商業航天元器件質量控制模式簡議

張穎　曹德峰　許美娟

（1上海精密計量測試研究所，上海，201109；2上海微小衛星工程中心，上海，201203）

航天型號工程的可靠性，最為基礎也最為關鍵的是元器件可靠性，元器件可靠性是航天型號可靠性的基礎。伴隨火箭回收技術的實現，國內、國際商業航天邁入一個新的發展時期。商業航天典型特征是競爭性采購、低成本、研制周期短以及技術創新快等，其總體發展任務目標是以國內商業航天為主導，以商業衛星發展為核心，通過科技創新、管理模式創新和管理創新方式，打造商業航天新天地。

1　商用航天元器件特點及其質量控制要求

目前，國內、國際半導體行業迅速發展，生產出的半導體器件功能、性能逐漸趨于成熟穩定，篩選出的不合格元器件比例較少，批次性質量問題較少發生。以往的宇航型號屬于高可靠、長壽命產品，選用的元器件質量等級通常較高，且宇航級元器件的質量控制均是按照宇航高可靠技術要求嚴格執行。商業航天型號設計壽命通常較短，其特征表現為低成本、小型化以及高響應速度等，因此使用了越來越多的功能較為先進的低等級元器件。

商業航天元器件質量控制多延用以往的宇航高可靠技術要求執行，主要涵蓋監制、驗收、補充篩選、破壞性物理分析 （DPA）以及新研元器件的應用驗證技術等。宇航級元器件高可靠技術篩選應力較高且試驗經費較高，應用于商業航天可能存在一定的局限性，如篩選的過應力問題。因此，商業航天發展需求下，元器件選用、管理以及質量保證方式均需進行相應調整，以此推動商業航天的又好又快發展。其中，調整內容主要有：篩選中，保留必要試驗項目、去除非必要試驗項目，避免過應力篩選；選用中，選取大量功能先進的低等級元器件，如商用貨架器件（COTS器件）；管理中，進行全方位、多角度的管理。

基于國內商業航天處于快速發展階段，但缺乏一套完整的元器件選用及質量保證技術。為了促進商業航天的快速發展，又能達到減少試驗成本、避免過應力篩選及提高可靠性等目的，需要對宇航級元器件的質量控制模式進行研究。本文以商業航天型號工程可靠性為技術需求，對商業航天元器件管理提出加強源頭控制和質量控制要求，旨在推動商業航天的元器件選用、管理及質量控制等工作。

2　加強商用航天元器件源頭控制和質量保證

2.1　加強元器件源頭控制

源頭控制方面，主要從選用和采購兩方面以及在此基礎上的合理化管理。以往衛星型號元器件選用過程中，未能按照實際需求合理壓縮廠家、宇航高可靠元器件選用較多及國產化替代元器件種類較少，在可靠性能夠滿足的條件下出現衛星型號工程研制成本較高的問題，難于適應目前衛星型號 （尤其是低成本商業衛星）技術發展需求。

目前，小衛星型號研制過程中，應督促承研單位依據應用環境及可靠性要求，綜合考慮應用部位、研制經費、研制進度及國內外現有技術水平等因素，選用過程中應遵循如下原則。

a）“三定”選用原則。元器件選用過程中，堅持“三定”原則，即定品種、定廠家、定規范。滿足型號工程的使用要求且質量狀態比較穩定的品種和廠家；關鍵元器件，必要時對生產方進行質量調研或質量認證；盡量壓縮元器件生產廠家個數，便于選型和管理；優先選用具有足夠可靠性數據的元器件，供貨單位應選擇有成功合作經歷、國際著名公司或中間代理商[1]。

b）使用國外成熟的低等級元器件，如塑封器件 （COTS器件）。型號任務研制前，應比較不同類型元器件的可靠性及廠家供貨能力，盡量選擇知名廠家 （信譽較好）的產品。同時必須保證衛星研制過程中元器件供貨能力的穩定性。

c）深入元器件國產化替代工作。優先選用有發展前途且符合標準化、系列化、通用化和可靠性水平高的元器件。同等技術條件下，優先選用國產元器件，促進元器件國產化替代工作。新研元器件應用于航天型號，建議進行相關的試驗驗證。未經技術鑒定合格的元器件，不能在航天型號使用；對元器件有特殊要求時，應與元器件生產廠家簽訂技術協議。

d）在上述基礎上建立商業航天元器件優選目錄，建立供應商市場準入與退出機制。優選目錄的編制借鑒宇航高可靠型號產品，逐步進行拓展。結合選用元器件型號上的使用情況，環境試驗反饋意見和各生產廠家的質量供貨情況，對優選目錄實施動態管理。

綜上所述，商業航天各型號研制過程中，應督促承研單位根據產品的使用環境條件及可靠性要求，綜合考慮應用環境、研制費用、研制進度及國內外現有的技術水平等因素來確定元器件的選用。

2.2　加強元器件質量保證

隨著國內、國際半導體技術的發展，半導體器件生產工藝經過了大幅度改進，生產出來的元器件性能逐漸穩定，經過質量控制的元器件淘汰率明顯減少，元器件批次性質量問題顯著降低。以往航天型號產品使用的元器件，均按照宇航高可靠技術要求進行嚴格的質量控制，如監制、驗收、DPA、超期復驗、補充篩選及失效分析等。

從半導體器件生產工藝進行分析，以往元器件生產工藝較為落后，生產出的器件批次性質量問題時有發生，航天型號元器件的質量與可靠性欠佳。經過多年發展，生產工藝逐漸成熟并趨于穩定，且高性能器件應用逐漸增多[2]，14nm制程的器件研發成功并實際應用。在上述技術推動下，商業航天型號工程中新型元器件逐漸增多，如BGA封裝器件、表貼類器件以及系統級封裝（SiP）芯片等。為了保證商業型號工程的發展，既能節省試驗經費又能夠保證可靠性，需要對元器件質量保證技術進行改進。

2.2.1塑封器件補充篩選條件

塑封器件應用于航天型號，存在一定風險。本文以塑封器件篩選試驗及必要試驗項目進行探究。塑封器件逐漸在型號工程上使用且應用逐漸增多，其相應的可靠性問題是業內關注的重點，對于商業航天型號的質量與可靠性至關重要。MIL－STD－883《微電子器件試驗方法和程序》將塑封器件應用分為三個風險水平等級，對每一風險水平等級使用的塑封器件進行了具體規定。其補充篩選試驗流程如圖1所示。

塑封器件篩選中，至少應進行外部目檢、溫度循環、X光檢查、超聲掃描顯微鏡檢查（CSAM）和電性能初測 （老煉前）、電老煉，因缺少試驗項目帶來的元器件級相關可靠性風險由用戶承擔。其中，塑封器件補充篩選環節中，CSAM是剔除器件分層最為有效的辦法，然而MIL－STD－883中該項目沒有批允許不合格率（PDA）控制要求，由于器件分層的檢測受設備檢測精度等方面影響，為了保證商業航天型號工程可靠性，可將PDA≤50%作為器件批次性接收要求。不合格元器件應填寫 《元器件質量問題處理單》，進行分析。剔除SAM檢查不合格的元器件，不再進入下一道篩選工序。

圖1　器件補充篩選試驗流程圖

2.2.2元器件補充篩選試驗模式

以往航天型號元器件，因其生產工藝欠佳，生產的元器件批次性質量問題時有發生。但隨著半導體生產工藝的成熟穩定，篩選后幾乎不存在批次性質量問題，如果仍按照原有篩選條件進行篩選，存在試驗周期長、篩選經費高及篩選過應力等問題。

商業航天型號元器件的補充篩選試驗，應在原有篩選試驗上進行創新，保留必要試驗項目，剔除不必要試驗項目，最大限度節省試驗經費、避免過應力問題。以低成本商業衛星為例，元器件篩選試驗條件的確立可依據衛星軌道高度、設計壽命確定篩選條件，如高溫電老煉試驗時間的調整。

通常，商業衛星設計壽命較短，一般小于4年的較多，設計壽命大于4年的較少。筆者根據以往航天型號工程成功案例，結合商業衛星技術現狀要求，對分立器件設計壽命進行劃分，其壽命設計年限節點分別為1年、4年、6年及9年，研究適合商業衛星分立器件篩選模式。分立器件補充篩選試驗中，主要對兩個環節 （高溫貯存和電老煉）進行試驗條件變更，以達到縮短質保周期并能節省試驗經費的目的。例如，對普通二極管關鍵篩選試驗，應根據衛星設計壽命，確定試驗的方法和條件 （見表1）。

表1　普通二極管關鍵篩選試驗

商業航天元器件質量保證技術，應進行常規質量保證技術的適用性研究，能否在試驗項目上進行適當刪減，保留能夠激發器件早期失效的關鍵試驗項目，刪減不必要或作用不太大的試驗項目。在此基礎上，逐漸形成一整套適合目前商業航天應用的完整的質量保證技術方案并固化 （或不同型號產品的不同標準），以此保證商業航天型號發展需求。

目前，商業航天的發展是國內、國際發展的主流，其元器件選用、管理及質量保證技術均應與宇航高可靠型號工程不同，進行源頭控制創新及質量保證模式創新，為商業航天元器件質量控制提供創新模式，推動商業航天用元器件科學、合理的質量控制，推動商業航天又好又快發展。