宇航元器件力学环境适应性评价技术研究★

马荣国，范红梅，肖军强，王长成，郎需光

（山东航天电子技术研究所，山东 烟台 264003）

0 引言

电子元器件是电子设备的基础，是保证电子设备高可靠工作的基本资源，其可靠性直接影响设备的工作效能和优良性能的充分发挥，随着电子技术的迅速发展和电子元器件应用数量的增多及作用的突出，对电子元器件的工程应用可靠性和适用性提出了越来越高的要求。严酷的力学环境经常造成宇航元器件的结构损坏、机械强度损失、磨损增加和电参数漂移等故障损坏和失效[1-2]，例如：某航天器电子产品在做力学环境鉴定试验后出现集成电路器件管脚断裂和继电器误动作等器件失效，经分析其原因是由于动力环境条件使元器件结构产生较大的响应加速度、机械应力和应变。根据相关标准和规范，元器件和宇航产品的力学环境试验的项目基本相同，主要有恒加速度试验、冲击试验、正弦和随机振动试验，但是试验条件和要求不尽相同。虽然元器件的筛选和鉴定试验量级高于宇航产品，且试验频域较宽、时间也较长，但是元器件试验时固定其壳体，而实际的宇航产品中为管脚焊装；元器件试验中一般不进行电性能实时监测，而实际的宇航产品试验过程中对产品电性能进行实时监测，保证产品试验过程中也要可靠、正常工作。由于元器件在宇航应用中的试验条件、安装边界条件、测试使用状态等都与元器件自身按标准开展的鉴定和筛选试验有很大的差别，并且元器件在宇航产品应用中动力响应放大，其实际动力响应值有可能在局部频段超出元器件的最大试验量级，导致元器件在宇航型号产品应用中出现许多元器件因力学环境适应问题造成的失效和故障，这说明元器件确实存在与应用状态和应用环境相关的适应性问题。元器件设计定型后对在宇航工程中应用的力学环境适应能力评价不充分，缺乏相关的支撑数据。所以非常有必要从实际应用系统的角度出发，对宇航元器件力学环境适应性评价技术进行研究，全面掌握元器件的电性能和机械性能对力学环境的承受能力，采用定量分级的判据对宇航元器件的力学环境适应能力进行评价，提高元器件在宇航系统中的应用可靠性。

美国与欧洲对运载器、航天器应承受的环境都制定了相应的标准和规范，对空间、军事等领域的电子元器件在力学环境适应性方面已有较为深入和广泛的研究。为降低新型元器件空间应用的风险，NASA和欧洲宇航公司设置了专门的研究机构，针对新型元器件的空间应用需求，开展了一系列应用验证方法研究及试验验证工作。在开展应用验证工作的基础上形成了新型元器件选择和应用指南，使设计师能够选好、用好新型元器件，通过应用验证而降低了新型元器件空间应用可能带来的风险。

国内已制定了较全面、详细的宇航产品和元器件力学环境试验标准和规范，主要有GJB 1027A《运载器、上面级和航天器试验要求》、GJB 150《军用设备环境试验方法》、GJB 548B《微电子器件试验方法和程序》及一些企标等，对宇航产品和元器件的力学环境试验方法和项目做了详尽的要求和规定。但是元器件的应用验证工作尚未系统开展，技术储备薄弱，没有专业机构可以系统地提供应用验证技术服务，更无数据充分、针对性强的应用指南来指导宇航工程的合理使用。

1 研究内容和过程

研究主要内容包括宇航产品和元器件的力学使用环境、试验标准规范的调研，宇航元器件特性和力学环境敏感要素的研究，宇航元器件力学环境适应性评价方法的研究，宇航元器件力学环境典型验证系统的研制，并针对典型的宇航核心元器件，开展相关力学环境试验验证和评价。

环境工程是将多种学科技术和工程实践经验用于减缓各种环境对装备效能影响或装备耐环境能力的一门工程科学，包括环境工程管理、环境分析、环境适应性设计和环境评价等方面的技术内容。本研究从实际的应用出发，以环境工程理论为基础，广泛调研和收集了国内外宇航产品和元器件的力学环境试验标准规范，对典型的宇航级微电路、组件、系统的鉴定试验中的力学环境试验项目和试验条件进行了对比分析，确定宇航元器件力学环境适应能力的应力剖面；深入研究宇航元器件的力学环境失效案例，根据典型的失效模式和失效机理，从力学环境和元器件机械特性两方面研究并提出宇航元器件力学环境敏感要素主要有加速度、振动频率和作用时间，材料、工艺、结构形式、尺寸和重量、封装和安装方式、电功能及性能等，最终形成宇航元器件对力学环境的敏感性和敏感要素矩阵表；按照宇航组件级产品设计规范的要求，建立有代表性的典型试验评价系统，确定典型装机条件下元器件的力学应力预计情况，建立宇航元器件的力学环境适应性评价方法。运用仿真分析技术和样机试验来验证评价方法的正确性和合理性，最终的研究成果是一系列的研究报告和指南性文件。

2 评价方法和流程

2.1 评价方法

按照相关标准的规定，结合元器件力学环境适应性评价的具体特点和要求，力学环境适应性评价方法主要包括分析法、相似性法和试验法等内容[3]。重点参照了标准QJ 3135-2001《导弹武器系统、运载火箭和航天器环境工程大纲》，该标准是根据导弹武器系统、运载火箭和航天器环境工程特点，参考MIL-STD-810F、 《美国国防装备环境手册》、 《美国军用装备环境指南》等内容，对产品环境适应性设计、试验与验证内容进行了规定。

一般情况下，应采用几种方法的组合对宇航元器件进行力学环境适应性评价，例如：分析与试验或者相似性与试验，及三者的结合等。适用的装配级可以是组件级、分系统级及飞行器级，当然，通常最重要和最有效的评价方法是试验法。

a）仿真分析法

仿真分析通常用来获取线路板和组件的力学特性，或在物理评价阶段获取无法通过物理试验获取的局部数据。因此，分析既是物理试验的指导，也应与评价试验结合进行，并通过试验获得的数据来修正分析模型。

分析的方法、所用的软件应经过充分的验证，以保证不会由于分析方法或软件的原因而得到与实际情况差异较大的结果；此外，分析模型应经过局部或完整的验证，以保证分析模型的准确性。

b）相似性法

相似性评价通常是与分析相结合来证明元器件的一种应用情况与另一种类似，而被比较者已经按等效的或更严格的准则经过了评价。该评价方法包括对元器件应用环境的组件结构状态、组件应用状态以及对以前试验数据的评价与审查，还包括将以前试验量值与新的特定力学环境适应性要求的比较。因此，相似性评价适用于元器件应用于组件级产品的评价。

当某元器件应用的组件在不同的型号上被继承使用时，就可以用已经过验证的组件来证明该组件具有规定的余量，从而表明该元器件能够适应该组件的力学环境，对宇航元器件进行力学环境适应性评价。

c）试验法

环境模拟试验是工程中最有效的验证方法，很多失效模式都是在力学环境试验下激发的。环境试验可以诱发产品中的设计缺陷、工艺缺陷以及元器件缺陷。这些缺陷是由于装配连接或紧固操作不当，或工艺方法不当造成的。常见的缺陷是结构破坏、短路、开路、松脱和电性能异常等。应分析宇航元器件的应用环境，进行力学环境的剖面分析，确定力学环境试验的类型和量级，并且在试验前、中、后按规定要求检查和监测元器件的主要技术性能指标参数，对比试验结果和判据，评价元器件的力学环境适应能力。

一般电子产品的力学试验验证项目包括恒加速度试验、冲击试验、正弦振动试验和随机振动试验[4]。

2.2 评价流程

按照力学环境适应性评价方案开展元器件力学环境适应性评价，一般工作流程如图1所示，主要的工作项目包括元器件力学环境适应性特性分析、样品确定、力学环境适应性试验项目确定和试验系统设计、力学环境适应性试验，最终通过整理数据，形成宇航元器件力学环境适应性评价报告。宇航元器件力学环境适应性评价技术流程应按照图2进行，主要内容包括分析并确定元器件力学敏感性和敏感参数、确定评价试验应力剖面、试验系统设计、评价试验、数据分析和评价判据等。

3 评价判据

宇航元器件的种类繁多、应用广泛，元器件的封装形式、安装方式、材料和工艺等特性不同，力学环境适应能力和失效模式也不同。常规的宇航电子产品力学环境项目有：恒加速度、正弦振动、随机振动和机械冲击。这些力学环境项目使元器件产生机械应力，机械应力可使电子元器件发生结构损坏、机械强度损失、磨损增加和电参数漂移等故障。通过分析这些力学环境对元器件性能指标影响较大的因素有加速度、振动频率和作用时间等，而元器件自身对力学环境的敏感要素主要有材料特性、结构及安装方式、尺寸及重量、电功能及性能等。

在对评价系统进行试验过程中，全程实时监测元器件电气和机械功能和性能。宇航元器件力学环境验证试验前和试验后，按照有关规范的要求，对元器件的外观、焊点、功能和性能指标进行测试，分析比对，并按照这些评价要素的满足程度分级定量评价宇航元器件的力学环境适应性能力水平，获得的结果用于支撑宇航元器件和型号产品保证的技术和管理决策，并为编制应用指南提供数据和资料。

4 试验验证

4.1 试验简介

以某型号卫星电子设备作为力学环境适应性评价试验组件。设备中使用了DC/DC、SRAM、FPGA和CPU等宇航元器件，属于宇航核心电子器件中的典型品种。设备结构为卫星电子设备典型的模块组合式结构，组件由7个结构功能模块组成，其电功能和性能、结构形式、尺寸和重量均具有代表性。

组件的力学环境试验项目和顺序为：冲击试验、正弦振动试验、随机振动试验和恒加速度试验。试验条件选取航天器组件产品通用的力学试验条件和要求。根据仿真分析的结果，在元器件中心PCB板背面和关心的结构部位布置安装加速度传感器，并连接导线以全程实时监测设备及元器件的电性能参数和加速度响应值。

试验过程中组件电压、电流等主要电功能和性能正常，软件运行正常，未出现异常报警和程序停止等现象。试验结束后，检测组件的必要电功能和性能指标，在给定的力学环境试验条件下，被测组件的电性能参数变化不大，在允许波动的范围之内，发送数据和接收数据均正常，表明元器件工作正常。试验前、后按照器件规范检测器件主要机电功能和性能指标，测得器件电性能指标正常稳定；器件外壳、管腿和焊点完好，没有断裂和脱落等故障现象，能够满足宇航型号产品力学环境的工程应用要求。

组件是元器件的直接载体，组件环境即为元器件的应用环境，对于不同的组件来说，不同的环境类型存在不同的放大或衰减效果。由于一般动力学环境量级以加速度值来衡量，且便于测量，所以试验中重点监测器件中心部位的加速度响应值，获取器件中心部位的加速度等动力响应数据。因为验证试验使用工程应用的典型宇航电子产品，并且施加通用的航天器组件力学环境试验条件，这样能够客观、真实地验证宇航元器件宇航应用状态的技术性能，从而有效地评价元器件在宇航产品工程应用中对力学环境的适应能力。

通过分析对比响应加速度的试验数据，仿真结果与试验结果的误差在5%以内，力学仿真分析的结论有较高的可信度。正弦振动器件中心最大响应加速度为16.87 g，小于GJB 548B方法2007器件的扫频振动的试验条件A（峰值加速度20 g）；随机振动器件中心峰值功率谱密度为0.45 g2/Hz，小于GJB 548B方法2026.1器件的随机振动的试验条件H（峰值功率谱为0.60 g2/Hz）；而最大响应均方根加速度为49.4 g，略大于GJB 548B方法2026.1器件的随机振动的最大试验条件K（峰值加速度47.2 g）[5]。由试验结果可以看出，虽然器件的试验量级大于宇航产品的试验量级，但是，由于试验组件在力学环境激励下存在动力响应放大作用，导致设备内监测的器件实际动力响应值在局部频段超出器件相关标准规定的最大试验量级，再加上安装边界的不同，就有可能出现元器件在应用中的失效和故障，这就充分说明工程应用前对宇航元器件进行系统的力学环境适应性评价的重要性、必要性和有效性。

4.2 试验要点

a）试验组件是用于宇航元器件力学环境适应性评价试验的系统平台，所以试验组件的设计应符合宇航产品的相关设计规范，满足机、电、热接口要求，试验组件结构设计应具有足够的强度、刚度等机械性能，不应出现由于组件结构设计不合理引起应力过度放大而损坏元器件的现象，以确保满足评价试验的要求。

b）应利用数字仿真分析工具，试验前对评价试验组件进行结构力学分析，预示宇航元器件在典型装机条件下的力学环境应力，为宇航元器件的力学环境适应性评价试验项目和应力剖面的确定提供依据，从而有效地指导了力学环境适应性评价试验工作。

c）依据力学环境适应性评价试验项目要求，结合被评价元器件的力学特点，确定元器件的力学环境敏感性和试验评价要素并按照要求监测和记录相关试验数据和试验现象。对各项试验数据进行分析和确认，从而得出器件相应的力学环境适应性能力。

5 结束语

通过对宇航产品和元器件工程应用的力学环境条件和相应的失效案例调研分析，初步确定了主要宇航元器件力学环境的敏感要素及分类原则，建立了宇航元器件力学环境适应性评价方法和力学环境适应能力量化分级判据指标，并通过力学环境试验验证了评价方法和流程合理可行。由于宇航元器件的种类繁多，应用部位、任务要求也有很大的差别，对于不同的元器件和不同的应用环境，具体的力学环境适应性评价方案会有较大的区别，因此这里仅对宇航元器件力学环境适应性的试验评价方法进行通用的论述，今后尚需在实践中不断改进和完善，逐步形成宇航元器件应用验证力学环境适应性评价指南和标准，为宇航元器件保证和宇航产品保证提供技术支撑。

[1]王藴辉，于宗光，孙再吉.电子元器件可靠性设计[M].北京：科学出版社出版，2007.

[2]金玉丰，王志平，陈兢.微系统封装技术概论[M].北京：科学出版社出版，2006.

[3]GJB 1027A-2005，运载器、上面级和航天器试验要求[S].

[4]QJ 3135-2001，导弹武器系统、运载火箭和航天器环境工程大纲[S].

[5]GJB 548B-2005，微电子器件试验方法和程序[S].