太空設備用單片集成電路篩選方案研究

摘" 要： 隨著太空研究進程不斷加速，空天優勢已經成為現代競爭中取勝的重要環節。如果偶然失效或者有質量隱患的元器件上裝應用，會導致太空設備整機早期故障率大大增加。裝備對太空設備用元器件的質量與可靠性提出了戰略需求。文中基于太空設備的典型應用環境，在充分調研國內外元器件標準體系及質量控制模式的基礎上，利用FMEA技術分析元器件的敏感因素。基于薄弱環節建立分級分類的篩選方案，支撐太空設備用元器件可靠性保證工作，避免早期失效或有質量隱患的元器件上裝應用，滿足太空設備對元器件質量、成本及研制周期的要求，助力空天裝備快速、高質量和可持續發展。

關鍵詞： 太空設備； 單片集成電路； 元器件； 可靠性評價； FMEA技術； 溫度傳感器

中圖分類號： TN406?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）10?0101?06

Research on integrated circuit screening program for space equipment

Abstract： With the continuous acceleration of space research， the aerospace advantage has become an important link to win in modern competition. If accidental failures or components with quality hazards are installed and applied， the early failure rate of space equipment will be increased. Strategic requirements are proposed for the quality and reliability of components used in space equipment. Based on the typical application environment of space equipment and thorough research on domestic and foreign component standard systems and quality control modes， FMEA technology is used to analyze the sensitive factors of components. A hierarchical classification screening scheme is established based on weak links to support the reliability assurance of components used in space equipment， avoid early failure or installation of components with quality hazards， meet the requirements of space equipment for component quality， cost， and development cycle， and assist in the rapid， high?quality， and sustainable development of space equipment.

Keywords： space equipment; single chip integrated circuit; components; reliability evaluation; FMEA technology; temperature sensor

0" 引" 言

為響應新形勢下太空設備快速發展需求，開展太空設備元器件篩選方案研究，避免有質量隱患及風險結構的元器件上裝應用。

本文基于太空設備典型應用環境的特殊性要求，利用FMEA技術分析元器件的敏感要素及薄弱環節，設置試驗對其功能性能、物理特性、封裝可靠性及壽命可靠性等方面進行篩選，剔除參數測試異常以及結構、工藝等物理特性存在質量隱患的元器件，保證整個裝備的可靠運轉。

1" 國內外元器件標準體系及質量保證模式分析

經過不斷摸索與實踐，國外已經建立先進、成熟并且行之有效的包含工作體系、責任體系及技術體系的宇航元器件質量保證體系，覆蓋元器件從制造、采購、檢驗、應用、失效、歸零管理等全流程。

美國航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）及日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的元器件標準體系較為成熟，由專門的政府機構負責管理，設置統一的元器件質量保證機構。

質量管理已由傳統的元器件規范管理轉向生產線認證及過程控制，例如通過過程確認文件體系（PID）的建立來保證元器件生產制造的穩定性、一致性及可追溯性[1]。同時為了降低成本、提高效率，NASA、ESA、JAXA依據標準體系推行元器件的合格鑒定[2]，鑒定合格的產品納入元器件優選目錄。各國之間的目錄存在互認機構，為元器件上裝應用提供數據支撐。

我國元器件標準體系隨著航天型號的發展逐步建立，經歷了“三定”“七專”（包含“加嚴七專”）“貫標”“可靠性增長”等不同控制階段。

近年來，以探月、載人飛船等為代表的設備向著高可靠、長壽命及多功能方向發展，各院所建立了結合實際背景的產品保證技術規范。隨著精細化管理方法不斷運用[3]，設備設計、工藝等方面的質量問題發生率不斷下降。在當前設備研制平臺化、產品化及組批生產的形勢下，元器件質量問題日益凸顯。

基于國產元器件生產制造水平現狀，通過補充篩選來保證上裝元器件質量及可靠性[4]是當前及未來很長時間內仍然有效、不可替代的途徑。

2" 典型應用環境分析

太空設備環境適應性與裝備所處的運行階段及運行階段環境有關。太空設備的運行階段可以分為儲存、發射、運行及返回4個階段。利用魚骨圖分析典型階段的環境要素，如圖1所示。

2.1" 儲存階段

太空設備從裝配完成到發射前的時間為儲存階段。大部分設備儲存周期短，但有些設備周期可能長達20～30年（可能更長），太空設備用元器件需要適應典型的儲存階段環境。

根據地理位置及儲存環境的不同，儲存階段可能承受的環境要素有：溫度、濕度、鹽霧、靜電放電、電磁干擾以及可能存在的霉菌環境等[5]。若設計、結構、工藝、材料不存在重大缺陷，大部分元器件能適應儲存階段環境，個別需要采取“三防”（防潮、防鹽霧、防霉菌）及靜電屏蔽等措施來保證元器件適應該階段環境應力。

2.2" 發射階段

設備從發射開始，入軌到軌道定點的時間為發射階段。太空設備將經受發動機推力導致的加速度環境、隨機振動環境、瞬態環境（可能由點火/關機、級間分離導致）及聲環境（噴流噪聲或氣動噪聲導致）[6]。器件設計及物理特性無致命缺陷，且通過鑒定檢驗、質量一致性檢驗及補充篩選等質量手段，使用過程按照操作規程正確裝聯，上裝元器件能承受發射階段環境應力。

2.3" 運行階段

太空設備進入運行直至結束的時間為運行階段。因運行周期及方式不同，承受的環境影響差異較大，部分裝備可能長期休眠偶爾開機，也可能定期開機，軌道不同設備承受的環境壓力不同。總結常見的空間環境主要包括真空、熱、輻射、原子氧等。不同類別元器件在不同軌道、設備不同部位可能產生不同的空間輻射效應，需要針對不同類型的輻射效應[7]分別采取相應的措施。

2.4" 返回階段

設備回收等部分再進入大氣層過程為返回階段，經歷的環境主要包括加速度、氣動熱和著陸沖擊等。一般物理特性不存在嚴重缺陷，且正確裝聯的元器件可以承受返回階段的環境。

3" 基于FMEA的單片集成電路可靠性分級技術研究

單片集成電路實現功能十分豐富，包括信號變換處理、信號傳輸、存儲等。隨著制造工藝的不斷發展，集成度不斷提高，集成電路向著超大規模方向發展，封裝也從簡單的DIP轉變到SOP、QFP、PGA、BGA以及倒裝焊等。

選取一款溫度傳感器作為分析對象，利用FMEA技術對其進行敏感要素分析[8]。XD590LH是一個帶雙終端的集成電路溫度傳感器，它會產生一個與絕對溫度成比例的輸出電流。功能層次與結構層次對應圖如圖2所示。

任務可靠性框圖如圖3所示。

初始約定層次為XD590LH溫度傳感器，約定層次為電氣結構和機械結構，最低約定層次為感溫元件、外殼、引線。

根據溫度傳感器產品的特點，該溫度傳感器嚴酷度類別及定義見表1。

故障模式危害等級如表2所示。

參考系統可靠性分析技術的失效模式和效應分析（FMEA）程序以及故障模式、影響及危害性分析指南規定，結合XD590LH設計圖紙開展XD590LH的故障模式分析，根據上述XD590LH溫度傳感器的功能、結構和使用環境要求分析，其主要故障模式及采取的控制措施如下。

1） 信號輸出異常故障

① 內部芯片上集成的晶體管在常溫、低溫時可能存在不工作的情況，而高溫時晶體管又存在異常工作情況。

② 由于電阻層與下層的絕緣性能存在問題，出現漏電流過大而造成過流燒蝕現象。而漏電流的產生也破壞了其左右兩個鏡像電流源的平衡性能，使該器件輸出電流嚴重超差，從而使該器件輸出電流隨溫度的線性變化關系不復存在。

③ 感溫元件焊接因溫度過高、焊接時間過長導致感溫元件受損，在后續使用中開路而引起感溫組件整體失效。

當信號輸出故障，無法準確地測量溫度，在本身正常的溫度環境下的工作過程中會出現“環境溫度故障”報警。

為控制信號輸出異常這類故障，采取：

① 加強器件的二次篩選，尤其增加高溫、低溫時的老煉篩選；

② 改善焊接工藝（可采用高熔點焊錫焊接方式），以防止焊接溫度過高、焊接時間過長而導致感溫元件受損。

2） 信號無輸出故障

① 內部芯片上集成的晶體管在常溫、低溫時可能存在不工作的情況，而高溫時晶體管又存在異常工作情況；

② 由于電阻層與下層的絕緣性能存在問題，出現漏電流過大而造成過流燒蝕現象。而漏電流的產生也破壞了其左右兩個鏡像電流源的平衡性能，使該器件輸出電流嚴重超差，從而使該器件輸出電流隨溫度的線性變化關系不復存在。

而信號無輸出故障，無法測量溫度，失去原有功能。為控制該類故障，采取加強器件的二次篩選，尤其增加高溫、低溫時的老煉篩選的措施。

3） 外殼開裂故障

由于外界振動導致管殼受到破壞，發生外殼開裂故障，無法對溫度傳感器內部結構進行有效的保護，導致后續器件的徹底破壞。

為控制該類故障，采取：加強原材料檢驗；將接口處退刀槽改為錐形結構。

根據上述分析，XD590LH溫度傳感器主要有2類嚴酷度為I類的故障模式，1類嚴酷度為Ⅲ類的故障模式。在產品設計過程中采取了相應的設計控制措施，能夠降低發生概率，確保產品質量。

但在分析過程中發現還存在以下需要改進提升的環節：改善焊接工藝（可采用高熔點焊錫焊接方式），以防止焊接溫度過高、焊接時間過長而導致感溫元件受損。

XD590LH溫度傳感器FMEA分析如表3所示。

構建故障樹分析[9]，如圖4所示。

根據FMEA分析，集成電路的敏感因素包括物理特性（結構、材料、工藝）、熱學環境（如溫度）、力學環境等，需要對其進行考核評價。

4" 單片集成電路篩選方案研究

對元器件選用源頭[10]進行控制是以最經濟的方式取得質量管控最優效果的途徑之一。太空設備元器件相比一般設備[11]，主要有以下特點：

1） 元器件復雜程度、集成度提高，可編程邏輯器件、大功率器件、微波射頻器件等精密復雜，且這類器件對應力敏感；

2） 元器件經歷的環境比較嚴酷，例如溫度、振動、電磁等環境；

3） 維修性差，發生失效后導致的后果可能比較嚴重。

不同質量保證等級的元器件具有對應的固有可靠性水平。等級越高，保證要求內容越多和越嚴。選用時不應盲目選過高質量等級的元器件，低成本研制背景下，這樣不但不能帶來產品可靠性提高，還會帶來研制成本浪費[12]。

結合GJB 597B—2012《半導體集成電路通用規范》，B級以上的器件在鑒定時已經對可焊性、ESD、穩態壽命、熱沖擊、溫度循環、耐濕、機械沖擊、振動、鹽霧等方面進行了摸底，對其結構、工藝、材料進行了質量及可靠性摸底，可以直接進行篩選，剔除早期失效的元器件。太空設備元器件若選用“七專”或低于“七專”級單片集成電路，需要確認是否完成鑒定檢驗或其他可靠性評估驗證。未進行任何摸底的電路需要進行評價試驗，對其功能性能、結構可靠性、封裝可靠性及壽命可靠性進行評估驗證，通過可靠性評價后方可上裝應用。

對于空間輻射效應，根據長期摸底結果，中小規模集成電路單粒子效應不敏感，例如54AC系列中小規模邏輯門電路、54HC系列中小規模邏輯門電路等；數字邏輯電路（如CPU、DSP、SRAM、FPGA）應考慮單粒子翻轉，CMOS器件應考慮單粒子鎖定。單片集成電路需要考慮總劑量評估。結合FMEA技術分析，器件采購到貨后進行篩選+DPA[13?14]。篩選項目如表4、表5所示。

5" 結" 語

元器件是太空設備研制、生產與應用等過程中重要的基礎物資，對太空設備研制周期、壽命、性能、成本和應用風險均有極其重要的影響。

元器件篩選是為剔除有缺陷或可能引起早期失效或者選擇具有一定特性的元器件產品而進行的質量保證。如果將早期失效的元器件裝上太空設備，將會使得整機早期故障率大大增加，其可靠性不滿足要求，需要尋求滿足太空設備應用環境的元器件篩選方案，助力空天設備快速、高質量發展。結合太空設備的應用環境，在充分調研國內外元器件質量保證模式的基礎上，基于FMEA技術開展太空設備元器件篩選標準的研究，篩選標準將指導太空設備元器件可靠性保證工作，為后續型號元器件質量管控提供依據。

參考文獻

[1] ESA/SCC Basic Specification No. 22700. Requirements and guidelines for the process identification document （PID）. [EB/OL].[2023?11?07]. https：//wenku.baidu.com/view/eb8a3267caaedd3383c4d317.html？.

[2] 王慜，侯建國，許成進，等.新形勢下宇航電子標準化工作方向探討與思考[J].航天標準化，2018（4）：21?25.

[3] 趙明，周煒.關于航天軍工企業質量精細化管理思考[J].科技資訊，2021，19（1）：117?119.

[4] 崔帥，張穎，曹德峰，等.航天型號元器件補充篩選必要性分析[J].環境技術，2017，35（3）：34?37.

[5] 黃威，南方.宇航元器件產品保證工作思考[C]//2018宇航元器件技術論壇論文集.上海：上海航天技術研究院，2018：216.

[6] 黃威，王彤，孫明，等.宇航元器件飛行驗證研究與實踐[J].航天器環境工程，2020，37（6）：624?627.

[7] 范培培.典型國產VDMOS宇航應用的輻照及熱應力可靠性研究[D].上海：上海交通大學，2018.

[8] 陳亞亞，徐剛，袁攀科，等.基于FTA和FMEA的隔離開關可靠性分析[J].機電工程技術，2019，48（9）：88?90.

[9] 袁鋼.故障樹分析法在機載電子設備故障診斷中的應用研究[J].電子測試，2019（22）：33?36.

[10] 劉明川.對軍用直升機電子元器件管理及選用控制的思考[J].中國設備工程，2022（7）：68?69.

[11] 彭鑫乾，王越，祝冠宇.軍用直升機航空電子產品系統可靠性提高方法及應用[J].現代電子技術，2023，46（8）：118?122.

[12] 楊喜存，惠好鵬.電子元器件可靠性與產品故障關系研究[J].環境技術，2020（z1）：42?44.

[13] 薛青青.基于二次篩選的電子元器件可靠性研究[J].電子世界，2019（9）：65?66.

[14] 高成，張棟，王香芬.電子元器件老煉試驗技術[J].現代電子技術，2008，31（16）：189?191.