面向航天器型號的COTS 元器件選用策略

薄 鵬，汪 悅

（1.中國空間技術研究院；2.中國航天宇航元器件工程中心：北京 100094）

0 引言

商業(yè)現貨（COTS）元器件與宇航元器件的主要區(qū)別在于COTS 元器件在設計時未考慮真空、輻射、原子氧等空間環(huán)境適應性和長期工作可靠性。但COTS 元器件由于其性能優(yōu)異、成熟度高、生產批量大和采購成本低廉等特點，已大量應用于試驗衛(wèi)星及載荷系統等新航天產業(yè)領域[1-3]。近年來，在商業(yè)航天需求和電子工業(yè)技術發(fā)展基礎上，國內外航天機構和企業(yè)都在研究COTS 元器件如何在傳統航天項目中更好地應用。美國NASA、歐空局和日本JAXA 等都對COTS 元器件應用持積極態(tài)度，成功采用了技術成熟的低成本民標元器件[4-6]。實踐證明，在適當保證的前提下，大部分COTS 元器件能滿足不同類型航天任務性能，以及溫度、振動和輻射等航天器各任務剖面環(huán)境要求[3-4]，因此使用COTS 元器件在滿足航天器性能的前提下降低任務成本，技術上具備可行性，是航天領域未來發(fā)展的大勢所趨。

然而COTS 元器件存在非抗輻照設計、易停產斷檔及可靠性信息缺失等典型問題，在航天任務尤其是傳統航天項目中的應用中仍存在風險[1]，其應用難點和重點在于：遴選出適應航天任務尤其是適應空間環(huán)境的產品，確定產品基礎，完善供給結構，優(yōu)化供給方式，提升供給效率。

本文研究COTS 元器件工業(yè)基礎和航天型號任務需求，基于可靠性數據缺失、穩(wěn)定供應、塑封結構可靠性等風險問題，提出面向航天器型號的COTS 元器件選用原則、選用程序和要素設計方法，并結合工程實踐進行分析。

1 COTS 元器件工業(yè)基礎和應用風險

1.1 COTS 元器件工業(yè)基礎

在電子工業(yè)不斷發(fā)展的背景下，隨著人們對可靠性物理技術研究進一步深入，并且能夠采用全自動生產線加工保證產品工藝穩(wěn)定，元器件性能和整體可靠性水平不斷提高，已經衍生出大量高可靠元器件可供各行業(yè)選擇。汽車電子和醫(yī)療電子與人的生命安全密切相關，其元器件也有相當高的質量和可靠性水平，并且市場份額很高，容易獲得。ST、Microchip 和ADI 等公司陸續(xù)推出抗輻射加固COTS 元器件，并提供輻射仿真工具，努力為航天項目提供“價格-應用需求平衡問題”的解決方案[7]。因此，具備一定質量能力、在市場上作為成熟貨架產品被采購的、代表行業(yè)發(fā)展方向的一系列先進元器件是航天器型號選用的良好基礎。近年來，航天器型號低成本研制、規(guī)模化生產和高密度發(fā)射等要求對COTS 元器件應用的具體需求主要體現在成本控制、風險控制、高性能快速應用以及穩(wěn)定生產供貨等方面。

1.2 應用風險分析及控制措施

1.2.1 可靠性數據缺失風險及控制措施

不同于宇航元器件全面的評估、鑒定、驗證和數據共享，COTS 元器件在極端環(huán)境、空間環(huán)境、長壽命等方面沒有公開的數據，導致空間應用信心不足。建立可靠性數據信息平臺支持COTS 元器件的快速選型、針對性篩選和評價，都能夠有效支撐其選用。

1.2.2 供應風險及控制措施

COTS 元器件可追溯性差，技術狀態(tài)可能不穩(wěn)定，持續(xù)可獲得性存在風險。面對停產或斷檔風險，可以進行適當的產品或芯片儲備；跟蹤產品變化，及時使用升級替代品更換。面對狀態(tài)不受控風險，可以進行產地和芯片狀態(tài)比對、批次間測試和試驗數據比對，來增強使用信心和提前控制風險。

1.2.3 結構可靠性風險

目前，公認的COTS 元器件結構可靠性風險有純錫材料風險和塑封吸潮特性風險。

1）純錫材料風險及控制措施

COTS 元器件一般引線鍍層為純錫，而純錫在低重力或失重條件下容易生長錫須，產生短路風險；在低溫形成結晶態(tài)灰錫，產生元器件引線及焊點破壞風險。對于管腳表面涂覆層為純錫的器件，目前公認有效防止錫須生長的方法是采用熱浸漬鉛錫焊料或涂層。

2）塑封吸潮特性風險及控制措施

COTS 元器件大多采用塑封，主要的故障模式是表面貼裝過程中的“爆米花效應”以及內部濕氣引起的鍵合焊點電偶腐蝕?！氨谆ㄐ笔怯捎谒芰戏庋b體內部水分因加熱汽化后體積膨脹引起，可以通過電裝前適當烘焙避免。采用抽真空包裝、干燥潔凈環(huán)境（如氮氣干燥柜）存儲能夠有效避免腐蝕問題。

2 COTS 元器件選用原則

航天器型號COTS 元器件保證的關鍵是元器件選型控制，須確保選擇的生產廠、器件型號符合應用的先進性和可靠性預期，確認是否具有連續(xù)的批采購可獲得性，確定是否存在純錫等航天禁限用工藝或是否能夠實施風險緩解措施處理。COTS 元器件的選用控制策略決定了選型范圍和應用風險，也影響著質量保證試驗項目和要求的設計。

2.1 國內外COTS 元器件航天應用策略

2.1.1 國外的應用策略

NASA 盡管在積極推動選用COTS 元器件，但也認為使用元器件沒有捷徑，需通過嚴格的保證和風險控制[4]：對于大部分A～C 級航天器，其應用COTS 元器件的策略偏保守，項目需基于對COTS元器件、制造商以及元器件使用方式的系統理解以及風險的有效管理，并且按照EEE-INT-002 進行篩選、考核和降額使用；對于D 級以下航天器，大部分項目選擇接受COTS 相關風險。

歐洲航天機構對COTS 元器件應用持積極態(tài)度，歐空局允許多元COTS 元器件保證后使用：目前普遍采用ECSS-Q-ST-60-13，根據可追溯性和保證方法等將元器件分為不同的保證等級，供不同類型的航天項目選用。ECSS-Q-ST-60-13C（2022 年修訂版）中進一步明確了COTS 元器件的選用限制和評價要求，并重點推薦汽車級（AEC）COTS 元器件使用[5]。

日本JAXA 對于COTS 元器件的應用相對激進：對家用、工業(yè)用、發(fā)動機用和高可靠用（如核、航空）4 類不同可靠性基礎的COTS 元器件，制定了針對性評價和選擇策略，供不同類型的宇航項目選用[6]。

2.1.2 中國的應用策略

我國已經形成了一套針對高可靠航天器用COTS 元器件選用和保證方法。GB/T 41040—2021《宇航用商業(yè)現貨（COTS）半導體器件 質量保證要求》[8]給出了以結構分析、篩選、考核試驗以及抗輻照評估等為主的質量保證技術體系，在應用COTS元器件方面仍偏保守。

2.1.3 商業(yè)航天公司的應用策略

以SpaceX 公司為代表的商業(yè)航天公司始終將成本和先進性擺在與可靠性同等重要的地位，認為宇航級元器件的價格昂貴、生產周期長、性能落后等固有缺點是制約技術發(fā)展的瓶頸，因而需要使用價格低廉、性能先進的COTS 元器件；對COTS 元器件進行針對性的選用分析、篩選試驗和板級考核試驗等質量保證，可確保其應用可靠性[9]。

2.2 關于COTS 元器件選用原則的思考

宇航元器件的選用原則主要包含繼承性、先進性與可獲得性、目錄管理及合格供方管理等，這些同樣適用于COTS 元器件。但是傳統的供方和目錄管理形式可能難以與先進元器件選擇完全同步，至少應選擇知名生產廠、產品質量信譽良好的現代化高水平生產線生產的成熟COTS 元器件。選擇中應關注COTS 元器件供應方生產線質量認證、執(zhí)行標準和產品本身的停產斷檔、技術狀態(tài)變更等信息。而且，由于可靠性數據缺失、易停產斷檔等特點，應針對COTS 元器件建立信息庫（如表1 所示），以應對數據不足風險，并為選用提供必要信息。另外，選用COTS 元器件應與航天器型號分級保證工作結合，提高保證效率與效益，同時確?？煽啃詽M足航天任務要求。

表1 COTS 元器件可靠性信息Table 1 Reliability information for COTS components

3 COTS 元器件選用程序和要素設計

COTS 元器件選用解決的問題是：在一定的元器件產品范圍中，采用成本最小的方式，能夠最大限度地滿足航天器型號需求。其選用程序如圖1 所示，即：從航天器型號需求出發(fā)，基于已有信息庫，重點考慮供應方選擇、執(zhí)行標準選擇、元器件產品選擇三大方面的選用要素，識別和控制風險，保證高可靠應用。

圖1 COTS 元器件選用程序Fig.1 Selection procedures for COTS components

3.1 需求分析

根據航天器型號需求，按照表1 的信息進行分類，確定對應的元器件需求，如表2 所示。

表2 元器件需求分析Table 2 Component requirement analysis

3.2 元器件選擇

3.2.1 供應方選擇

選用方應充分開展市場調研，甄別遴選出多種待選元器件，在考慮應用繼承性的基礎上進行COTS元器件選用。選用分析內容包括COTS 元器件供應方、執(zhí)行標準、產品等與任務需求、環(huán)境需求、質量與可靠性需求以及供應需求的匹配性等方面；在信息過少難以決策的情況下，還需要結合評估試驗結果分析風險可接受情況，制定風險控制措施。供應方選擇要素如表3 所示。

表3 供應方選擇要素Table 3 Selection elements of supplier

3.2.2 執(zhí)行標準選擇

在基礎條件相似的情況下，推薦選用表4 中類別高的元器件。不建議選用民商用、適用規(guī)范不明或無公開渠道查詢數據手冊的COTS 元器件。

（4）企業(yè)制度的發(fā)展滯后。涉農企業(yè)按照現代企業(yè)管理標準，建立諸多的企業(yè)制度，并能給予完善和執(zhí)行。但在部分企業(yè)中，企業(yè)制度形同虛設，總經理“一支筆”，內部控制制度缺失。特別是在激勵機制方面，獎金等薪酬口頭約定較多，不能落實，導致管理層積極性不高，責任心不強，工作效率低下，不利于管理人員的成長，最終導致公司治理效率低下，進入惡性循環(huán)狀態(tài)，嚴重阻礙了企業(yè)的經營發(fā)展。

表4 典型COTS 元器件類型、執(zhí)行規(guī)范、生產線和產品特點Table 4 Typical COTS component types, implementation specifications, production lines and product characteristics

3.2.3 元器件產品選擇

進行元器件產品選擇時需考慮的要素如表5所示，包括：分析COTS 元器件的功能、性能、封裝與航天任務的匹配性，元器件的環(huán)境適應性，質量與可靠性能否滿足型號任務要求。COTS 元器件產品信息可能缺失，需結合典型樣品進行評估，尤其在COTS 元器件沒有足夠航天應用經歷或采用未經航天任務驗證的新技術的情況下，應針對應用風險制定具體評估試驗方案，獲取環(huán)境適應性和可靠性數據，確定元器件是否滿足任務需求。評估試驗可以按照結構相似性原則進行，一般包含結構分析和工藝評估。

表5 元器件產品選擇要素Table 5 Selection elements of component product

3.2.4 典型COTS 元器件選擇實踐

某航天器單機用電機控制板電流控制電路需要一款軌對軌低噪聲運算放大器，來構建比例積分控制器，實現電流環(huán)路閉環(huán)控制。根據市場調研，遴選出運放A、運放B 兩種待選元器件，均為四通道、單電源、4 MHz 帶寬，都能夠提供軌到軌輸入和輸出，可以構建基于單電源供電系統的多級濾波器并保持高信噪比。經對供應方、執(zhí)行標準、產品的全面分析（見表6），最終選擇運放B 成功應用。

表6 低噪聲運算放大器選擇Table 6 Low noise operational amplifier selection

3.3 元器件供應

3.3.1 元器件采購

采購方應盡可能采用批量、集中采購模式：提前制定備件、消耗品計劃，盡量確保初樣、正樣使用的COTS 器件為同一批次；應在生產廠或授權經銷商處直接采購COTS 元器件，且在合同或協議中重點明確所提供產品的數據資料、停產或斷檔通知等內容。在考慮成本的時候，需考慮采購、質量保證等帶來的綜合成本，制定適當的采購策略。

3.3.2 元器件質量保證

質量保證試驗項目可在元器件級、電路板級、子系統/機箱級選取。更高集成度的試驗降低了用戶對元器件設計裕度和故障裕度的了解程度。對于商用塑封器件中存在的失效或航天禁限用工藝問題，不是一票否決棄用，而是考慮采用風險分析、工藝再處理、外部加固處理等多種措施支撐可靠應用。例如，純錫涂覆和非密封等工藝問題都可采取風險分析和針對性措施緩解處理，包括已經被證明有效的加厚三防漆保護、電裝前烘焙及干燥儲存等。

3.4 元器件應用

3.4.1 電路板或系統設計

應采用冗余設計、熱設計、降額設計、容差設計、最壞境況分析等可靠性設計方法和抗輻射加固設計方法，在航天型號任務中適當應用COTS 元器件，防止使用過程環(huán)境過應力（防瞬態(tài)過載、防寄生耦合和電磁干擾、靜電放電）和器件失效傳遞的應力。

3.4.2 電裝或組裝工藝

電裝或組裝工藝不應損傷元器件，并能夠提供可靠的連接。表面安裝潮濕敏感COTS 元器件應根據MSL 進行預處理。引出端純錫鍍層的COTS 元器件應采取必要的防護處理措施。

3.4.3 電路板級、單機級和系統級試驗

電路板級、單機級和系統級試驗可與元器件級質量保證結合進行。跳過元器件級試驗能夠降低成本和加快進度；然而，如果在電路板級、單機級和系統級試驗中檢測到任何故障，將對成本和進度產生更嚴重的負面影響[10]。即使COTS 元器件已經進行了超額應力元器件級試驗分析，仍建議在原有的額定應力范圍內進行電路板級、單機級和系統級試驗。

4 結論及建議

使用COTS 元器件提高航天器的性能和降低航天器型號任務的成本，技術上具備可行性，是航天領域發(fā)展的大勢所趨，其應用難點和重點在于遴選出適應型號任務的產品，并采用低費效比的質保流程和方法。具體建議如下：

1）系統制定完善航天器型號用COTS 元器件的選用規(guī)范和質量保證總要求，并建立可用COTS元器件的數據庫。因而需要加大空間環(huán)境適應性、長期工作可靠性評估的投入，進行備選COTS 元器件的儲備。

2）針對COTS 元器件以塑封器件為主的特點，為保證應用可靠性，需要建立“運輸—儲存—使用前處理—電裝后防護”等全過程防護要求。

3）全方位實施統籌集中、批量采購和質量保證，專業(yè)質量保證機構持續(xù)把關COTS 元器件成熟度和芯片來源。

4）COTS 技術更新換代非?？臁ｍ毦o跟技術發(fā)展和市場動向，不斷調整技術應用策略，同時建立與之相適應的單機技術狀態(tài)動態(tài)管控及維護要求。