商业卫星用元器件补充筛选利与弊※

曹德峰 张颖 崔帅 李志勇 胥佳灵 卢健

（1上海微小卫星工程中心，上海 201203；2中国科学院微小卫星重点实验室，上海 201203；3上海精密计量测试研究所，上海 201109）

商业卫星用元器件补充筛选利与弊※

曹德峰1，2张颖3崔帅1，2李志勇1，2胥佳灵1，2卢健1，2

（1上海微小卫星工程中心，上海 201203；2中国科学院微小卫星重点实验室，上海 201203；3上海精密计量测试研究所，上海 201109）

商业卫星；补充筛选 （二筛）；航天型号工程；元器件。

1 元器件的二次筛选

航天型号工程的可靠性，在很大程度上取决于元器件的可靠性。多年来，航天型号任务的成功发射以及各航天器在轨运行经历，都已经证实元器件可靠性质量保证技术的重要性。目前国内可靠性质量保证技术，主要有元器件补充筛选（二次筛选，简称二筛）、破坏性物理分析（DPA）、 失效分析 （FA） 和结构分析 （CA）。 此外，近年来逐步发展的还包括新品评价、应用验证等技术[1]。其中，二筛是关键环节。航天型号采用的元器件，都要进行二筛，以保证装机元器件的可靠性。航天型号二筛成本较高，且周期较长。

就全球元器件制备工艺而言，元器件生产工艺逐渐趋于成熟，生产的元器件性能越来越稳定。生产厂进行一次筛选[2]，剔除了早期失效的产品，在二筛过程中剔除的不合格品就会减少。商业卫星是目前国内、国际应用的主流，典型特征是低成本、微型化、小型化。成本较低产生的现实问题为：选用的元器件质量等级偏低，多数为商业元器件。要保证航天型号工程的高可靠性，元器件需不需要二筛、如何去二筛或二筛的意义究竟多大等成为重点关注的问题，不同研究学者提出的观点不同。

部分学者认为，型号用元器件没有必要进行二筛，通过厂家一次筛选或一次筛选加严的方式进行，二筛会引入新的可靠性问题[3]，如高密度封装、高度集成器件，二筛很容易引入新的损伤（如引脚弯曲变形等），造成器件装配过程中不确定因素的存在。还有部分研究学者认为，航天型号工程可靠性质量保证在很大程度上取决于二筛，二筛能够保证航天型号元器件质量；商业卫星元器件二筛应重新制定筛选规范，或减少条件或抽样进行。以前元器件二筛主要针对高可靠、长寿命型号，对于寿命较短的商业卫星不适合，采用原有的筛选模式，在筛选成本、型号进度等方面都存在问题。

上述学者观点均有一定的道理。新形势下商业卫星元器件二筛如何进行，既能保证质量又能最大限度减少成本，成为目前该领域的关注重点。基于上述实际需求，本文以某型号元器件二筛存在的实际问题为例进行分析，旨在对同行业技术人员提供参考。

2 元器件二筛的弊端

2.1 静电损伤问题

在元器件二筛过程中，有时会出现元器件静电损伤问题。该类问题发生时，会连带一系列的其他问题，如型号上举一反三、质保机构其他元器件的静电问题查询等。静电放电 （ESD）失效可以是热效应，也可以是电效应，这取决于半导体集成电路承受外界过电应力的瞬间以及器件对地的绝缘程度。

易被静电损坏的电子器件称为静电敏感器件[4]（Static Sensitive Device，SSD）。按照目前的半导体制备工艺，器件集成度越来越高、功能逐渐多样且逐渐微型化、小型化，通常将器件氧化膜的厚度做得越来越薄使其尺寸减少，与之相对应的器件耐压值也随之降低。若筛选过程中静电防护不到位，器件很可能引入静电损伤。半导体器件，根据其种类不同受静电破坏的程度也不一样，有的100V的静电也会造成器件损伤。一些典型静电敏感器件电压范围见表1。

表1 部分静电敏感器件电压范围

静电敏感器件被静电损伤后主要表现为两种形式：硬击穿和软击穿[5]。电子元器件被静电破坏后，约有90%产生软击穿，而10%左右被完全破坏。硬击穿元器件能够通过检验发现，然而软击穿元器件却难于被发现。被软击穿的元器件，通常在击穿后较长时间后才出现工作性能变化，这种变化可以导致间接性故障，通常引发参数暂时性的漂移、不稳定或是带负载能力变差。软击穿还会使元器件耐压降低，加上额定电压的1/4时便会损坏。

航天型号产品曾经发生过因静电损伤而导致系统失效的案例，给航天系统带来了巨大的经济损失。所以，在元器件二筛过程中，仍需采取各种有效措施来防止元器件受到静电损伤，如穿防静电工作服、佩戴手环等。对于此类元器件，若一筛后性能稳定且用户反馈良好，可以不做或少做二筛试验，减少损伤，提高可靠性。

2.2 筛选中的应力施加问题

二筛中对元器件施加应力，使缺陷能够早期暴露，是元器件质量保证重要手段之一。对于半导体器件，由于其结构精细、工艺复杂，在制造过程中可能会在部分元器件上留下隐患或缺陷。有的缺陷可以通过测试手段发现，如芯片裂纹、表面粘附粒子等；而有的需要在使用过程中逐渐暴露，时间长达1000h左右，如硅片表面污染、焊接空洞、芯片和管壳热阻匹配不良等，这就需要施加诸如高温动态试验应力来加速这类缺陷的提早暴露。目前，应力试验和测试是世界公认的、必备的元器件质量保证手段[6]。

然而，在二筛过程中，要保证元器件的可靠性，环境应力是必须关注的问题。二筛的项目及其应力的选择是根据产品的使用要求来定制，制定出来的筛选要求，既不能过严，也不能过松。筛选要求过严，会淘汰符合产品使用要求的元器件，加大筛选成本和元器件使用成本，在特定情况下，还可能对元器件造成损伤，反而留下了质量隐患；筛选要求太松，则会使一些不满足产品使用要求的元器件顺利通过筛选关，从而降低产品的可靠性水平。

除上述因素外，若业内质保单位相关技术人员对被检元器件性能不了解，经常会出现过应力筛选，导致器件参数退化或失效。如某型号使用的DSP电路，40只元器件在进行二筛的过程中，发现4只高温电老炼常温测试实装功能失效。经筛选工艺复查后发现存在以下问题。

a）元器件二筛技术条件有误，表现在高温老炼温度 （125℃±2℃）超过元器件实际工作温度 （工作温度范围 （W） 为-55℃～115℃）。 在航天型号元器件进行二筛试验过程中，若元器件的工作温度大于二筛试验的温度，则按二筛规定的温度进行；若元器件的工作温度小于二筛试验规定的温度，则二筛的温度不能高于元器件工作温度。

b）高温老炼测试夹具与元器件匹配性较差，导致某些被测试元器件引脚焊锡球严重变形。此外，该批电路封装形式为陶瓷焊球阵列封装（CBGA），焊锡球引脚材质为Pb、Sn，元器件在经受125℃的高温下，焊锡球表面会生成一种不导电的SnO2，导致器件接触性能不好，出现功能失效。为了验证失效是元器件本身造成还是二筛中引入的，对该批次进行去氧化处理并修复焊锡球表面后重新测试，上述4只失效元器件均合格。

此案例中，虽然有部分元器件筛选合格，但变形的CBGA焊锡球在装配过程中容易造成虚焊，导致元器件可靠性大大降低，影响电装工艺的可靠性。

目前，大多数元器件引脚为纯Sn或Pb、Sn合金，高温情况下引脚表面都会形成一层不导电物质，导致元器件接触性能下降。因此，元器件高温老炼如何保证引脚不氧化，也是二筛值得研究的问题。

2.3 压力过大导致盖板凹陷问题

某型号固放单机使用的质量等级为H级的DC/DC电源模块，数量20只。二筛试验过程中，在进行密封试验后，发现盖板有不同程度的凹陷。检漏加压条件：细检漏为310kPa加压时间为5h；粗检漏为517kPa加压时间为2h。

出现此问题后，元器件质保方、承制方以及型号总体相关技术人员，就元器件密封性试验中盖板凹陷情况进行质量排查，结果发现加压条件不符合相应标准规定要求，主要表现在两个方面。

a）密封试验顺序为先细检漏后粗检漏。细检漏符合GJB 548B—2005加压条件：压强310kPa，时间5h，试验后没有进行外观检查；粗检漏加压条件改为517kPa、时间2h，试验后检查发现被检器件盖板有不同程度的凹陷。

b）对该批次元器件选取一只开帽，测量其空腔体积，验证加压条件是否符合技术要求。经过对空腔部分长、宽、高的测量计算，该元器件内腔体积为17.95cm3，查阅美军标 MIL-STD-883K方法1014.14中2.1.2.2对单片集成电路和混合集成电路细检漏有明确的规定：10≤X＜20cm3（X为元器件腔体体积）的混合集成电路，加压条件为206kPa、加压时间12h。

上述问题为元器件筛选过程中试验条件错误引起的元器件批次性质量问题，非元器件本身质量问题。

3 元器件二筛的优势

3.1 识别假冒翻新元器件

目前，国内元器件市场上翻新元器件较多，而且已经进入航天领域。航天各个院所特别关注此方面的问题，但是收效甚微，仍然有很大部分翻新件流入航天领域。此类元器件较难被发现，在测试的过程中大部分为合格。目前常用技术手段是外部目检、X光检查、内部目检以及芯片版图、标识相结合 （有时通过DPA），阻止了翻新件继续流入[7]。

就集成电路制备工艺而言，由于我国起步相对较晚而且基础工艺相对落后，元器件制备后一致性较差，有时难以满足航天型号的需求，不得不依赖进口，尤其是一些关键元器件 （如DSP、FPGA）费用很高。部分商家为了获取高额利润，将翻新件销售到用户手里。而且商家掺假情况不同，有时整个批次都为赝品，有的只在里面掺入一定数量，用户难于察觉。翻新件在专业质保单位有时候都很难发现，用户一般对元器件了解的不多，难于识别该类元器件。翻新件对航天可靠性工程影响较大。

为了保证型号元器件可靠性，二筛中第一步就是元器件的外部目检，剔除假冒翻新、镀层起皮、引脚锈蚀以及引脚变形的元器件。某承制单位在某航天型号采购的15批元器件，二筛中发现12批次元器件外部目检不合格。不合格的原因为元器件表面或引脚有二次涂覆痕迹，有的经过了化学处理。若不进行二筛，会有更大比例的翻新元器件流入航天市场，航天型号工程的可靠性难于保证。

3.2 关键元器件可靠性分析

对于型号工程而言，有一些是特殊类型的元器件，其他元器件要受到此类元器件制约。继电器在型号工程上是一个极其重要、极其关键的部件，一个单机即使其余元器件可靠性都高，然而继电器若发生故障，整个单机会失去功能，出现失效[8]。即使其它元器件的可靠性以及电装工艺可靠性都能够保证，然而一只继电器的失效足以让该单机失去功能。且磁保持继电器的中位问题属于致命失效问题之一，型号设计师对该类产品较为关注。

对于此类元器件，二筛过程中要重点检查。如，在某航天型号上使用的某磁保持继电器中位筛选失效问题，二筛总计65只继电器，中位筛选试验发现21只不合格，不合格比例占到32.3%。经过分析发现，磁保持继电器的中位筛选不合格可能是由于磁钢表面工艺加工存在问题：磁钢工作面呈圆弧形貌而且顶端微变曲，圆弧边缘表面粗糙、呈颗粒状，使顶端呈窄长平面状，影响衔铁翻转的灵活性。该问题为批次性元器件质量问题，予以剔除后，提高了航天型号的可靠性。

3.3 元器件质量问题

某型号上使用的30只DC/DC电源模块，二筛中颗粒碰撞噪声检测 （PIND）试验时有3只不合格，其PDA值超出型号规定要求，属于批次性质量问题。对3只PIND不合格样品进行开帽检查，电源模块内部结构如图1（a）所示，内部目检发现以下问题。

a）GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2017.1中3.1.2 a）条规定样品拒收的条件：对于无端电极的元件，大于50%的元件周界上见不到粘接介质，除非粘接介质在元件两个不相邻的侧边上是连续的。由图1（b）可知，模块中电容器与此规定不符。电容器两端应点胶固定，保证剪切强度合格。此类元件的表面贴装采用导电胶粘接工艺，容易导致剪切强度不合格，可靠性降低。

b）GJB 548B—2005方法2017.1中 3.1.9 a）条规定样品拒收的条件：在封装内或在封装壳内存在没有固定住的多余物。一只元器件内部目检（图1（c））发现，磁环周围存在球状金属物质，如图1（d）所示，符合样品拒收的条件。

4 塑封元器件的二筛问题

低成本商业卫星用到越来越多的塑封元器件，与陶瓷封装、金属封装元器件相比，塑封元器件有其自身的不足[9]，表现在以下几方面。

a）塑封元器件环境适应性差，不能满足航天产品环境温度要求。商业用元器件温度为0℃～70℃，工业用元器件温度为-40℃～125℃、汽车用元器件温度为-40℃～105℃，而宇航高可靠领域的元器件温度为-55℃～175℃。

b）塑封元器件由于材料特性容易出现分层，不能满足航天产品可靠性指标要求。

c）相对于金属封装或陶瓷封装，塑封元器件密封性较差，为非密封元器件。

d）塑封元器件，特别是进口塑封件，质量等级通常为工业级，不符合航天产品质量保证等级规定要求，而国内大多数民用塑封件仅仅为商业级。

e）塑封元器件抗辐射性能较差，多数器件难于在辐射环境下高可靠工作。

塑封元器件因其自身的局限性，限制了在航天型号中的应用。然而，低成本商业卫星的大背景下，因其研制周期以及研制成本又不得不使用大量塑封件。因此，塑封件的筛选问题成为该技术领域关注的重点。相关研究表明，塑封元器件二筛，能够最大程度检测发现失效问题是进行超声波扫描检查 （SAM），具体表现为不同塑封材料与芯片表面、引脚表面以及基座层之间的界面上，裂缝宽度从几十纳米到几百微米不等，GJB 548B—2005以及MILSTD-883J对塑封元器件分层形貌的检测也有相应检测条款。塑封件分层的后果为出现 “爆米花”效应。

塑封元器件封装过程是物理、化学、材料、封装环境共同作用的结果，因而其分层形貌较为常见。在塑封件封装过程中，由于封装过程的特殊性 （涉及环氧树脂本身质量、浇筑成型温度、封装空间内部环境气氛等），经常发现被检元器件失效比例很大。较薄元器件 （QPF）发生失效的比例较小，而较厚元器件发生分层比例较大。此外，X光检查也会发现部分元器件失效，如引线在封装过程造成的塌丝。

为了保证塑封元器件的可靠性，同时又要兼顾研制周期、成本等，业内部分研究机构通常采用外部目检、X光检查、超声波扫描检查、高温电老炼以及老炼后测试作为强制执行筛选项目。其余试验项目根据元器件实际使用环境要求合理制定，如元器件抗辐射加固、高压蒸煮、升级筛选[10]等。

5 结论

为了保证商业卫星的可靠性而进行的元器件二筛，其是否有必要进行以及如何进行，笔者进行如下归纳总结。

a）国内元器件生产工艺成熟稳定的厂家，其元器件二筛可以纳入厂家一次筛选中加严筛选，元器件可靠性中心建立厂家动态考核机制；进口元器件查阅元器件质量控制技术文件，无筛选记录元器件应严格二筛，同时注意假冒翻新元器件。

b）筛选过程严格进行防静电控制，尤其对于静电敏感元器件，不能引入新的筛选缺陷。

c）筛选过程中，应了解元器件实际使用情况，避免过应力筛选。部分未能筛选的元器件，可以纳入单机或整机考核试验过程，以此保证元器件可靠性。

d）尝试改变现有筛选条件，如按照卫星寿命确定筛选技术方案，实现筛选的科学化、合理化。

e）关键类元器件应按照以往筛选模式进行筛选或加严筛选，如继电器等决定系统成败的控制类元器件。

［1］崔帅，曹德峰，李志勇，等.聚焦离子束加工技术在元器件可靠性领域中的应用研究［J］. 环境技术， 2016 （4） .

［2］ 龙谦.浅谈元器件的 “一次筛选”［J］.电子元器件与可靠性，2002（2）.

［3］张小强.元器件二次筛选质量控制 ［J］.电子质量，2015（11）.

［4］丁鹏辉.宇航电子产品电装过程中的防静电研究［D］.北华航天工业学院，2015－06.

［5］王振雄.功率器件的封装失效分析以及静电放电研究［D］.复旦大学，2009－05.

［6］李根成.环境应力筛选与应力激发试验［J］.装备环境工程，2005，2（4）.

［7］高金环.翻新伪造电子元器件的鉴别 ［J］.电子科技，2014，27（8）.

［8］梁慧敏，刘茂恺，谢勇，等.磁保持继电器的中间位置 ［J］.哈尔滨工业大学学报，1999， 31 （4） .

［9］周毅.大功率塑封器件失效机理研究 ［D］.沈阳工业大学，2009－02.

［10］王敬贤，管长才.国际空间站用元器件的升级筛选［J］.航天标准化，2008（1）.

文 摘：对商业卫星用元器件补充筛选利与弊问题进行分析，指出：成熟稳定的国产元器件可以不二筛或纳入厂家一次筛选中加严筛选；进口元器件应注意假冒翻新问题，依据实际情况进行二筛；筛选过程须严格进行防静电控制、了解器件实际使用情况，避免过应力筛选；继电器等关键元器件应按照以往筛选模式进行筛选或加严筛选；塑封元器件应根据实际使用需求，有针对性地进行筛选；尝试改变现有筛选技术条件，按照卫星寿命确定筛选技术方案。

※ 本文源于国防科工局技术基础研究项目：小卫星用电子元器件质量控制技术研究 （1707wk00××）。

曹德峰 （1982年—），男，硕士研究生，工程师，从事航天型号元器件失效分析工作。

张颖 （1983年—），女，硕士研究生，工程师，从事科研课题管理工作。

崔帅 （1978年—），女，硕士研究生，高级工程师，从事质量与可靠性管理工作。