淺析航天電子元器件質量控制與可靠性保障

劉靚燕

摘 要：目前，國產電子元器件的質量和可靠性還不能完全滿足航天型號高可靠性的要求。因此，需要航天企業(yè)的整機用戶在元器件的選擇、采購、篩選、檢測和使用等過程中，加強質量保證控制，提高元器件的固有質量和使用質量。針對航天型號配套電子元器件的特點和航天科技集團公司的元器件質量保證工作的具體情況，提出增設元器件質量保證技術崗位。通過元器件工程師來提高元器件選型匹配度，加強對元器件選用的控制，完成元器件國產化替代工作。這樣做的意義在于加強航天電子元器件質量保證工作體系建設，提升航天型號配套元器件使用質量保證工作，提高電子元器件的質量和可靠性，確保航天型號研制生產任務順利進行。

關鍵詞：航天型號；國產元器件；元器件工程師；質量保證體系

中圖分類號：V243 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.011

1 背景

1.1 質量保證工作的定義和意義

電子元器件是電子設備和整機的組成細胞，是保證設備高可靠的基本單元。元器件的性能指標、質量、可靠性水平和供貨保障能力直接關系到電子設備和整機的技術性能、研制過程、后勤保障能力。隨著國防科技技術向電子化、智能化的發(fā)展，電子設備使用元器件的數量、品種均大幅增加，對元器件的質量等級要求也越來越高，比如，要求工作溫度范圍為-55～+125 ℃，滿足抗沖擊和振動條件，在海上的裝備要求防鹽霧和霉菌，在星載裝備中要求滿足防輻射的條件，水汽含量不多于5×10-6等。

要想保證航天電子裝備穩(wěn)定、可靠地工作，就必須要有可靠性高的元器件來保障。航天型號（導彈、運載火箭、衛(wèi)星、載人飛船）采用了大量的電子元器件，一般載人火箭每發(fā)箭使用的電子元器件20 000～30 000只，每顆衛(wèi)星使用電子元器件20 000～60 000只，而載人航天工程使用的電子元器件則達到130 000只。一個小小的電子元器件可能會給相關工程造成致命的影響。比如，我國自行研制的“神州”飛船完成規(guī)定任務著陸前，如果降落傘的傳感器不能有效工作，導致降落傘無法打開，就有可能將艙內的各種設備摔得粉碎。

電子元器件的質量包括固有質量和使用質量。元器件的固有質量主要是由元器件生產單位在元器件設計、原材料選用、工藝、生產制造等過程中的質量控制所決定的；元器件的使用質量主要是由使用方對元器件的選擇、采購、篩選、檢測和使用等過程中的質量控制所決定的。

近幾年，航天型號使用的電子元器件失效分析的統(tǒng)計數據表明，電路設計錯誤和元器件應用不當占了故障原因的80%。舉幾個簡單例子：①一個電解電容緊挨著散熱片焊接，與電解電容相關聯(lián)的那部分電路參數容易漂，現象和結果就是機器參數不穩(wěn)。②某塊電路工作不好，發(fā)現將PCB板信號線的一個電感換成磁珠就好了，于是，就改了BOM單大肆生產了?？雌饋泶胖樗坪跖c電感的特性是相同的，事實上，磁珠表現的是一個隨頻率變化的電阻特性，是消耗性的，而電感是儲能特性，是儲存性的削峰填谷。從結果看似乎更換器件后沒問題，但其實沒有明白真正的元器件機理。設計電路，要對電路和元器件刨根究底。③比如降額，幾乎所有設計師都說“我們降額了，基本降了50%，余量是足夠的”。那么，是不是所有該降額的參數都降到了安全范圍內呢？同一類功能的元器件換了不同封裝形式或生產工藝時，一樣的降額系數能降出一樣的效果嗎？因此，要保證航天型號元器件的質量，一方面，需要加強元器件生產過程的質量控制，以提高元器件的固有質量；另一方面，要加強元器件使用的質量控制，以提高元器件的使用質量。

本文中的航天電子元器件質量保證是指航天企業(yè)為保證航天型號使用的電子元器件的質量和可靠性滿足型號全壽命周期的質量和可靠性要求而采取的各項保證措施，包括組織管理模式、管理制度、管理流程、各環(huán)節(jié)的控制要求等。

1.2 國內質量保證工作現狀

1.2.1 元器件質量保證工作的發(fā)展歷程

從20世紀70年代開始，我國國防工業(yè)主管部門就采取措施提高軍用元器件的固有質量。例如，20世紀70年代末期實施的“七專”（專人、專機、?？?、專批、專檢、專技、專卡）質量控制。20世紀80年代中期開始準備，20世紀90年至今逐步實施的貫徹國家軍用標準（簡稱“貫標”）等措施，都對提高國產軍用元器件的固有可靠性起到了積極的推動作用。

到20世紀90年代開始實施“五統(tǒng)一”元器件質量管理，即統(tǒng)一標準、統(tǒng)一定貨、統(tǒng)一驗收、統(tǒng)一篩選和統(tǒng)一失效分析。但是，航天系統(tǒng)已在最初的“五統(tǒng)一”基礎上有所發(fā)展，將元器件全過程質量保證的7個重要環(huán)節(jié)歸納為“統(tǒng)一選用、統(tǒng)一采購、統(tǒng)一監(jiān)制與驗收、統(tǒng)一篩選與復驗、統(tǒng)一失效分析”，所以，現在的“五統(tǒng)一”實際上包括了元器件的選用、采購、監(jiān)制、驗收、篩選、復驗和失效分析7個環(huán)節(jié)，具體情況如圖1所示。這項工作由航天型號任務的抓總單位，即總體院統(tǒng)一組織實施。

“五統(tǒng)一”將“統(tǒng)一選用”放在首位。這說明，元器件的使用可靠性保證工作必須從源頭抓起。

1.2.2 航天企業(yè)元器件質量保證體系現狀

目前，質量保證工作中存在的主要問題是多頭管理、職責不清，元器件標準體系建設尚不完善，元器件生產單位對元器件固有質量的保證不到位，固有質量問題時有發(fā)生，元器件批次性質量問題嚴重影響航天型號的研制生產的順利進行。

各型號總體院建立了元器件可靠性保證分中心，主要承擔監(jiān)制驗收、復驗篩選、失效分析等保證工作，并采用補充篩選、破壞性物理分析（DPA）、質量問題歸零、信息通報、元器件專題評審等技術和管理方法保證裝機元器件質量及其可靠性。之后，再通過整機老煉、系統(tǒng)穩(wěn)定運行等措施進一步暴露和剔除隱藏較深的元器件可靠性缺陷和應用問題。

現階段，對國產元器件的監(jiān)制、驗收和補充篩選方面提出了更加嚴格的要求，而NASA標準中并未規(guī)定需要下廠監(jiān)制，ESA標準中未見要做補充篩選。這些額外的質量保證工作增加了航天型號承制單位的工作量，因此，需要相應地增加投入。不久以前，航天元器件的DPA還局限于半導體器件，近年來，它已逐步擴大至電容器、繼電器等。但是，NASA和ESA到貨檢驗或超期復驗需要進行DPA的元器件有10多種。由此可見，我國要將DPA擴大至所有關鍵元器件還有很長的路要走。

2 設置元器件工程師崗位的意義

2.1 提高元器件選型的匹配度

經驗豐富的設計師很重視元器件選型這項工作。術業(yè)有專攻，型號設計師不可能把所有精力都放在元器件選型上。元器件選型要求設計師所掌握的知識非常多，信息量非常大。雖然元器件原理本身看起來很簡單，但是，這些原理都是高度理想化的模型，現實中的元器件遠比這些模型原理復雜。而且元器件種類千千萬萬，要一一掌握是不容易的。因此，就需要專業(yè)人員鉆研和掌握元器件技術。這就是元器件工程師的工作。優(yōu)秀的元器件工程師可以為型號設計師的元器件選型提供幫助，可以將他們模糊的參數要求規(guī)格化。比如，設計師們往往關注的是元器件的標稱值，而在種類的選擇上往往有所欠缺。在實際使用中，對一個電阻的了解不僅僅是多少歐姆，還要根據使用環(huán)境的不同了解是否需要抗硫化、耐脈沖功率，并據此選擇合適的精度和材料類型。例如，某品種的電阻器在高于200 ℃的表面溫度下工作時，在電阻器的涂料中，某些揮發(fā)性材料可能會出現所謂的“排氣”過程，所以，在設計時，應考慮到這種情況。半導體分立器件的選用要求如表1所示。只有知其所以然，才能選擇最合適的元器件。

元器件選型除了要考慮元器件的技術應用外，還需要兼顧考慮元器件的供應商情況，比如產品質量、價格、交貨周期、信譽等，優(yōu)先考慮選用優(yōu)選目錄中的元器件。設計師有時沒有考慮這些因素，所以，選型考慮時常與物資部有沖突，有時還利用設計部門的技術強勢地位單方面作出決策。元器件工程師不僅要有一定的技術能力，還要熟悉市場狀況，考慮綜合因素。因此，相關部門要在設計師與物資計劃采購之間找到一個平衡點。

元器件工程師還有一個很重要的工作就是可靠性工作，這是元器件工程師的根本職責。在完成可靠性檢測工作時，要采取一定的技術措施，包括降額、熱設計、防靜電和防輻射等要求，并與可靠性中心進行失效分析等相關工作。

2.2 提高元器件選用控制度

我國航天元器件選用控制主要是總體院和分系統(tǒng)單位的設計師在抓元器件的選用控制。要想提高選用控制質量，具體建議如下：①高度重視元器件的選用控制環(huán)節(jié)（國外稱“元器件工程”），具體如圖2所示。優(yōu)選元器件目錄，從航天型號的方案階段就開始抓元器件選用控制。同時，要狠抓關鍵元器件的質量，將主要精力集中于核心元器件的選型和開發(fā)。②崗位設置情況圖3所示。設置若干元器件質量保證技術崗位，按照元器件的選擇原則，如表2所示，指導設計人員正確選用元器件。這是電路設計人員與元器件生產廠家之間的一座橋梁。

①通用化、系列化、組合化

②先國內后國外，先目錄內后目錄外，先成熟產品后新品

③統(tǒng)籌考慮所選擇元器件的性能指標、可獲得性和經濟性

④在滿足型號使用的前提下，優(yōu)選壓縮元器件的品種規(guī)格和供應商的數量，以便于元器件生產單位的生產供應和后續(xù)質量保證

2.3 元器件國產化替代工作

據不完全統(tǒng)計，2013年全球半導體市場規(guī)模3 200億美元，全球54%的集成電路出口到我國。而國外元器件存在停產斷檔、限制出口與禁運、存在安全隱患和假冒偽劣等問題，這嚴重影響了我國武器裝備的發(fā)展，具體如表3所示。

八院物資管理部組織開展了八院各領域型號用停產、禁運進口元器件和替代信息的收集、整理、分析工作，于2016-08形成了《八院型號用停產、禁運進口元器件及替代信息預警清單（第一期）》。其中，包含723種停產、禁運元器件信息，涉及84家國外元器件生產廠，停產或可能停產（控制等級：黃色）569種，禁運或可能禁運（控制等級：橙色）152種，供貨困難2種。

電子元器件種類繁多，每類產品的關鍵性能參數有高有低。這就要求元器件管理人員既要了解國外元器件制造商情況及其產品的技術水平和發(fā)展態(tài)勢，還要熟悉國產元器件科研生產單位及其產品現狀；既要熟悉型號的基本情況、技術特點及其對元器件的各種需求，還要了解各類別元器件的有關性能指標、產品質量等級、封裝形式、外形尺寸和供貨保障能力等情況。元器件管理人員必須要有很強的責任心，必須是專業(yè)知識豐富、有組織協(xié)調能力和高素質綜合型人才。元器件工程師就是最好的選擇，具體如圖4所示。

由此可知，在生產型企業(yè)中，元器件工程師是保證組織結構順暢運行的潤滑劑。

3 質量保證工作特點和問題分析

3.1 航天型號配對電子元器件的特點

在航天型號使用的數以萬計的電子元器件中，只要有1只元器件失效，就有可能造成整個航天型號任務發(fā)射失利或者不能正常運行。因此，要想提高航天型號的質量和可靠性，確保航天型號任務的成功，就必須保證航天型號使用的電子元器件的質量和可靠性。而新一代航天產品和航天工程正逐步開展，對元器件的要求也越來越高。例如，2016-08-10，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的高分三號衛(wèi)星是我國首顆分辨率達到1 m的C頻段多極化合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星。這顯著提升了我國對地遙感觀測能力。2016-08-16，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，名為“墨子號”的世界第一顆量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射成功，在軌運行，實現了國家信息安全和信息技術水平的跨越式提升。這些新的航天產品使用的電子元器件技術要求越來越高，特別是在質量、可靠性、壽命、小型化、低功耗和耐環(huán)境等方面提出了更新、更高的要求。

3.2 元器件質量保證工作中存在的問題

建立科學、合理、有效運行的電子元器件質量保證體系，是確保型號配套電子元器件的質量和可靠性，保證航天型號任務“一次成功”的基礎。但是，現有的元器件質量保證體系主要存在的問題是：集團公司、院層面沒有明確的部門負責元器件質量保證工作。與元器件質量保證工作相關的職責分散在質量部門、物資部門、項目管理部門和設計師系統(tǒng)，職責不清。元器件的選用控制權基本在設計師系統(tǒng)，而物資管理部、質量管理部門對電子元器件的選用控制乏力。元器件的生產企業(yè)固有質量保證工作不到位，質量問題時有發(fā)生，具體如表4所示。

4 航天電子元器件質量保證體系設計

電子元器件質量保證機構可分級設立，以院級為主，具體可在集團公司層面設立相應的管理機構，在院層面設立管理機構和技術支撐機構。電子元器件質量保證機構分級情況如圖5所示。比如，按型號成立元器件項目辦，在層面型號隊伍中設立元器件質量保證的技術隊伍，設立元器件項目經理、元器件質量保證工程師的專業(yè)人員。他們既是電路設計方面的專家，又是元器件方面的專家，負責型號配套元器件的設計選用指導、咨詢，負責元器件的應用研究等相關技術工作。

5 總結

航天電子元器件質量保證體系建設是集團公司型號物資工作體系建設的重要內容之一。2004年，集團公司成立了物資管理辦公室，明確集團公司航天電子元器件質量保證相關工作由其負責。航天電子元器件質量保證工作的主要環(huán)節(jié)如見圖6所示。

加強對規(guī)范元器件的設計選用，加強過程的質量控制具有極其重要的作用。元器件的選擇是質量保證的源頭，在確定型號方案階段，由元器件工程師指導、設計，盡量選用那些經型號飛行試驗考核、技術成熟、質量可靠、供貨穩(wěn)定的元器件；選擇有良好的質量保證能力、供貨及時、價格合理、信守合同、有成功合作經歷的供應商。當型號里的元器件出現質量水平下降、供貨不穩(wěn)定的情況時，需要及時剔除，并積極尋找替代產品。

在設計航天型號配套電子元器件保證工作體系時，通過設立型號元器件項目辦，統(tǒng)籌考慮，整體布局，監(jiān)督、檢查、指導型號分系統(tǒng)元器件質量保證工作。這樣做的意義是，提升航天型號配套電子元器件的使用質量，提高電子元器件的質量和可靠性，以確保航天型號研制生產任務順利進行。

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〔編輯：白潔〕