空间科学用COTS元器件的质量与可靠性保证研究★

李永正，党炜，吕德胜，张泽明，梁兆刚

（1.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094；2.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800）

0 引言

COTS（Commercial off-the-shelf即 “商用货架”）元器件是指可以在市场上直接购买的元器件[1]。随着科学技术的进步，集成电路设计，以及半导体平面工艺等技术迅速发展，COTS元器件更新换代较快，符合 “摩尔定律”的规律；而现有的宇航级元器件可靠性较高，但是更新换代较慢、品种较少。COTS元器件具有高性能、低成本、易采购和短货期等优点，但多为工业级和商业级的民用元器件[2]，生产工艺和制造标准主要面向工业和个人消费等领域，在有高可靠性要求的空间领域使用存在一定的风险，原则上其使用范围受到限制。

我国载人航天工程空间应用系统的主要任务是利用载人航天器的空间实验支持能力开展各项科学实验和应用研究，主要领域包括：对地观测、地球环境监测、空间天文、空间环境、空间生命科学、空间材料科学和微重力流体物理实验等[3]。空间科学与应用载荷涉及学科广泛，实验数据存储量巨大、传输速率超高，精度、频率和可靠性等指标要求严酷，这就造成了宇航级元器件无法满足高性能的要求，而高性能元器件无法满足宇航高可靠性要求的现象。因而不得不采用低质量等级的COTS元器件，为了降低在空间科学与应用载荷中使用COTS元器件的风险，应研究制定相应的质量与可靠性保证措施。

本文对几种空间科学载荷用COTS元器件在质量保证过程中出现的问题进行了研究，分析了问题出现的机理，以及可能造成的失效，制定并实施了相应的质量与可靠性保证措施，定量地预计了这几种COTS元器件的使用可靠性，并得到了验证。本文对某空间科学实验选用的几种COTS元器件进行了有意义的探索。

1 几种COTS元器件的质量问题

1.1 元器件基本信息

某空间科学实验选用的3种COTS元器件，分别是OHMITE公司生产的型号规格为SM 10302-5007-K的厚膜精密高压电阻、Xilinx公司生产的型号规格为XQ2V3000-CG717AGT的现场可编程门阵列 （FPGA：Field Programmable Gata Array）集成电路、某公司生产的型号规格为XX的激光二极管，3种元器件的基本信息如表1所示。在元器件质量保证过程中，3种元器件均出现了质量问题，但是，由于该空间科学实验的特殊要求、经费约束，以及工程研制周期紧张等因素的限制，而不得不继续使用，为此专门研究并制定了质量与可靠性保证措施。

表1 3种元器件基本信息

1.2 SM 10302-5007-K型高压电阻

SM 10302-5007-K型厚膜精密高压电阻的特性参数如下：阻值参数5000 MΩ，精度±10%，额定功率2 W，最大工作电压7.5 kV[4]。采用厚膜电阻技术，铝基底散热，高温硅树脂封装。该电阻具有温度系数稳定、无电感效应、低噪音等优点，可用于高压电源和限流器等，外部形貌如图1所示。厚膜电阻技术主要采用丝网印刷烧结工艺，包括制作原图、制作掩膜、浆料配制、印刷成型和烘干烧结等几个关键的工艺步骤[5]。电阻耐高压特性主要取决于电阻材料的绝缘性、温度系数，以及基底材料的散热性等因素。在该项空间科学实验中，该电阻作为离子泵高压电源电压取样电阻的分压电阻，从耐压指标上比较，目前市场上没有找到可替代的产品。

在元器件质量保证过程中，该批高压电阻抽取样品做破坏性物理分析 （DPA：Destructive Physical Analysis）时发现电阻条出现粘连和带状空隙。由于此类电阻器是GJB 4027A-2006军用电子元器件破坏性物理分析试方法[6]未列入的电子元器件类别，但是，电阻结构与金属箔固定电阻器类似，属于条形电阻结构。金属箔电阻器的主要制作工艺为合金制备、合金剪切、压延、热处理、基板粘接、光刻、焊接、阻值调整、涂硅和成型封装等流程[7]。金属箔电阻器与厚膜高压电阻结构相近，其失效机理类似，带状空隙缺陷都易产生高阻过热和过电应力，造成电阻条开路失效，故参考GJB 4027A-2006工作项目0102金属箔固定电阻器，给出合格与否的结论。内部目检发现电阻带个别位置宽度小于原宽度的80%，同时存在将绝缘区宽度减小50%的粉粒，如图2所示。依据GJB 4027A-2006工作项目0102-2.4.3d与工作项目0102-2.4.3h[6]，该缺陷属于标准缺陷，内部目检项目不合格，DPA结论为不合格。

图2 SM 10302-5007-K型高压电阻内部形貌

1.3 XQ 2V3000-CG717AGT型FPGA

XQ2V3000-CG717AGT型FPGA使用陶瓷金属盖密封封装，可配置逻辑模块数为64×56，片上随机存储器块数448 Kbits，可用最大I/O数为516， 单元排列周期 1.27 mm， 尺寸 35 mm2×35 mm2，总计717个管脚[8]，外部形貌如图3所示。FPGA芯片采用半导体CMOS工艺制作，特征线宽为0.15 μm/0.12 μm的8层布线技术。该器件具有处理速度快、功耗低的优点，可用于数字信号处理、无线电通信等领域，尤其适合于该空间科学实验项目。

在元器件质量保证过程中，该批集成电路抽取样品做DPA时，X射线照相检查发现器件密封区不连续，如图4所示，依据MIL-STD-883H METHOD 2012.8-3.10.2.2e判据[9]，密封宽度不到设计密封宽度的75%，属于标准缺陷，DPA结论为不合格。

图3 XQ 2V3000-CG717AGT型电路外部形貌

图4 X射线照相显示密封区不连续

1.4 XX型激光二极管

该激光二极管基于单频率激光芯片技术设计，分子束外延方法生长而成，具有低损耗和高输出功率的特点。采用TO-8金属管壳密封封装和半导体制冷结构，输出近红外激光。在该项空间科学实验中，该器件作为激光冷却的光源，是实验进行的基本条件，从力学、热稳定性和功率需求上，目前市场上无替代产品。

在元器件质量保证过程中，该批激光二极管抽取样品做DPA时，内部目检发现键合点采用加固型复合键合，部分复合键合点引线的尾丝在键合区的长度超过引线直径的2倍，如图5所示。由于GJB 4027A-2006标准无加固型复合键合点适用的检验判据，故依据MIL-STD-883H 2017.9 METHOD 3.1.5.8h条[9]，内部目检项目不合格，DPA结论为不合格。

2 质量问题分析与可靠性保证研究

2.1 元器件质量问题FMEA

参考故障模式影响分析 （FMEA：Failure modes effect analysis）方法[10]对3种元器件质量问题主导的失效模式、失效机理以及可能产生的失效影响进行了分析，如表2所示。

表2 3种COTS元器件质量问题FMEA表

图5 激光二极管键合点

2.2 高压电阻可靠性保证研究

该批厚膜高压电阻上述缺陷具有较强的可检测性，可利用X射线手段进行无损检测，属于可筛选性缺陷，故暂不做批拒绝处理。经研究讨论，提出具体的可靠性保证流程，在该COTS元件的可靠性筛选方案中，除一般筛选项目外，增加并关注X射线照相检查和老炼筛选项目。X射线照相检查依据GJB 360B-2009方法209进行[11]，直接剔除材料不均匀、构件破损等失效的电阻，如图6所示。在老炼试验中，电应力与温度应力激发空隙和粘连等缺陷，暴露早期失效的电阻。

为了提高电阻器的使用可靠性，采取了以下可靠性保障设计：工作电压、功率和环境温度等参数进行降额设计；高压电阻内部使用铝基底散热，由于安装在空间非密封舱内，铝基底的散热通道为引脚传导和辐射散热。

依据有针对性的可靠性保证方案，可靠性筛选试验结束后，剔除存在缺陷等失效电阻器的比例为10.5%。依据EEE-INST-002标准[12]，该剔除率对于该空间科学实验任务可接受。

根据MIL-HDBK-217F标准对该批高压电阻进行可靠性预计，固定合成电阻器的失效模型如公式（1） 所示[13]：

式 （1）中：λP——该元器件的工作失效率；

λb——基本失效率；

πT——温度系数；

πP——功率系数；

πS——功率应力系数；

πQ——质量系数；

πE——环境系数。

在项目研制过程中，落实了高压电阻的上述可靠性保证建议，结合具体的参数和使用环境，进行了可靠性预计。在公式 （1）中，基本失效率λb取为0.0017；管壳温度为90℃，则πT为4.0；由于主要降额参数为电压，其降额因子为0.47，使得实际功率为2.5 mW，则πP为0.097，功率应力为0.00125，则πS为0.0028；经过元器件质量保证措施，该电阻器类别由 “商用未知筛选等级”提高到 “无可靠性指标的电阻器”，则πQ为3.0；宇宙飞行环境πE为0.50。最终计算得到该批高压电阻的失效率为2.77×10-12/h，相比原先未进行COTS元器件可靠性保证的失效率3.76×10-7/h，可靠性至少提升了5个数量级。

图6 X射线照相显示电阻缺陷

2.3 FPGA可靠性保证研究

该批FPGA电路上述缺陷具有较强的可检测性，可利用X射线手段进行无损检测，属于可筛选性缺陷，故暂不做批拒绝处理。经研究讨论，提出具体的可靠性保证流程，在该COTS器件的可靠性筛选方案中，重点关注密封性检查，增加并关注X射线照相检查。X射线照相检查，依据GJB 548B-2005方法2012.1X射线照相3.10.2.2[14]，有效地剔除存在密封区不连续或其他缺陷的器件。分析细检漏试验数据与X射线检测密封区不连续程度的关系，发现漏率大小与密封区不连续程度无直接关系，但依据X射线检测标准，必须剔除密封区不连续超标的器件。

为了提高FPGA的使用可靠性，采取了以下可靠性保障设计：对输入电压、输出电流和最高结温等参数降额设计；FPGA芯片工作时热效应明显，采取相应的散热措施，提高FPGA的传导和辐射散热效果；FPGA芯片对单粒子效应敏感，电路设计中使用了抗单粒子锁定设计。

依据有针对性的可靠性保证方案，可靠性筛选试验结束后，剔除存在缺陷等失效FPGA的比例为21.4%，该比例略高于EEE-INST-002标准[12]批允许不合格率20%的标准，考虑实际的工程要求，仍处于可接受范围。

由于MIL-HDBK-217F标准对复杂FPGA集成电路无相关失效模型，故依据GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册单片数字电路失效模型，如公式 （2） 所示[15]：

式 （2）中：λP——该元器件的工作失效率；

πQ——质量系数；

πT——温度应力系数；

πV——电压应力系数；

πE——环境系数；

πL——成熟系数；

C1、C2——电路复杂度失效率；

C3——封装复杂度失效率。

结合该批FPGA集成电路的具体参数和使用环境，经过元器件质量保证措施，πQ由1.0改善至0.5；结温为85℃，则πT为2.60；工作电压小于8 V，则πV为1.0；宇宙飞行环境，则πE为1.2；符合相应的标准且已稳定生产的产品，则πL为1.0；门数为3 M， 则C1为1.665，C2为0.047；C3为5.718。最终计算得到该批集成电路的失效率为5.62×10-6/h。相比原先未进行COTS元器件可靠性保证的失效率1.19×10-4/h，可靠性至少提升了一个数量级。

2.4 激光二极管可靠性保证研究

该批激光二极管上述缺陷可通过振动试验和粒子碰撞噪声检测手段筛选，故暂不做批拒绝处理。经研究讨论，对该批激光二极管的解决方案是增加组件的力学试验，力学试验后通过粒子碰撞噪声检测 （PIND）试验判断尾丝是否断裂产生多余物。然后，筛选合格元器件重新抽样做DPA试验，判断尾丝断裂情况。

为了提高激光二极管的使用可靠性，采取了以下可靠性保障设计：对工作电压、工作电流和最高结温等参数降额设计；激光二极管属于寿命敏感型器件，对热学和力学因素敏感，使用中设计相应的散热和防振措施；该科学实验中，激光二极管的有效工作时间较短，不考虑抗辐射要求。

依据有针对性的可靠性保证方案，可靠性筛选试验结束后，剔除失效的激光二极管比例为56.7%，该比例高于EEE-INST-002标准[12]批允许不合格率20%的标准，考虑实际的工程要求和激光二极管的有效工作时间较短等因素，最终决定继续使用。

根据MIL-HDBK-217F标准对该批激光二极管进行可靠性预计。激光二极管的失效率模型如公式（3） 所示[13]：

式 （3）中：λP——该元器件的工作失效率；

λb——基本失效率；

πT——温度系数；

πQ——质量系数；

πI——前端电流系数；

πA——应用系数；

πP——降额系数；

πE——环境系数。

结合该批激光二极管的具体参数和使用环境，λb为3.23；结温为50℃，则πT为3.3；密封封装，则πQ为1.0；前端峰值电流0.15 A，则πI为0.28；连续波，则πA为4.4；根据实际的功率，则πP为1.0；宇宙飞行环境，则πE为0.5。最终计算得到该批激光二极管的失效率为6.57×10-6/h，相比原先未进行COTS元器件可靠性保证的失效率2.9×10-4/h，可靠性至少提升了一个数量级。

3 验证与讨论

在上述COTS元器件可靠性保证研究及相关质量保证合格后，3种COTS元器件装机使用。装机后，在单机级、分系统级和系统级进行了一系列环境与可靠性试验，包括：单机测试、单机鉴定级/验收级环境与可靠性试验、分系统测试、系统集成测试和整器综合测试，以及环境与可靠性试验。环境与可靠性试验的项目主要为：常温测试、振动、冲击、热循环和真空热等。各阶段、各产品级别的测试试验证明：产品的功能性能、环境适应性和可靠性指标满足任务书要求，与整器系统接口匹配、工作协同。

经上述各项测试和试验验证，经过特定的质保措施和可靠性保证设计，可有效地提高COTS元器件的使用可靠性，满足空间科学载荷的功能性能要求和空间应用的高可靠性要求。

4 结束语

针对上述3种COTS元器件空间应用质量保证过程中出现的质量问题，分析了各自质量问题出现的机理以及可能造成的失效。研究制定并实施了相应的质量与可靠性保证措施，定量地预计了3种COTS元器件的使用可靠性；并通过了鉴定级试验、分系统测试和系统集成测试，验证了解决方案的有效性。分析总结案例，可以得到如下结论：

1）COTS元器件空间应用质量保证过程尚缺乏统一、有效的元器件筛选规范，实际的筛选过程应结合COTS元器件的自身特点和环境剖面来决定；

2）依靠有针对性的元器件质量保证筛选手段，可以有效地提高COTS元器件批次的使用可靠性，满足其空间应用的性能参数和可靠性要求；

3）随着空间科学对载荷高性能系统的需求、微电子技术和元器件质量保证规范的研究发展，越来越多的COTS元器件将会应用于空间任务中。

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