅度改進(jìn)，生產(chǎn)出來(lái)的元器件性能逐漸穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的元器件淘汰率明顯減少，元器件批次性質(zhì)量問(wèn)題顯著降低。以往航天型號(hào)產(chǎn)品使用的元器件，均按照宇航高可靠技術(shù)要求進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，如監(jiān)制、驗(yàn)收、DPA、超期復(fù)驗(yàn)、補(bǔ)充篩選及失效分析等。

從半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，以往元器件生產(chǎn)工藝較為落后，生產(chǎn)出的器件批次性質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，航天型號(hào)元器件的質(zhì)量與可靠性欠佳。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，生產(chǎn)工藝逐漸成熟并趨于穩(wěn)定，且高性能器件應(yīng)用逐漸增多[2]，14nm制程的器件研發(fā)成功并實(shí)際應(yīng)用。在上述技術(shù)推動(dòng)下，商業(yè)航天型號(hào)工程中新型元器件逐漸增多，如BGA封裝器件、表貼類器件以及系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）芯片等。為了保證商業(yè)型號(hào)工程的發(fā)展，既能節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)又能夠保證可靠性，需要對(duì)元器件質(zhì)量保證技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1塑封器件補(bǔ)充篩選條件

塑封器件應(yīng)用于航天型號(hào)，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。本文以塑封器件篩選試驗(yàn)及必要試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行探究。塑封器件逐漸在型號(hào)工程上使用且應(yīng)用逐漸增多，其相應(yīng)的可靠性問(wèn)題是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)于商業(yè)航天型號(hào)的質(zhì)量與可靠性至關(guān)重要。MIL－STD－883《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》將塑封器件應(yīng)用分為三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)，對(duì)每一風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)使用的塑封器件進(jìn)行了具體規(guī)定。其補(bǔ)充篩選試驗(yàn)流程如圖1所示。

塑封器件篩選中，至少應(yīng)進(jìn)行外部目檢、溫度循環(huán)、X光檢查、超聲掃描顯微鏡檢查（CSAM）和電性能初測(cè) （老煉前）、電老煉，因缺少試驗(yàn)項(xiàng)目帶來(lái)的元器件級(jí)相關(guān)可靠性風(fēng)險(xiǎn)由用戶承擔(dān)。其中，塑封器件補(bǔ)充篩選環(huán)節(jié)中，CSAM是剔除器件分層最為有效的辦法，然而MIL－STD－883中該項(xiàng)目沒(méi)有批允許不合格率（PDA）控制要求，由于器件分層的檢測(cè)受設(shè)備檢測(cè)精度等方面影響，為了保證商業(yè)航天型號(hào)工程可靠性，可將PDA≤50%作為器件批次性接收要求。不合格元器件應(yīng)填寫 《元器件質(zhì)量問(wèn)題處理單》，進(jìn)行分析。剔除SAM檢查不合格的元器件，不再進(jìn)入下一道篩選工序。

圖1　器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)流程圖

2.2.2元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

以往航天型號(hào)元器件，因其生產(chǎn)工藝欠佳，生產(chǎn)的元器件批次性質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。但隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的成熟穩(wěn)定，篩選后幾乎不存在批次性質(zhì)量問(wèn)題，如果仍按照原有篩選條件進(jìn)行篩選，存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、篩選經(jīng)費(fèi)高及篩選過(guò)應(yīng)力等問(wèn)題。

商業(yè)航天型號(hào)元器件的補(bǔ)充篩選試驗(yàn)，應(yīng)在原有篩選試驗(yàn)上進(jìn)行創(chuàng)新，保留必要試驗(yàn)項(xiàng)目，剔除不必要試驗(yàn)項(xiàng)目，最大限度節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、避免過(guò)應(yīng)力問(wèn)題。以低成本商業(yè)衛(wèi)星為例，元器件篩選試驗(yàn)條件的確立可依據(jù)衛(wèi)星軌道高度、設(shè)計(jì)壽命確定篩選條件，如高溫電老煉試驗(yàn)時(shí)間的調(diào)整。

通常，商業(yè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命較短，一般小于4年的較多，設(shè)計(jì)壽命大于4年的較少。筆者根據(jù)以往航天型號(hào)工程成功案例，結(jié)合商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)狀要求，對(duì)分立器件設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行劃分，其壽命設(shè)計(jì)年限節(jié)點(diǎn)分別為1年、4年、6年及9年，研究適合商業(yè)衛(wèi)星分立器件篩選模式。分立器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)中，主要對(duì)兩個(gè)環(huán)節(jié) （高溫貯存和電老煉）進(jìn)行試驗(yàn)條件變更，以達(dá)到縮短質(zhì)保周期并能節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的目的。例如，對(duì)普通二極管關(guān)鍵篩選試驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命，確定試驗(yàn)的方法和條件 （見(jiàn)表1）。

表1　普通二極管關(guān)鍵篩選試驗(yàn)

商業(yè)航天元器件質(zhì)量保證技術(shù)，應(yīng)進(jìn)行常規(guī)質(zhì)量保證技術(shù)的適用性研究，能否在試驗(yàn)項(xiàng)目上進(jìn)行適當(dāng)刪減，保留能夠激發(fā)器件早期失效的關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目，刪減不必要或作用不太大的試驗(yàn)項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，逐漸形成一整套適合目前商業(yè)航天應(yīng)用的完整的質(zhì)量保證技術(shù)方案并固化 （或不同型號(hào)產(chǎn)品的不同標(biāo)準(zhǔn)），以此保證商業(yè)航天型號(hào)發(fā)展需求。

目前，商業(yè)航天的發(fā)展是國(guó)內(nèi)、國(guó)際發(fā)展的主流，其元器件選用、管理及質(zhì)量保證技術(shù)均應(yīng)與宇航高可靠型號(hào)工程不同，進(jìn)行源頭控制創(chuàng)新及質(zhì)量保證模式創(chuàng)新，為商業(yè)航天元器件質(zhì)量控制提供創(chuàng)新模式，推動(dòng)商業(yè)航天用元器件科學(xué)、合理的質(zhì)量控制，推動(dòng)商業(yè)航天又好又快發(fā)展。