欧洲元器件保证标准分析

2014-12-10朱恒静夏泓

电子产品可靠性与环境试验 2014年6期

朱恒静，夏泓

（中国空间技术研究院，北京 100094）

0 引言

欧洲空间标准化合作组织（ECSS）为确保空间项目在欧空局、其他国家空间局和欧洲工业协会等机构的共同合作下顺利地完成，制定了体系完备的、针对空间项目特点的一套标准。ECSS标准化活动涉及空间项目管理、空间产品保证和空间工程3个分支，3条主线清晰，项目管理、产品保证和工程技术并重。ECSS产品保证标准体系是ECSS标准体系的一个分支，此类标准规定了空间项目产品保证活动的管理和实施方面的要求，主要包括产品保证管理，质量保证，可信性，安全性，EEE元器件，零件、材料和工艺，软件产品保证7个专业领域，Q-60元器件保证是产品保证的一个独立分支，支撑欧洲空间产品用元器件保证工作。

1 欧洲空间产品用元器件保证标准

ECSS标准体系结构分为4级，0级文件为整个ECSS标准体系的顶层文件，描述ECSS体系的方针和目标及文件创建、确认和保持的原则；1级文件为空间项目管理、空间产品保证和空间工程的顶层文件；ECSS-Q-ST-60标准是ECSS标准体系的2级标准，给出了产品保证元器件各项活动的要求和作用，是反映宇航元器件用户方要求的纲领性文件。为了实施ECSS-QST-60提出的各个项目，作为3级标准，制定了一系列具体的要求、方法和程序标准以保证工作的开展。欧洲元器件保证标准体系如图1所示。

“产品保证”是为使人们确信产品达到规定的质量要求，在产品研制、生产全过程所进行的一系列有计划、有组织的技术和管理活动[1]。欧洲空间产品用元器件保证标准的特点是面向产品，而不是面向组织，ECSS标准的应用应作为一个整体，而不是单独应用，ECSS标准是完整和相互关联。尽管Q-60系列的元器件保证仅包括EPPL和维护，ASIC和FPGA研发，混合集成电路的采购要求，单片微波集成电路（MMICs）芯片（die）设计、选择、采购和应用，COTS器件保证，EEE元器件超期再用程序，以及辐射加固保证等7个标准，但作为支撑，空间工程分支，以及可信性保证系列中，也制订了与元器件相关的标准，如其ECSS-E-ST-10-04（空间环境）、ECSS-E-ST-10-12（辐射效应评估），以及ECSS-QST-30-08C（元器件可靠性数据源及应用）、ECSS-Q-ST-30-11C（元器件降额）。另外，以生产、鉴定和获得空间元器件为目的的ESCC文件和规范体系，以及被广泛认可的MIL试验方法、业界标准，都是欧洲空间产品用元器件保证的支撑性标准。

2 ECSS-Q-ST-60的主要内容

该标准规定通过以下7个方面、34个要素实现对元器件的控制[2]：

图1 欧洲元器件保证标准体系

a）元器件大纲管理

明确元器件管理机构，制定元器件控制计划，建立元器件选用委员会（PCB），发布元器件装机清单。

b）元器件选择、评价和批准

生产厂和元器件选择、元器件批准和元器件采购。

c）搬运和贮存

预防可能发生的劣化，按要求送用户评审，环境要求与静电防护。

d）元器件采购

采购规范、筛选、初始的用户到源方检验、批接收、最终的用户到源方检验、到货检验、辐射验证试验、DPA、超期再用和生产厂数据文件交付。

e）元器件质量保证

不合格和失效、报警信息、可追溯性和抽样试验样品的代表性。

f）专用元器件

ASIC、混合电路、一次性可编程器件和微波单片。

g）文件

均应以文件的形式控制，如：初始的用户到源方检验、批接收、最终的用户到源方检验、到货检验、超期再用和各项补充试验。

3 ECSS-Q-ST-60变化分析

ECSS-Q-ST-60经历了漫长、复杂的形成过程，该标准的基础是ESA在1970年发布的《ESA空间系统元器件选择、采购和控制》（ESA PSS-01-60）。1996年11月，ECSS发布A版ECSS-Q-60A；2007年7月发布的ECSS-Q-60B，其内容作了重大的修改。2008年，ECSS对其系统内的各类文件进行了系统的梳理，将所有的标准版本都设定为C，于是就有了ECSS-Q-ST-60C。之后又经过2次修订，2013年10月21日，发布ECSS-Q-ST-60C Rev.2.

ECSS-Q-60B版较A版内容作出了重要的更改，正如B版标准的 “前言” 所述:“这一版本（ECSS-Q-60B）相对于前一版本（ECSS-Q-60A）有重大技术和组织更改”[3]。B版内容的重要更改主要体现在以下方面：

a）对元器件进行分级管理，规定不同的标准化要求是A版和B版一个非常重要的不同,体现了元器件管理的优化。这里所说的元器件 “级”的概念指的是与元器件应用有关的等级分组。

b）元器件要求的要素的变化也是B版相对于A版更改的一个重要方面。

c）标准 “以用户为中心”B版中很多方面都体现了 “以用户为中心”充分面向用户的思想。

ECSS-Q-ST-60C Rev.2的主要变化体现在以下几个方面。

3.1 元器件保证标准体系的不断完善

ECSS-Q-ST-60属于ECSS标准体系的2级标准，规定了元器件保证 “做什么”，而 “怎么做”则需由3级标准具体化。3级标准目前包括7个，其中，ECSS-Q-ST-60-13（COTS器件保证）、ECSS-Q-ST-60-15（辐射保证要求）是近期正式发布的标准。欧洲标准的制定，尤其是3级标准的制定，均有具备实际元器件保证工作经验的人员承担，以ECSS-Q-ST-60-13为例，专业元器件保证机构专门从事COTS保证的专家主要负责此标准的编制工作，从2010年提出草案以来，2年的时间用于协调各方的意见。

ECSS-Q-ST-60C Rev.2，通过增加了ECSSQ-ST-60-13、ECSS-Q-ST-60-15的引用，对宇航用COTS元器件，以及抗辐射保证要求进行了统一的规划，并提出了统一的要求。同时，通过增加ESCC 25500（3E元器件表面或引线纯锡处理方法），对元器件表面或引线纯锡处理提出了统一的要求。这些标准的发布和使用，进一步地丰富了欧洲元器件标准体系。

a）ECSS-Q-ST-60-13 COTS元器件保证

欧洲对于商用元器件的观点是 “当你需要高性能元器件时，不要担心使用它；不要相信通过使用商用元器件，可以达到省钱的目的！”[3]。ECSS于2013年发布了COTS器件保证标准，其内容、要求均与ECSS-Q-ST-60 Rev.2保持一致，给出了3个级别的保证要求[4]，分别与ECSS-Q-ST-60 Rev.2规定的3个等级对应。保证方面采取的措施同样包括：并行工程、元器件品种标准化、元器件“表征”、元器件制造厂评价（包括元器件和工艺流程评估）、试验（筛选、批接收和周期检验等）、不合格材料控制、已有数据的评估和使用、对数据有限、信任度不足元器件的特别关注，以及信息管理。

b）ECSS-Q-ST-60-15辐射保证要求

欧洲型号抗辐射保证主要包括系统级要求和运作、系统与分系统的电路设计，以及航天器设计。ECSS-Q-ST-60-15规定的辐射保证的基本过程如图2[5]所示。辐射保证的过程一般包括辐射环境的计算、任务需求、辐射环境模型与辐射效应的定义。ECSS-Q-ST-60-15规定[5]，对于混合电路，要求其内部芯片根据其辐射效应，也进行辐射试验[5]。顶级要求主要以任务辐射环境特征，并以此为起点，必要时通过Sector分析或蒙特卡洛分析包括器件级的辐射环境。需要分析元器件辐射敏感性及其对装机设备的影响。当暴露于任务空间环境和具有足够的RDM，且满足设备性能的需求，设备的电学分析必须是有效的。

经调研欧洲某元器件保证机构，抗辐射保证作为元器件保证的一个关键环节，元器件保证工程师与单机和系统设计师沟通完成元器件抗辐射保证。按照ECSS-Q-ST-60-15的规定，针对单机完成抗辐射保证分析工作，针对拟选用元器件制定元器件保证计划，确定元器件辐射试验的具体要求；元器件保证工程师与设计部门、分析部门和采购部门一起确定元器件抗辐射需求，确定元器件选择、辐射试验条件的确定和数据分析、WCA和FMECA等工作。

图2 ECSS-Q-ST-60-15规定的抗辐射保证基本过程

3.2 进一步地明确了管理职责

与之前版本相同，对1级和2级元器件，ECSS-Q-ST-60C Rev.2要求成立元器件控制委员会（PCB），但该版本着重地明确了PCB的组成。在供方（设备）层面，主席由供方产品保证相关人员担任，其职责是负责元器件管理；PCB除了负责元器件管理计划的制定、元器件审批、品种压缩、批准和问题处理之外，增加了一系列的评估工作（抽样进行）：采购条件的一致性、数据的一致性和采购后数据，以及应用警告信息的评估。

3.3 跟踪技术趋势，增加针对性要求

元器件制造技术不断发展，集成电路的特征尺寸进入超深亚微米后，经时击穿（TDDB）、热载流子（HCI）、负偏温不稳定（NBTI）和电迁移（EM）成为集成电路的主要失效机理，现有的鉴定及评价方法不完全满足先进的微电子器件。ECSSQ-ST-60C Rev.2规定，对于90 nm以下的深亚微米器件，具体的试验项目，需根据结构分析的结果，并考虑具体的应用场合分析来确定。

3.4 加强产品研制过程的控制要求

ECSS-Q-ST-60C Rev.2增加了型号产品关键设计复审、工艺一致性检查，以及试验准备等级复审（TRR）等要求，加强了产品研制过程控制要求。对产品的这些要求，也体现在了对元器件的要求上。

3.5 重点控制非鉴定合格元器件

鉴定合格元器件和非鉴定合格元器件的不同要求，体现更加明显。

ESCC元器件文件和规范体系，主要针对鉴定合格元器件。ECSS元器件保证标准，对鉴定合格和非鉴定合格元器件的控制要求不同，体现了重点控制与非鉴定合格元器件的控制思路。在ECSS-Q-ST-60C Rev.2版本中，这一思想体现得更加明确，对非鉴定合格元器件的要求进一步地细化。例如：提出了变压器需进行封前检查（pre-cap）的要求，并需要进行破坏性物理分析（DPA）等试验。对鉴定合格元器件，则进一步地简化要求，可用发布的元器件清单（DCL）审查的方式替代元器件采购批准表（PAD）。

3.6 要求更加严格和细化，更具可操作性

在ECSS-Q-ST-60C Rev.2版本中，对元器件的要求更加严格和细化，更具可操作性。这些变化，作为标准的细节变化，体现在整个标准中。

例如，对Class 1元器件，其要求改变如下[2]：

a）云母电容器（CYR型）

MIL-PRF-23269 EFR level R min，增加每批进行1000 h、125°C、 1.5倍电压寿命试验的要求；同时，新设计不推荐选用。

b）滤波器

MIL-PRF-28861/6滤波器不推荐选用。对非S级MIL-PRF-28861/6滤波器，应每批进行B组检验。

c）微波无源元件（环形器、隔离器）

增加标准，MIL-DTL-28791（隔离器）。

d）微波无源元件（耦合器、功率驱动器）

增加标准，MIL-DTL-15370（耦合器）。

e）微波开关

增加标准，MIL-DTL-3928。

f）厚膜固定片式电阻器

增加ESC C4001至少R级以上的要求。

g）零欧姆厚膜固定片式电阻器

增加MIL-PRF-32159 T级。

h）开关，热静态：增加标准，MIL-PRF-24236。同时，增加要求：按照MIL-PRF-24236生产的元器件，可按照ESCC 3702增加运行试验，500个周期60/100 mA；按照ESCC表2进行测试；100%外观检查。

i）低频电线电缆

增加标准，MIL-DTL-16878。

以前的版本明确DPA可按家族抽样。ECSSQ-ST-60C Rev.2给出了限定条件，明确13周内可组合抽样。

ECSS-Q-ST-60C Rev.2细化了混合电路的选择、保证要求和设计要求等，明确了商用元器件的选择、筛选和鉴定要求等。

以前的版本要求一次性可编程器件必须进行编程后处理。ECSS-Q-ST-60C Rev.2允许充分地利用继承性信息，并发布已经使用过的FPGA数据[7]，规定无应用数据时，需进行160 h编程后处理，已经发布的、具有继承性的FPGA可查阅ESCC REP010。

4 对我国宇航元器件保证的建议

分析欧洲元器件保证标准观点，以及ECSSQ-60系列标准的一些规定，如：欧洲某宇航元器件保证机构提出 “对于商用元器件的观点是 “当你需要高性能元器件时，不要担心使用它；不要相信通过使用商用元器件，可以达到省钱的目的！”。再如：对于混合电路，ECSS-Q-ST-60-15要求其内部芯片根据其辐射效应，也进行辐射试验；还有，ECSS-Q-ST-60C Rev.2规定，对于深亚微米器件，鉴定项目应针对性地制定。欧洲宇航元器件的这些做法，间接地回答了目前中国宇航界关注且有不同声音的问题，值得参考和借鉴。通过分析，提出对我国宇航元器件保证的建议：

a）完善宇航元器件保证标准体系

以国家航天重点工程的需求为牵引，在借鉴国外经验和总结国内成功实践的基础上，考虑国内现有的军用电子元器件标准体系基础，通过自主创新，构建中国自主创新的先进、完整的宇航元器件保证标准体系，为保障中国宇航事业的发展保驾护航。

b）根据应用场合，建立元器件应用等级体系

做好宇航应用要求的研究，根据不同的应用环境，建立应用等级与标准质量等级之间的对应关系，根据元器件基础等级，考虑具体的应用情况，确定元器件保证的具体要求。这样，可以在满足型号需求的基础上，缩短成本。

c）建立新技术元器件鉴定方法指南

随着元器件技术的不断发展，元器件的复杂程度不断提高，已有的MIL标准体系已经不能完全满足复杂器件空间应用的鉴定要求[6]；目前，元器件自主可控的要求不断提高，国内新技术元器件研发的水平不断提高。为了确保这些新技术元器件宇航应用的可靠性，应针对新技术元器件的空间应用需求，以及失效机理，建立新技术元器件鉴定方法指南，支撑型号应用新技术元器件的需求。