航天電子信息產品電子元器件的質量控制*

劉云峰 仝偉 焦亮 劉劍

（1火箭軍裝備部駐成都地區第四軍事代表室，成都， 610052；2火箭軍裝備部駐西安地區第一軍事代表室，西安， 710025；3中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都， 610036）

近些年，隨著裝備采購體制改革的不斷推進和國防工業格局的調整、 “武器裝備信息化、信息裝備武器化”的深入推進，電子信息產品在航天領域得到廣泛應用。這類電子產品采用了微電子技術、光電子技術、電子計算機技術、通信技術等電子信息技術，是由元器件、微組裝模塊、印制電路板、連接器、導線及結構件等裝配成一體實現特定功能的產品。除具備普通電子產品的特點外，還因平臺應用的特殊性使其具有以下特點：①產品的經濟價值高、政治意義大，如果失敗造成的損失非常大；②產品需滿足長壽命、高可靠的質量要求，衛星產品要求多年連續加電工作，彈載產品有數年以上的貯存期要求；③產品一次性使用，發射后便不可維修、維護[1]；④產品設計上有模塊化、小型化要求，結構緊湊。

電子元器件的可靠性是電子產品可靠性的基礎。通過大量電子整機故障統計分析發現電子元器件無法工作是造成整機出現故障的重要原因[2]。電子元器件作為航天電子信息產品的最基本單元，其質量和可靠性在很大程度上決定了產品的質量和可靠性。為了滿足高可靠、長壽命的質量要求，實現航天電子信息產品“工作零缺陷、產品零故障”的質量目標，必須從源頭抓起，提高電子元器件質量與可靠性，從而確保航天電子信息產品“一次成功”。

1 存在的主要問題

目前在航天電子信息產品研制、生產過程中，受承制單位質量管控水平的制約，元器件質量問題屢見不鮮。以某電子研究所為例，該單位2000年開始承擔航天電子信息產品的研制生產工作，在多年的電子信息產品研制生產過程中，曾出現過以下涉及到元器件質量控制的主要問題。

a）元器件選用不當。一些設計師在選用元器件時，過分注重元器件的功能和性能技術指標，而對使用環境考慮不夠，沒有對元器件的質量等級和可靠性要求給予足夠的重視；個別設計師借用成熟電路設計時，沒有掌握元器件發展實時動態，選用了即將停產或者禁用的元器件，造成電子信息產品技術狀態剛固化就面臨著元器件換型的窘境。

b）元器件管理要求不明確。某些電子信息產品的元器件在監制、驗收、復驗過程中，存在未按航天產品元器件管理辦法執行的現象。例如，航天電子信息產品在尚未明確搭載總體平臺的情況下，元器件的監制、驗收、篩選要求無法確定；特別是配套層次低的產品，型號總體的質量要求傳遞較為滯后，電子信息產品裝配完成后才明確元器件質量保證要求，導致元器件的監制、驗收、篩選不滿足要求，帶來產品質量風險。

c）元器件問題處置不規范。當元器件在使用過程中出現元器件失效等質量問題時，問題的處理程序不明確，存在失效原因分析定位不準確等狀況，給元器件的質量問題處理及歸零工作帶來了障礙。

2 元器件的質量控制

2.1 元器件的選用

合理選用元器件是航天電子信息產品元器件可靠性的基礎[3]，該工作應從電子信息產品研制初期就開始，貫穿整個產品研制過程。承制單位根據航天型號平臺的任務特點、使用環境和可靠性要求，制定元器件控制準則，明確元器件選用的基本要求。結合國家軍用標準《電子元器件選用管理要求》，針對航天電子信息產品元器件的選用應考慮以下要求。

a）滿足功能和性能指標要求。為滿足產品整機功能和性能指標，經設計選用的元器件等各項性能參數必須符合要求，同時考慮到元器件出現參數漂移、短路、開路等失效模式下整機功能和性能指標的影響，建立元器件級FMEA（故障模式及影響分析）。

b）選擇質量等級適當的元器件。設計師系統要根據電子信息產品使用或貯存壽命、使用環境和要求 （包括溫度、振動、沖擊等）等特點，在滿足電路整體性能要求下，選擇質量等級適當的元器件。可靠性較低的元器件（如鉭電容）優先選用此類中較高質量等級的，關鍵或重要產品優先采用高可靠性高質量等級的元器件。

案例：某航天電子信息產品在貯存數年后，多套產品陸續出現鉭電容（CA45）失效。器件廠家給出的原因是鉭電容在生產過程中，鉭粉中總存在少量雜質，而且通過高溫燒結除雜也很難完全去除。在形成氧化膜介質層的時候，這些雜質會在氧化膜層內占據本應是Ta2O5的位置，這些被雜質占據的位置就是所謂的氧化膜介質層疵點。陽極鉭塊中某區域介質膜存在疵點時，在加電情況下，這些部分的場強較高，電流密度較大，導致局部高溫點出現，從而留下誘發晶化的隱患，溫度升高會促進晶核的形成和生長，當晶體達到一定大小后，會使氧化膜破裂，在晶體生長階段，對電容器的性能沒有顯著影響，當氧化膜破裂時，絕緣會完全消失，產品突然失效。因此針對這類產品后續就應該選用高可靠性指標的鉭電容（CAK45）。

c）元器件應從航天選用目錄或優選目錄中選用。航天電子信息產品在不同的平臺上使用，型號總體通常都有其選用目錄或優選目錄。如航天一院的航天平臺，元器件應優先在《型號電子元器件選用目錄》中選用，如果元器件超型號選用目錄或優選目錄選用時，應優選本單位合格供方目錄的產品或經過其他型號成功應用的產品，同時應按型號規定履行審批手續。

d）選用國產元器件。近幾年中美貿易戰持續升級，美方對進口元器件采購及其制造技術的封鎖逐步加大。目前航天電子信息產品在元器件選用上提出了全國產化要求，即使由于短期內國產元器件性能上滿足不了要求，暫時考慮了進口元器件，元器件選用單位必須督促國內元器件單位加大研發力度，制定國產元器件的替代換型工作計劃，從而確保替代換型工作的有效落實。

e）優先選用成熟和通過考核的元器件。考慮航天電子信息產品的工作環境，如溫度、濕度、振動、沖擊和電應力等條件，優先選擇經過多個工程型號應用驗證考核驗證的質量穩定、可靠性高、有發展空間及供貨有保障的成熟元器件，不允許選擇淘汰品種和曾經出現過應設計、工藝、制造等自身缺陷引起過重大質量問題的元器件[4]。在滿足電路功能性能前提下盡量減少元器件的品種、型號。

f）新品元器件選用。嚴格控制新品元器件的使用，未經技術鑒定合格的元器件不能在航天電子信息產品中正式使用。新研制元器件應在設計方案評審通過后方能安排試制，通過技術鑒定后的元器件方可正式用于航天電子信息產品。

g）禁止使用因材料、工藝和使用條件等原因而被航天型號要求禁止使用的元器件。不同型號總體單位會根據自身使用經驗給出各自的禁用元器件清單。同時航天型號總體會定時通報《航大型號質量問題警示錄》和《航大型號質量問題舉一反三》，其中提到的元器件質量問題，反映出一些單位和人員在元器件選用和使用中存在的技術和管理問題，對此，必須做好舉一反三工作，堅決杜絕這些問題的再次發生。

h）應選擇合格供方生產的元器件。電子信息產品選用元器件時，應對元器件供方的研發、制造、質量保證、企業規模、市場反饋等情況進行考核，要符合產品承研單位合格供方管理要求，需要通過武器裝備質量管理體系或者ISO 9001質量體系認證，并且提供的元器件類別應在認證范圍內。

2.2 元器件的使用設計

根據航天電子信息產品的功能、環境及可靠性要求，積極采用與電子元器件使用可靠性密切相關的降額設計、熱設計、靜電防護設計、容差設計等技術，以提高元器件的使用可靠性。

2.2.1 降額設計

指降低施加在元器件上的工作應力（電應力、熱應力等），使其實際工作應力低于額定工作應力，以提高元器件的可靠性并延長其工作壽命。航天電子信息產品使用元器件應按照國家軍用標準《元器件降額準則》進行降額設計，降額等級優先推薦Ⅰ級，至少為Ⅱ級。

2.2.2 熱設計

航天電子信息產品小型化是一個主要趨勢，導致產品所用元器件的密度越來越高，同時電子信息產品對性能的要求越來要高，造成產品的功耗不斷增加。元器件有最高允許工作溫度，范圍超過器件溫度范圍工作，會影響元器件的性能、壽命及可靠性，進而影響電子信息產品的可靠性，因此航天電子信息產品在熱設計時可以考慮以下原則。

a）在元器件布局時，考慮其散熱路徑，包括導熱散熱路徑和輻射散熱路徑，要使絕大部分熱量沿著這個路徑傳到產品的底板或機箱殼體上；發熱元器件盡可能靠近單機的底座，以減小傳導熱阻和接觸熱阻，同時還有針對性地增加相關零件的熱傳導截面和接觸面積；對于功耗比較大的元器件，直接安裝于底座或者機箱殼體上。

b）對于安裝于印制板上的發熱元器件，在發熱元器件和印制板之間使用導熱板，并在其接觸面上涂覆導熱脂；同時，在印制板布局時，發熱元器件要盡量靠近印制板與單機的接觸面，每一塊印制板組件均加裝導熱板散熱。

c）盡量增大元器件與底板或機箱的安裝接觸面積，降低接觸表面的粗糙度，增大接觸壓力，在接觸界面間填充導熱填料，減小安裝面接觸熱阻。

d）帶引出線的元器件應盡量利用引出線的導熱散熱，減小元器件引出線的安裝長度。元器件到機箱殼體的導熱距離最短，盡可能降低元器件到機箱殼體的導熱散熱路徑的熱阻，同時采取消除產生熱應力的措施。

e）大功率器件的散熱設計，各單機應從降低器件功耗、合理電路布局和加強散熱3個方面來達到最佳熱設計。具體措施有：元器件選用低電壓數字電路，能有效的降低器件的功耗；改進FPGA（現場可編程邏輯門陣列）算法，對處理流程進行嚴格的控制，對未用的處理算法模塊通過使能信號停止翻轉等方法減小FPGA的功耗；選用體積大、效率高的開關電源，在減小發熱量的同時，通過增大散熱面積來降低器件溫度；對熱阻大，同時發熱量也較大的ADC（模數轉換器）采取特殊的散熱措施，加大芯片與散熱盒體、印制板地層的接觸面積，在ADC周圍減少其他發熱源。

2.2.3 靜電防護設計

靜電引發器件失效主要有2種情況，一種是立即完全失效，通常表現為開路、短路或者電參數不合格；另外一種是受到輕微損傷，但是不造成器件立馬失效，而是在后續使用工作中參數逐漸惡化，最終造成完全失效。為解決靜電導致器件失效，在關鍵電路設計時可以考慮增加靜電防護網絡，同時在產品進行裝配、調試、轉運等環節時要采取防靜電措施。

2.2.4 容差設計

容差設計與電子信息產品的性能、可靠性、成本等息息相關。若設計的容差范圍窄，將使得產品設計性能不穩定、環境適應性差、生產難度加大，最終導致航天電子信息產品發生質量問題。容差設計主要措施有：①微波開關控制電平使用標準TTL電平控制，內加驅動芯片，保證每路的電流容差；②各路開關控制電平在設計時充分考慮了開關通與斷不同狀態下的控制電流及灌電流，控制線應加245驅動以確保控制電平在最大負載電流狀態下完全滿足電平容差范圍的要求；③在時序控制方面，CPU、FPGA的運行速度都留有較大的裕量；④各大功耗器件在設計過程中應進行詳細的熱仿真分析，采取充分的散熱措施，器件的結溫或工作溫度滿足降額使用要求，保證環境溫度的變化時系統的正常工作；⑤大體積器件應通過力學仿真設計，采取有效的加固措施，確保在實際力學環境中結構設計的裕度。

2.3 元器件篩選

元器件篩選是一種對產品進行全數檢驗的非破壞性試驗，是提高電子元器件使用可靠性的重要手段。電子元器件進行科學篩選的同時對電子元器件的質量也進行有效的控制來使其性能得到充分的發揮[5]。元器件經過篩選可以發現并剔除在制造、工藝、材料方面的缺陷和隱患，有效地剔除早期失效產品[6]，從而減少經濟損失。

元器件的篩選一般由元器件生產廠家按照相應規范或者與用戶簽訂的技術協議進行。本文所說的篩選為二次篩選，電子元器件二次篩選是由使用方進行的篩選，其篩選項目及其應力選擇應根據航天電子信息產品的平臺要求來制定。航天總體單位對電子元器件的二次篩選已開展多年，根據整機使用的環境和可靠性要求，參照國家軍用標準、企標有關電子元器件的試驗條件及方法并經適當裁剪后，制定相應的平臺元器件二次篩選規范，使元器件的二次篩選工作有據可循，比如航天三院的《元器件篩選（復驗）技術條件》。

除經證實確實屬于按有關規定進行了下廠監制、驗收的元器件以及按照型號要求可免篩的高質量等級元器件外，其他元器件均應100%地進行二次篩選。元器件的二次篩選必須在航天系統或者型號總體認可的篩選中心進行，未經二次篩選的元器件不得裝機使用；對于國內無復驗、篩選能力的元器件，需由篩選中心出具無法篩選測試證明。對于無試驗檢測能力和手段進行二次篩選的元器件，須采取其他的控制方式來保證其質量。例如進行板級和整機級篩選等。

2.4 元器件的貯存

航天電子信息產品為長期貯存、一次使用的產品，因此必須適應長期貯存、隨時可用和能用的特點，要求元器件能夠滿足貯存壽命[7]。元器件的貯存期與元器件的品種、質量等級、倉儲條件以及元器件的失效率判據有關。承制單位應按照國家軍用標準及航天行業標準要求，制定并認真執行元器件的貯存、包裝、防護和發放制度。元器件經過入廠復驗和篩選后，貯存在元器件倉庫內，確保元器件貯存環境條件符合有關要求。保證倉庫通風、干燥、清潔、無腐蝕性氣體，防止元器件發生引腳氧化、塑封器件封裝材料受潮以及靜電敏感器件遭受靜電損傷等問題。

航天電子信息產品越來越追求小型化，使得微波射頻相關領域使用無封裝的裸芯片進行混合集成設計成為一種趨勢。裸芯片與常規金屬封裝、陶瓷封裝或者塑料封裝器件相比雖然體積上占有明顯的優勢，但是其裸露無封裝的特點對貯存環境也提出了更高的要求。為保證產品的使用可靠性，裸芯片應貯存在充氮干燥容器中，并保持在10℃～30℃的溫度范圍，同時運輸和發放過程中應避免受到機械損傷、靜電放電和沾污。

2.5 元器件的超期復驗與國產替代

航天產品盡量不用或者少用超過有效貯存期的元器件。如果必須使用時，在裝機使用前要根據超期的期限進行分類，按照航天行業標準《航天元器件有效貯存期和超期復驗要求》或者型號總體規定的超期復驗要求進行超期復驗，復驗合格后才能繼續使用。電子信息產品承研單位面對國外禁運、停產斷檔的進口元器件、原材料，應提前策劃，積極制定國產替代方案，委托國內元器件廠家加快研制生產進度，盡快完成國產替代和自主保障工作。

2.6 破壞性物理分析（DPA）

破壞性物理分析（DPA）是指為驗證元器件的設計、結構、材料和制造質量是否滿足預定用途或有關規范，對元器件樣品進行解剖，以及解剖前后進行一系列檢驗和分析的全過程。DPA的主要目的是要防止有明顯或潛在缺陷的元器件裝機使用，對于一個批次的元器件，抽樣進行DPA是對元器件二次篩選工作的有益補充，DPA能夠發現在篩選中無法暴露出來的隱藏極深的缺陷，避免存在潛在缺陷的元器件裝機使用。目前航天型號基本明確要求對電子信息產品元器件進行DPA，除用于元器件的質量鑒定外，在航天電子信息產品中還用于元器件的驗收、二次篩選、元器件超期復驗及元器件的失效分析等。

航天電子信息產品元器件實施DPA的篩選機構都有明確要求，采取對到貨的每個品種、每個批次的元器件需按型號規定DPA試驗的方法抽樣，DPA合格后才能使用，這樣將有效保證電子信息產品元器件的裝機質量。

2.7 元器件裝配工藝

航天電子信息產品的裝配工藝越來越復雜，要求越來越高，既有傳統的手工焊接，又有現代化高效率的貼片焊接和波峰焊接，更有為滿足小薄輕、高性能要求而發展起來的裸芯片微組裝工藝。在電路板裝調過程中一定要嚴格執行手工焊接工藝、貼片和波峰焊接機操作規程以及防靜電措施。對于裝有靜電敏感器件的電路板，無論是成品還是半成品，在整個周轉過程中都要放置在防靜電存放箱中才能流轉至下道工序。

2.8 元器件失效分析

元器件失效分析是指元器件失效后，對元器件進行分析查找失效原因的過程。失效分析內容包括：失效調查、失效模式鑒別、失效特征描述、失效機理證實、提出糾正措施等。當元器件出現失效、參數退化影響到電子信息產品功能性能指標時，承制單位需委托第三方機構開展元器件失效分析工作，明確失效原因，并反饋給元器件設計、制造和使用等相關方，完成問題歸零閉環工作，防止失效的再次發生。

2.9 電子元器件的質量跟蹤

收集元器件相關質量數據和信息，建立元器件質量信息數據庫，為后續同類產品的設計生產提供參考。元器件質量信息數據庫應包括以下信息： ①元器件的規格品種；②設計生產廠家；③采購批次數量及日期；④經質量部門檢驗后的合格率；⑤二次篩選的項目及合格率；⑥入庫時間。元器件質量信息數據庫的建立需體現元器件的質量狀態，可以為承制單位設計、生產等部門提供相關信息，有效對元器件進行控制，從而確保航天電子信息產品的可靠性水平。

3 合同監管方加強元器件監管的幾點建議

3.1 提升質量意識

目前航天電子信息產品研制生產對電子元器件使用要求越來越迫切，因此必須從思想認識的高度重視電子元器件質量控制這項工作。樹立“質量第一、預防為主、緊抓源頭”才能確保產品最終質量的思想觀念。加強教育和宣傳航天成功和成熟經驗，把航天產品“零缺陷”質量教育作為一項重要內容進行強化，大力加強全員的質量意識、質量道德、質量觀念的教育。開展技術培訓、標準學習和制度教育，培養一支高素質的元器件管理隊伍，不斷提高管理人員的業務水平，從而保證源頭的質量控制。

3.2 監督落實責任

合同監管方應督促承制單位將電子元器件選用控制點前移，嚴格落實各單位、各部門和各崗位的責任制。從設計選用開始抓起，監督相關部門要盡早介入選用控制的管理，不能搞事后控制。從設計人員到 “兩總系統”，要層層控制、嚴格把關。

3.3 把好選用節點

合同監管方在元器件選用的監督過程中，重點加強關鍵節點（如選用評審環節）的監控，監督承制單位邀請元器件專家參加設計評審，督促承制單位按專家意見完成閉環。監控范圍包括：①承制方是否在目錄內選擇供方和產品；②超目錄選用是否合理，是否按規定辦理了報批手續；③新選用產品是否經過應用驗證；④元器件選用是否科學，如是否按要求進行降額設計等；⑤選用的器件是否滿足要求，對于禁運器件和可能停產的器件是否及時尋求國產化替代路徑；⑥器件采購周期風險是否識別，并采取了相應的預防措施。

3.4 加強過程監督

a）督促承制單位對元器件進行100%的篩選，針對不能進行器件級篩選的元器件，承制單位必須采取其他的控制方式來保證其質量，例如進行單板篩選或隨整機篩選。

b）監督承制單位根據實際情況增加或裁剪DPA項目，針對DPA疑似批的處理，可以加強評審的力度；針對不合格批的處理，重點關注可篩選缺陷和批次性缺陷的判定。

c）深究元器件失效的根本原因，從根本上杜絕質量隱患。在測試、裝機、調試等過程中出現元器件的失效，合同監管方應督促承制單位相關人員進行分析。失效元器件應送至具有相應資質的失效分析檢測單位進行失效分析，查明失效模式和失效原因，采取防范措施并形成報告。

d）確保承制單位把元器件的選用、使用設計、篩選、貯存、破壞性物理分析、裝配工藝、失效分析、質量跟蹤等全過程的信息納入電子元器件質量信息數據庫。

3.5 完善管理規章

合同監管方督促承制單位建立元器件的管理制度。制度建設和工作機制是保障系統工程有序運行的必要條件[8]。全面梳理航天電子信息產品元器件質量管理現狀，提升元器件質量監督級別，督促承制單位制定針對元器件的作業規范，比如《電子元器件篩選實施細則》 《元器件入所復驗規范》 《軍用元器件DPA實施規范》等，做到嚴格要求，確保按章操作，符合規范要求，高標準地做好每一項工作。對于在航天電子信息產品研制生產過程中出現的元器件質量問題，合同監管方在督促做好技術歸零的同時，下大力氣抓好管理歸零工作，眼睛向內、深入系統地查找存在的薄弱環節和問題，制定針對性的措施并及時固化到體系文件、規章制度和標準規范中去。

3.6 做好舉一反三

合同監管方根據分管承制單位元器件相關質量問題歸零閉環情況，編寫 《典型質量案例》，詳細記錄所監管航天電子信息產品中發生的電子元器件質量問題、經驗教訓、合同監管方質量監督應把握的重點難點等方面內容，并組織將典型案例在相關承制單位進行宣貫和舉一反三，有效杜絕低層次、重復性質量問題的發生。