SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證措施

張大宇 寧永成 王熙慶 叢山 汪悅

(中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

目前，商用塑封器件用于傳統(tǒng)航天器時(shí)一般參考NASA戈達(dá)德空間飛行中心(GSFC)發(fā)布的元器件技術(shù)指南進(jìn)行質(zhì)量保證，試驗(yàn)項(xiàng)目、方法和條件原則上參考宇航級(jí)器件的要求設(shè)定，這樣雖然能較好地驗(yàn)證器件的宇航適用性，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、實(shí)施技術(shù)難度大，妨礙了商用先進(jìn)技術(shù)在航天項(xiàng)目中應(yīng)用的及時(shí)性[1-2]。在國(guó)際商業(yè)航天項(xiàng)目方面，近年來(lái)取得巨大成功的美國(guó)太空探索技術(shù)(SpaceX)公司明確允許采用商用塑封器件設(shè)計(jì)火箭、衛(wèi)星、飛船的電子系統(tǒng)。SpaceX公司在參考NASA技術(shù)指南的基礎(chǔ)上，結(jié)合航天任務(wù)的應(yīng)用環(huán)境和條件，系統(tǒng)評(píng)估器件選用風(fēng)險(xiǎn)，并制定嚴(yán)格的器件級(jí)和板級(jí)篩選、考核評(píng)價(jià)試驗(yàn)流程，以確保商用塑封器件能可靠應(yīng)用于航天任務(wù)。

本文研究了國(guó)外商用塑封器件宇航應(yīng)用的質(zhì)量保證一般要求，重點(diǎn)介紹了SpaceX公司的塑封器件質(zhì)量保證措施、流程和方法，分析其特點(diǎn)與成功經(jīng)驗(yàn)，可為我國(guó)開(kāi)展同類(lèi)型質(zhì)量保證改進(jìn)工作提供借鑒。

1 國(guó)外商用塑封器件保證概況

商用塑封器件屬于商用現(xiàn)貨產(chǎn)品(COTS)，采用制造成本較低的非氣密性塑料封裝，是國(guó)際市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的元器件。在宇航應(yīng)用方面，NASA為了保持技術(shù)領(lǐng)先地位并降低成本，多年來(lái)以噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、GSFC等下屬研究機(jī)構(gòu)為支撐，持續(xù)研究新型元器件及其質(zhì)量保證技術(shù)，確保單機(jī)用元器件的先進(jìn)性和可靠性。2003年GSFC基于MIL-STD-975和早期形成的311-INST-001標(biāo)準(zhǔn)，制定并發(fā)布了《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》(編號(hào)PEM-INST-001)及《EEE元器件選擇、篩選、鑒定和降額指南》(編號(hào)EEE-INST-002)，規(guī)定了當(dāng)高等級(jí)元器件無(wú)法獲取時(shí)，在經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可接受的情況下，允許選用商用塑封器件，但需要進(jìn)行全面的質(zhì)量保證。NASA指南中全面闡述了包括商用塑封器件在內(nèi)的低于宇航級(jí)的器件在宇航應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行的質(zhì)量保證要求，其中包括貯存溫度、潔凈度、防靜電和濕度控制要求、可追溯性要求、采購(gòu)渠道要求、試驗(yàn)項(xiàng)目和技術(shù)條件要求等[3-5]。其修訂的新版指南(編號(hào)為EEE-INST-003)，重點(diǎn)增加了塑封單片集成電路、塑封混合集成電路和塑封分立器件等內(nèi)容，明確在評(píng)估滿(mǎn)足任務(wù)需求時(shí)允許使用低等級(jí)塑封器件[5]。

ESA早在20世紀(jì)80年代就獨(dú)立開(kāi)展了商用塑封器件在空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作，并且在“星上自主計(jì)劃”(Proba)衛(wèi)星等部分項(xiàng)目上大量驗(yàn)證、使用商用塑封器件并獲得成功[6]。德國(guó)航空航天研究中心(DLR)2003年發(fā)布了《商用EEE元器件空間應(yīng)用通用要求》(編號(hào)DLR-RF-PS-006)，明確了商用塑封器件的空間應(yīng)用可行性和需要采取的質(zhì)量保證要求，其內(nèi)容主要是針對(duì)塑封器件。

另外，霍尼韋爾(Honeywell)、波音(Boeing)、飛思卡爾(Freescale)、德州儀器(Texas Instruments)等10多個(gè)全球知名半導(dǎo)體制造商和航空電子公司，聯(lián)合制定了航空航天合格電子元器件(AQEC)規(guī)范(編號(hào)GEIA-STD-0002-1)，AQEC工作組與美國(guó)政府電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)(GEIA)一起發(fā)布了該規(guī)范。該規(guī)范提供確保商用塑封器件能達(dá)到航空航天低風(fēng)險(xiǎn)、高可靠性要求的通用方法，包括提供支持更寬溫度范圍的器件和管芯、貯存保護(hù)及可持續(xù)供應(yīng)鏈等。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織航天分技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC20/SC14)發(fā)布的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中涉及商用塑封器件宇航應(yīng)用，包括ISO 21350：2007《航天系統(tǒng)——現(xiàn)貨產(chǎn)品的利用》、ISO 19683：2017《航天系統(tǒng)——小衛(wèi)星鑒定和接收試驗(yàn)設(shè)計(jì)》、ISO 14621：2019《航天系統(tǒng)——電子、電氣和機(jī)電(EEE)元器件》等，其目的是推動(dòng)商用器件進(jìn)入宇航領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、快速實(shí)現(xiàn)的航天單機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

綜上所述，歐美國(guó)家長(zhǎng)期研究性能先進(jìn)的商用塑封器件在航天領(lǐng)域高可靠應(yīng)用方法，形成了質(zhì)量保證要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在多個(gè)航天項(xiàng)目上取得成功，是值得借鑒的普適性方法。同時(shí)，這些方法是基于器件級(jí)的質(zhì)量保證，技術(shù)流程復(fù)雜、試驗(yàn)成本高、實(shí)現(xiàn)難度大，在沒(méi)有生產(chǎn)廠商參與的情況下用戶(hù)難以完成，因此也會(huì)限制商用塑封器件的宇航應(yīng)用。

2 SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證

近年來(lái)，SpaceX公司在商業(yè)航天領(lǐng)域取得重大突破，采用低成本的獵鷹-9(Falcon-9)火箭和“龍”(Dragon)飛船成功實(shí)現(xiàn)了火箭回收、商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射、空間站往返貨運(yùn)等任務(wù)，并且正實(shí)施“火星殖民”(Mars Plans)和“星鏈”(Starlink)計(jì)劃，向深空探測(cè)、載人航天及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信方向發(fā)展。SpaceX公司作為商業(yè)公司，始終將成本和先進(jìn)性擺在與可靠性同等重要的地位，因而在宇航單機(jī)設(shè)計(jì)中允許選用商用塑封器件，從而降低設(shè)計(jì)成本、提升單機(jī)性能、加快研制進(jìn)度。

與宇航級(jí)空腔密封器件相比，商用塑封器件在價(jià)格、性能方面具有優(yōu)勢(shì)，但是由于商用元器件領(lǐng)域沒(méi)有強(qiáng)制要求實(shí)施批次性可靠性試驗(yàn)，因而不能給出相應(yīng)的可靠性指標(biāo)，宇航適用性方面也缺乏驗(yàn)證，而且由于可追溯性差，直接使用的風(fēng)險(xiǎn)極大，必須針對(duì)性開(kāi)展嚴(yán)格的質(zhì)量保證，以確保其應(yīng)用的可靠性。SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證分為選型控制、原廠試驗(yàn)、篩選試驗(yàn)和考核試驗(yàn)，在流程和方法上與NASA的主要區(qū)別是簡(jiǎn)化生產(chǎn)廠商試驗(yàn)而增加用戶(hù)板級(jí)試驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合單機(jī)的實(shí)際工況設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)條件和判據(jù)[7]。

2.1 質(zhì)量保證過(guò)程和方法

SpaceX公司基于商業(yè)航天實(shí)際應(yīng)用條件制定商用塑封器件質(zhì)量保證試驗(yàn)流程，在器件篩選和考核試驗(yàn)的項(xiàng)目及條件上進(jìn)行裁剪和特殊設(shè)計(jì)，在器件級(jí)只進(jìn)行單批次100%篩選試驗(yàn)，單板電裝后再進(jìn)行板級(jí)試驗(yàn)，包括篩選試驗(yàn)、接收試驗(yàn)和考核試驗(yàn)，板級(jí)考核試驗(yàn)通過(guò)后，板級(jí)接收試驗(yàn)合格的單板可作為飛行件交付單機(jī)。其質(zhì)量保證試驗(yàn)和板級(jí)考核試驗(yàn)的流程如圖1和圖2所示。

注：MSL為濕度敏感性等級(jí)，C-SAM為C模式超聲掃描檢查，DPA為破壞性物理分析。

圖1 SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證試驗(yàn)流程

Fig.1 SpaceX’s quality assurance test process for commercial PEMs

注：EMI和EMC分別為電磁干擾和電磁兼容。

圖2 SpaceX公司商用塑封器件板級(jí)考核試驗(yàn)流程

Fig.2 SpaceX’s board-level qualification testprocess for commercial PEMs

分析以上質(zhì)量保證的試驗(yàn)過(guò)程、項(xiàng)目?jī)?nèi)容和方法，SpaceX公司采用器件級(jí)和板級(jí)試驗(yàn)相結(jié)合的用戶(hù)級(jí)“批接收篩選試驗(yàn)+單板考核試驗(yàn)”的質(zhì)量保證模式，由試驗(yàn)結(jié)果決定是否接收，淡化對(duì)生產(chǎn)廠、生產(chǎn)線(xiàn)資質(zhì)和生產(chǎn)過(guò)程的控制要求。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以按照常規(guī)商業(yè)模式進(jìn)行全球采購(gòu)，只要能夠達(dá)到質(zhì)量要求的產(chǎn)品都可以應(yīng)用，不必局限在宇航和軍用認(rèn)證的元器件范圍內(nèi)選型。

另外，從試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)來(lái)看，板級(jí)電性能測(cè)試、加電溫度循環(huán)、連續(xù)監(jiān)測(cè)的板級(jí)穩(wěn)態(tài)老煉等試驗(yàn)項(xiàng)目，是與傳統(tǒng)宇航級(jí)器件篩選要求完全不同的試驗(yàn)；考核試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的板級(jí)接收和板級(jí)考核試驗(yàn)項(xiàng)目，也是結(jié)合單機(jī)實(shí)際工況制定的板級(jí)熱、力、電應(yīng)力試驗(yàn)，不再進(jìn)行器件級(jí)考核試驗(yàn)；當(dāng)具體應(yīng)用環(huán)境較好時(shí)，不再進(jìn)行抗輻照能力評(píng)估。與NASA相比，SpaceX公司進(jìn)行的不是單一品種商用塑封器件質(zhì)量保證，而是對(duì)元器件和單機(jī)正樣板的篩選、考核試驗(yàn)合并。

值得注意的是，SpaceX公司的質(zhì)量保證過(guò)程第一步是器件選型控制，確保選擇的生產(chǎn)廠、器件型號(hào)符合應(yīng)用的先進(jìn)性和可靠性預(yù)期，確認(rèn)是否具有連續(xù)的批采購(gòu)可獲得性，確定是否存在純錫等宇航禁限用工藝或是否能夠?qū)嵤╋L(fēng)險(xiǎn)緩解措施處理。商用塑封器件的選用控制策略決定了選型范圍和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，也影響著篩選和考核試驗(yàn)項(xiàng)目、條件的設(shè)計(jì)。

2.2 應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

SpaceX公司分析認(rèn)為，宇航級(jí)元器件的價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、性能落后等固有缺點(diǎn)，是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸，因而需要使用價(jià)格低廉、性能先進(jìn)的商用塑封器件，并要進(jìn)行針對(duì)性的選用分析、篩選試驗(yàn)和板級(jí)考核試驗(yàn)等質(zhì)量保證，以確保應(yīng)用的可靠性。

SpaceX公司根據(jù)具體宇航任務(wù)的環(huán)境和應(yīng)用條件選擇器件，火箭和貨運(yùn)飛船都是近地軌道、短周期的任務(wù)，元器件的應(yīng)用環(huán)境需要考慮發(fā)射階段顯著的機(jī)械沖擊、振動(dòng)和恒定加速度應(yīng)力，不需要考慮元器件的抗輻射、長(zhǎng)壽命和性能退化問(wèn)題。與傳統(tǒng)的軍用陶瓷密封器件相比，商用塑封器件具有更好的抗機(jī)械振動(dòng)、沖擊和恒定加速度特性，而且由于沒(méi)有空腔，也不存在可動(dòng)多余物引起的內(nèi)部短路問(wèn)題?？梢?jiàn)，商用塑封器件能滿(mǎn)足近地軌道、短周期宇航任務(wù)的電性能、壽命、抗輻射性能、封裝可靠性等要求，在溫度范圍窄、存在純錫和非密封等禁限用工藝方面也具有可行的解決措施，總體上可以選用，通過(guò)針對(duì)性質(zhì)量保證的篩選試驗(yàn)和考核試驗(yàn)，可決定單批次器件是否適用于單機(jī)。

2.2.1 溫度范圍及過(guò)程控制

NASA的PEM-INST-001中指出，商用塑封器件與軍用、宇航級(jí)器件相比，應(yīng)用于宇航任務(wù)時(shí)主要存在4個(gè)方面的問(wèn)題：①工作溫度的范圍窄，通常不能達(dá)到-55～+125 ℃的軍溫范圍；②作為市售現(xiàn)貨產(chǎn)品，用戶(hù)無(wú)法完全知悉器件的內(nèi)部設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)工藝和控制過(guò)程；③由于是工業(yè)上大批量生產(chǎn)的低成本商用塑封器件，每只器件的內(nèi)部芯片無(wú)可追溯性；④無(wú)權(quán)威機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)或評(píng)價(jià)器件的可靠性和質(zhì)量控制水平[8]。

針對(duì)這些問(wèn)題，SpaceX公司結(jié)合具體任務(wù)的空間環(huán)境，按照美國(guó)空軍太空司令部AFSPC Manual 91-710中給出的測(cè)量驗(yàn)證數(shù)據(jù)，確定發(fā)射階段火箭艙內(nèi)實(shí)際環(huán)境溫度范圍為-34～+71 ℃，因此選擇工作溫度范圍在-40～+85 ℃的工業(yè)級(jí)商用塑封器件能夠滿(mǎn)足使用環(huán)境溫度要求，不會(huì)出現(xiàn)因超出工作溫度范圍而失效或參數(shù)退化的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)比分析，SpaceX公司認(rèn)為采用AQEC規(guī)范的ANSI/GEIA-STD-0002-1或汽車(chē)電子協(xié)會(huì)元器件技術(shù)委員會(huì)(AEC)的AEC-Q100進(jìn)行質(zhì)量保證的商用塑封器件，與美軍標(biāo)MIL-PRF-38535的質(zhì)量保證過(guò)程相似，能夠滿(mǎn)足宇航任務(wù)高可靠要求，因此優(yōu)先選用該等級(jí)的產(chǎn)品。另外，SpaceX公司通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)钠骷椭圃焐?，按照?zhuān)用、成批次采購(gòu)的模式，解決器件性能一致性和可信性問(wèn)題，確保商用塑封器件的整體質(zhì)量水平穩(wěn)定可靠[7]。

2.2.2 純錫材料

商用塑封器件還存在著引線(xiàn)純錫涂覆和吸潮腐蝕等固有問(wèn)題。在生產(chǎn)商用塑封器件時(shí)，考慮到環(huán)保的無(wú)鉛要求，一般引線(xiàn)鍍層為純錫，而純錫在低重力或失重條件下容易生長(zhǎng)錫須，雖然生長(zhǎng)速度非常緩慢，但是不能排除因此產(chǎn)生短路的風(fēng)險(xiǎn)。另外，純錫在低溫(低于-13 ℃)時(shí)原子間的空間變大，形成結(jié)晶態(tài)的灰錫(又稱(chēng)為錫瘟、錫疫)，會(huì)導(dǎo)致元器件引線(xiàn)及焊點(diǎn)的破壞[9]。NASA的元器件政策文件NPD 8730.2規(guī)定，必須采用傳統(tǒng)的鉛錫焊料并按照GEIA-STD-0005-1的要求制定控制方案，如果采用錫銀銅焊料和其他新焊料，則必須有證明材料；對(duì)于引線(xiàn)涂覆要求錫基的涂覆必須含有至少3%的鉛，如果能夠按照GEIA-STD-0005-2中2C等級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，提供2種以上緩解錫須、錫疫問(wèn)題的措施及相關(guān)證明材料，也可以選用純錫引線(xiàn)的商用塑封器件。

對(duì)于管腳表面涂覆層為純錫的器件，目前防止錫須生長(zhǎng)唯一可行的方法是熱浸漬鉛錫焊料。SpaceX公司建議采用自動(dòng)熱浸漬焊料工藝，避免因手工操作導(dǎo)致塑封體的開(kāi)裂、起泡等損傷。對(duì)于火箭和飛船等短期宇航任務(wù)，SpaceX公司認(rèn)為錫須的風(fēng)險(xiǎn)是已知可接受的，沒(méi)有必要對(duì)塑封純錫引腳進(jìn)行鉛錫焊料的浸焊來(lái)更換涂覆層，以免引入更大的未知風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[10]中關(guān)于三防漆厚度對(duì)錫須生長(zhǎng)影響的研究成果表明，保形涂料的涂覆處理也能夠延緩和減少錫須的生長(zhǎng)，有效防止引線(xiàn)短路失效。SpaceX公司在NASA的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”(COTS)和“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”(CRS)計(jì)劃中，對(duì)獵鷹-9火箭和“龍”飛船的相應(yīng)部位就是采用了加厚的三防漆涂覆方式緩解錫須生長(zhǎng)。

GEIA標(biāo)準(zhǔn)也支持風(fēng)險(xiǎn)分析的方法計(jì)算錫須導(dǎo)致失效的總體風(fēng)險(xiǎn)，SpaceX公司采用了由Raytheon公司開(kāi)發(fā)、航空航天工業(yè)界通用的“Pinsky算法”作為風(fēng)險(xiǎn)分析工具，預(yù)測(cè)錫須密度、長(zhǎng)度，評(píng)估減緩措施的有效性。需要注意的是，上述分析方法只適用于錫須橋接短路故障，不能用于高壓電弧放電失效模式的分析[11]。

2.2.3 吸潮特性

塑封材料的吸潮特性嚴(yán)重影響器件應(yīng)用的可靠性，主要的故障模式是發(fā)生在焊裝過(guò)程中的“爆米花效應(yīng)”，以及內(nèi)部濕氣引起的鍵合焊點(diǎn)電偶腐蝕。“爆米花”是由于塑料封裝體內(nèi)部水分因加熱汽化后體積膨脹引起的，通常導(dǎo)致內(nèi)部分層、封裝基體破裂、鍵合點(diǎn)破壞等失效，可以通過(guò)器件電裝前的烘焙避免。目前，業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了基于器件MSL的器件烘焙方法和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SpaceX公司嚴(yán)格按照J(rèn)-STD-033B.1的要求處置、包裝、運(yùn)輸和應(yīng)用相關(guān)器件，能夠確保不出現(xiàn)爆米花效應(yīng)。

吸潮腐蝕是一種長(zhǎng)期效應(yīng)，需要形成電解液的3個(gè)必要條件為：2種金屬形成電偶(通常存在于金鋁鍵合點(diǎn)處)、游離的離子雜質(zhì)(通常為氯、鉀、溴、鈉等離子污染物)和水汽(由大氣中擴(kuò)散侵入)。國(guó)際上的大量研究表明：由于現(xiàn)代塑封半導(dǎo)體器件制造的清洗工藝能夠基本消除離子污染，通過(guò)控制環(huán)境溫度和濕度，并且采用適當(dāng)?shù)陌b、定期更換干燥劑，塑封器件貯存壽命能夠超過(guò)15年，不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)引起的腐蝕失效。針對(duì)元器件大批量戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的需求，美國(guó)國(guó)防部及主要的供應(yīng)商參與制定了GEIA-STD-0003標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了保證元器件可靠性的長(zhǎng)期貯存方法。SpaceX公司推薦按照德州儀器公司(TI)發(fā)布的關(guān)于長(zhǎng)期貯存后元器件可靠性的研究報(bào)告相關(guān)要求存儲(chǔ)元器件，原廠包裝設(shè)計(jì)的保持干燥時(shí)間為32個(gè)月，按照J(rèn)-STD-033對(duì)元器件進(jìn)行烘焙，并采用隔離水汽和腐蝕性污染物的包裝，以延長(zhǎng)貯存壽命達(dá)到幾十年[12]。

3 對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量保證的改進(jìn)

SpaceX公司結(jié)合航天任務(wù)實(shí)際要求、NASA的規(guī)范指南、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其他相關(guān)研究成果，按照“批接收篩選試驗(yàn)+考核試驗(yàn)”的模式進(jìn)行商用塑封器件針對(duì)性質(zhì)量保證，設(shè)計(jì)用戶(hù)板級(jí)試驗(yàn)替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)廠商器件級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，在降低試驗(yàn)周期和成本的同時(shí)確保了應(yīng)用的可靠性。與傳統(tǒng)方法相比，SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證方法是以用戶(hù)系統(tǒng)角度實(shí)施元器件保證，簡(jiǎn)化器件級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，但是增加了大量板級(jí)試驗(yàn)內(nèi)容，系統(tǒng)可靠性和宇航適用性的質(zhì)量保證要求并未降低。其主要的區(qū)別和改進(jìn)體現(xiàn)在選用準(zhǔn)入策略、禁限用工藝處理、抗輻射考慮和篩選考核試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)等4個(gè)方面。

3.1 選用準(zhǔn)入的范圍

SpaceX公司元器件選用是基于具體宇航任務(wù)應(yīng)用條件進(jìn)行適用性分析，綜合考慮性?xún)r(jià)比、可靠性，擴(kuò)大可選型范圍，工業(yè)級(jí)、汽車(chē)級(jí)等民用行業(yè)內(nèi)質(zhì)量控制水平穩(wěn)定的商用塑封器件也可作為商業(yè)航天的候選元器件，只是需要通過(guò)針對(duì)性質(zhì)量保證試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。另外，結(jié)合商業(yè)航天任務(wù)的電子系統(tǒng)實(shí)際工作溫度環(huán)境，可以按照實(shí)際工況技術(shù)要求進(jìn)行器件選型，不必局限于軍溫范圍。

3.2 禁限用工藝的應(yīng)對(duì)措施

對(duì)于商用塑封器件中存在的宇航禁限用工藝問(wèn)題，不是一票否決棄用，而是考慮采用風(fēng)險(xiǎn)分析、工藝再處理、外部加固處理等多種措施支撐可靠應(yīng)用。例如，純錫涂覆、非密封等工藝問(wèn)題，SpaceX公司采取風(fēng)險(xiǎn)分析和針對(duì)性措施緩解處理，包括已經(jīng)被證明有效的重新涂覆、加厚三防漆保護(hù)、“Pinsky算法”分析、電裝前烘焙、干燥貯存等。

3.3 抗輻射要求的考慮

元器件輻射損傷失效的風(fēng)險(xiǎn)概率與軌道高度、在軌時(shí)間密切相關(guān)，火箭發(fā)射和低軌道貨運(yùn)任務(wù)涉及的空間環(huán)境較好，電子系統(tǒng)單機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間短，輻射效應(yīng)引起任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)極低，因此SpaceX公司在質(zhì)量保證中不再進(jìn)行商用塑封器件的抗輻射試驗(yàn)評(píng)估，而是在選型控制階段基于應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)考慮抗輻射問(wèn)題處理。截至目前，在SpaceX公司的商業(yè)航天任務(wù)中，沒(méi)有出現(xiàn)因元器件輻射效應(yīng)引起單機(jī)失效的相關(guān)報(bào)道。

3.4 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

SpaceX公司在試驗(yàn)流程、項(xiàng)目、條件的設(shè)計(jì)方面，以選用合理性分析和批量采購(gòu)為前提，考慮任務(wù)實(shí)際工況裁剪非必要器件級(jí)試驗(yàn)，降低試驗(yàn)應(yīng)力條件；結(jié)合應(yīng)用條件增加板級(jí)篩選試驗(yàn)、板級(jí)接收試驗(yàn)和板級(jí)考核試驗(yàn)，減少或合并抽樣數(shù)量；針對(duì)商用塑封器件的封裝缺陷，增加潮濕敏感性分級(jí)測(cè)試、加電溫度循環(huán)、板級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)、涂三防漆保護(hù)和蒸煮試驗(yàn)等。

4 啟示與建議

美國(guó)商業(yè)航天的代表SpaceX公司，在可靠應(yīng)用商用塑封器件方面借鑒微電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)研究成果，形成了一套有別于NASA、ESA、MIL的質(zhì)量保證方法。實(shí)踐證明，該方法在現(xiàn)階段有效保證了其火箭、無(wú)人貨運(yùn)飛船等商業(yè)航天任務(wù)中元器件的應(yīng)用可靠性。國(guó)內(nèi)某些低軌、短壽命、低成本的小衛(wèi)星，以及科學(xué)探測(cè)及新技術(shù)驗(yàn)證搭載單機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)接受能力較高的航天項(xiàng)目，在應(yīng)用商用塑封器件時(shí)也可以借鑒SpaceX公司的質(zhì)量保證措施、方法，結(jié)合航天器實(shí)際環(huán)境和應(yīng)力條件，設(shè)計(jì)基于“器件級(jí)篩選+板級(jí)考核試驗(yàn)”相結(jié)合的保證流程，以有效降低成本，加快進(jìn)度，促進(jìn)新技術(shù)、先進(jìn)器件在未來(lái)復(fù)雜宇航任務(wù)中低成本、高可靠地應(yīng)用。

4.1 國(guó)內(nèi)質(zhì)量保證流程

長(zhǎng)期以來(lái)，商用塑封器件的選型和低成本質(zhì)量保證都是宇航應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)用戶(hù)單位在小衛(wèi)星項(xiàng)目、非關(guān)鍵載荷、搭載任務(wù)單機(jī)等特定應(yīng)用場(chǎng)合的元器件控制和保證方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，包括基于應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的器件選型和保證流程優(yōu)化、板級(jí)試驗(yàn)與器件級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目的替代實(shí)施等措施，推動(dòng)了新型處理器、FPGA、高速接口等復(fù)雜高性能商用塑封器件的宇航應(yīng)用，但是在質(zhì)量保證試驗(yàn)項(xiàng)目和流程優(yōu)化方面尚未形成廣泛共識(shí)。

商用塑封器件質(zhì)量保證通常是參考NASA的PEM-INST-001和EEE-INST-002制定針對(duì)性保證方案，實(shí)施篩選、考核試驗(yàn)、輻照評(píng)估試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)分析和破壞性物理分析(DPA)[2,13]。典型商用塑封器件的質(zhì)量保證試驗(yàn)項(xiàng)目和流程，如圖3所示。

篩選試驗(yàn)包括外部目檢、溫度循環(huán)、電測(cè)試和老煉等，并進(jìn)行參數(shù)變化率控制，在篩選合格產(chǎn)品中抽取樣品進(jìn)行DPA?？己嗽囼?yàn)一般包括壽命試驗(yàn)、模擬回流焊等項(xiàng)目，其結(jié)論判斷是否存在批次性問(wèn)題。結(jié)構(gòu)分析需要針對(duì)器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定針對(duì)性的分析方案，結(jié)合宇航禁限用工藝的規(guī)定，給出器件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等是否適合宇航應(yīng)用的結(jié)論。輻照試驗(yàn)是根據(jù)宇航任務(wù)的要求和不同類(lèi)型器件的輻照效應(yīng)單獨(dú)制定方案，對(duì)每批次的器件進(jìn)行總劑量試驗(yàn)(TID)，對(duì)每個(gè)芯片版本的器件進(jìn)行單粒子試驗(yàn)(SEE)，CCD及光耦等光電器件還要考慮進(jìn)行抗位移損傷效應(yīng)(DDD)摸底試驗(yàn)，輻照試驗(yàn)判據(jù)與任務(wù)周期、軌道空間環(huán)境及冗余設(shè)計(jì)要求(RDM)有關(guān)。上述質(zhì)量保證流程是較為嚴(yán)格的器件級(jí)質(zhì)量控制方法，用戶(hù)實(shí)施成本高、難度大，且結(jié)構(gòu)分析結(jié)論一般是宇航禁限用、需要進(jìn)一步針對(duì)性評(píng)價(jià)或航天器決策，另外花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間、高成本完成的抗輻照摸底指標(biāo)通常也不理想，還要采取單機(jī)線(xiàn)路級(jí)抗輻照設(shè)計(jì)或其他緩解措施。

注：SEM為掃描電子顯微鏡檢查。 圖3 典型商用塑封器件質(zhì)量保證流程Fig.3 Quality assurance flow of typical commercial PEMs

4.2 質(zhì)量保證方法改進(jìn)建議

分析對(duì)比國(guó)內(nèi)外調(diào)研情況，我國(guó)航天器在商用塑封器件的選擇、篩選、考核、應(yīng)用實(shí)踐方面還需要進(jìn)一步創(chuàng)新方法，精細(xì)化設(shè)計(jì)基于實(shí)際工況的質(zhì)量保證方案，引入結(jié)合單機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的板級(jí)力、熱、電及綜合應(yīng)力試驗(yàn)內(nèi)容，減少器件級(jí)篩選和考核試驗(yàn)項(xiàng)目，優(yōu)化質(zhì)量保證流程，并急需形成通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以指導(dǎo)用戶(hù)應(yīng)用。綜合考慮質(zhì)量、成本、風(fēng)險(xiǎn)和可實(shí)施性等諸多因素，建議在6個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有質(zhì)量保證流程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

(1)商用塑封器件選型控制階段首先進(jìn)行應(yīng)用需求分析，結(jié)合應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和實(shí)際工況設(shè)計(jì)質(zhì)量保證流程，綜合考慮應(yīng)用需求、器件背景、經(jīng)費(fèi)、成本和風(fēng)險(xiǎn)，以目標(biāo)為導(dǎo)向確定器件級(jí)、板級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)施方式。

(2)由于商用塑封器件屬于通用現(xiàn)貨產(chǎn)品，不能以宇航或軍用元器件的方式控制設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程，因此建議采用批接收試驗(yàn)(LAT)的方式進(jìn)行質(zhì)量保證，根據(jù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)針對(duì)性設(shè)計(jì)不同的保證流程。

(3)在結(jié)構(gòu)分析或DPA中發(fā)現(xiàn)非密封特性、金鋁鍵合工藝、純錫材料等公知風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題時(shí)，可將其作為警示提醒用戶(hù)應(yīng)用時(shí)進(jìn)行適當(dāng)處理，不作拒收判據(jù)。

(4)商用塑封器件的工作溫度范圍滿(mǎn)足航天器板級(jí)、單機(jī)級(jí)、整機(jī)級(jí)試驗(yàn)的相應(yīng)溫度范圍即可，非必要時(shí)無(wú)需開(kāi)展超溫范圍的器件特性摸底試驗(yàn)。

(5)建議對(duì)航天器選用及潛在選用的商用塑封器件獨(dú)立于質(zhì)量保證以外統(tǒng)一實(shí)施抗輻射試驗(yàn)，得到的權(quán)威抗輻射指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，支撐選用。

(6)批量投產(chǎn)的航天器單機(jī)、單板，如果大量選用已有成功應(yīng)用經(jīng)歷的商用塑封器件，可以采用多品種器件電裝后的單板級(jí)篩選、考核試驗(yàn)的方式進(jìn)行質(zhì)量保證，降低成本、簡(jiǎn)化流程。

總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)單機(jī)關(guān)鍵程度高、要求最低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，建議對(duì)選用的商用塑封器件從元器件角度實(shí)施全面質(zhì)量保證，采用“器件級(jí)篩選+器件級(jí)考核試驗(yàn)”的傳統(tǒng)保證模式，全面評(píng)價(jià)器件的可靠性和宇航適用性；當(dāng)單機(jī)風(fēng)險(xiǎn)接受能力較高、要求低成本設(shè)計(jì)時(shí)，建議從單機(jī)角度進(jìn)行質(zhì)量保證，采用“器件級(jí)簡(jiǎn)化篩選+板級(jí)篩選+板級(jí)考核試驗(yàn)”的保證模式，確保單機(jī)、單板的可靠性，典型方案在下一節(jié)具體介紹。

4.3 典型的低成本保證方案

借鑒SpaceX公司的成功經(jīng)驗(yàn)，建議國(guó)內(nèi)在選用商用塑封器件時(shí)，首先以用戶(hù)和任務(wù)角度進(jìn)行基于應(yīng)用條件的選用風(fēng)險(xiǎn)分析和結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)已知可靠性隱患采取緩解措施，設(shè)計(jì)適度的器件級(jí)篩選試驗(yàn)，統(tǒng)籌調(diào)度實(shí)施多品種元器件電裝后的板級(jí)篩選和板級(jí)考核試驗(yàn)，不再進(jìn)行單一品種商用塑封器件的器件級(jí)考核試驗(yàn)，典型的低成本保證流程見(jiàn)圖4。

選用分析階段重點(diǎn)對(duì)備選器件的宇航應(yīng)用經(jīng)歷、批次質(zhì)量信息、抗輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)、歷史質(zhì)量問(wèn)題情況、選用必要性等進(jìn)行分析，同時(shí)確定選用的器件型號(hào)、封裝形式、質(zhì)量等級(jí)、批次等信息，確定是否需要進(jìn)行抗輻照評(píng)估或單機(jī)級(jí)抗輻射設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)分析是針對(duì)器件的結(jié)構(gòu)、材料、封裝進(jìn)行一系列試驗(yàn)和物理分析，判斷是否存在禁限用工藝，是否適合宇航應(yīng)用或者能否采取針對(duì)性緩解措施，同時(shí)也需要從物理層面識(shí)別樣品是否為假貨。器件級(jí)篩選試驗(yàn)中模擬焊接、C-SAM和DPA為抽樣評(píng)價(jià)項(xiàng)目，外部目檢、X光檢查和電測(cè)試為對(duì)100%樣品實(shí)施的器件級(jí)試驗(yàn)。對(duì)多品種元器件電裝后的多塊單板進(jìn)行篩選試驗(yàn)，項(xiàng)目包括溫度循環(huán)、板級(jí)測(cè)試、板級(jí)老煉及外部目檢。對(duì)篩選合格的單板進(jìn)行板級(jí)接收試驗(yàn)，主要為板級(jí)溫度和極限應(yīng)力試驗(yàn)，并進(jìn)行板級(jí)性能測(cè)試，通過(guò)接收試驗(yàn)后抽樣實(shí)施板級(jí)壽命試驗(yàn)、耐濕試驗(yàn)、機(jī)械試驗(yàn)和EMC試驗(yàn)等考核試驗(yàn)項(xiàng)目，其余單板可以作為飛行件。

圖4 商用塑封器件的板級(jí)質(zhì)量保證流程Fig.4 Board level quality assurance flow of commercial PEMs

區(qū)別于現(xiàn)行航天元器件“統(tǒng)一質(zhì)量保證”的管理要求，實(shí)施低成本保證方案的前提是以單機(jī)研制部門(mén)為主體開(kāi)展器件質(zhì)量保證，針對(duì)性簡(jiǎn)化器件級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目，并與多品種元器件電裝后的板級(jí)試驗(yàn)相融合，直接篩選出板級(jí)飛行件產(chǎn)品。我國(guó)航天器用商用塑封器件保證技術(shù)的改進(jìn)需求強(qiáng)烈，后續(xù)仍要結(jié)合具體項(xiàng)目實(shí)踐，從元器件質(zhì)量保證技術(shù)和管理兩方面入手探索流程優(yōu)化方法，提高單機(jī)的性?xún)r(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。