太空設(shè)備用單片集成電路篩選方案研究

摘" 要： 隨著太空研究進(jìn)程不斷加速，空天優(yōu)勢已經(jīng)成為現(xiàn)代競爭中取勝的重要環(huán)節(jié)。如果偶然失效或者有質(zhì)量隱患的元器件上裝應(yīng)用，會(huì)導(dǎo)致太空設(shè)備整機(jī)早期故障率大大增加。裝備對太空設(shè)備用元器件的質(zhì)量與可靠性提出了戰(zhàn)略需求。文中基于太空設(shè)備的典型應(yīng)用環(huán)境，在充分調(diào)研國內(nèi)外元器件標(biāo)準(zhǔn)體系及質(zhì)量控制模式的基礎(chǔ)上，利用FMEA技術(shù)分析元器件的敏感因素?；诒∪醐h(huán)節(jié)建立分級分類的篩選方案，支撐太空設(shè)備用元器件可靠性保證工作，避免早期失效或有質(zhì)量隱患的元器件上裝應(yīng)用，滿足太空設(shè)備對元器件質(zhì)量、成本及研制周期的要求，助力空天裝備快速、高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 太空設(shè)備； 單片集成電路； 元器件； 可靠性評價(jià)； FMEA技術(shù)； 溫度傳感器

中圖分類號： TN406?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）10?0101?06

Research on integrated circuit screening program for space equipment

Abstract： With the continuous acceleration of space research， the aerospace advantage has become an important link to win in modern competition. If accidental failures or components with quality hazards are installed and applied， the early failure rate of space equipment will be increased. Strategic requirements are proposed for the quality and reliability of components used in space equipment. Based on the typical application environment of space equipment and thorough research on domestic and foreign component standard systems and quality control modes， FMEA technology is used to analyze the sensitive factors of components. A hierarchical classification screening scheme is established based on weak links to support the reliability assurance of components used in space equipment， avoid early failure or installation of components with quality hazards， meet the requirements of space equipment for component quality， cost， and development cycle， and assist in the rapid， high?quality， and sustainable development of space equipment.

Keywords： space equipment; single chip integrated circuit; components; reliability evaluation; FMEA technology; temperature sensor

0" 引" 言

為響應(yīng)新形勢下太空設(shè)備快速發(fā)展需求，開展太空設(shè)備元器件篩選方案研究，避免有質(zhì)量隱患及風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的元器件上裝應(yīng)用。

本文基于太空設(shè)備典型應(yīng)用環(huán)境的特殊性要求，利用FMEA技術(shù)分析元器件的敏感要素及薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)置試驗(yàn)對其功能性能、物理特性、封裝可靠性及壽命可靠性等方面進(jìn)行篩選，剔除參數(shù)測試異常以及結(jié)構(gòu)、工藝等物理特性存在質(zhì)量隱患的元器件，保證整個(gè)裝備的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

1" 國內(nèi)外元器件標(biāo)準(zhǔn)體系及質(zhì)量保證模式分析

經(jīng)過不斷摸索與實(shí)踐，國外已經(jīng)建立先進(jìn)、成熟并且行之有效的包含工作體系、責(zé)任體系及技術(shù)體系的宇航元器件質(zhì)量保證體系，覆蓋元器件從制造、采購、檢驗(yàn)、應(yīng)用、失效、歸零管理等全流程。

美國航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）及日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的元器件標(biāo)準(zhǔn)體系較為成熟，由專門的政府機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)管理，設(shè)置統(tǒng)一的元器件質(zhì)量保證機(jī)構(gòu)。

質(zhì)量管理已由傳統(tǒng)的元器件規(guī)范管理轉(zhuǎn)向生產(chǎn)線認(rèn)證及過程控制，例如通過過程確認(rèn)文件體系（PID）的建立來保證元器件生產(chǎn)制造的穩(wěn)定性、一致性及可追溯性[1]。同時(shí)為了降低成本、提高效率，NASA、ESA、JAXA依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系推行元器件的合格鑒定[2]，鑒定合格的產(chǎn)品納入元器件優(yōu)選目錄。各國之間的目錄存在互認(rèn)機(jī)構(gòu)，為元器件上裝應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

我國元器件標(biāo)準(zhǔn)體系隨著航天型號的發(fā)展逐步建立，經(jīng)歷了“三定”“七?！保ò凹訃?yán)七?！保柏灅?biāo)”“可靠性增長”等不同控制階段。

近年來，以探月、載人飛船等為代表的設(shè)備向著高可靠、長壽命及多功能方向發(fā)展，各院所建立了結(jié)合實(shí)際背景的產(chǎn)品保證技術(shù)規(guī)范。隨著精細(xì)化管理方法不斷運(yùn)用[3]，設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝等方面的質(zhì)量問題發(fā)生率不斷下降。在當(dāng)前設(shè)備研制平臺(tái)化、產(chǎn)品化及組批生產(chǎn)的形勢下，元器件質(zhì)量問題日益凸顯。

基于國產(chǎn)元器件生產(chǎn)制造水平現(xiàn)狀，通過補(bǔ)充篩選來保證上裝元器件質(zhì)量及可靠性[4]是當(dāng)前及未來很長時(shí)間內(nèi)仍然有效、不可替代的途徑。

2" 典型應(yīng)用環(huán)境分析

太空設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性與裝備所處的運(yùn)行階段及運(yùn)行階段環(huán)境有關(guān)。太空設(shè)備的運(yùn)行階段可以分為儲(chǔ)存、發(fā)射、運(yùn)行及返回4個(gè)階段。利用魚骨圖分析典型階段的環(huán)境要素，如圖1所示。

2.1" 儲(chǔ)存階段

太空設(shè)備從裝配完成到發(fā)射前的時(shí)間為儲(chǔ)存階段。大部分設(shè)備儲(chǔ)存周期短，但有些設(shè)備周期可能長達(dá)20～30年（可能更長），太空設(shè)備用元器件需要適應(yīng)典型的儲(chǔ)存階段環(huán)境。

根據(jù)地理位置及儲(chǔ)存環(huán)境的不同，儲(chǔ)存階段可能承受的環(huán)境要素有：溫度、濕度、鹽霧、靜電放電、電磁干擾以及可能存在的霉菌環(huán)境等[5]。若設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝、材料不存在重大缺陷，大部分元器件能適應(yīng)儲(chǔ)存階段環(huán)境，個(gè)別需要采取“三防”（防潮、防鹽霧、防霉菌）及靜電屏蔽等措施來保證元器件適應(yīng)該階段環(huán)境應(yīng)力。

2.2" 發(fā)射階段

設(shè)備從發(fā)射開始，入軌到軌道定點(diǎn)的時(shí)間為發(fā)射階段。太空設(shè)備將經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)推力導(dǎo)致的加速度環(huán)境、隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境、瞬態(tài)環(huán)境（可能由點(diǎn)火/關(guān)機(jī)、級間分離導(dǎo)致）及聲環(huán)境（噴流噪聲或氣動(dòng)噪聲導(dǎo)致）[6]。器件設(shè)計(jì)及物理特性無致命缺陷，且通過鑒定檢驗(yàn)、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)及補(bǔ)充篩選等質(zhì)量手段，使用過程按照操作規(guī)程正確裝聯(lián)，上裝元器件能承受發(fā)射階段環(huán)境應(yīng)力。

2.3" 運(yùn)行階段

太空設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行直至結(jié)束的時(shí)間為運(yùn)行階段。因運(yùn)行周期及方式不同，承受的環(huán)境影響差異較大，部分裝備可能長期休眠偶爾開機(jī)，也可能定期開機(jī)，軌道不同設(shè)備承受的環(huán)境壓力不同?？偨Y(jié)常見的空間環(huán)境主要包括真空、熱、輻射、原子氧等。不同類別元器件在不同軌道、設(shè)備不同部位可能產(chǎn)生不同的空間輻射效應(yīng)，需要針對不同類型的輻射效應(yīng)[7]分別采取相應(yīng)的措施。

2.4" 返回階段

設(shè)備回收等部分再進(jìn)入大氣層過程為返回階段，經(jīng)歷的環(huán)境主要包括加速度、氣動(dòng)熱和著陸沖擊等。一般物理特性不存在嚴(yán)重缺陷，且正確裝聯(lián)的元器件可以承受返回階段的環(huán)境。

3" 基于FMEA的單片集成電路可靠性分級技術(shù)研究

單片集成電路實(shí)現(xiàn)功能十分豐富，包括信號變換處理、信號傳輸、存儲(chǔ)等。隨著制造工藝的不斷發(fā)展，集成度不斷提高，集成電路向著超大規(guī)模方向發(fā)展，封裝也從簡單的DIP轉(zhuǎn)變到SOP、QFP、PGA、BGA以及倒裝焊等。

選取一款溫度傳感器作為分析對象，利用FMEA技術(shù)對其進(jìn)行敏感要素分析[8]。XD590LH是一個(gè)帶雙終端的集成電路溫度傳感器，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與絕對溫度成比例的輸出電流。功能層次與結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)圖如圖2所示。

任務(wù)可靠性框圖如圖3所示。

初始約定層次為XD590LH溫度傳感器，約定層次為電氣結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，最低約定層次為感溫元件、外殼、引線。

根據(jù)溫度傳感器產(chǎn)品的特點(diǎn)，該溫度傳感器嚴(yán)酷度類別及定義見表1。

故障模式危害等級如表2所示。

參考系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)的失效模式和效應(yīng)分析（FMEA）程序以及故障模式、影響及危害性分析指南規(guī)定，結(jié)合XD590LH設(shè)計(jì)圖紙開展XD590LH的故障模式分析，根據(jù)上述XD590LH溫度傳感器的功能、結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境要求分析，其主要故障模式及采取的控制措施如下。

1） 信號輸出異常故障

① 內(nèi)部芯片上集成的晶體管在常溫、低溫時(shí)可能存在不工作的情況，而高溫時(shí)晶體管又存在異常工作情況。

② 由于電阻層與下層的絕緣性能存在問題，出現(xiàn)漏電流過大而造成過流燒蝕現(xiàn)象。而漏電流的產(chǎn)生也破壞了其左右兩個(gè)鏡像電流源的平衡性能，使該器件輸出電流嚴(yán)重超差，從而使該器件輸出電流隨溫度的線性變化關(guān)系不復(fù)存在。

③ 感溫元件焊接因溫度過高、焊接時(shí)間過長導(dǎo)致感溫元件受損，在后續(xù)使用中開路而引起感溫組件整體失效。

當(dāng)信號輸出故障，無法準(zhǔn)確地測量溫度，在本身正常的溫度環(huán)境下的工作過程中會(huì)出現(xiàn)“環(huán)境溫度故障”報(bào)警。

為控制信號輸出異常這類故障，采?。?/p>

① 加強(qiáng)器件的二次篩選，尤其增加高溫、低溫時(shí)的老煉篩選；

② 改善焊接工藝（可采用高熔點(diǎn)焊錫焊接方式），以防止焊接溫度過高、焊接時(shí)間過長而導(dǎo)致感溫元件受損。

2） 信號無輸出故障

① 內(nèi)部芯片上集成的晶體管在常溫、低溫時(shí)可能存在不工作的情況，而高溫時(shí)晶體管又存在異常工作情況；

② 由于電阻層與下層的絕緣性能存在問題，出現(xiàn)漏電流過大而造成過流燒蝕現(xiàn)象。而漏電流的產(chǎn)生也破壞了其左右兩個(gè)鏡像電流源的平衡性能，使該器件輸出電流嚴(yán)重超差，從而使該器件輸出電流隨溫度的線性變化關(guān)系不復(fù)存在。

而信號無輸出故障，無法測量溫度，失去原有功能。為控制該類故障，采取加強(qiáng)器件的二次篩選，尤其增加高溫、低溫時(shí)的老煉篩選的措施。

3） 外殼開裂故障

由于外界振動(dòng)導(dǎo)致管殼受到破壞，發(fā)生外殼開裂故障，無法對溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的保護(hù)，導(dǎo)致后續(xù)器件的徹底破壞。

為控制該類故障，采取：加強(qiáng)原材料檢驗(yàn)；將接口處退刀槽改為錐形結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述分析，XD590LH溫度傳感器主要有2類嚴(yán)酷度為I類的故障模式，1類嚴(yán)酷度為Ⅲ類的故障模式。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采取了相應(yīng)的設(shè)計(jì)控制措施，能夠降低發(fā)生概率，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

但在分析過程中發(fā)現(xiàn)還存在以下需要改進(jìn)提升的環(huán)節(jié)：改善焊接工藝（可采用高熔點(diǎn)焊錫焊接方式），以防止焊接溫度過高、焊接時(shí)間過長而導(dǎo)致感溫元件受損。

XD590LH溫度傳感器FMEA分析如表3所示。

構(gòu)建故障樹分析[9]，如圖4所示。

根據(jù)FMEA分析，集成電路的敏感因素包括物理特性（結(jié)構(gòu)、材料、工藝）、熱學(xué)環(huán)境（如溫度）、力學(xué)環(huán)境等，需要對其進(jìn)行考核評價(jià)。

4" 單片集成電路篩選方案研究

對元器件選用源頭[10]進(jìn)行控制是以最經(jīng)濟(jì)的方式取得質(zhì)量管控最優(yōu)效果的途徑之一。太空設(shè)備元器件相比一般設(shè)備[11]，主要有以下特點(diǎn)：

1） 元器件復(fù)雜程度、集成度提高，可編程邏輯器件、大功率器件、微波射頻器件等精密復(fù)雜，且這類器件對應(yīng)力敏感；

2） 元器件經(jīng)歷的環(huán)境比較嚴(yán)酷，例如溫度、振動(dòng)、電磁等環(huán)境；

3） 維修性差，發(fā)生失效后導(dǎo)致的后果可能比較嚴(yán)重。

不同質(zhì)量保證等級的元器件具有對應(yīng)的固有可靠性水平。等級越高，保證要求內(nèi)容越多和越嚴(yán)。選用時(shí)不應(yīng)盲目選過高質(zhì)量等級的元器件，低成本研制背景下，這樣不但不能帶來產(chǎn)品可靠性提高，還會(huì)帶來研制成本浪費(fèi)[12]。

結(jié)合GJB 597B—2012《半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》，B級以上的器件在鑒定時(shí)已經(jīng)對可焊性、ESD、穩(wěn)態(tài)壽命、熱沖擊、溫度循環(huán)、耐濕、機(jī)械沖擊、振動(dòng)、鹽霧等方面進(jìn)行了摸底，對其結(jié)構(gòu)、工藝、材料進(jìn)行了質(zhì)量及可靠性摸底，可以直接進(jìn)行篩選，剔除早期失效的元器件。太空設(shè)備元器件若選用“七?！被虻陀凇捌邔！奔墕纹呻娐?，需要確認(rèn)是否完成鑒定檢驗(yàn)或其他可靠性評估驗(yàn)證。未進(jìn)行任何摸底的電路需要進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)，對其功能性能、結(jié)構(gòu)可靠性、封裝可靠性及壽命可靠性進(jìn)行評估驗(yàn)證，通過可靠性評價(jià)后方可上裝應(yīng)用。

對于空間輻射效應(yīng)，根據(jù)長期摸底結(jié)果，中小規(guī)模集成電路單粒子效應(yīng)不敏感，例如54AC系列中小規(guī)模邏輯門電路、54HC系列中小規(guī)模邏輯門電路等；數(shù)字邏輯電路（如CPU、DSP、SRAM、FPGA）應(yīng)考慮單粒子翻轉(zhuǎn)，CMOS器件應(yīng)考慮單粒子鎖定。單片集成電路需要考慮總劑量評估。結(jié)合FMEA技術(shù)分析，器件采購到貨后進(jìn)行篩選+DPA[13?14]。篩選項(xiàng)目如表4、表5所示。

5" 結(jié)" 語

元器件是太空設(shè)備研制、生產(chǎn)與應(yīng)用等過程中重要的基礎(chǔ)物資，對太空設(shè)備研制周期、壽命、性能、成本和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)均有極其重要的影響。

元器件篩選是為剔除有缺陷或可能引起早期失效或者選擇具有一定特性的元器件產(chǎn)品而進(jìn)行的質(zhì)量保證。如果將早期失效的元器件裝上太空設(shè)備，將會(huì)使得整機(jī)早期故障率大大增加，其可靠性不滿足要求，需要尋求滿足太空設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的元器件篩選方案，助力空天設(shè)備快速、高質(zhì)量發(fā)展。結(jié)合太空設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境，在充分調(diào)研國內(nèi)外元器件質(zhì)量保證模式的基礎(chǔ)上，基于FMEA技術(shù)開展太空設(shè)備元器件篩選標(biāo)準(zhǔn)的研究，篩選標(biāo)準(zhǔn)將指導(dǎo)太空設(shè)備元器件可靠性保證工作，為后續(xù)型號元器件質(zhì)量管控提供依據(jù)。

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