航天型號元器件補充篩選必要性分析

崔 帥，張 穎，曹德峰，李志勇，盧 健，胥佳靈

（1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203； 2.中國科學院微小衛(wèi)星重點實驗室，上海 201203；3.上海精密計量測試研究所，上海 201109）

航天型號元器件補充篩選必要性分析

崔 帥1,2，張 穎3，曹德峰1,2，李志勇1,2，盧 健1,2，胥佳靈1,2

（1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203； 2.中國科學院微小衛(wèi)星重點實驗室，上海 201203；3.上海精密計量測試研究所，上海 201109）

以多顆衛(wèi)星元器件補充篩選試驗數據為樣本，探究元器件補充篩選必要性分析。經過分析研究，認為低成本商業(yè)衛(wèi)星元器件的補充篩選，改變現有篩選模式，結合元器件自身特點以及實際應用需求，合理制定篩選技術方案，能夠在保證型號進度以及可靠性的條件下節(jié)省成本，一定程度上為商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展提供技術支持。

補充篩選；商業(yè)衛(wèi)星；航天型號工程

引言

元器件可靠性數據分析作為描述、評價產品可靠性的理論方法，隨著可靠性概念的提出和應用逐漸發(fā)展起來，成為可靠性工程的重要組成部分。可靠性概念與1957年美國國防部首次提出，典型報告為《軍用電子設備可靠性》，提出了指標及評價方法，為可靠性發(fā)展奠定了基礎。經過為期60多年的發(fā)展，可靠性評價逐漸成熟，已經向綜合化、智能綜合化發(fā)展。

就目前國內元器件質量保證技術而言，主要有元器件補充篩選[1]（二篩）、破壞性物理分析（DPA）、失效分析（FA）和結構分析（CA）。此外，今年來逐步發(fā)展的還包括新品評價、應用驗證等技術。這些技術可以從事前、事中以及事后對元器件可靠性進行指導，在很大程度上提高了產品的可靠性。對于元器件生產商，通過相應的分析技術指導，不斷改進器件制備工藝，生產出性能趨于穩(wěn)定的產品。對于用戶而言，增強了從元器件、單機以及系統(tǒng)方面的綜合認識，進行電裝工藝、系統(tǒng)兼容、冗余設計等方面的改進，提高了系統(tǒng)可靠性。

航天型號產品需要使用大量的元器件，元器件的可靠性是型號工程可靠性的基礎。航天產品具有不可維修性的典型特征，可能因為一個元器件失效而引起單機或系統(tǒng)的失效，因而元器件要保證高可靠性。伴隨著衛(wèi)星微型化、小型化的發(fā)展趨勢，型號元器件的選用、質量保證等方面的要求也越來越高。與此同時，元器件生產工藝逐漸趨于成熟，生產的元器件性能越來越穩(wěn)定。生產廠進行一次篩選，剔除早期失效的產品，補充篩選過程中剔除的不合格品越來越少[2]。型號規(guī)定：裝星元器件都要經過補充篩選，以保證可靠性技術要求。

但是，在生產工藝逐漸成熟的今天，元器件進行補充篩選試驗有沒有必要進行？進行此試驗能夠在多大程度上保證元器件可靠性？進行此試驗會不會引入新的損而降低元器件可靠性？補充篩選分析的意義究竟有多大？尤其是面對高密度封裝、高度集成器件，補充篩選很容易引入新的損傷（如引腳彎曲變形，等），造成元器件裝配過程中不確定因素的存在。各型號每年對于元器件補充篩選投入的時間較長而且費用較高，但是業(yè)內沒有元器件補充篩選統(tǒng)計分析的研究進展。基于此，通過各型號元器件補充篩選數據進行統(tǒng)計分析，探究二次篩選對元器件可靠性質量保證可靠度方面的研究，保證型號工行的高可靠運行勢在必行。本文以多顆衛(wèi)星的篩選數據為樣本，對元器件補充篩選試驗數據進行總結并提出合理化建議，對低成本商業(yè)衛(wèi)星元器件可靠性保證具有一定的指導意義。

1 國產、進口元器件數量分析

參與統(tǒng)計的所有元器件共計208.441 6萬只，16 060批次。其中，國產元器件191.274 1萬只，比例為91.76 %；進口元器件17.167 5萬只，比例為8.24 %。國產元器件中，元件有181.375 2萬只，比例為94.68 %；器件有10.186 1萬只，比例為5.32 %。進口元器件中，元件9.686 5萬只，比例為56.42 %；器件7.481 0萬只，比例為43.58 %。國產元件、國產器件數量、比例分布情況見表1。

表1 國產、進口元器件數量比例關系

2 國產元器件失效數據分析

通過查閱數顆衛(wèi)星所用元器件的補充篩選數據，對所有元器件進行分類、歸納、總結，并對各類元器件失效信息進行匯總。國產元器件使用信息匯總見表2，國產元件失效信息匯總見表3，國產器件失效信息匯總見表4。

由表3數據統(tǒng)計可以看出，部分元件失效信息為：某單位生產的熱敏電阻，失效比例為3.888 9%；某單位生產鉭電解電容，失效比例為2.758 6%；某單位生產的微型磁保持繼電器，失效比例為0.092 26%；失效比例相對較小。失效數量與參與計算樣本總數量的相對關系見圖1。

表2 國產元器件使用信息匯總

表3 國產元件失效信息匯總

表4 國產器件失效信息匯總

在國產器件的補充篩選失效統(tǒng)計分析中，分為二極管、三極管、集成電路三個部分。分立器件中，二極管包括硅階躍恢復二極管、變容二極管、二極管、瞬態(tài)抑制二極管等，生產廠家共5家，總失效數量11只，參與計算樣本容量1 134只，失效比例為0.970 0 %；三極管包括三極管、晶體管，生產廠家共4家，總失效數量22只，參與計算樣本容量582只，失效比例為3.780 1 %；集成電路包括CMOS電路、放大器、混頻器、三端穩(wěn)壓器等，生產廠家共3家，總失效數量9只，參與計算樣本容量348只，失效比例為2.586 2 %。總的失效比例相對較小。器件總失效數量與參與統(tǒng)計計算的樣本容量的數量關系見圖2。

3 討論與分析

近年來，我國航天事業(yè)取得了很大進展。其中，元器件的補充篩選，對航天型號可靠性起著極其重要的作用，多項航天任務取得圓滿成功。然而，元器件加工業(yè)也在飛速發(fā)展，目前生產的元器件可靠性多數較高，經過補充篩選后沒有淘汰或很少淘汰早期失效產品。為保證航天型號工程質量，各承研單位的元器件電裝工藝前，仍然按照原來的補充篩選技術條件進行。然而，在元器件本身可靠性提升的條件下，補充篩選的適用性到底有多大，元器件需不需要篩選以及如何篩選，成為航天型號研究領域各用戶關心的問題。特別是國際、國內低成本商業(yè)衛(wèi)星應用需求，各單位對篩選問題更為關注。

1）元件。通過對多顆衛(wèi)星元件補充篩選數據統(tǒng)計，可以看出：經過補充篩選，電阻器、電容器、電感器，電連接器等元件失效比例較小，甚至可以忽略。失效電阻主要為熱敏電阻、鉭電解電容器和繼電器。

為此，筆者建議，元件二篩需要改變原有的篩選模式。元件類篩選，可以通過減少篩選項目或委托生產廠在一篩中進行[3]。廠家一篩的條件為，元器件可靠性質量保證機構對生產廠家建立較為完善的廠家考核機制，能夠實行對生產廠家的動態(tài)管理，對不合格元件生產廠家有相應的管理辦法，如限制供貨甚至是不采用該廠家產品。

對熱敏電阻、鉭電解電容器，由于生產工藝本身特點，生產出的產品二篩過程中會出現一定比例的失效，但批允許不合格率（PDA）一般都符合技術文件規(guī)定要求，該類元件按照原有補充篩選試驗項目進行。對繼電器的篩選，沿用原有的篩選試驗條件。其原因是，繼電器屬于型號產品關鍵元件，該元件失效會導致所控制單機的失效。單機可靠性再高，若控制的繼電器失效，則該單機失效，喪失原有功能。

圖2 器件失效數量與參與計算樣本總數量的相對關系

2）器件。通過對多顆衛(wèi)星器件補充篩選數據統(tǒng)計，可以看出：經過補充篩選，各類二極管、三極管以及集成電路失效比例較小，甚至可以忽略，但失效器件較為分散，不同種類、不同批次器件均可能失效。對于器件類篩選，可以部分程度上采用元件類篩選模式，如器件補充篩選納入廠家一篩，建立廠家動態(tài)考核機制等。部分程度上沿用原來航天型號元器件篩選模式。在低成本商業(yè)衛(wèi)星的背景需求下，可以探究元器件補充篩選新模式，如按照衛(wèi)星設計壽命制定篩選技術方案、按照衛(wèi)星運行軌道制定補充篩選技術方案等。

由于器件類生產工藝較為復雜，每一道生產工藝不當，均會對產品可靠性造成影響。器件生產涉及氧化、摻雜、金屬化、表面鈍化等技術環(huán)節(jié)，且多數步驟需要清洗工藝。可能因一個步驟不當就會造成器件的批次性失效。因此，器件類補充篩選要較為慎重，篩選方案制定時要綜合考慮方案的合理性、篩選成本、進度等方面[4]。

此外，元器件補充篩選過程中，其他可能導致可靠性降低的因素較多，如靜電敏感元器件的篩選、假冒翻新元器件的識別以及新型元器件篩選問題。以目前型號采用的BGA器件為例，可能存在篩選技術員對器件不了解導致過應力篩選、篩選后因焊錫球氧化而不如不篩選元器件的可靠性（電裝過程中出現虛焊或不能焊接）。

塑封器件篩選問題也是業(yè)內關注的重點[5]。商用塑封器件與宇航級元器件相比，存在明顯的區(qū)別，如溫度適用性范圍、質量等級等。按照常規(guī)篩選模式進行篩選，周期長、費用高，低成本衛(wèi)星實際現狀以及發(fā)展方向難于接受。但塑封器件在航天型號上的應用逐漸增多，如何合理制定篩選技術方案，如何有效對塑封元器件進行篩選，成為業(yè)內關注的重點。

4 結論

元器件補充篩選對航天型號工程型號可靠性保證起到了積極的推動作用，很大程度上保證了型號工程的可靠性。本文對多顆衛(wèi)星元器件補充篩選試驗失效元器件數據進行總結，并對目前元器件補充篩選試驗進行了總結，得出如下結論：

1）元件類篩選。可以通過減少篩選項目或委托生產廠在一篩中進行，建立廠家動態(tài)考核機制；熱敏電阻、鉭電解電容器以及繼電器，按照原有補充篩選試驗項目進行。

2）器件類篩選。器件補充篩選納入廠家一篩，建立廠家動態(tài)考核機制等；部分程度上沿用原來航天型號元器件篩選模式；探究元器件補充篩選新模式，如按照衛(wèi)星設計壽命制定篩選技術方案、按照衛(wèi)星運行軌道制定補充篩選技術方案等。

3）低成本衛(wèi)星下塑封器件篩選問題。改變或沿用現有篩選模式，合理編制篩選方案，有效對塑封元器件進行篩選。

[1]楊奮為. 航天用電連接器的二次篩選研討[J]. 機電元件, 1997, 17(2):53-56

[2]張小強. 元器件二次篩選質量控制[J]. 電子質量, 2015,11: 52-54.

[3]龍謙. 淺談元器件的“一次篩選”[J]. 電子元器件與可靠性, 2002, 2: 14-17.

[4]張國瑞. 軍用集成電路的可靠性與檢測篩[D]. 南京:南京理工大學, 2014.

[5]林湘云,來萍,劉建,等. 塑封微電路篩選鑒定和DPA技術的研究[J]. 半導體技術, 2008,33(12):1108-1111.

崔帥，男，碩士研究生學歷，高級工程師，上海微小衛(wèi)星質量部工作，從事航天型號元器件可靠性及質量管理工作。

The Necessity Analysis of Space Project Components Screening

CUI Shuai1,2, ZHANG Ying3, CAO De-feng1,2, LI Zhi-yong1,2, LU Jian1,2, XU Jia-ling1,2
(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 201203; 2. Key Laboratory for Microsatellites, Chinese Academy of sciences, Shanghai 201203; 3. Shanghai Research Institute of Precision Measuring Physics, Shanghai 201109)

In this paper, the necessity of components screening is investigated which used a number of satellite components screening test data as a sample. Through the corresponding analysis, it suggests the screening of commercial satellite components with low cost, so as to change the existing screening mode. Combined with the own characteristics and actual application requirements of components, the screening technical proposal is formulated reasonably. The technical proposal can guarantee the reliability of the components under the condition of model schedule and cost saving and provide technical support to a certain extent for the development of commercial satellites.

screening; commercial satellite; Space Project

V461

B

1004-7204（2017）03-0034-05