針對商業(yè)衛(wèi)星用塑封器件的質量保證新思路

寧永成，韓桂玉

（1.中國空間技術研究院，北京 100094；2.北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

更多的成功案例表明，以塑封器件為代表的COTS元器件只要選擇得當，是完全可以勝任航天器任務需求的。針對該發(fā)展趨勢，美國宇航局（NASA）為了保持技術領先地位、降低成本，系統(tǒng)地開展了商用器件宇航應用的可靠性保證技術研究[1]，并于2002年2月26日發(fā)布了商用塑封器件用于空間的使用白皮書[2]，在2003年發(fā)布了《塑封器件 （PEM）的選擇、篩選和鑒定指南》（PEM-INST-001：Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection，Screening，and Qualification）；歐空局（ESA）在2013年發(fā)布了《空間產品保證-商用EEE元器件》 （ECSS-Q-ST-60-13C：Space Product Assurance-Commercial Elec trical，Electronic and Electromechanical（EEE）Components）。標準是實踐后經驗總結提煉的產物，因此對于PEM在宇航領域中的應用早在上述標準發(fā)布之前。ESA早在20世紀80年代就獨立開展了商用器件在空間技術領域的應用研究工作，并且在Proba等部分宇航項目上大量地驗證、使用了商用器件，獲得了成功。1995年，NASA開展新千年計劃（NMP：New Millennium Project）研究，其將“空間應用商用器件產品”和“低成本電子學產品”列入了研究目標，該計劃研制的ST8航天器要驗證的4項重要技術之一是基于商用器件的多處理器系統(tǒng)的可靠性研究。近些年，隨著快響系列衛(wèi)星的崛起，COTS技術的應用得到了較為快速的發(fā)展，為了滿足快速響應的設計理念，采用了大量的COTS器件，并通過一系列的技術手段來提高COTS器件的抗輻照能力[3]。

本文通過介紹日本低成本衛(wèi)星ETS-VI（Engineering Test Satellite-VI）項目對通用器件可靠性保證方法的新實踐和SpaceX對塑封器件的認證和質保過程，結合我國工程實踐，提出了國內宇航型號后續(xù)針對PEM選用的質量保證建議。

1 ETS-VI衛(wèi)星項目的低成本質保方法

在1992年召開的第43屆國際宇航聯(lián)合會上，日本NTT公司無線電通信系統(tǒng)實驗室的坂本浩和田中正芳，發(fā)表了題為“New Reliability Assurance Method Effective for Economical Satellite on-board Equipment”[4]的文章，介紹了如何在低成本衛(wèi)星上使用通用元器件替代宇航級特定元器件，以及如何進行可靠性保證。

1.1 主要的觀點和結論

文章開篇就提出了GUPs和STPs兩個概念。GUPs（Generally Used Parts）指的是通常使用的元器件,與現(xiàn)在的COTS元器件意思相近；STPs（Specially Tailored expensive Parts）意思是特殊定制的昂貴元器件，文中指的是JANS質量等級分立器件、S級集成電路在特定的生產線上生產的器件。另外，筆者還認為之所以要進行器件級篩選和抽樣檢驗，是因為批量少，這是成本高的原因。

使用GUPs替代STPs的前提是：對單機設備（含地面設備）的故障率進行了調查分析，表明幾乎所有GUPs的故障率都小于或等于單機分配到單元用元器件的故障率；公共通信設備使用證明，GUPs已經變得與STPs一樣可靠（不考慮空間環(huán)境）；大部分GUPs能夠承受空間環(huán)境影響，對沒有空間飛行經歷的GUPs，要進行額外的試驗驗證。

1.2 對潛在缺陷更經濟的檢測方法

過多的試驗項目使得元器件成本昂貴，在GUPs傳統(tǒng)的基礎上，只選擇進行特定的篩選試驗項目，選定的試驗項目是被認為更有效的檢測潛在缺陷的項目。以下將以在應答機上使用GUPs為例進行說明。

1.2.1使用STPs的應答機制造流程

文章給出的使用STPs的應答機制造流程，如圖1所示。STPs 100%的篩選和抽樣進行的批次質量檢驗試驗，都是在器件級進行的，如此多的試驗項目使得元器件成本昂貴。

圖1 使用STPs的應答機制造流程

1.2.2使用GUPs的應答機制造流程

文章給出的采用GUPs的制造流程，如圖2所示。為了降低試驗的成本，提出有選擇性地進行更有效的剔除早期失效缺陷的試驗（如表1所示）。老煉試驗在接近單機級進行，但在30℃開展3 500 h（接近5個月）的老煉試驗的時間有些過長。當缺陷激活能取值為0.3 eV時，如果溫度提高到70℃，根據(jù)阿倫紐斯方程，那么老煉時間可以縮短到1 000 h。

圖2 使用GUPs的應答機制造流程

表1 GUPs的篩選試驗項目

1.3 特點分析

在該工程案例中，可以分析并總結出以下幾個特點：

1）在應答機單機中，高達70%的元器件都用GUPs替代，因此值得進行單機級的老煉試驗；

2）GUPs也需要針對性地選擇（基于地面使用故障率等現(xiàn)場數(shù)據(jù)），沒有飛行經歷的新品要進行空間環(huán)境相關試驗；

3）為了降低元器件的成本，對試驗項目進行了裁剪，只保留認為有效的試驗項目；

4）單機級的老煉試驗，可以與125℃、240 h的器件級老煉試驗等效。

2 SpaceX的FTS用PEMs質量保證

在NASA發(fā)布的《商用器件技術認定流程》（“Commercial Parts Technology Qualification Processes”[5]）中，2.4章節(jié)是太空探索技術公司（SpaceX：Space Exploration Technologies）的近地軌道重型有效載荷運載火箭的飛行終端系統(tǒng)（FTS：Flight Termination Systems）及其對PEMs的使用所進行的全面分析，認為由于PEMs具有體積小、重量輕、機械和散熱特性好等優(yōu)點，其比傳統(tǒng)的陶瓷封裝器件更能適應任務環(huán)境，PEMs的長壽命和緩變退化在該任務中不是問題，傳統(tǒng)的軍用器件和PEMs器件都可以使用很多年。SpaceX認為，PEMs在抗機械沖擊能力方面比傳統(tǒng)的陶瓷器件要好一個數(shù)量級；PEMs沒用空腔，不用擔心可動多余物和鍵合絲碰絲等問題；超聲掃描（C-SAM）在大部分器件中都發(fā)現(xiàn)了分層，C-SAM可能不是PEMs篩選的好方法；PEMs的設計余量很大；應重點關注潮濕和腐蝕、純錫和包裝問題（對于FTS應用，從歷史看輻照不是個問題）等等。以下介紹SpaceX給出的PEMs篩選和認定流程。

2.1 SpaceX提議的篩選流程

SpaceX提出的篩選流程如圖3所示。PEMs的篩選流程分成3個階段：器件級、板級降額和單機級。其中，器件級篩選的試驗項目僅保留了常溫測試和外觀檢查；C-SAM抽樣進行，其結果僅作為參考。老煉和溫度循環(huán)在板級實施，一批至少電裝20塊。

圖3 SpaceX提出的篩選流程

2.2 SpaceX提議的鑒定流程

SpaceX提出的PEMs鑒定流程也是在組裝后實施的，選用6個單元實施，項目包括了全功能性能測試、溫度循環(huán)、隨機振動、機械沖擊、耐濕試驗和EMI/EMC測試等，詳見“Commercial Parts Technology Qualification Processes”中的圖2.2.4-2。

2.3 SpaceX提議的特點分析

馬斯克曾說： “你在S paceX中多放一個NASA的人，產品的成本就要翻番”。馬斯克認為NASA那些名聲在外、薪資昂貴的航天專家更適合當顧問，決定權在自己，聘請了NASA專家進行了指導，聽取建議吸收經驗但并沒有完全聽從NASA的意見。對于宇航級零部件（含元器件），凡是覺得沒有必要的，都換成貨架產品，質量夠用就行。對PEMs的選用持激進態(tài)度，認為優(yōu)勢明顯，存在的“問題”不是問題。

在此指導思想下，SpaceX對PEMs的試驗成本能省即省，器件級僅進行100%的常溫電測試和X光檢查，器件級的外觀檢查似乎都是抽樣進行的。和JPL、APL、SWRI觀點一致，其對針對PEMs進行100%C-SAM的必要性和有效性提出了質疑，改為抽樣評價，結果作為使用參考。

但同時我們應該看到，SpaceX對PEM的大膽選用，與美國擁有強大的電子工業(yè)基礎，以及汽車電子、醫(yī)療電子行業(yè)的支撐密不可分。

3 國內航天器用PEMs低成本質保方法

調研了國防科技大學“天拓一號”、浙江大學“皮星一號A”、五院東方紅試驗星、哈工大的“快舟”和“珠海一號”等選用PEMs較多的航天器，發(fā)現(xiàn)目前元器件采用高可靠元器件和PEMs等COTS元器件混合設計的方式，PEMs的質保方式也以器件級和板級、系統(tǒng)級相結合的方式進行，電測試和篩選以板級方式為主，必要時器件級進行C-SAM和X射線檢查等。

航天器用PEMs的質量保證，目前很大一部分測試和老煉試驗是采取板級方式進行的，一方面是因為進行器件級測試和老煉開發(fā)需要較大的成本投入和較長的周期；另一方面是考慮到PEMs大多以表貼封裝為主，經過測試和老煉，對管腳存在一定程度的損失，尤其BGA封裝器件，在高溫條件下老煉，夾具或管座對焊球很容易造成壓痕甚至凹陷缺損。因此進行板級測試老煉是經濟可靠的一種方法。在器件級篩選方面，由于C-SAM發(fā)現(xiàn)分層等缺陷判批不合格的比例較大，一定程度上增加了用戶選用PEMs的成本；通過C-SAM判批不合格的多個品種和批次PEMs進行了針對性的評價，在采取防潮包裝、電裝前預處理等措施下，完全可以規(guī)避塑封器件分層缺陷的使用風險。

4 批產商業(yè)衛(wèi)星用PEMs的質保建議

對PEMs的選用持什么態(tài)度，選用占多大的比例，采用何種質保思路和方法，需要型號項目組最終決策；PEMs質量保證已經基本不存在技術問題了，需要的是型號總體的項目管理決策。 結合國內外PEMs質量保證的實例和經驗，提出以下建議供參考。

a）首先，要落實好“先評價，后質?！敝笇枷?；其次，評價應在已有收集到的數(shù)據(jù)的基礎上進行，關注壽命/可靠性、抗輻射、出氣溢氣、機械沖擊和振動等，試驗均可考慮板級進行。

b）驅動PEMs空間應用的主要因素是性能、尺寸、重量和價格，需要在風險和成本上系統(tǒng)地分析決策；決策以型號總體為主，元器件質量保證和檢測部門做技術支持。

c）在空間輻照需求方面，元器件級只考慮總劑量，單粒子試驗可選做（根據(jù)系統(tǒng)設計采取糾錯和SEL防護，由用戶分析決定）。

d）PEMs的質量保證重點在選用控制，評價試驗和數(shù)據(jù)庫信息是控制的重要依據(jù)。

e）質量保證采用新方式和新方法，尤其是PEMs使用比例較高時，更加適宜采用板級測試老煉。

f）建立PEMs等COTS元器件數(shù)據(jù)信息庫，盡可能地獲取更多的元器件信息。

g）盡可能地選用已經過汽車電子、醫(yī)療電子認可的元器件。

h）集中、批量采購和質量保證。

建議的PEMs質保基本流程如圖4所示。

圖4 PEMs質保建議流程

5 結束語

針對PEMs的選用和質量保證，型號總體不能完全依賴物資保障部門和元器件試驗機構，應該擔負起主體責任，系統(tǒng)地策劃和統(tǒng)籌PEMs的選用比例、質量保證流程；對PEMs宇航適用性的認知已經很系統(tǒng)全面，質量保證試驗項目和方法也已經成熟，基本上不存在技術問題，需要的是型號總體在管理決策上進行取舍。針對PEMs質量保證，CSAM建議由以往的100%篩選更改為抽樣評價；采用板級方式進行測試和老煉，已經過大量的工程實踐證實了其可行性，對PEMs選用比例較大的單機，更是適合采用板級、單機方式進行質量保證。