航空电子器件超温使用分析及升额方法研究

梁 媛刘文媛杨 洋卢晓青蔡良续孟玉慈

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司第六三一研究所，陕西 西安 710119 ）

航空电子器件超温使用分析及升额方法研究

梁 媛1刘文媛2杨 洋1卢晓青1蔡良续1孟玉慈2

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司第六三一研究所，陕西 西安 710119 ）

对航空电子器件超温使用的现状以及危害性进行分析，结合国际标准IEC/TR 62240，提出航空电子器件升额的器件参数特性重估法、应力配平法、参数一致性评估法及更高装配级测试法，为器件超温使用评估提供理论依据。

航空电子；超温使用；升额

电子元器件是组成电子产品的基本单元，其选用是保证电子产品可靠性的重要一环。传统的应用于严酷环境的航空电子产品选用执行军用标准的半导体元器件，由生产军用标准半导体厂商提供货源，因此能够保证元器件的工作温度范围覆盖电子产品的实际使用工作温度范围。由于近几年来，许多元器件生产厂家已退出军品市场，使得可供使用的宽温度范围电子器件大量减少，设备生产厂家经常将电子器件应用在超出产品手册所规定的温度范围，这对半导体电子器件的使用和电子产品的可靠性带来了很大的风险。

近年来，在航空电子与计算机领域，为满足航空电子设备性能要求，大量使用商用货架元器件（Commercial-off-the-shelf Products，以下简称COTS器件），由于COTS器件工作的温度范围比航空电子环境的稍窄，电子元器件在超出制造商规定的温度范围内使用，通常引起元器件可靠性降低，安全风险增大，从而影响武器装备的质量和可靠性[1]。

1 超温使用对电子器件影响分析

通常，电子器件在高温条件下工作的失效率远大于在室温下工作的失效率。例如，对于PNP硅晶体管，在其工作温度范围内，25℃和应力比0.3的条件下，其基本失效率为0.009 6，130℃和应力比0.3的条件下，其基本失效率为0.063，高温与室温失效率之比为7:1，低温使用时失效率同样高于室温失效率[2]。由此可见，如果超温使用电子器件，造成设备内电子器件的温度超出元器件的使用温度范围，加速元器件的失效，从而导致航空电子设备可靠性降低。

1.1 超高温使用对电子器件可靠性的影响

当电子器件使用于超过手册规定的高温环境时，通常出现电子器件材料加速老化、绝缘性能恶化、金属材料加速膨胀或使不同材料膨胀差异变大、塑性材料加速变软、同时化学变化加速等，从而引起电子器件性能改变或退化；绝缘不良使电子器件漏电或短路；膨胀使密封破坏或使磨损增加、化学腐蚀加剧等。这些是微电子器件、半导体分立器件较为常见的失效模式。

1.2 超低温使用对元器件可靠性的影响

当电子器件使用于超过手册规定的低温环境时，通常出现润滑剂等粘度增加，材料快速脆裂，冷凝结冰等现象，从而引起电子器件运转部分卡死，密封性破坏、零件断裂或失去弹性；电性能变化，甚至出现短路等失效模式[2]。

2 航空电子器件超温使用现状分析

市场采用的电子器件根据不同的温度范围确定了不同的使用级别，其中军工级电子器件温度范围最宽，汽车级电子器件次之，工业级电子器件较低，商业级电子器件最低，典型温度范围见表1。在超温使用元器件过程中，首先选择规定温度范围扩展最小的电子器件。即在选择制造商提供的不同温度条件下工作的电子器件时，一般选择额定温度范围最接近使用范围的电子器件。例如，如果电子器件使用温度范围要求为-55℃～125℃，制造商给定可选的电子器件中，商用电子器件温度范围为0℃～70℃，相同型号工业级电子器件温度范围为-40℃～85℃，汽车级电子器件温度范围为-40℃～125℃，则选择汽车级电子器件。

表1 市场采用器件典型温度范围

目前，军用电子产品选用的超出制造商规定温度范围的COTS器件，其封装类型大多为塑封电子器件（Plastic Encapsulated Microcircuit，以下简称PEM）。塑封电子器件质量轻、体积小、成本低、制造工艺简单，已广泛应用于航空工业领域，但仍存在着许多可靠性问题，造成塑封电子器件在使用过程失效率较高，特别是在高温高湿环境中由封装气密性造成的失效，在高电压、高电流、高工作温度的功率电子器件上表现得尤为突出，而这些失效通常无法通过普通的筛选来剔除。

军用电子元器件中超出制造商规定的温度范围内使用COTS器件存在问题包括：

· 在按照系统或整机的筛选大纲进行筛选过程中，进行温度循环试验时，如果系统或整机筛选大纲规定的温度范围超出电子器件手册规定的温度范围（一般为贮存温度范围），会给电子器件带来潜在的伤害；

· 对于超出制造商规定的温度范围使用的塑封电子器件，可依据PEM-INST-001 Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection, Screening, and Qualification（《塑封微电路选择、筛选及鉴定》）[3]进行高温高压蒸煮试验来评估其质量。但通常试验费用较高，试验耗时长，一般工程中难以实现；

· 随整机进行考核。但缺少统一的规范及标准，造成在超出制造商规定的温度范围内使用的塑封电子器件在使用过程中失效率较高，且失效后通常无法进行正常归零。

3 航空电子器件超温使用方法研究

为保证COTS器件的可靠使用，针对超温使用电子器件引起的上述问题，本文依据目前航空电子超温使用电子器件的现状，结合国际标准IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part1:Temperature uprating（《航空电子过程管理—电子器件使用性能—第一部分：升额》）[4]，给出航空电子器件超温使用时升额的方法，以确保航空超温使用塑封电子器件的使用可靠性。

3.1 电子器件参数特性重估法

电子器件参数重估指超过电子器件制造商规定温度范围的各类电子器件参数的重估，该过程在电子器件厂商规定的温度范围之外测试电子器件的电参数及其变化，如果测试结果准确无误，且符合参数阈值要求，则据此重新规定数据手册中目标参数在更宽温度范围的升额值或冗余，经重估后的电子器件可在新参数提供的功能要求中使用。为了有效的评估电子器件制造差异性，需要考虑不同批次电子器件，同时通过应用方式和使用频率来识别该差异。

参数特性重估过程通常由电子器件使用者或特定测试机构进行，具体重估过程见图1。

3.1.1 选择关键参数

确定使用中所有关键的电参数，并在全部应用目标温度范围内进行重估。参数通常具有相互依赖性，例如逻辑电压依赖于供电电压，因此在确定参数时应考虑各参数之间的相关性。

3.1.2 确定样本量

为了保证参数特性重估中的正常变化不会引起参数超限，要选择大量的参数特性重估的样本。样本量应根据每一个参数特性重估实例确定。由于质量一致性可能是由实际使用及使用率决定的，为了有效地评估电子器件制造质量一致性，需要对多批次电子器件进行采样。考虑的因素包括：

——可用于测试的电子器件数量；

——用于测试的参数类型；

——目标温度；

——进行测试所需的资源；

——期望的置信水平；

——期望的参数裕度；

——与电子器件和使用相关的其它参数。

3.1.3 参数重估测试

参数重估测试通常要求在整个目标温度范围内，选取多个温度点进行，而且还要考虑目标温度范围外的温度裕值。在参数重估过程中，需要了解电子器件的绝对温度极限值；并且在这个过程中控制所有温度不能超过该极限值。实际使用的电子器件不能超过最大绝对温度极限值。

图1 参数特性重估过程流程图

3.1.4 电测试结果的预估

如果测试结果显示无功能失效，参数-温度曲线连续，且修改的参数限制适用于使用情况，那么认为升额过程成功。

3.2 应力配平

半导体电子器件工作时，满足公式：

式中：

TJ：电子器件结温，℃；TC：电子器件壳温，℃；P ：功耗，W；θJA：电子器件结到管壳间热阻，℃/W。

由此可见，电子器件的功耗通常与电子器件使用时壳温、结温、结到管壳间热阻相关。通常电子器件壳温受环境温度影响较大，可用环境温度TA代替壳温TC。电子器件参数重估就是通过充分降低功耗来保持结温不变，达到电子器件在较高的环境温度下工作的目的。考虑到电子器件在低温下的启动问题，公式（1）通常适用于将电子器件工作温度升额到额定最高工作温度之一，不适用于对电子器件在低于其额定最低工作温度的条件下使用的评估。电子器件工作在低于额定最低环境温度时可使用其他方法评估，如：参数特性重估法。应力平衡方法具体实施过程如图2所示。

图2 器件应力配平流程图

3.2.1 确定参数与功耗的关系

首先，确定出哪些电参数可被降低、降低多少，并计算出为了进行升额，在给定应用中电子器件应降低的功耗值。在某些情况下，为保证功耗的减少满足要求，有必要同时降低多个参数。

3.2.2 建立ISO-TJ曲线

在保持结温不变的前提下，绘制ISO-TJ曲线。常用的方法有公式（1）所示的热阻-功率公式法及热仿真软件仿真法。

使用热阻-功率公式法绘制曲线时，在已知结到管壳间热阻θJA的前提下，功耗-环境温度斜率为-θJA的直线。如果该直线穿过点（TA-Max，PMax），即为ISO-TJ曲线。其中PMax为制造商规定的最高工作环境温度（TA-Max）下的最大功耗。广义的ISO-TJ曲线如图3所示。曲线绘制于电子器件最低功耗（PMin）和规定的最高功耗（PMax）之间。考虑到结温存在数据和计算误差，实际曲线向横轴平移结温裕度TM，从而ISO-TJ曲线计算出的使用功耗PAPP也相应的降低了裕度PM，成为PAPP，由此可得到比制造商规定的最高工作环境温度TA-Max更高的使用环境温度TAPP。图3中PMin对应的温度是电子器件可使用的最高温度，记为TUp-Max。这样，PMax–PMin–I–I’作为边界确定的区域即为升额工作区域。

图3 ISO-TJ曲线：环境温度与功耗的关系

使用热分析构造ISO-TJ曲线时，根据使用环境温度、功耗等条件，利用热仿真软件模拟电子器件工作情况。首先建立一个电子器件的热模型，在热测试条件下对电子器件进行热仿真，如果电子器件热仿真结果与制造商提供的热数据匹配，证明模型有效；然后模拟电子器件在应用环境中不同的功耗值，从应用热模型得出功耗/温度关系。

3.2.3 确定新参数值

如果应力配平方法可用，绘制一条以某项电参数值为纵坐标，横坐标为在PMin和PMax之间的功耗值的曲线。垂线对应升额电子器件的应用功耗PApp。垂线与曲线的交点纵坐标的值就是通过应力配平方法调整后的电参数值。电参数和功耗的关系如图4所示。

完成以上步骤后，在目标应用温度下对新的电参数值进行功能测试，如果电子器件满足电子器件手册要求，但不能确定是否满足使用中的功能要求，可进行更高装配级的功能测试，以判断电子器件是否可用。

图4 电参数和功耗的关系图

3.3 参数一致性评估

在低于或高于制造商规定的额定温度值的目标温度点评估电参数一致性时，考虑的因素有：电子器件规定的工作温度、目标温度范围以及电子器件前期经历，通常采用的两种方案有：最小容差条件下测试和通过增量温度测试确定容差。

3.3.1 最小容差条件下测试

最小容差条件下测试指在电子器件温度高于规定温度上限或低于规定温度下限的条件下进行参数测试。电子器件目标温度限值增加（电子器件目标温度高于规定温度上限）或减少（电子器件目标温度低于规定温度下限）适当的裕度，一般典型的裕度为2～5℃。

采用该方法时，为保证置信度，样本量选取数量足够大，且所有被评估的临界电参数都要通过参数“合格-失效”测试进行评价。参数测试极限应根据电子器件制造商提供的电子器件手册而定。如果测试结果合格，电子器件进行组装前测试或进行更高装配级测试；如果测试结果不合格，说明电子器件不具备升额的能力，或者应考虑其它的升额流程。

3.3.2 通过增量温度测试确定容差

通过增量温度测试确定容差时，电子器件测试温度达到或接近规定温度的上限（或下限），然后再连续提高（或降低）温度，直到所关注的参数超出数据手册中限值的范围，通常推荐的温度增量是5℃。通过该方法可得到参数非一致性的温度分布以及新的温度限值。经过测试结果，如果符合公式2，则电子器件可投入使用。

式中：

Treq-max：系统中所需电子器件最高工作温度；X ：样本均值；CIX：平均值的置信区间；A ：容差的标准方差；CLσ：标准差置信度；TE ：测试设备容差。

3.4 更高装配级测试

通过装配级测试进行升额是电子器件升额方法的一种，由测试包含该电子器件的组件实现。测试在装配级进行，通过测试电子器件和组件的相关性，确定在目标使用温度范围内电子器件是否满足所需功能。

更高装配级测试通常用于在目标使用温度范围内，电子器件用于包含其它电子器件及功能的更大装配中时，验证电子器件是否满足该组件所需功能和性能的能力。该过程要求对电子器件在特定应用中重要性能参数进行评估，并非针对所有规定的性能特性参数。因此，会出现在某个应用中验证可用的电子器件在其它应用中可能不可用的情况。

4 总结

随着COTS器件越来越多的应用于航空航天及国防领域，超出制造商规定温度范围时半导体电子器件的使用造成武器装备失效率升高，导致航空电子设备可靠性低。目前，超温使用的电子器件无法通过常用的的筛选对影响使用可靠性的电子器件进行有效的剔除，且工程中缺少有效可行的升额方法，因此，急需形成一套适用于工程应用、有效可行的电子器件升额方法。

本文依据目前航空电子超温使用电子器件的现状，结合国际标准IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part1:Temperature uprating，提出航空电子电子器件升额的电子器件参数特性重估法、应力配平法、参数一致性评估法及更高装配级测试法，通过理论评价、仿真评估、试验验证相结合的方法，保证超温超温使用电子器件的质量及可靠性，为后续形成有效的超温使用电子器件评估提供理论依据。

[1]黄永葵.IEC/TC107国际电工委员会航空电子过程管理技术委员会及相关情况介绍[J].航空标准化与质量，2004（3）.

[2]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第二十册 可靠性、维修性设计[M].北京：航空工业出版社.1999.

[3]PEM-INST-001 Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection，Screening，and Qualifcation[S].

[4]IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part：Temperature uprating[S].2014.

（编辑：雨晴）

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1003-6660（2016）06-0036-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.009