歐洲元器件保證標準分析

朱恒靜，夏泓

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

歐洲空間標準化合作組織 （ECSS）為確保空間項目在歐空局、其他國家空間局和歐洲工業(yè)協(xié)會等機構(gòu)的共同合作下順利地完成，制定了體系完備的、針對空間項目特點的一套標準。ECSS標準化活動涉及空間項目管理、空間產(chǎn)品保證和空間工程3個分支，3條主線清晰，項目管理、產(chǎn)品保證和工程技術(shù)并重。ECSS產(chǎn)品保證標準體系是ECSS標準體系的一個分支，此類標準規(guī)定了空間項目產(chǎn)品保證活動的管理和實施方面的要求，主要包括產(chǎn)品保證管理，質(zhì)量保證，可信性，安全性，EEE元器件，零件、材料和工藝，軟件產(chǎn)品保證7個專業(yè)領(lǐng)域，Q-60元器件保證是產(chǎn)品保證的一個獨立分支，支撐歐洲空間產(chǎn)品用元器件保證工作。

1 歐洲空間產(chǎn)品用元器件保證標準

ECSS標準體系結(jié)構(gòu)分為4級，0級文件為整個ECSS標準體系的頂層文件，描述ECSS體系的方針和目標及文件創(chuàng)建、確認和保持的原則；1級文件為空間項目管理、空間產(chǎn)品保證和空間工程的頂層文件；ECSS-Q-ST-60標準是ECSS標準體系的2級標準，給出了產(chǎn)品保證元器件各項活動的要求和作用，是反映宇航元器件用戶方要求的綱領(lǐng)性文件。為了實施ECSS-QST-60提出的各個項目，作為3級標準，制定了一系列具體的要求、方法和程序標準以保證工作的開展。歐洲元器件保證標準體系如圖1所示。

“產(chǎn)品保證”是為使人們確信產(chǎn)品達到規(guī)定的質(zhì)量要求，在產(chǎn)品研制、生產(chǎn)全過程所進行的一系列有計劃、有組織的技術(shù)和管理活動[1]。歐洲空間產(chǎn)品用元器件保證標準的特點是面向產(chǎn)品，而不是面向組織，ECSS標準的應(yīng)用應(yīng)作為一個整體，而不是單獨應(yīng)用，ECSS標準是完整和相互關(guān)聯(lián)。盡管Q-60系列的元器件保證僅包括EPPL和維護，ASIC和FPGA研發(fā)，混合集成電路的采購要求，單片微波集成電路（MMICs） 芯片 （die）設(shè)計、 選擇、采購和應(yīng)用，COTS器件保證，EEE元器件超期再用程序，以及輻射加固保證等7個標準，但作為支撐，空間工程分支，以及可信性保證系列中，也制訂了與元器件相關(guān)的標準，如其ECSS-E-ST-10-04（空間環(huán)境）、ECSS-E-ST-10-12（輻射效應(yīng)評估），以及ECSS-QST-30-08C（元器件可靠性數(shù)據(jù)源及應(yīng)用）、ECSS-Q-ST-30-11C（元器件降額）。另外，以生產(chǎn)、鑒定和獲得空間元器件為目的的ESCC文件和規(guī)范體系，以及被廣泛認可的MIL試驗方法、業(yè)界標準，都是歐洲空間產(chǎn)品用元器件保證的支撐性標準。

2 ECSS-Q-ST-60的主要內(nèi)容

該標準規(guī)定通過以下7個方面、34個要素實現(xiàn)對元器件的控制[2]：

圖1 歐洲元器件保證標準體系

a）元器件大綱管理

明確元器件管理機構(gòu)，制定元器件控制計劃，建立元器件選用委員會 （PCB），發(fā)布元器件裝機清單。

b）元器件選擇、評價和批準

生產(chǎn)廠和元器件選擇、元器件批準和元器件采購。

c）搬運和貯存

預(yù)防可能發(fā)生的劣化，按要求送用戶評審，環(huán)境要求與靜電防護。

d）元器件采購

采購規(guī)范、篩選、初始的用戶到源方檢驗、批接收、最終的用戶到源方檢驗、到貨檢驗、輻射驗證試驗、DPA、超期再用和生產(chǎn)廠數(shù)據(jù)文件交付。

e）元器件質(zhì)量保證

不合格和失效、報警信息、可追溯性和抽樣試驗樣品的代表性。

f）專用元器件

ASIC、混合電路、一次性可編程器件和微波單片。

g） 文件

均應(yīng)以文件的形式控制，如：初始的用戶到源方檢驗、批接收、最終的用戶到源方檢驗、到貨檢驗、超期再用和各項補充試驗。

3 ECSS-Q-ST-60變化分析

ECSS-Q-ST-60經(jīng)歷了漫長、復(fù)雜的形成過程，該標準的基礎(chǔ)是ESA在1970年發(fā)布的 《ESA空間系統(tǒng)元器件選擇、采購和控制》 （ESA PSS-01-60）。1996年11月，ECSS發(fā)布A版ECSS-Q-60A；2007年7月發(fā)布的ECSS-Q-60B，其內(nèi)容作了重大的修改。2008年，ECSS對其系統(tǒng)內(nèi)的各類文件進行了系統(tǒng)的梳理，將所有的標準版本都設(shè)定為C，于是就有了ECSS-Q-ST-60C。之后又經(jīng)過2次修訂，2013年10月21日，發(fā)布ECSS-Q-ST-60C Rev.2.

ECSS-Q-60B版較A版內(nèi)容作出了重要的更改，正如B版標準的 “前言” 所述:“這一版本（ECSS-Q-60B）相對于前一版本 （ECSS-Q-60A）有重大技術(shù)和組織更改”[3]。B版內(nèi)容的重要更改主要體現(xiàn)在以下方面：

a）對元器件進行分級管理，規(guī)定不同的標準化要求是A版和B版一個非常重要的不同,體現(xiàn)了元器件管理的優(yōu)化。這里所說的元器件 “級”的概念指的是與元器件應(yīng)用有關(guān)的等級分組。

b）元器件要求的要素的變化也是B版相對于A版更改的一個重要方面。

c）標準 “以用戶為中心”B版中很多方面都體現(xiàn)了 “以用戶為中心”充分面向用戶的思想。

ECSS-Q-ST-60C Rev.2的主要變化體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 元器件保證標準體系的不斷完善

ECSS-Q-ST-60屬于ECSS標準體系的2級標準，規(guī)定了元器件保證 “做什么”，而 “怎么做”則需由3級標準具體化。3級標準目前包括7個，其中，ECSS-Q-ST-60-13（COTS器件保證）、ECSS-Q-ST-60-15（輻射保證要求）是近期正式發(fā)布的標準。歐洲標準的制定，尤其是3級標準的制定，均有具備實際元器件保證工作經(jīng)驗的人員承擔，以ECSS-Q-ST-60-13為例，專業(yè)元器件保證機構(gòu)專門從事COTS保證的專家主要負責此標準的編制工作，從2010年提出草案以來，2年的時間用于協(xié)調(diào)各方的意見。

ECSS-Q-ST-60C Rev.2，通過增加了ECSSQ-ST-60-13、ECSS-Q-ST-60-15的引用，對宇航用COTS元器件，以及抗輻射保證要求進行了統(tǒng)一的規(guī)劃，并提出了統(tǒng)一的要求。同時，通過增加ESCC 25500（3E元器件表面或引線純錫處理方法），對元器件表面或引線純錫處理提出了統(tǒng)一的要求。這些標準的發(fā)布和使用，進一步地豐富了歐洲元器件標準體系。

a）ECSS-Q-ST-60-13 COTS元器件保證

歐洲對于商用元器件的觀點是 “當你需要高性能元器件時，不要擔心使用它；不要相信通過使用商用元器件，可以達到省錢的目的！”[3]。ECSS于2013年發(fā)布了COTS器件保證標準，其內(nèi)容、要求均與ECSS-Q-ST-60 Rev.2保持一致，給出了3個級別的保證要求[4]，分別與ECSS-Q-ST-60 Rev.2規(guī)定的3個等級對應(yīng)。 保證方面采取的措施同樣包括：并行工程、元器件品種標準化、元器件“表征”、元器件制造廠評價 （包括元器件和工藝流程評估）、試驗 （篩選、批接收和周期檢驗等）、不合格材料控制、已有數(shù)據(jù)的評估和使用、對數(shù)據(jù)有限、信任度不足元器件的特別關(guān)注，以及信息管理。

b）ECSS-Q-ST-60-15輻射保證要求

歐洲型號抗輻射保證主要包括系統(tǒng)級要求和運作、系統(tǒng)與分系統(tǒng)的電路設(shè)計，以及航天器設(shè)計。ECSS-Q-ST-60-15規(guī)定的輻射保證的基本過程如圖2[5]所示。輻射保證的過程一般包括輻射環(huán)境的計算、任務(wù)需求、輻射環(huán)境模型與輻射效應(yīng)的定義。ECSS-Q-ST-60-15規(guī)定[5]，對于混合電路，要求其內(nèi)部芯片根據(jù)其輻射效應(yīng)，也進行輻射試驗[5]。頂級要求主要以任務(wù)輻射環(huán)境特征，并以此為起點，必要時通過Sector分析或蒙特卡洛分析包括器件級的輻射環(huán)境。需要分析元器件輻射敏感性及其對裝機設(shè)備的影響。 當暴露于任務(wù)空間環(huán)境和具有足夠的RDM，且滿足設(shè)備性能的需求，設(shè)備的電學(xué)分析必須是有效的。

經(jīng)調(diào)研歐洲某元器件保證機構(gòu)，抗輻射保證作為元器件保證的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，元器件保證工程師與單機和系統(tǒng)設(shè)計師溝通完成元器件抗輻射保證。按照ECSS-Q-ST-60-15的規(guī)定，針對單機完成抗輻射保證分析工作，針對擬選用元器件制定元器件保證計劃，確定元器件輻射試驗的具體要求；元器件保證工程師與設(shè)計部門、分析部門和采購部門一起確定元器件抗輻射需求，確定元器件選擇、輻射試驗條件的確定和數(shù)據(jù)分析、WCA和FMECA等工作。

圖2 ECSS-Q-ST-60-15規(guī)定的抗輻射保證基本過程

3.2 進一步地明確了管理職責

與之前版本相同，對1級和2級元器件，ECSS-Q-ST-60C Rev.2要求成立元器件控制委員會（PCB），但該版本著重地明確了PCB的組成。在供方 （設(shè)備）層面，主席由供方產(chǎn)品保證相關(guān)人員擔任，其職責是負責元器件管理；PCB除了負責元器件管理計劃的制定、元器件審批、品種壓縮、批準和問題處理之外，增加了一系列的評估工作（抽樣進行）：采購條件的一致性、數(shù)據(jù)的一致性和采購后數(shù)據(jù)，以及應(yīng)用警告信息的評估。

3.3 跟蹤技術(shù)趨勢，增加針對性要求

元器件制造技術(shù)不斷發(fā)展，集成電路的特征尺寸進入超深亞微米后，經(jīng)時擊穿 （TDDB）、熱載流子 （HCI）、 負偏溫不穩(wěn)定 （NBTI） 和電遷移（EM）成為集成電路的主要失效機理，現(xiàn)有的鑒定及評價方法不完全滿足先進的微電子器件。ECSSQ-ST-60C Rev.2規(guī)定，對于90 nm以下的深亞微米器件，具體的試驗項目，需根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，并考慮具體的應(yīng)用場合分析來確定。

3.4 加強產(chǎn)品研制過程的控制要求

ECSS-Q-ST-60C Rev.2增加了型號產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)計復(fù)審、工藝一致性檢查，以及試驗準備等級復(fù)審 （TRR）等要求，加強了產(chǎn)品研制過程控制要求。對產(chǎn)品的這些要求，也體現(xiàn)在了對元器件的要求上。

3.5 重點控制非鑒定合格元器件

鑒定合格元器件和非鑒定合格元器件的不同要求，體現(xiàn)更加明顯。

ESCC元器件文件和規(guī)范體系，主要針對鑒定合格元器件。ECSS元器件保證標準，對鑒定合格和非鑒定合格元器件的控制要求不同，體現(xiàn)了重點控制與非鑒定合格元器件的控制思路。在ECSS-Q-ST-60C Rev.2版本中，這一思想體現(xiàn)得更加明確，對非鑒定合格元器件的要求進一步地細化。例如：提出了變壓器需進行封前檢查 （pre-cap）的要求，并需要進行破壞性物理分析 （DPA）等試驗。對鑒定合格元器件，則進一步地簡化要求，可用發(fā)布的元器件清單 （DCL）審查的方式替代元器件采購批準表 （PAD）。

3.6 要求更加嚴格和細化，更具可操作性

在ECSS-Q-ST-60C Rev.2版本中，對元器件的要求更加嚴格和細化，更具可操作性。這些變化，作為標準的細節(jié)變化，體現(xiàn)在整個標準中。

例如，對Class 1元器件，其要求改變?nèi)缦耓2]：

a）云母電容器 （CYR型）

MIL-PRF-23269 EFR level R min，增加每批進行1000 h、125°C、 1.5倍電壓壽命試驗的要求；同時，新設(shè)計不推薦選用。

b）濾波器

MIL-PRF-28861/6濾波器不推薦選用。對非S級MIL-PRF-28861/6濾波器，應(yīng)每批進行B組檢驗。

c）微波無源元件 （環(huán)形器、隔離器）

增加標準，MIL-DTL-28791（隔離器）。

d）微波無源元件 （耦合器、功率驅(qū)動器）

增加標準，MIL-DTL-15370（耦合器）。

e）微波開關(guān)

增加標準，MIL-DTL-3928。

f）厚膜固定片式電阻器

增加ESC C4001至少R級以上的要求。

g）零歐姆厚膜固定片式電阻器

增加MIL-PRF-32159 T級。

h）開關(guān)，熱靜態(tài)：增加標準，MIL-PRF-24236。同時，增加要求：按照MIL-PRF-24236生產(chǎn)的元器件，可按照ESCC 3702增加運行試驗，500個周期60/100 mA；按照ESCC表2進行測試；100%外觀檢查。

i）低頻電線電纜

增加標準，MIL-DTL-16878。

以前的版本明確DPA可按家族抽樣。ECSSQ-ST-60C Rev.2給出了限定條件，明確13周內(nèi)可組合抽樣。

ECSS-Q-ST-60C Rev.2細化了混合電路的選擇、保證要求和設(shè)計要求等，明確了商用元器件的選擇、篩選和鑒定要求等。

以前的版本要求一次性可編程器件必須進行編程后處理。ECSS-Q-ST-60C Rev.2允許充分地利用繼承性信息，并發(fā)布已經(jīng)使用過的FPGA數(shù)據(jù)[7]，規(guī)定無應(yīng)用數(shù)據(jù)時，需進行160 h編程后處理，已經(jīng)發(fā)布的、具有繼承性的FPGA可查閱ESCC REP010。

4 對我國宇航元器件保證的建議

分析歐洲元器件保證標準觀點，以及ECSSQ-60系列標準的一些規(guī)定，如：歐洲某宇航元器件保證機構(gòu)提出 “對于商用元器件的觀點是 “當你需要高性能元器件時，不要擔心使用它；不要相信通過使用商用元器件，可以達到省錢的目的！”。再如：對于混合電路，ECSS-Q-ST-60-15要求其內(nèi)部芯片根據(jù)其輻射效應(yīng)，也進行輻射試驗；還有，ECSS-Q-ST-60C Rev.2規(guī)定，對于深亞微米器件，鑒定項目應(yīng)針對性地制定。歐洲宇航元器件的這些做法，間接地回答了目前中國宇航界關(guān)注且有不同聲音的問題，值得參考和借鑒。通過分析，提出對我國宇航元器件保證的建議：

a）完善宇航元器件保證標準體系

以國家航天重點工程的需求為牽引，在借鑒國外經(jīng)驗和總結(jié)國內(nèi)成功實踐的基礎(chǔ)上，考慮國內(nèi)現(xiàn)有的軍用電子元器件標準體系基礎(chǔ)，通過自主創(chuàng)新，構(gòu)建中國自主創(chuàng)新的先進、完整的宇航元器件保證標準體系，為保障中國宇航事業(yè)的發(fā)展保駕護航。

b）根據(jù)應(yīng)用場合，建立元器件應(yīng)用等級體系

做好宇航應(yīng)用要求的研究，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，建立應(yīng)用等級與標準質(zhì)量等級之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)元器件基礎(chǔ)等級，考慮具體的應(yīng)用情況，確定元器件保證的具體要求。這樣，可以在滿足型號需求的基礎(chǔ)上，縮短成本。

c）建立新技術(shù)元器件鑒定方法指南

隨著元器件技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件的復(fù)雜程度不斷提高，已有的MIL標準體系已經(jīng)不能完全滿足復(fù)雜器件空間應(yīng)用的鑒定要求[6]；目前，元器件自主可控的要求不斷提高，國內(nèi)新技術(shù)元器件研發(fā)的水平不斷提高。為了確保這些新技術(shù)元器件宇航應(yīng)用的可靠性，應(yīng)針對新技術(shù)元器件的空間應(yīng)用需求，以及失效機理，建立新技術(shù)元器件鑒定方法指南，支撐型號應(yīng)用新技術(shù)元器件的需求。

5 結(jié)束語

ECSS-Q-ST-60是歐洲宇航元器件保證的頂層標準，由歐洲宇航機構(gòu)、元器件制造方和宇航元器件用戶等多方協(xié)調(diào)制定。該標準經(jīng)歷了漫長、復(fù)雜的形成過程。本文對ECSS-Q-ST-60的主要內(nèi)容進行了分析，并重點分析了其最新版的變化情況，根據(jù)其特點，提出了我國宇航元器件保證的建議。

[1]卿壽松，周海京.面向產(chǎn)品化背景的航天產(chǎn)品保證工作初探 [C]//第二屆中國航天質(zhì)量論壇論文集.北京：中國航天工業(yè)質(zhì)量協(xié)會，2008：1-5.

[2]ECSS-Q-ST-60C_rev.2-2013，Space products assurance EEE component[S].

[3]ECSS-Q-60B-2008，Space products assurance EEE component[S].

[4]ECSS-Q-ST-60-13C-2013，Space products assurance commercial EEE component[S].

[5]New electronic technologies and insertion into flight programs workshop[R].Goddard Space Flight Center，2007.

[6]ESCC REP 010-2013，SCSB decisions regarding OTP FPGA PPBI best practices for programming[S].