空間科學用COTS元器件的質量與可靠性保證研究★

李永正，黨煒，呂德勝，張澤明，梁兆剛

（1.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094；2.中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201800）

0 引言

COTS（Commercial off-the-shelf即 “商用貨架”）元器件是指可以在市場上直接購買的元器件[1]。隨著科學技術的進步，集成電路設計，以及半導體平面工藝等技術迅速發(fā)展，COTS元器件更新?lián)Q代較快，符合 “摩爾定律”的規(guī)律；而現(xiàn)有的宇航級元器件可靠性較高，但是更新?lián)Q代較慢、品種較少。COTS元器件具有高性能、低成本、易采購和短貨期等優(yōu)點，但多為工業(yè)級和商業(yè)級的民用元器件[2]，生產工藝和制造標準主要面向工業(yè)和個人消費等領域，在有高可靠性要求的空間領域使用存在一定的風險，原則上其使用范圍受到限制。

我國載人航天工程空間應用系統(tǒng)的主要任務是利用載人航天器的空間實驗支持能力開展各項科學實驗和應用研究，主要領域包括：對地觀測、地球環(huán)境監(jiān)測、空間天文、空間環(huán)境、空間生命科學、空間材料科學和微重力流體物理實驗等[3]?？臻g科學與應用載荷涉及學科廣泛，實驗數據存儲量巨大、傳輸速率超高，精度、頻率和可靠性等指標要求嚴酷，這就造成了宇航級元器件無法滿足高性能的要求，而高性能元器件無法滿足宇航高可靠性要求的現(xiàn)象。因而不得不采用低質量等級的COTS元器件，為了降低在空間科學與應用載荷中使用COTS元器件的風險，應研究制定相應的質量與可靠性保證措施。

本文對幾種空間科學載荷用COTS元器件在質量保證過程中出現(xiàn)的問題進行了研究，分析了問題出現(xiàn)的機理，以及可能造成的失效，制定并實施了相應的質量與可靠性保證措施，定量地預計了這幾種COTS元器件的使用可靠性，并得到了驗證。本文對某空間科學實驗選用的幾種COTS元器件進行了有意義的探索。

1 幾種COTS元器件的質量問題

1.1 元器件基本信息

某空間科學實驗選用的3種COTS元器件，分別是OHMITE公司生產的型號規(guī)格為SM 10302-5007-K的厚膜精密高壓電阻、Xilinx公司生產的型號規(guī)格為XQ2V3000-CG717AGT的現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA：Field Programmable Gata Array）集成電路、某公司生產的型號規(guī)格為XX的激光二極管，3種元器件的基本信息如表1所示。在元器件質量保證過程中，3種元器件均出現(xiàn)了質量問題，但是，由于該空間科學實驗的特殊要求、經費約束，以及工程研制周期緊張等因素的限制，而不得不繼續(xù)使用，為此專門研究并制定了質量與可靠性保證措施。

表1 3種元器件基本信息

1.2 SM 10302-5007-K型高壓電阻

SM 10302-5007-K型厚膜精密高壓電阻的特性參數如下：阻值參數5000 MΩ，精度±10%，額定功率2 W，最大工作電壓7.5 kV[4]。采用厚膜電阻技術，鋁基底散熱，高溫硅樹脂封裝。該電阻具有溫度系數穩(wěn)定、無電感效應、低噪音等優(yōu)點，可用于高壓電源和限流器等，外部形貌如圖1所示。厚膜電阻技術主要采用絲網印刷燒結工藝，包括制作原圖、制作掩膜、漿料配制、印刷成型和烘干燒結等幾個關鍵的工藝步驟[5]。電阻耐高壓特性主要取決于電阻材料的絕緣性、溫度系數，以及基底材料的散熱性等因素。在該項空間科學實驗中，該電阻作為離子泵高壓電源電壓取樣電阻的分壓電阻，從耐壓指標上比較，目前市場上沒有找到可替代的產品。

在元器件質量保證過程中，該批高壓電阻抽取樣品做破壞性物理分析 （DPA：Destructive Physical Analysis）時發(fā)現(xiàn)電阻條出現(xiàn)粘連和帶狀空隙。由于此類電阻器是GJB 4027A-2006軍用電子元器件破壞性物理分析試方法[6]未列入的電子元器件類別，但是，電阻結構與金屬箔固定電阻器類似，屬于條形電阻結構。金屬箔電阻器的主要制作工藝為合金制備、合金剪切、壓延、熱處理、基板粘接、光刻、焊接、阻值調整、涂硅和成型封裝等流程[7]。金屬箔電阻器與厚膜高壓電阻結構相近，其失效機理類似，帶狀空隙缺陷都易產生高阻過熱和過電應力，造成電阻條開路失效，故參考GJB 4027A-2006工作項目0102金屬箔固定電阻器，給出合格與否的結論。內部目檢發(fā)現(xiàn)電阻帶個別位置寬度小于原寬度的80%，同時存在將絕緣區(qū)寬度減小50%的粉粒，如圖2所示。依據GJB 4027A-2006工作項目0102-2.4.3d與工作項目0102-2.4.3h[6]，該缺陷屬于標準缺陷，內部目檢項目不合格，DPA結論為不合格。

圖2 SM 10302-5007-K型高壓電阻內部形貌

1.3 XQ 2V3000-CG717AGT型FPGA

XQ2V3000-CG717AGT型FPGA使用陶瓷金屬蓋密封封裝，可配置邏輯模塊數為64×56，片上隨機存儲器塊數448 Kbits，可用最大I/O數為516， 單元排列周期 1.27 mm， 尺寸 35 mm2×35 mm2，總計717個管腳[8]，外部形貌如圖3所示。FPGA芯片采用半導體CMOS工藝制作，特征線寬為0.15 μm/0.12 μm的8層布線技術。該器件具有處理速度快、功耗低的優(yōu)點，可用于數字信號處理、無線電通信等領域，尤其適合于該空間科學實驗項目。

在元器件質量保證過程中，該批集成電路抽取樣品做DPA時，X射線照相檢查發(fā)現(xiàn)器件密封區(qū)不連續(xù)，如圖4所示，依據MIL-STD-883H METHOD 2012.8-3.10.2.2e判據[9]，密封寬度不到設計密封寬度的75%，屬于標準缺陷，DPA結論為不合格。

圖3 XQ 2V3000-CG717AGT型電路外部形貌

圖4 X射線照相顯示密封區(qū)不連續(xù)

1.4 XX型激光二極管

該激光二極管基于單頻率激光芯片技術設計，分子束外延方法生長而成，具有低損耗和高輸出功率的特點。采用TO-8金屬管殼密封封裝和半導體制冷結構，輸出近紅外激光。在該項空間科學實驗中，該器件作為激光冷卻的光源，是實驗進行的基本條件，從力學、熱穩(wěn)定性和功率需求上，目前市場上無替代產品。

在元器件質量保證過程中，該批激光二極管抽取樣品做DPA時，內部目檢發(fā)現(xiàn)鍵合點采用加固型復合鍵合，部分復合鍵合點引線的尾絲在鍵合區(qū)的長度超過引線直徑的2倍，如圖5所示。由于GJB 4027A-2006標準無加固型復合鍵合點適用的檢驗判據，故依據MIL-STD-883H 2017.9 METHOD 3.1.5.8h條[9]，內部目檢項目不合格，DPA結論為不合格。

2 質量問題分析與可靠性保證研究

2.1 元器件質量問題FMEA

參考故障模式影響分析 （FMEA：Failure modes effect analysis）方法[10]對3種元器件質量問題主導的失效模式、失效機理以及可能產生的失效影響進行了分析，如表2所示。

表2 3種COTS元器件質量問題FMEA表

圖5 激光二極管鍵合點

2.2 高壓電阻可靠性保證研究

該批厚膜高壓電阻上述缺陷具有較強的可檢測性，可利用X射線手段進行無損檢測，屬于可篩選性缺陷，故暫不做批拒絕處理。經研究討論，提出具體的可靠性保證流程，在該COTS元件的可靠性篩選方案中，除一般篩選項目外，增加并關注X射線照相檢查和老煉篩選項目。X射線照相檢查依據GJB 360B-2009方法209進行[11]，直接剔除材料不均勻、構件破損等失效的電阻，如圖6所示。在老煉試驗中，電應力與溫度應力激發(fā)空隙和粘連等缺陷，暴露早期失效的電阻。

為了提高電阻器的使用可靠性，采取了以下可靠性保障設計：工作電壓、功率和環(huán)境溫度等參數進行降額設計；高壓電阻內部使用鋁基底散熱，由于安裝在空間非密封艙內，鋁基底的散熱通道為引腳傳導和輻射散熱。

依據有針對性的可靠性保證方案，可靠性篩選試驗結束后，剔除存在缺陷等失效電阻器的比例為10.5%。依據EEE-INST-002標準[12]，該剔除率對于該空間科學實驗任務可接受。

根據MIL-HDBK-217F標準對該批高壓電阻進行可靠性預計，固定合成電阻器的失效模型如公式（1） 所示[13]：

式 （1）中：λP——該元器件的工作失效率；

λb——基本失效率；

πT——溫度系數；

πP——功率系數；

πS——功率應力系數；

πQ——質量系數；

πE——環(huán)境系數。

在項目研制過程中，落實了高壓電阻的上述可靠性保證建議，結合具體的參數和使用環(huán)境，進行了可靠性預計。在公式 （1）中，基本失效率λb取為0.0017；管殼溫度為90℃，則πT為4.0；由于主要降額參數為電壓，其降額因子為0.47，使得實際功率為2.5 mW，則πP為0.097，功率應力為0.00125，則πS為0.0028；經過元器件質量保證措施，該電阻器類別由 “商用未知篩選等級”提高到 “無可靠性指標的電阻器”，則πQ為3.0；宇宙飛行環(huán)境πE為0.50。最終計算得到該批高壓電阻的失效率為2.77×10-12/h，相比原先未進行COTS元器件可靠性保證的失效率3.76×10-7/h，可靠性至少提升了5個數量級。

圖6 X射線照相顯示電阻缺陷

2.3 FPGA可靠性保證研究

該批FPGA電路上述缺陷具有較強的可檢測性，可利用X射線手段進行無損檢測，屬于可篩選性缺陷，故暫不做批拒絕處理。經研究討論，提出具體的可靠性保證流程，在該COTS器件的可靠性篩選方案中，重點關注密封性檢查，增加并關注X射線照相檢查。X射線照相檢查，依據GJB 548B-2005方法2012.1X射線照相3.10.2.2[14]，有效地剔除存在密封區(qū)不連續(xù)或其他缺陷的器件。分析細檢漏試驗數據與X射線檢測密封區(qū)不連續(xù)程度的關系，發(fā)現(xiàn)漏率大小與密封區(qū)不連續(xù)程度無直接關系，但依據X射線檢測標準，必須剔除密封區(qū)不連續(xù)超標的器件。

為了提高FPGA的使用可靠性，采取了以下可靠性保障設計：對輸入電壓、輸出電流和最高結溫等參數降額設計；FPGA芯片工作時熱效應明顯，采取相應的散熱措施，提高FPGA的傳導和輻射散熱效果；FPGA芯片對單粒子效應敏感，電路設計中使用了抗單粒子鎖定設計。

依據有針對性的可靠性保證方案，可靠性篩選試驗結束后，剔除存在缺陷等失效FPGA的比例為21.4%，該比例略高于EEE-INST-002標準[12]批允許不合格率20%的標準，考慮實際的工程要求，仍處于可接受范圍。

由于MIL-HDBK-217F標準對復雜FPGA集成電路無相關失效模型，故依據GJB/Z 299C-2006電子設備可靠性預計手冊單片數字電路失效模型，如公式 （2） 所示[15]：

式 （2）中：λP——該元器件的工作失效率；

πQ——質量系數；

πT——溫度應力系數；

πV——電壓應力系數；

πE——環(huán)境系數；

πL——成熟系數；

C1、C2——電路復雜度失效率；

C3——封裝復雜度失效率。

結合該批FPGA集成電路的具體參數和使用環(huán)境，經過元器件質量保證措施，πQ由1.0改善至0.5；結溫為85℃，則πT為2.60；工作電壓小于8 V，則πV為1.0；宇宙飛行環(huán)境，則πE為1.2；符合相應的標準且已穩(wěn)定生產的產品，則πL為1.0；門數為3 M， 則C1為1.665，C2為0.047；C3為5.718。最終計算得到該批集成電路的失效率為5.62×10-6/h。相比原先未進行COTS元器件可靠性保證的失效率1.19×10-4/h，可靠性至少提升了一個數量級。

2.4 激光二極管可靠性保證研究

該批激光二極管上述缺陷可通過振動試驗和粒子碰撞噪聲檢測手段篩選，故暫不做批拒絕處理。經研究討論，對該批激光二極管的解決方案是增加組件的力學試驗，力學試驗后通過粒子碰撞噪聲檢測 （PIND）試驗判斷尾絲是否斷裂產生多余物。然后，篩選合格元器件重新抽樣做DPA試驗，判斷尾絲斷裂情況。

為了提高激光二極管的使用可靠性，采取了以下可靠性保障設計：對工作電壓、工作電流和最高結溫等參數降額設計；激光二極管屬于壽命敏感型器件，對熱學和力學因素敏感，使用中設計相應的散熱和防振措施；該科學實驗中，激光二極管的有效工作時間較短，不考慮抗輻射要求。

依據有針對性的可靠性保證方案，可靠性篩選試驗結束后，剔除失效的激光二極管比例為56.7%，該比例高于EEE-INST-002標準[12]批允許不合格率20%的標準，考慮實際的工程要求和激光二極管的有效工作時間較短等因素，最終決定繼續(xù)使用。

根據MIL-HDBK-217F標準對該批激光二極管進行可靠性預計。激光二極管的失效率模型如公式（3） 所示[13]：

式 （3）中：λP——該元器件的工作失效率；

λb——基本失效率；

πT——溫度系數；

πQ——質量系數；

πI——前端電流系數；

πA——應用系數；

πP——降額系數；

πE——環(huán)境系數。

結合該批激光二極管的具體參數和使用環(huán)境，λb為3.23；結溫為50℃，則πT為3.3；密封封裝，則πQ為1.0；前端峰值電流0.15 A，則πI為0.28；連續(xù)波，則πA為4.4；根據實際的功率，則πP為1.0；宇宙飛行環(huán)境，則πE為0.5。最終計算得到該批激光二極管的失效率為6.57×10-6/h，相比原先未進行COTS元器件可靠性保證的失效率2.9×10-4/h，可靠性至少提升了一個數量級。

3 驗證與討論

在上述COTS元器件可靠性保證研究及相關質量保證合格后，3種COTS元器件裝機使用。裝機后，在單機級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級進行了一系列環(huán)境與可靠性試驗，包括：單機測試、單機鑒定級/驗收級環(huán)境與可靠性試驗、分系統(tǒng)測試、系統(tǒng)集成測試和整器綜合測試，以及環(huán)境與可靠性試驗。環(huán)境與可靠性試驗的項目主要為：常溫測試、振動、沖擊、熱循環(huán)和真空熱等。各階段、各產品級別的測試試驗證明：產品的功能性能、環(huán)境適應性和可靠性指標滿足任務書要求，與整器系統(tǒng)接口匹配、工作協(xié)同。

經上述各項測試和試驗驗證，經過特定的質保措施和可靠性保證設計，可有效地提高COTS元器件的使用可靠性，滿足空間科學載荷的功能性能要求和空間應用的高可靠性要求。

4 結束語

針對上述3種COTS元器件空間應用質量保證過程中出現(xiàn)的質量問題，分析了各自質量問題出現(xiàn)的機理以及可能造成的失效。研究制定并實施了相應的質量與可靠性保證措施，定量地預計了3種COTS元器件的使用可靠性；并通過了鑒定級試驗、分系統(tǒng)測試和系統(tǒng)集成測試，驗證了解決方案的有效性。分析總結案例，可以得到如下結論：

1）COTS元器件空間應用質量保證過程尚缺乏統(tǒng)一、有效的元器件篩選規(guī)范，實際的篩選過程應結合COTS元器件的自身特點和環(huán)境剖面來決定；

2）依靠有針對性的元器件質量保證篩選手段，可以有效地提高COTS元器件批次的使用可靠性，滿足其空間應用的性能參數和可靠性要求；

3）隨著空間科學對載荷高性能系統(tǒng)的需求、微電子技術和元器件質量保證規(guī)范的研究發(fā)展，越來越多的COTS元器件將會應用于空間任務中。

[1]GSA，DOD.NASA.Federal acquisition regulation[DB/OL].USA：GSA，DOD and NASA，2005.

[2]DANG Wei，ZHANG Wen.Reliability assurance framework for COTS components used in space scientific payloads[C]//64th International Astronautical Congress.2013：132-133.

[3]中國載人航天工程網.空間應用系統(tǒng) [DB/OL].http：//www.cmse.gov.cn/system/show.php?itemid=132.[2013-11-04].

[4]Slim-Mox Precision Thick Film Resistance Specification[DB/OL].http：//www.ohmite.com/cat/res_slimmox.pdf.[2013-10-15].

[5]李文兵，李祥友，曾曉雁.用激光微細熔覆法直寫電阻漿料制備厚膜電阻 [J].功能材料，2005，1（36）：80-82.

[6]GJB 4027A-2006，軍用電子元器件破壞性物理分析方法[S].

[7] （日）崛井和夫.金屬箔電阻器 [J].儀表材料，1978（5）： 66-70.

[8]QPro Virtex-II 1.5V Platform FPGAs Product Specification[DB/OL].http：//www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds122.pdf.[2013-10-15].

[9]MIL-STD-883H-2010， Deprartment of defense test method standard microcircuits[S].

[10]康銳，石榮徳，F(xiàn)MECA技術及其應用 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：108-109.

[11]GJB 360B-2009，電子及電氣元件試驗方法 [S].

[12]EEE-INST-002： Instructions for EEE Parts Selection，Screening， Qualification， and Derating[S].NASA/TP-2003.

[13]MIL-HDBK-217F-1991，Military handbook reliability prediction of electronic fquipment[S].

[14]GJB 548B-2005，微電子器件試驗方法和程序 [S].

[15]GJB/Z 299C-2006，電子設備可靠性預計手冊 [S].