國產(chǎn)航天元器件自主可控應(yīng)用驗證方法研究

彭曉飛，李 杰，劉路揚，苗志坤，孫 寧

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室,太原 030051；2.航天科工防御技術(shù)研究試驗中心,北京 100089)

0 引言

在航天裝備中，國產(chǎn)化元器件的應(yīng)用比例不高，關(guān)鍵元器件仍大量依賴于進口產(chǎn)品，這嚴(yán)重影響了航天設(shè)備的自主保障能力。我國電子元器件生產(chǎn)起步較晚，在設(shè)計初期，主要采用借鑒、引用和集成創(chuàng)新等思維模式，存在不理解原理只單純追求產(chǎn)品形似神似的情況，從而忽略基本的設(shè)計原理和需求，導(dǎo)致后續(xù)應(yīng)用存在潛在的風(fēng)險。另外，也有很大一部分元器件雖然采取的是正向的設(shè)計，但由于對國外的設(shè)計原理的理解不透徹、技術(shù)掌握不到位，使得無法完全獨立自主設(shè)計。

元器件國產(chǎn)化替代在我國雖然得到了長足的發(fā)展，但由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各單位執(zhí)行力度不一，許多國產(chǎn)元器件并未通過大量的應(yīng)用驗證。在使用元器件前沒有掌握其在未來使用環(huán)境或應(yīng)用設(shè)計方案中的功能和性能，也沒有對實際使用中的元器件性能指標(biāo)進行評估，因而無法得知元器件在實際使用時的功能性能表現(xiàn)。此外，在驗證過程中無法模擬實際的應(yīng)用環(huán)境，也會導(dǎo)致元器件的潛在問題不能得到充分暴露，若直接應(yīng)用到航天裝備中，可能存在較大的風(fēng)險。

要想徹底解決這些問題，就亟需建立一套通用的應(yīng)用驗證體系，有組織的開展國產(chǎn)化元器件替代應(yīng)用驗證工作，以此來滿足同類型大批量元器件的通用化驗證需求，為后續(xù)型號應(yīng)用提供成型的系統(tǒng)化的驗證方法和流程設(shè)計，降低國產(chǎn)化驗證復(fù)雜度，減少重復(fù)驗證流程，為研制單位提供有效且實用的驗證數(shù)據(jù)，充分保障質(zhì)量，提高國產(chǎn)化替代水平。

1 元器件自主可控

“自主可控”要求將核心元器件、核心技術(shù)、關(guān)鍵原材料等方面掌握在自己手中。通過自主的設(shè)計和開發(fā)，掌握產(chǎn)品的核心技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、維護、升級等過程中的完全可控。自主可控是指制造商和服務(wù)提供商具有技術(shù)能力和知識產(chǎn)權(quán)，并掌握產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展方向。對于主權(quán)國家，必須要求核心元器件、核心技術(shù)和配套軟件的自主性和可控性，對于必須使用進口技術(shù)產(chǎn)品的領(lǐng)域應(yīng)達到風(fēng)險可控。

我國元器件研制生產(chǎn)受自身各種客觀條件的限制，從而使絕大部分仿制元器件無法與進口元器件相媲比，在設(shè)計、材料和工藝等方面不能完全保證一致。此外，國產(chǎn)元器件參數(shù)系統(tǒng)設(shè)置不完善、性能指標(biāo)測試覆蓋不完整，即便是測試合格的產(chǎn)品，在使用時也會出現(xiàn)各種各樣的問題。同時，我國新研制的電子元器件在設(shè)計開發(fā)、制造封裝、測試評估、應(yīng)用驗證方面沒有系統(tǒng)性的指導(dǎo)文件，也就是頂層管理文件不完善，造成無法對國產(chǎn)化元器件的替代工作進行有效的監(jiān)督和落實。

為實現(xiàn)自主可控的目標(biāo)，保障元器件的國產(chǎn)化替代，必須從元器件生產(chǎn)過程中所用到的知識產(chǎn)權(quán)、材料、技術(shù)等方面同步推動。應(yīng)建立更加完善的系統(tǒng)管理機制，引導(dǎo)研制單位對主流器件進行國產(chǎn)化替代；加大專項資金支持，促進器件應(yīng)用單位與設(shè)計單位的合作交流，開展聯(lián)合研究，開展應(yīng)用驗證。確保器件穩(wěn)定供貨，無隱患，最終實現(xiàn)元器件自主可控的宏偉目標(biāo)。

2 元器件應(yīng)用驗證方法探討

元器件在應(yīng)用之前，通過開展一系列測試、評估和評價，綜合判斷并確定元器件研制的成熟度以及工程應(yīng)用的適用度，這就是元器件的應(yīng)用驗證。不僅能夠有效的指導(dǎo)元器件產(chǎn)品合理化、成熟化，還可保障新研制的元器件其可靠性、實用性和適宜性，以提高元器件的上裝率。

元器件的應(yīng)用驗證是國產(chǎn)化元器件的替代工作過程中必要且關(guān)鍵一環(huán)。應(yīng)用驗證具體包括4個階段，即生產(chǎn)過程要素評價、功能性能驗證、質(zhì)量可靠性驗證和應(yīng)用適應(yīng)性驗證。根據(jù)應(yīng)用驗證項目，充分考慮各層級準(zhǔn)備周期、儀器設(shè)備資源、樣品數(shù)量、試驗周期等，建立驗證試驗項目邏輯關(guān)系，通過合理設(shè)計試驗項目的串行、并行關(guān)系，實現(xiàn)驗證工作效率和效益的最大化，根據(jù)確定的驗證項目和準(zhǔn)備的試驗樣品情況，驗證工作采用板卡級驗證和器件級驗證并行開展的方式。圖1詳細展示了元器件的基礎(chǔ)驗證技術(shù)流程。

圖1 基礎(chǔ)驗證技術(shù)流程圖

2.1 生產(chǎn)過程要素評價

元器件生產(chǎn)過程要素評價目的是通過對待驗證器件研制廠家調(diào)研評估，對元器件的過程控制、制造和工藝、設(shè)計能力以及自主可控能力進行評價，提前識別短板與風(fēng)險，保障后續(xù)供貨的穩(wěn)定可靠。在生產(chǎn)要素指標(biāo)分配方案中，重點關(guān)注該器件的國產(chǎn)化自主可控能力。評價指標(biāo)中與自主可控相關(guān)的指標(biāo)權(quán)重占比較大。具體涵蓋如下：

2.1.1 過程控制

元器件的生產(chǎn)過程控制能力對元器件批次一致性及可靠性保證具有重要意義，主要確保器件長期穩(wěn)定可控，同時對相關(guān)設(shè)備、關(guān)鍵工序、材料、生產(chǎn)人員等進行評價。

2.1.2 制造與工藝

主要通過器件的生產(chǎn)制造過程和成品器件的結(jié)構(gòu)特點對其進行評價：①元器件生產(chǎn)線是否有穩(wěn)定的流片能力；②封裝生產(chǎn)線的自動化程度如何以及是否是在國內(nèi)進行；③產(chǎn)品是否已經(jīng)穩(wěn)定應(yīng)用。

2.1.3 設(shè)計能力

設(shè)計能力主要包含設(shè)計團隊經(jīng)歷、單位元器件設(shè)計能力、封裝管殼設(shè)計能力、設(shè)計文件的規(guī)范性與完備性等內(nèi)容。

對設(shè)計團隊人員組成、在崗時間、團隊規(guī)模、團隊成員支撐、設(shè)計經(jīng)驗等進行考核；主要關(guān)注元器件設(shè)計版圖、仿真資料等過程文件，同時考核同類型元器件的歷史設(shè)計應(yīng)用情況；設(shè)計規(guī)范文件中考察產(chǎn)品設(shè)計流程管理記錄、規(guī)格文檔、整體設(shè)計方案及迭代文件等；同時考察封裝管殼設(shè)計能力。

2.2 功能性能驗證

表1列出了功能性能驗證的一些基本驗證項目，如功能性能測試、關(guān)鍵參數(shù)特性曲線測試、比對測試與分析以及電性能參數(shù)極限評價等各項試驗，綜合這些驗證實現(xiàn)元器件的器件級驗證。

表1 功能性能驗證項目

2.3 質(zhì)量可靠性驗證

2.3.1 結(jié)構(gòu)分析

目的是評價元器件的設(shè)計、工藝和材料等能否滿足可靠性要求以及相關(guān)型號裝備應(yīng)用要求的能力。通過結(jié)構(gòu)分析盡可能避免存在結(jié)構(gòu)缺陷的元器件被應(yīng)用于型號裝備。原則上，鑒定試驗和批質(zhì)量一致性檢驗中已開展的可靠性試驗(如可焊性、引線牢固性等)，結(jié)構(gòu)分析對其試驗數(shù)據(jù)進行采信。同時，針對同一生產(chǎn)廠家相同封裝工藝的元器件，選取一個典型器件進行工藝和材料分析。

2.3.2 結(jié)構(gòu)單元分解

元器件結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，如圖2所示，分為封裝管殼、鍵合互連、芯片焊接和芯片結(jié)構(gòu)。

圖2 器件結(jié)構(gòu)分析框圖

2.3.3 結(jié)構(gòu)要素識別

根據(jù)其間型號需求，對器件進行結(jié)構(gòu)要素識別，并結(jié)合同類器件的失效案例和應(yīng)用環(huán)境與要求，了解常見結(jié)構(gòu)的失效模式，具體如表2所示。

表2 器件結(jié)構(gòu)要素組成

2.3.4 結(jié)構(gòu)分析試驗流程

元器件結(jié)構(gòu)分析試驗流程，如圖3所示。

圖3 器件結(jié)構(gòu)分析試驗流程

2.4 應(yīng)用適應(yīng)性驗證

應(yīng)用適應(yīng)性與用戶實際應(yīng)用結(jié)合最為緊密，主要通過分析用戶提出的應(yīng)用條件、系統(tǒng)功能實現(xiàn)、環(huán)境要求等，制定能夠考核到用戶關(guān)注內(nèi)容的指標(biāo)。應(yīng)用適應(yīng)性驗證項目如表3所示。

表3 應(yīng)用適應(yīng)性驗證項目

2.4.1 總體設(shè)計方案

在進行應(yīng)用適應(yīng)性驗證時需要硬件設(shè)計母版控制板，驗證子板及其與工控機和設(shè)備的連接關(guān)系的設(shè)計。同時，母板以FPGA 作為核心器件，其主要完成對高性能A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的采樣，并為高性能D/A轉(zhuǎn)換器提供高速測試激勵向量，同時完成數(shù)據(jù)的緩存、數(shù)據(jù)的跨時鐘域處理，DDR3 SDRAM高速數(shù)據(jù)讀寫控制，以太網(wǎng)和光纖接口協(xié)議實現(xiàn)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并且FPGA片內(nèi)已集成JESD204B標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)接口，為高性能A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采樣和發(fā)送提供了極大的便利。

基于Kintex-7的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器測試系統(tǒng)總體方案如圖4所示。

圖4 測試平臺實現(xiàn)總體方案圖

圖中的同步動態(tài)存儲器DDR3 SDRAM在系統(tǒng)中作為A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)存儲空間，其最大吞吐速度可以達到1.6 Gbps，最大2 GB的容量，這為ADC數(shù)據(jù)的大容量存儲和DAC測試激勵向量的高速輸出提供了良好條件，也保證了數(shù)據(jù)在K7與PC之間的高速傳輸和下載。

2.4.2 詳細設(shè)計階段

完成ADC靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)的測試需要輔助儀器，如信號發(fā)生器、高精度萬用表、示波器、頻譜分析儀、高精度電源等。這些信號源具有出色的性能(低相位噪聲、平坦的頻率響應(yīng)、適度的諧波性能)。由于這些發(fā)生器的諧波功率一般不如特定ADC固有的線性度那么好，因此在信號發(fā)生器與 ADC模擬輸入之間需要進行濾波處理。如圖5所示。

1)子板設(shè)計：

子板設(shè)計在-55～125 ℃范圍內(nèi)正常工作，保證在高低溫測試、溫度循環(huán)測試以及力學(xué)環(huán)境測試等試驗中工作良好。對于控制板和子板、控制板與設(shè)備、子板與設(shè)備之間的連接選擇高質(zhì)量的連接器材。

考慮數(shù)字信號線長度對信號傳輸?shù)挠绊懞捅或炞C器件自身數(shù)字接口的驅(qū)動能力，采用子板增加驅(qū)動電路、信號轉(zhuǎn)換電路等方式與驗證母板連接，保證傳輸?shù)目煽啃?，避免誤判操作；與子板相關(guān)的連接線纜均選用能承受150 ℃以上的線纜，保證在高溫測試和溫度循環(huán)測試以及力學(xué)環(huán)境測試等試驗中工作良好；對于數(shù)字控制信號，可以采用排線進行傳輸，且長度不宜過大；對于模擬信號，要保障傳輸?shù)男Ч?，減少噪聲的引入；雙方接口選擇SMA接口，通過同軸電纜進行連接。子板設(shè)計如圖6所示。

2)母板設(shè)計：

通用數(shù)據(jù)處理板卡主要完成ADC數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將預(yù)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進

圖5 基于運放的帶通濾波器

圖6 子板設(shè)計原理圖

行運算處理得出ADC的靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)；并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。母板的設(shè)計框圖如圖7所示，母板的核心是一個FPGA芯片，用于產(chǎn)生測試的圖形激勵。FPGA的供電模塊保證FPGA的正常運行，連接器的資源主要包括控制切換通道、數(shù)字通道、差分通道的高速連接通道，這些通道都由主控FPGA控制，完成相關(guān)的功能，通訊功能主要是用串口進行承接。

圖7 母板結(jié)構(gòu)

由于AD任務(wù)包中器件類型多樣、廠家應(yīng)用電路不同、功能存在差異、封裝各異、性能指標(biāo)不同、測試項目繁多、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜等問題，平臺設(shè)計需滿足兼容性、綜合性、實用性等實際要求。通用驗證平臺可高效、準(zhǔn)確的采集、存儲、分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以波形、數(shù)字等形式直觀、有效地反映給客戶，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，為高效、準(zhǔn)確的對AD轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用特性作研究提供有效的依據(jù)和保障。

2.4.3 試驗驗證

1)將HWD976待測板卡置于規(guī)定的環(huán)境與直流電源、專用控制母板連接；輸入高精度的正弦波

f

=45 056.152 343 75 Hz，其采樣頻率設(shè)為

f

=200 kHz；

2)接通電源，給定器件電壓、模式控制引腳電壓，將器件數(shù)字輸出通過高速接口連接至數(shù)字采集端；

3)通過高性能射頻信號源提供特定頻率的模擬輸入信號，并連接固定頻率的濾波器至HWD976模擬輸入端；

4)利用邏輯分析儀/專用控制母板控制HWD976進行動態(tài)轉(zhuǎn)換，并采集器件數(shù)字輸出信號；

5)通過上位機軟件將采集的數(shù)據(jù)進行FFT變換，得到頻域信息，并繪制出結(jié)果的頻譜圖形如圖8～9所示。

圖8 板卡1：25 ℃溫度下功率譜

圖9 板卡2：25 ℃溫度下功率譜

利用FFT變換結(jié)果，通過公式計算得出SNR、SINAD、SFDR等動態(tài)指標(biāo)如表4。

3 元器件驗證過程控制要求

3.1 驗證過程異常處理

3.1.1 驗證試驗中斷處理

在測試過程中，如果測試條件改變不能符合試驗要求時，則應(yīng)中斷測試，待滿足條件后繼續(xù)測試。當(dāng)測試中斷前

表4 動態(tài)指標(biāo)測試結(jié)果

的測試條件未超出規(guī)定的范圍，則中斷前的測試有效，否則將重新進行測試。

當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，則應(yīng)中斷測試：

1)在測試過程中，試驗裝置因技術(shù)狀態(tài)或質(zhì)量問題危及安全，無法保障測試安全；

2)影響性能和使用的重要技術(shù)問題；

3)出現(xiàn)短期內(nèi)不能排除的故障；

4)因不可抗拒因素，無法滿足測試條件。

3.1.2 樣品異常情況處理

1)驗證項目中出現(xiàn)元器件樣品失效，應(yīng)標(biāo)識、隔離，填寫故障記錄表，并由試驗分析團隊進行失效分析；

2)驗證項目中出現(xiàn)元器件樣品參數(shù)非預(yù)期超差，應(yīng)對參數(shù)超差現(xiàn)象提供便于追溯的支撐性素材，以便后續(xù)分析；

3)對于元器件失效和參數(shù)超差問題，由應(yīng)用驗證專業(yè)機構(gòu)、器件用戶單位和研制單位共同分析、定位和處理，并記錄形成問題清單。

3.1.3 儀器、設(shè)備故障處理

1)分析故障對被驗證元器件的樣品的影響；

2)修復(fù)故障的儀器設(shè)備并進行檢定合格，或更換同類合格設(shè)備；

3)若儀器、設(shè)備故障對被評價元器件樣品無影響，使用修復(fù)或更換的儀器設(shè)備繼續(xù)試驗；若有影響，則更換被評價元器件樣品后使用修復(fù)或更換的儀器設(shè)備重新試驗。

3.2 驗證試驗數(shù)據(jù)處理

在測試過程中，應(yīng)及時、準(zhǔn)確、完整地獲取測試信息并填寫測試數(shù)據(jù)表(必要時應(yīng)采集視頻或圖像信息)。測試數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確可靠，不得隨意取舍，對所采集的數(shù)據(jù)進行收集、分類、整理和存檔，并組織相關(guān)專業(yè)人員對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)分析結(jié)果科學(xué)、公正、客觀的進行測試評價。

4 結(jié)束語

隨著當(dāng)前國際形勢的不斷演變，航天元器件自主可控已成為我國航天領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢。雖然航天元器件在國產(chǎn)化過程中存在諸多問題，且與進口元器件相比存在明顯的劣勢，但通過對元器件采取充分的應(yīng)用驗證，包括從器件微觀結(jié)構(gòu)到板卡、組合/整機、分系統(tǒng)/系統(tǒng)多個層級，可以提前暴露和規(guī)避國產(chǎn)元器件存在的安全風(fēng)險。通過構(gòu)建面向各類航天元器件的應(yīng)用驗證指標(biāo)體系和賦權(quán)方法，能夠全面提升航天元器件的質(zhì)量可靠性保障能力，實現(xiàn)航天裝備的自主可控水平，支撐國家航天產(chǎn)業(yè)升級，從而推動航天防御事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。