空間科學裝置元器件替代關系與數字化表征研究

李自豪 1黨 煒 汪 洋 3王振肖

(1.中國科學院大學工程科學學院，北京 100049；2.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094；3.國科賽思(北京)科技有限公司，北京 100080；4.中國科學院大學經濟與管理學院，北京 100049)

1 引言

空間科學裝置使用元器件種類豐富、質量等級覆蓋全面、功能性能優秀，但采購成本高、周期長、可靠性要求高，因此研究空間科學裝置元器件替代關系，對于降低高端元器件采購成本、縮短任務周期、壓縮元器件選用清單、優化空間科學裝置元器件庫存管理、提高關鍵核心元器件自主可控能力及保障空間科學任務正常開展意義重大。

朱小英等指出了元器件國產化替代對于中國航空航天電子設備的發展和保障具有重要價值，質量控制和可靠性保證相關工作是國產替代工作的關鍵環節；畢錦棟等從元器件基本功能、關鍵性能參數、封裝與外形尺寸、質量可靠性與環境適應性等維度出發介紹了國際主要的元器件替代類型，并提出相關元器件國產化替代的實踐建議；許少尉等分析了元器件原位替代的相關要求，從功能性能及工藝性驗證方面介紹了原位替代驗證的經驗和方法，并結合工程實踐給出元器件原位替代的典型案例；鄭麗香、張鵬南、周文杰等介紹了通過仿真技術驗證元器件國產化替代的相關工作；胡子陽結合實際案例說明信號分析技術可以有效避免元器件國產替代中故障問題發生；李永梅等分析了元器件替代的相關案例，同時指出國產替代應注意的關鍵問題。然而上述工作主要集中分析元器件國產替代的概念、重要性、保障措施及實施建議等，沒有涉及空間科學裝置元器件質量可靠性因素對替代關系影響的研究，也未介紹元器件不同類型替代關系的具體定義及數學表征和建模方法。

本文提出考慮可靠性因素的替代關系定義、替代關系類型、替代關系性質等基本概念，并設計各替代關系數學表征方式及替代所需考慮的指標體系，最后結合工程應用中不同元器件替代關系案例進行分析。

2 元器件替代關系定義及替代類型

2.1 元器件替代關系定義

同一型號的元器件在不同使用環境下的替代要求不同，即使是相同使用環境下，由于使用要求和執行任務要求不同，替代要求也不同。而空間科學裝置使用元器件對使用環境要求、質量可靠性要求更高，替代要求更加嚴格。因此，元器件間是否存在替代關系本質由元器件固有功能性能、實際使用環境以及特定型號任務對元器件功能性能和可靠性要求方面決定。

本文定義空間科學裝置使用元器件替代關系如下:在規定的條件下，在規定時間范圍內，元器件

A

能夠取代元器件

B

實現其功能，且性能、可靠性滿足元器件

B

的任務要求，則稱元器件

A

可單向替代元器件

B

；若元器件

B

也可替代元器件

A

，則稱元器件

A

、

B

存在替代關系。

由該定義可知，替代關系存在單向替代和雙向替代2種，基于上述定義并結合實際需求可判斷兩元器件間是否存在替代關系。

2.2 替代關系類型設計

由元器件替代關系定義可知，替代關系確定需結合元器件固有功能性能、使用環境及空間科學任務對元器件可靠性要求3點判斷。其中，功能性能主要關注元器件固有的功能性能參數、封裝尺寸等；可靠性要求則分為元器件固有可靠性(質量等級)及與使用環境和任務要求相關聯的使用可靠性(使用質量保證，工程驗證)。本文以元器件功能性能替代類型為基礎，綜合考慮可靠性因素，形成面向空間科學裝置使用元器件的替代關系類型，如圖1所示。

圖1 替代類型描述框架Fig.1 Description framework of substitution relation

圖1中元器件功能性能替代或基本替代關系類型包括功能替代、原位替代、插拔替代和原廠替代4種。對于可靠性因素，主要考慮質量等級一致性、使用質量保證一致性和工程驗證一致性3個等級。通過對元器件功能性能替代類型和可靠性因素進行組合，可獲得空間科學裝置等高可靠領域中常見的替代關系，如使用質量保證一致性的插拔替代等。

2.2.1 功能性能替代關系類型

功能性能替代對比元器件主要功能、功能性能參數、封裝、管腳定義、外形尺寸、廠商和批次等方面的差異，具體可分為功能替代、原位替代、插拔替代和原廠替代。

1)功能替代。要求替代元器件間主要功能完全相同、主要功能性能參數值相同或相似、封裝或引腳排列可以不完全兼容或等效。其中，主要功能性能參數是指直接決定和影響元器件功能的參數，該參數一般為元器件的主要設計指標。如對于運算放大器，通道數量、工作電壓、輸出能力、增益帶寬積、壓擺率等可認為是關鍵功能性能參數，其決定運放增益、輸出響應性能。

2)原位替代。要求替代元器件管腳兼容、功能和封裝類型相同、主要功能性能參數值相同或相似(即允許存在小范圍的偏差，對元器件主要功能性能無較大影響)、外形尺寸接近(不用更改原印制板上焊盤的設計就可進行焊接或安裝)。

3)插拔替代。要求元器件管腳完全兼容、主要功能性能參數值完全相同、且封裝類型與外形尺寸一致，即替代元器件在功能性能參數值及封裝引腳排列方面可實現直接替代。

4)原廠替代。替代元器件除需滿足插拔替代所有要求外，其生產廠商還需保持一致，但替代元器件的型號或生產批次可有所差異。由于型號及批次的差異，替代元器件間使用原材料、工藝參數等不同，可靠性也有所差異。

在實際工程應用中，原位替代和插拔替代的定義或概念容易混淆，本文定義原位替代元器件功能性能參數值及外形尺寸允許存在小范圍偏差而不影響實際功能性能或安裝，插拔替代則要求替代器件外形尺寸和功能性能參數值完全相同。

2.2.2 可靠性因素

對于空間科學裝置、武器裝備等高可靠領域元器件替代，須考慮元器件的可靠性要求，即將元器件可靠性要求分解為元器件固有可靠性和使用可靠性2個維度。元器件固有可靠性是指元器件制造完成時所具有的可靠性，由元器件的設計、工藝和原材料性能決定，是通過設計和制造等賦予元器件的一種先天特性；而元器件使用可靠性則是指元器件應用于具體電路時所具有的可靠性，它不僅與元器件的固有可靠性有關，而且與元器件從出廠至失效所經歷的工作與非工作條件有關。對于空間科學裝置使用元器件，使用可靠性可由使用質量保證一致性及工程驗證一致性體現。

1)質量一致性。主要反映元器件的固有可靠性，可通過質量等級衡量。由于不同廠商或標準間質量等級體系的差異，僅要求兩元器件的質量等級等價一致，如對于微電路元器件，GJB 597 B1級、MIL-M-38535 M級、Q/W128 B級和“加嚴七專”可認為這些質量等級等價一致。

2)使用質量保證一致性。實際情況中由于不同任務及使用環境(溫度、空間輻射等)對元器件功能性能要求不同，元器件的使用可靠性也有所差異，為滿足可靠性要求，一般需要按用戶規定對元器件進行使用質量保證檢驗。因此，定義若替代元器件經使用質量保證檢驗評估后，相關使用質量保證結論或指標符合用戶要求，則替代元器件滿足使用質量保證一致性。

3)工程驗證一致性。除滿足使用質量保證一致性要求外，對于新品替代元器件，其還應進行并通過相關的工程應用驗證；對于成熟元器件，其應具備相同或相似的使用經歷。在具體使用環境和任務要求下，工程驗證一致性保證替代元器件間使用可靠性一致，能全面滿足任務要求。

2.2.3 空間科學裝置元器件替代關系類型

空間科學裝置等高可靠領域，替代關系類型應由功能性能替代和可靠性因素組合而得，如使用質量保證一致性原位替代、應用驗證一致性原位替代、使用質量保證一致性插拔替代、應用驗證一致性插拔替代、應用驗證一致性原廠替代等。

1)使用質量保證一致性原位替代。替代元器件滿足原位替代要求，還應通過使用質量保證檢驗。

2)應用驗證一致性原位替代。替代元器件滿足原位替代要求，還應通過應用驗證檢驗或擁有實際工程使用經歷。

3)應用驗證一致性原廠替代。替代元器件廠商一致，且通過應用驗證檢驗。

4)其他空間科學裝置元器件替代類型。根據不同的功能性能替代關系類型和可靠性因素，可以組合出其它常見的空間科裝置元器件替代類型。

綜上，替代關系類型及各類型替代要求如圖2所示。由圖2可以看出，不同功能性能替代關系和可靠性因素考慮的替代約束不同，隨著替代約束的層層加嚴，元器件的替代關系類型的等級也逐漸上升。其中，功能性能替代的最低等級為功能替代，最高等級為原廠替代，且高等級替代必然包含低等級替代，如元器件間存在原廠替代關系也必然存在功能替代關系。功能性能替代組合可靠性因素可構成空間應用科學等高可靠領域元器件替代類型。

圖2 替代關系類型及其約束條件Fig.2 Types of substitution and their constraints

上述設計的層層遞進式元器件替代關系類型可覆蓋空間科學裝置研制的不同階段和不同部門。如原理樣機的制備階段考慮使用低等級元器件以減小研制成本，而正樣階段為保證設備的可靠性，一般考慮使用高可靠、高性能元器件，故正樣與初樣選用元器件為原位替代關系。元器件采購階段由于某些外部因素，如停產斷檔或禁運，導致選用元器件采購困難，此時可考慮插拔替代。故障分析或歸零階段進行故障診斷和復現時，所選元器件要求具備原廠替代關系。調撥其他空間相關任務相關元器件，由于使用環境和任務要求發生變化，需對調撥替代元器件進行使用質量保證檢驗，以滿足任務要求，則調撥元器件與原始元器件即為使用質量保證一致性替代關系。

3 替代關系數學表征及性質

3.1 替代關系數學表征

本文定義被替代元器件

A

和替代元器件

B

間替代關系判別函數及性能、可靠性差值函數分別為

S

(

B

→

A

)和

d

(

P

(

f

，

p

，

i

，

k

，

s

，

m

)，

R

(

q

，

a

，

v

))。其中

P

(

f

，

p

，

i

，

k

，

s

，

m

)為元器件功能性能差值函數，由6元組(

f

，

p

，

i

，

k

，

s

，

m

)表示，即元器件功能

f

、功能性能參數

p

、管腳定義

i

、封裝

k

、外形尺寸

s

及生產廠商

m

。

R

(

q

，

a

，

v

)表示元器件可靠性差值函數，其由3元組(

q

，

a

，

v

)表示，分別為元器件質量等級

q

、使用質量保證要求

a

及應用驗證

v

。判斷元器件

B

是否可替代元器件

A

由式(1)確定。

式中，

θ

(

P

(

f

，

p

，

i

，

k

，

s

，

m

)，

R

(

q

，

a

，

v

))表示在特定環境

E

和任務要求

T

下，元器件

A

允許其功能性能和使用可靠性存在偏差的閾值。因此，若元器件

A

，

B

間功能性能及使用可靠性偏差小于等于元器件

A

所要求的偏差閾值，即

S

(

B

→

A

)≤1，則元器件

B

可以替代元器件

A

。反之，若替代元器件間功能性能或可靠性偏差大于閾值，

S

(

B

→

A

)

＞

1，則元器件

B

不能滿足替代要求，此時可進行可靠性設計以縮小可靠性差值，使其滿足替代要求。

對于不同替代關系類型考慮不同的約束，可確定各類替代關系判別函數如表1所示。表中僅列出部分考慮可靠性指標的空間科學裝置元器件替代關系類型。

3.2 替代關系指標體系

由表1可知，替代關系類型一般由約束決定，包括元器件功能、性能關鍵參數、管腳定義和兼容性、封裝類型和外形尺寸、質量等級等指標。

表1 不同替代關系類型考慮約束及判別函數Table 1 Constraints and discriminate function for different substitution relations

考慮建立替代關系相關指標體系如表2所示。表2僅對替代關系考慮指標進行簡單分解，而對于復雜指標，如使用質量保證要求，使用剖面或應用驗證則需要建模分析，本文不詳細展開。

表2 替代關系考慮指標Table 2 Index for types of substitution relation

3.3 替代關系類型性質

記存在雙向替代關系的元器件替代關系指示函數為式(2):

則有:

1)自反性。

g

(

A

，

A

)

=

1，即元器件可與其本身發生替代。2)對稱性。

g

(

A

，

B

)

=g

(

B

，

A

)，即元器件

A

、

B

間的替代關系與元器件

B

、

A

間的替代關系相同。3)傳遞性。

g

(

A

，

B

)

=

g

(

B

，

C

)

=

1→

g

(

A

，

C

)

=

g

(

A

，

B

)= g(

B

，

C

)

=

1，若元器件

A

、

B

，

B

、

C

間存在替代關系，則元器件

A

、

C

間也存在替代關系；由于原位替代僅要求元器件主要功能性能參數值和外形尺寸僅相似，原位替代不存在嚴格的傳遞性。4)吸收性。定義元器件間替代關系為

T

，替代等級判別函數為

O

(

T

)，且定義隨替代約束增加，其替代等級也隨之增加，故功能性能替代為1級替代，即

O

(

T

)

=

1，原廠替代為4級替代，

O

(

T

)

=

4，則有:

T

，

T

∈

T

，

O

(

T

)≤

O

(

T

)，

g

(

A

，

B

)

=T

→

g

(

A

，

B

)

=T

，即高等級替代包含低等級替代關系，如元器件

A

、

B

為原廠替代，則必為插拔替代。5)規范性。

g

(

A

，

B

)

=T

，

g

(

B

，

C

)

=T

，

O

(

T

)

＜O

(

T

)→

g

(

A

，

C

)

=T

，即元器件

A

、

B

為功能替代，元器件

B

、

C

為插拔替代，則元器件

A

、

C

只能為功能替代。

證明:

∵

g

(

B

，

C

)

=T

，

O

(

T

)

＜O

(

T

)，依據吸收性知，

g

(

B

，

C

)

=T

；又由傳遞性知，

g

(

A

，

B

)

=g

(

B

，

C

)→

g

(

A

，

C

)

=g

(

A

，

B

)

=

g

(

B

，

C

)，且

g

(

B

，

C

)

=

g

(

A

，

B

)

=

T

，∴

g

(

A

，

C

)

=g

(

A

，

B

)

=T

，證畢。

本文定義的各元器件替代關系類型滿足上述五點基本性質，以實現元器件替代關系的標準化和規范化。

4 替代案例分析

本文以國科賽思科(北京)技公司元器件數據庫CISSData為基礎，分析AM27C4096-150DC型號存儲器替代案例。選擇AT27LV4096-20LC、AM27C4096-150DCB、AM27C4096-120DI這3款器件，比較其功能性能參數、封裝類型、管腳定義等，判斷其滿足的替代關系類型。其中AM27C4096-150DC、AM27C4096-150DCB、AT27L V4096-20LC、AM27C4096-120DI的相關屬性參數等信息如表3所示。

表3 元器件關鍵屬性信息Table 3 Determinant attributes of components

4.1 功能替代關系判斷

功能替代關系需比較元器件間功能相似性與關鍵功能性能參數值相似性。對于替代元器件功能相似性，可依據元器件具體類別進行判斷。上述4款元器件均為EPROM存儲器，因此可以認為其功能相似。

對于主要功能性能屬性，本文比較元器件組織方式、接口類型、最小工作溫度、最大工作溫度、系統可編程性、容量、典型工作電源電壓、編程電壓、最大工作電流、最大訪問時長、重編程技術。如表3所示，上述4款元器件功能性能屬性參數值差別不大，因此認為其均滿足功能替代要求，存在功能替代關系。

4.2 原位替代關系判斷

原位替代要求元器件封裝類型和管腳定義相同、外形尺寸相似。其中元器件管腳定義與兼容性的判斷需查閱元器件說明文檔中管腳定義頂視圖，同時比較管腳的數目，各管腳的定義確定。AM27C4096-150DC存儲器管腳定義頂視圖如圖3所示。由圖可知，AM27C4096-150DC存儲器管共有40個管腳，包括地址輸入、數據輸入及輸出、接地電壓、供電電壓、編程輸入電壓等。

圖3 AM27C4096-150DC存儲器管腳定義頂視圖Fig.3 Top view of AM27C4096-150DC memory pin definition

元器件外形尺寸的相似性判斷需比較長、寬、高、質量、引腳長度、間隙等。不同元器件生產廠商生產的元器件無法保證外形尺寸完全一致，因此這里僅要求替代元器件外形尺寸應滿足無需更改原印制板上焊盤設計即可安裝的原則，允許外形尺寸存在一定的偏差。AM27C4096-150DC存儲器外形尺寸如圖4所示。

圖4 AM27C4096-150DC存儲器物理尺寸示意圖Fig.4 Schematic diagram of physical size of memory AM27C4096-150DC

查閱相關手冊可知，這4款器件的封裝類型、管腳定義及外形尺寸除AT27LV4096-20LC器件不滿足要求外，AM27C4096-150DC、AM27C4096-150DCB、AM27C4096-120DI這3款器件均為陶瓷雙列直插封裝，物理尺寸保持一致且管腳定義均相同，故該3款器件間滿足原位替代要求。

4.3 插拔替代關系與原廠替代關系判斷

插拔替代要求替代器件間關鍵功能性能和外形尺寸完全相同，原廠替代還要求生產廠商保持一致。因此僅AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB存儲器滿足插拔替代和原廠替代關系，其型號代碼中DC表示元器件標準化處理，DCB表示老化測試。

4.4 質量等級一致性替代關系判斷

空間科學裝置元器件替代關系需考慮質量等級、用戶使用質量保證和工程驗證3個可靠性因素。AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB存儲器質量等級均為商業級，故其滿足質量等級一致性原廠替代要求。而AM27C4096-120DI存儲器質量等級為工業級，因此該元器件在質量等級指標上發生升級。

4.5 工程驗證一致性替代關系判斷

放大器AD620SQ/883B、HRF620J、FX620間存在插拔替代的關系，但相較于其它兩款元器件，AD620SQ/883B廣泛應用于冷原子微波鐘、空間站生命生態柜、空間應用系統實驗艙II輻射生物學暴露裝置樣品觀測子系統等科學載荷中。其存在大量的飛行驗證經歷，滿足質量保證要求及沖擊、抗輻射等空間環境要求，因此，AD620SQ/883B滿足工程驗證一致性插拔替代要求。同理，接口電路DS26LV31W-QML與DS26F32MWRQMLV、DS26F31MW/883間存在工程驗證一致性原廠替代關系，DS26LV31W-QML廣泛應用于TZ-1主動隔振裝置、TZ1非牛頓實驗裝置、無容器材料實驗柜科學實驗系統等多種空間科學載荷中。

5 結論

1)對于高可靠任務使用元器件，如空間科學裝置元器件，其替代關系類型由元器件功能性能替代組合可靠性因素形成。

2)各類替代關系涉及空間科學裝置研制的不同階段、不同部門，且這些替代關系應滿足自反性、對稱性、傳遞性、吸收性和規范性。

3)存儲器AT27LV4096-20LC、AM27C4096-150DC、AM27C4096-150DCB、AM27C4096-120DI間存在功能替代關系，而后三款元器件間存在原位替代關系；AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB間存在質量等級一致性原廠替代關系；放大器AD620SQ/883B與HRF620J、FX620間存在工程驗證一致性插拔替代關系；接口電路DS26LV31W-QML與DS26F32MWRQMLV、DS26F31MW/883間存在工程驗證一致性原廠替代關系。

4)元器件替代關系的判斷涉及大量文本信息，未來考慮文本挖掘技術，如話題模型、詞袋模型和句向量等，分析元器件功能性能、可靠性等文本描述信息，挖掘元器件間替代關系。同時，還將關注元器件選用和采購過程中的供貨風險和自主可控能力，以提高核心元器件的自主保障程度，推薦價格和貨期更優的替代元器件。