通用元器件多定點評價準則建立與實踐

/中國運載火箭技術研究院物流中心

隨著我國航天和軍工產業(yè)的發(fā)展,航天型號數量不斷增多,同時競爭也越來越激烈,這就要求型號的研制周期短,對物資的要求是成本低、質量高、供應周期短。為了縮短供應周期,必須改變按型號制定元器件選用的管理模式,實現物資的多定點供應模式,在物資選用上實現無差異選用。目前,從整機到基礎物資開展了大量產品化工作,產品化是把一種產品或技術通過標準化、規(guī)范化的流程形成一種可大規(guī)模復制生產的能力,主要體現的是一種能力或技術的復用性和通用性。

一、存在的問題

為實現通用、關鍵元器件的產品化,需建立各門類元器件的采購規(guī)范體系,逐步實現產品化元器件的多定點供應。然而,在元器件多定點供應中,必將涉及不同研制單位的元器件在應用中相互替代,目前常用元器件在替代過程中存在以下問題。

1.規(guī)范制定標準不統(tǒng)一

首先,相同產品的質量管控不一致。隨著航天型號對元器件需求量的增加,同一型號元器件往往有多個供應商,但不同研制單位對元器件的工藝、檢驗的控制尺度不同,即使同一種產品,結構、參數上也可能存在較大差異。同時,在制定產品標準時,某些考核要求也會因為用戶的需求、研制單位的試驗能力、產品特性等不同而不同,如GJB 360中明確絕緣電阻測試試驗中的試驗電壓,部分研制單位為了減少產品的淘汰率在標準中降低試驗條件,給產品的應用帶來隱患。

其次,相同產品執(zhí)行標準不同。航天型號用元器件的編制依據通常為國軍標總規(guī)范,目前有部分產品適用于多個總規(guī)范,因此產品的參數指標體系不同,屬于不同門類產品。由于根據不同的總規(guī)范,產品的過程控制和檢驗標準不同,即使同一質量等級產品的可靠性也會有差異,如作為濾波器使用的某穿心電容器,本質上是電容器,電容器研制單位通常依據GJB 924(二類瓷介電容器總規(guī)范),其它研制單位通常依據GJB 1518(射頻干擾濾波器總規(guī)范),2種產品的參數體系不同,考核試驗也不同,所以即使是相同的產品,也不能保證所有情況下都可按同一方法使用,會對產品的選用造成困難。

2.同型號元器件的指標存在差異

目前國內即使相同型號的元器件,不同研制單位的產品在參數指標上也可能不同,一方面由于元器件標準的制定尺度不同,另一方面由于產品設計和制造工藝及能力不同。若整機系統(tǒng)級的設計冗余度不足,相同產品的關鍵指標又存在差異,在元器件相互替換后會造成系統(tǒng)不匹配,如產品的延遲時間超過系統(tǒng)設計值,將造成系統(tǒng)動作延遲或混亂。

3.不同研制單位的產品無法相互替代

隨著元器件國產化進程的推進,越來越多的國產元器件可替代進口產品,但由于不同研制單位的元器件設計、制造水平不同,在參數和外形結構方面會存在差異,使設計選用只能固定于某一款產品,即指定研制單位的固定型號規(guī)格,若此元器件出現供應或質量問題,則無法用其它研制單位的產品替換。

因此,為解決通用元器件在相互替代過程中產生的一系列問題和風險,需建立基于無差異選用的通用元器件技術準則,為提升質量保證的技術能力、全面推進元器件無差異化選用提供基礎保障。

二、技術準則和評價體系

航天型號對元器件需求多樣,必須同時滿足電特性、可靠性、空間環(huán)境適應性等多方面要求,建立元器件技術準則和評價體系。為保證元器件的固有可靠性和使用可靠性,評價包括元器件層面和整機應用層面,以確定元器件在各方面的一致性,保證元器件在多定點供應中實現無差異選用。

1.元器件級技術準則評價

一是標準符合性評價。

元器件的標準符合性評價主要是針對元器件技術要求、質量保證條件,以確保元器件能夠滿足其設計要求并符合相關通用規(guī)范的要求。元器件的標準符合性評價主要分為國軍標產品和非國軍標產品評價2類。

國軍標產品是為保證軍用電子元器件的質量,按國家一系列元器件軍用標準生產,并經第三方認證合格,列入合格產品目錄(QPL)的產品。國軍標產品的性能要求、過程控制和質量保證已經過國家第三方機構認證,此類產品的標準符合性評價的重點是針對元器件功能技術狀態(tài)的符合性和一致性。

非國軍標產品是為滿足軍工行業(yè)需求,按元器件軍用標準生產,但未經第三方認證。此類產品標準會因生產、控制水平的差異而不同,需重點進行標準符合性評價,重點評價產品功能技術狀態(tài)、技術狀態(tài)文件、功能基線、產品基線等的符合性和一致性。

二是功能與性能互換性評價。

功能與性能評價主要是針對應用要求,評價元器件的功能與參數是否滿足要求,評價內容包括元器件功能的符合性、參數體系的一致性和性能指標的一致性。評價主要以試驗方式進行,試驗方法以GJB 548B-2005、GJB128A-1997、GJB 360B-2009為基礎,參考國內外行業(yè)標準,測試指標判據按照元器件詳細規(guī)范執(zhí)行。評價指標包括元器件結構和外形尺寸(封裝結構、引線材料與涂層、重量、外形尺寸等)、電特性(額定值和主要電特性)、靜電放電敏感等級、抗輻射指標(電離總劑量指標、單粒子翻轉指標等)。

三是可靠性符合性評價。

為使元器件達到無差異選用,除了要求質量保證水平、功能、性能指標的一致,在可靠性方面也應滿足一個最低限度,即元器件的可靠性余量至少達到一定水平?？煽啃栽u價主要包括航天禁限用工藝及工藝質量要求的符合性、元器件設計及結構的符合性、元器件極限能力的符合性。

禁限用工藝及工藝質量符合性。即使元器件的功能性能滿足要求,但不同研制單位產品的結構、工藝控制水平不同,這些決定了元器件的固有可靠性,航天元器件不同于其它領域的應用,民用領域的常見工藝在航天領域可能產生極大的風險。規(guī)定一系列航天工藝要求及標準可有效減少風險,如禁止使用純銀、純錫等金屬材料,元器件內部使用干燥劑材料,不允許鍵合點采用導電膠加固等。

結構單元符合性。航天型號由于有高可靠、長貯存的要求,決定了一些產品結構無法滿足航天高可靠的要求,對元器件進行結構單元分解,每個結構單元為組成產品的最小單元,對結構單元的設計、材料等進行評估,以發(fā)現潛在風險,如云母電容器禁止采用卡子結構、禁止使用倒裝芯片封裝結構、禁止使用無鈍化層的有源芯片等。

極限能力符合性。元器件極限是在規(guī)定的應力條件下能滿足要求的臨界應力值,元器件雖然性能指標滿足要求,但在一些特殊情況下,應用中會超過元器件的參數指標范圍,若可靠性余量較小則會影響系統(tǒng)性能。一些元器件缺乏航天型號應用經歷,通過開展極限評估可提供關鍵性能指標的極限值,以有效指導產品的改進和應用系統(tǒng)的設計。

極限能力評價采用試驗方式,一般采用步進應力和持續(xù)應力的方法,獲取元器件在力、熱、電等應力條件下的極限值以及相關失效模式和失效機理,得出是否滿足應用條件的結論,試驗項目一般包括電特性(額定電壓、輸入電壓、ESD等)極限、熱學(溫度沖擊、耐焊接熱、高溫工作等)極限、力學(沖擊、振動、引線拉力等)極限。

2.應用級技術準則評價

一是容差適應性評價。

容差適應性主要考慮系統(tǒng)的電氣功能適應性,表現為元器件電參數與系統(tǒng)電性能之間的兼容性和匹配性,即系統(tǒng)中電性能的差異不會對系統(tǒng)性能產生影響。容差適應性評價需基于航天型號應用需求,結合實際應用狀態(tài)對不同元器件在同一系統(tǒng)中各項關鍵性能指標的差異進行評價,以保證此差異不會影響系統(tǒng)性能。

容差適應性評價通常以實際應用電路為基礎,按功能性能全覆蓋的設計原則開展設計工作,主要包括驗證電路、信號輸入電路、信號輸出電路、電源電路和驗證控制電路5個部分,借助示波器、萬用表、信號發(fā)生器、高低溫試驗箱等設備實現對器件在不同環(huán)境條件下各項參數的測試。測試參數根據不同種類的器件而異,數字電路主要為器件的工作頻率、工作時序、應用方式、接口電平、驅動能力、內部資源、信號完整性、軟硬件兼容性、拉偏特性等;模擬電路主要為器件的主要功能指標、帶寬、干擾抑制、信號特性、精度以及與接口電路的匹配性等。

二是安裝狀態(tài)互換性評價。

不同元器件雖滿足同一規(guī)范的要求,但在產品尺寸設計、材料選擇上可能會有一定差異,此差異在安裝后可能被放大,使無差異選用產生風險。安裝狀態(tài)互換主要指在使用相同電裝工藝裝聯(lián)后,不同產品對裝聯(lián)工藝、熱學及力學環(huán)境的適應性。

電裝工藝評價主要考慮工藝要求的一致性以及裝聯(lián)后的可靠性,在裝聯(lián)前后以及裝聯(lián)過程中需對關鍵細節(jié)進行檢查,判斷元器件是否滿足航天安裝工藝要求。國產元器件在型號生產過程中一般采用常規(guī)工藝方法進行裝聯(lián),主要包括電子裝聯(lián)(成形、搪錫、手工焊接/再流焊)、清洗、三防、固封等工藝過程,元器件完成工藝裝聯(lián)后,應參考裝聯(lián)工藝可靠性評價要求進行評估和檢驗分析,必要時可對元器件通電進行全程監(jiān)測。元器件裝聯(lián)工藝評價包括裝聯(lián)工藝、試驗考核、檢驗分析、驗證后的失效判斷和綜合分析等過程,以確定元器件對航天裝聯(lián)工藝的適應性。

熱學匹配評價主要針對不同元器件在實際應用狀態(tài)下對外界熱應力的適應性程度進行評價,主要包括高低溫應力、溫度沖擊應力、濕熱應力、熱真空等條件下的穩(wěn)定性、參數差異一致性以及熱環(huán)境適應性。

圖1 技術準則評價體系

熱學匹配一致性包括2個方面:一方面是元器件工作時的電參數差異;另一方面是元器件安裝狀態(tài)對熱環(huán)境的適應能力。不同元器件的接口匹配參數存在差異,在熱環(huán)境下參數的差異會被放大,通過評價元器件在級聯(lián)性能指標、與周圍器件的匹配性以及與系統(tǒng)的設計余量對比,確定元器件是否可以滿足系統(tǒng)設計。元器件的熱環(huán)境適應能力評價是驗證在不加電工作情況下,安裝狀態(tài)對不同熱環(huán)境下的一致性。由于不同產品在尺寸、材料上的微小差異,在外界環(huán)境作用下會因材料熱脹冷縮而放大差異,導致不同產品的熱匹配能力不同,因此需對熱匹配能力進行評價。

不同研制單位的元器件由于尺寸設計、材料上的差異,在使用相同工藝和方式安裝后,由于尺寸、鍍層成分的不同,導致元器件與印制板間的焊點成分和形狀不同,這會使焊點的可靠性和焊料的抗蠕變疲勞特性存在差異,此差異需在系統(tǒng)力學設計范圍內,才能保證不同產品在相同力學狀態(tài)下的一致性。因此,需開展力學匹配性的評價,以保證不同元器件在裝聯(lián)后可靠性的一致,試驗項目主要包括恒加速度試驗、正弦振動試驗、隨機振動試驗、沖擊試驗、機械性疲勞試驗等。

3.技術準則評價體系

基于多定點供應模式中元器件無差異選用評價與傳統(tǒng)的元器件鑒定檢驗和應用驗證不同,由于評價涉及到元器件在整機的應用環(huán)境,除對元器件的材料、工藝、結構進行評價,還需針對典型應用環(huán)境進行系統(tǒng)匹配性評價,包括電、熱、力等應力的綜合評價。技術準則評價體系如圖1所示。

三、實踐效果

基于多定點供應的無差異選用元器件技術準則,目前已經建立了片式瓷介電容器、片式電阻器、總線變壓器等多項通用元器件的采購規(guī)范體系,編制相關采購規(guī)范并納入選用目錄管理。片式電容器采購規(guī)范包括6個尺寸、200余項規(guī)格,可由3個供應商供貨;片式電阻器采購規(guī)范包括6個尺寸、399余項規(guī)格,可由3個供應商供貨;總線變壓器采購規(guī)范包括6個型號規(guī)格,可由3個供應商供貨,基本消除了型號選用產品規(guī)格多而復雜的特點,實現了多定點供應。

筆者分析了元器件多定點供應中無差異選用存在的問題和風險,建立了基于多定點供應的無差異選用元器件技術準則,從標準符合性、功能性能互換性、可靠性符合性、電氣互換性、環(huán)境互換性幾個方面給出了評價準則,該研究的技術準則是基于通用元器件產品,對部分復雜產品并不適用,下一階段可在此基礎上完善元器件評價準則,為全面推進元器件多定點供應提供基礎保障。