空间科学装置元器件替代关系与数字化表征研究
2021-07-09李自豪1党3王振肖
李自豪 1党 炜 汪 洋 3王振肖
(1.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049；2.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094；3.国科赛思(北京)科技有限公司，北京 100080；4.中国科学院大学经济与管理学院，北京 100049)
1 引言
空间科学装置使用元器件种类丰富、质量等级覆盖全面、功能性能优秀，但采购成本高、周期长、可靠性要求高，因此研究空间科学装置元器件替代关系，对于降低高端元器件采购成本、缩短任务周期、压缩元器件选用清单、优化空间科学装置元器件库存管理、提高关键核心元器件自主可控能力及保障空间科学任务正常开展意义重大。
朱小英等指出了元器件国产化替代对于中国航空航天电子设备的发展和保障具有重要价值，质量控制和可靠性保证相关工作是国产替代工作的关键环节；毕锦栋等从元器件基本功能、关键性能参数、封装与外形尺寸、质量可靠性与环境适应性等维度出发介绍了国际主要的元器件替代类型，并提出相关元器件国产化替代的实践建议；许少尉等分析了元器件原位替代的相关要求，从功能性能及工艺性验证方面介绍了原位替代验证的经验和方法，并结合工程实践给出元器件原位替代的典型案例；郑丽香、张鹏南、周文杰等介绍了通过仿真技术验证元器件国产化替代的相关工作；胡子阳结合实际案例说明信号分析技术可以有效避免元器件国产替代中故障问题发生；李永梅等分析了元器件替代的相关案例，同时指出国产替代应注意的关键问题。然而上述工作主要集中分析元器件国产替代的概念、重要性、保障措施及实施建议等，没有涉及空间科学装置元器件质量可靠性因素对替代关系影响的研究，也未介绍元器件不同类型替代关系的具体定义及数学表征和建模方法。
本文提出考虑可靠性因素的替代关系定义、替代关系类型、替代关系性质等基本概念，并设计各替代关系数学表征方式及替代所需考虑的指标体系，最后结合工程应用中不同元器件替代关系案例进行分析。
2 元器件替代关系定义及替代类型
2.1 元器件替代关系定义
同一型号的元器件在不同使用环境下的替代要求不同，即使是相同使用环境下，由于使用要求和执行任务要求不同，替代要求也不同。而空间科学装置使用元器件对使用环境要求、质量可靠性要求更高，替代要求更加严格。因此，元器件间是否存在替代关系本质由元器件固有功能性能、实际使用环境以及特定型号任务对元器件功能性能和可靠性要求方面决定。
本文定义空间科学装置使用元器件替代关系如下:在规定的条件下，在规定时间范围内，元器件A
能够取代元器件B
实现其功能，且性能、可靠性满足元器件B
的任务要求，则称元器件A
可单向替代元器件B
；若元器件B
也可替代元器件A
，则称元器件A
、B
存在替代关系。由该定义可知，替代关系存在单向替代和双向替代2种，基于上述定义并结合实际需求可判断两元器件间是否存在替代关系。
2.2 替代关系类型设计
由元器件替代关系定义可知，替代关系确定需结合元器件固有功能性能、使用环境及空间科学任务对元器件可靠性要求3点判断。其中，功能性能主要关注元器件固有的功能性能参数、封装尺寸等；可靠性要求则分为元器件固有可靠性(质量等级)及与使用环境和任务要求相关联的使用可靠性(使用质量保证，工程验证)。本文以元器件功能性能替代类型为基础，综合考虑可靠性因素，形成面向空间科学装置使用元器件的替代关系类型，如图1所示。
图1 替代类型描述框架Fig.1 Description framework of substitution relation
图1中元器件功能性能替代或基本替代关系类型包括功能替代、原位替代、插拔替代和原厂替代4种。对于可靠性因素，主要考虑质量等级一致性、使用质量保证一致性和工程验证一致性3个等级。通过对元器件功能性能替代类型和可靠性因素进行组合，可获得空间科学装置等高可靠领域中常见的替代关系，如使用质量保证一致性的插拔替代等。
2.2.1 功能性能替代关系类型
功能性能替代对比元器件主要功能、功能性能参数、封装、管脚定义、外形尺寸、厂商和批次等方面的差异，具体可分为功能替代、原位替代、插拔替代和原厂替代。
1)功能替代。要求替代元器件间主要功能完全相同、主要功能性能参数值相同或相似、封装或引脚排列可以不完全兼容或等效。其中，主要功能性能参数是指直接决定和影响元器件功能的参数，该参数一般为元器件的主要设计指标。如对于运算放大器，通道数量、工作电压、输出能力、增益带宽积、压摆率等可认为是关键功能性能参数，其决定运放增益、输出响应性能。
2)原位替代。要求替代元器件管脚兼容、功能和封装类型相同、主要功能性能参数值相同或相似(即允许存在小范围的偏差，对元器件主要功能性能无较大影响)、外形尺寸接近(不用更改原印制板上焊盘的设计就可进行焊接或安装)。
3)插拔替代。要求元器件管脚完全兼容、主要功能性能参数值完全相同、且封装类型与外形尺寸一致，即替代元器件在功能性能参数值及封装引脚排列方面可实现直接替代。
4)原厂替代。替代元器件除需满足插拔替代所有要求外，其生产厂商还需保持一致，但替代元器件的型号或生产批次可有所差异。由于型号及批次的差异，替代元器件间使用原材料、工艺参数等不同，可靠性也有所差异。
在实际工程应用中，原位替代和插拔替代的定义或概念容易混淆，本文定义原位替代元器件功能性能参数值及外形尺寸允许存在小范围偏差而不影响实际功能性能或安装，插拔替代则要求替代器件外形尺寸和功能性能参数值完全相同。
2.2.2 可靠性因素
对于空间科学装置、武器装备等高可靠领域元器件替代，须考虑元器件的可靠性要求，即将元器件可靠性要求分解为元器件固有可靠性和使用可靠性2个维度。元器件固有可靠性是指元器件制造完成时所具有的可靠性，由元器件的设计、工艺和原材料性能决定，是通过设计和制造等赋予元器件的一种先天特性；而元器件使用可靠性则是指元器件应用于具体电路时所具有的可靠性，它不仅与元器件的固有可靠性有关，而且与元器件从出厂至失效所经历的工作与非工作条件有关。对于空间科学装置使用元器件，使用可靠性可由使用质量保证一致性及工程验证一致性体现。
1)质量一致性。主要反映元器件的固有可靠性，可通过质量等级衡量。由于不同厂商或标准间质量等级体系的差异，仅要求两元器件的质量等级等价一致，如对于微电路元器件，GJB 597 B1级、MIL-M-38535 M级、Q/W128 B级和“加严七专”可认为这些质量等级等价一致。
2)使用质量保证一致性。实际情况中由于不同任务及使用环境(温度、空间辐射等)对元器件功能性能要求不同，元器件的使用可靠性也有所差异，为满足可靠性要求，一般需要按用户规定对元器件进行使用质量保证检验。因此，定义若替代元器件经使用质量保证检验评估后，相关使用质量保证结论或指标符合用户要求，则替代元器件满足使用质量保证一致性。
3)工程验证一致性。除满足使用质量保证一致性要求外，对于新品替代元器件，其还应进行并通过相关的工程应用验证；对于成熟元器件，其应具备相同或相似的使用经历。在具体使用环境和任务要求下，工程验证一致性保证替代元器件间使用可靠性一致，能全面满足任务要求。
2.2.3 空间科学装置元器件替代关系类型
空间科学装置等高可靠领域，替代关系类型应由功能性能替代和可靠性因素组合而得，如使用质量保证一致性原位替代、应用验证一致性原位替代、使用质量保证一致性插拔替代、应用验证一致性插拔替代、应用验证一致性原厂替代等。
1)使用质量保证一致性原位替代。替代元器件满足原位替代要求，还应通过使用质量保证检验。
2)应用验证一致性原位替代。替代元器件满足原位替代要求，还应通过应用验证检验或拥有实际工程使用经历。
3)应用验证一致性原厂替代。替代元器件厂商一致，且通过应用验证检验。
4)其他空间科学装置元器件替代类型。根据不同的功能性能替代关系类型和可靠性因素，可以组合出其它常见的空间科装置元器件替代类型。
综上，替代关系类型及各类型替代要求如图2所示。由图2可以看出，不同功能性能替代关系和可靠性因素考虑的替代约束不同，随着替代约束的层层加严，元器件的替代关系类型的等级也逐渐上升。其中，功能性能替代的最低等级为功能替代，最高等级为原厂替代，且高等级替代必然包含低等级替代，如元器件间存在原厂替代关系也必然存在功能替代关系。功能性能替代组合可靠性因素可构成空间应用科学等高可靠领域元器件替代类型。
图2 替代关系类型及其约束条件Fig.2 Types of substitution and their constraints
上述设计的层层递进式元器件替代关系类型可覆盖空间科学装置研制的不同阶段和不同部门。如原理样机的制备阶段考虑使用低等级元器件以减小研制成本，而正样阶段为保证设备的可靠性，一般考虑使用高可靠、高性能元器件，故正样与初样选用元器件为原位替代关系。元器件采购阶段由于某些外部因素，如停产断档或禁运，导致选用元器件采购困难，此时可考虑插拔替代。故障分析或归零阶段进行故障诊断和复现时，所选元器件要求具备原厂替代关系。调拨其他空间相关任务相关元器件，由于使用环境和任务要求发生变化，需对调拨替代元器件进行使用质量保证检验，以满足任务要求，则调拨元器件与原始元器件即为使用质量保证一致性替代关系。
3 替代关系数学表征及性质
3.1 替代关系数学表征
本文定义被替代元器件A
和替代元器件B
间替代关系判别函数及性能、可靠性差值函数分别为S
(B
→A
)和d
(P
(f
，p
，i
，k
，s
，m
)，R
(q
，a
，v
))。其中P
(f
，p
，i
，k
，s
，m
)为元器件功能性能差值函数，由6元组(f
，p
，i
，k
，s
，m
)表示，即元器件功能f
、功能性能参数p
、管脚定义i
、封装k
、外形尺寸s
及生产厂商m
。R
(q
，a
，v
)表示元器件可靠性差值函数，其由3元组(q
，a
，v
)表示，分别为元器件质量等级q
、使用质量保证要求a
及应用验证v
。判断元器件B
是否可替代元器件A
由式(1)确定。
θ
(P
(f
，p
，i
，k
，s
，m
)，R
(q
，a
，v
))表示在特定环境E
和任务要求T
下，元器件A
允许其功能性能和使用可靠性存在偏差的阈值。因此，若元器件A
，B
间功能性能及使用可靠性偏差小于等于元器件A
所要求的偏差阈值，即S
(B
→A
)≤1，则元器件B
可以替代元器件A
。反之，若替代元器件间功能性能或可靠性偏差大于阈值，S
(B
→A
)＞
1，则元器件B
不能满足替代要求，此时可进行可靠性设计以缩小可靠性差值，使其满足替代要求。对于不同替代关系类型考虑不同的约束，可确定各类替代关系判别函数如表1所示。表中仅列出部分考虑可靠性指标的空间科学装置元器件替代关系类型。
3.2 替代关系指标体系
由表1可知，替代关系类型一般由约束决定，包括元器件功能、性能关键参数、管脚定义和兼容性、封装类型和外形尺寸、质量等级等指标。
表1 不同替代关系类型考虑约束及判别函数Table 1 Constraints and discriminate function for different substitution relations
考虑建立替代关系相关指标体系如表2所示。表2仅对替代关系考虑指标进行简单分解，而对于复杂指标，如使用质量保证要求，使用剖面或应用验证则需要建模分析，本文不详细展开。
表2 替代关系考虑指标Table 2 Index for types of substitution relation
3.3 替代关系类型性质
记存在双向替代关系的元器件替代关系指示函数为式(2):
则有:
1)自反性。g
(A
，A
)=
1，即元器件可与其本身发生替代。2)对称性。g
(A
，B
)=g
(B
，A
)，即元器件A
、B
间的替代关系与元器件B
、A
间的替代关系相同。3)传递性。g
(A
，B
)=
g
(B
，C
)=
1→g
(A
，C
)=
g
(A
，B
)= g(B
，C
)=
1，若元器件A
、B
，B
、C
间存在替代关系，则元器件A
、C
间也存在替代关系；由于原位替代仅要求元器件主要功能性能参数值和外形尺寸仅相似，原位替代不存在严格的传递性。4)吸收性。定义元器件间替代关系为T
，替代等级判别函数为O
(T
)，且定义随替代约束增加，其替代等级也随之增加，故功能性能替代为1级替代，即O
(T
)=
1，原厂替代为4级替代，O
(T
)=
4，则有:T
，T
∈T
，O
(T
)≤O
(T
)，g
(A
，B
)=T
→g
(A
，B
)=T
，即高等级替代包含低等级替代关系，如元器件A
、B
为原厂替代，则必为插拔替代。5)规范性。g
(A
，B
)=T
，g
(B
，C
)=T
，O
(T
)＜O
(T
)→g
(A
，C
)=T
，即元器件A
、B
为功能替代，元器件B
、C
为插拔替代，则元器件A
、C
只能为功能替代。证明:
∵g
(B
，C
)=T
，O
(T
)＜O
(T
)，依据吸收性知，g
(B
，C
)=T
；又由传递性知，g
(A
，B
)=g
(B
，C
)→g
(A
，C
)=g
(A
，B
)=
g
(B
，C
)，且g
(B
，C
)=
g
(A
，B
)=
T
，∴g
(A
，C
)=g
(A
，B
)=T
，证毕。本文定义的各元器件替代关系类型满足上述五点基本性质，以实现元器件替代关系的标准化和规范化。
4 替代案例分析
本文以国科赛思科(北京)技公司元器件数据库CISSData为基础，分析AM27C4096-150DC型号存储器替代案例。选择AT27LV4096-20LC、AM27C4096-150DCB、AM27C4096-120DI这3款器件，比较其功能性能参数、封装类型、管脚定义等，判断其满足的替代关系类型。其中AM27C4096-150DC、AM27C4096-150DCB、AT27L V4096-20LC、AM27C4096-120DI的相关属性参数等信息如表3所示。
表3 元器件关键属性信息Table 3 Determinant attributes of components
4.1 功能替代关系判断
功能替代关系需比较元器件间功能相似性与关键功能性能参数值相似性。对于替代元器件功能相似性，可依据元器件具体类别进行判断。上述4款元器件均为EPROM存储器，因此可以认为其功能相似。
对于主要功能性能属性，本文比较元器件组织方式、接口类型、最小工作温度、最大工作温度、系统可编程性、容量、典型工作电源电压、编程电压、最大工作电流、最大访问时长、重编程技术。如表3所示，上述4款元器件功能性能属性参数值差别不大，因此认为其均满足功能替代要求，存在功能替代关系。
4.2 原位替代关系判断
原位替代要求元器件封装类型和管脚定义相同、外形尺寸相似。其中元器件管脚定义与兼容性的判断需查阅元器件说明文档中管脚定义顶视图，同时比较管脚的数目，各管脚的定义确定。AM27C4096-150DC存储器管脚定义顶视图如图3所示。由图可知，AM27C4096-150DC存储器管共有40个管脚，包括地址输入、数据输入及输出、接地电压、供电电压、编程输入电压等。
图3 AM27C4096-150DC存储器管脚定义顶视图Fig.3 Top view of AM27C4096-150DC memory pin definition
元器件外形尺寸的相似性判断需比较长、宽、高、质量、引脚长度、间隙等。不同元器件生产厂商生产的元器件无法保证外形尺寸完全一致，因此这里仅要求替代元器件外形尺寸应满足无需更改原印制板上焊盘设计即可安装的原则，允许外形尺寸存在一定的偏差。AM27C4096-150DC存储器外形尺寸如图4所示。
图4 AM27C4096-150DC存储器物理尺寸示意图Fig.4 Schematic diagram of physical size of memory AM27C4096-150DC
查阅相关手册可知，这4款器件的封装类型、管脚定义及外形尺寸除AT27LV4096-20LC器件不满足要求外，AM27C4096-150DC、AM27C4096-150DCB、AM27C4096-120DI这3款器件均为陶瓷双列直插封装，物理尺寸保持一致且管脚定义均相同，故该3款器件间满足原位替代要求。
4.3 插拔替代关系与原厂替代关系判断
插拔替代要求替代器件间关键功能性能和外形尺寸完全相同，原厂替代还要求生产厂商保持一致。因此仅AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB存储器满足插拔替代和原厂替代关系，其型号代码中DC表示元器件标准化处理，DCB表示老化测试。
4.4 质量等级一致性替代关系判断
空间科学装置元器件替代关系需考虑质量等级、用户使用质量保证和工程验证3个可靠性因素。AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB存储器质量等级均为商业级，故其满足质量等级一致性原厂替代要求。而AM27C4096-120DI存储器质量等级为工业级，因此该元器件在质量等级指标上发生升级。
4.5 工程验证一致性替代关系判断
放大器AD620SQ/883B、HRF620J、FX620间存在插拔替代的关系，但相较于其它两款元器件，AD620SQ/883B广泛应用于冷原子微波钟、空间站生命生态柜、空间应用系统实验舱II辐射生物学暴露装置样品观测子系统等科学载荷中。其存在大量的飞行验证经历，满足质量保证要求及冲击、抗辐射等空间环境要求，因此，AD620SQ/883B满足工程验证一致性插拔替代要求。同理，接口电路DS26LV31W-QML与DS26F32MWRQMLV、DS26F31MW/883间存在工程验证一致性原厂替代关系，DS26LV31W-QML广泛应用于TZ-1主动隔振装置、TZ1非牛顿实验装置、无容器材料实验柜科学实验系统等多种空间科学载荷中。
5 结论
1)对于高可靠任务使用元器件，如空间科学装置元器件，其替代关系类型由元器件功能性能替代组合可靠性因素形成。
2)各类替代关系涉及空间科学装置研制的不同阶段、不同部门，且这些替代关系应满足自反性、对称性、传递性、吸收性和规范性。
3)存储器AT27LV4096-20LC、AM27C4096-150DC、AM27C4096-150DCB、AM27C4096-120DI间存在功能替代关系，而后三款元器件间存在原位替代关系；AM27C4096-150DC和AM27C4096-150DCB间存在质量等级一致性原厂替代关系；放大器AD620SQ/883B与HRF620J、FX620间存在工程验证一致性插拔替代关系；接口电路DS26LV31W-QML与DS26F32MWRQMLV、DS26F31MW/883间存在工程验证一致性原厂替代关系。
4)元器件替代关系的判断涉及大量文本信息，未来考虑文本挖掘技术，如话题模型、词袋模型和句向量等，分析元器件功能性能、可靠性等文本描述信息，挖掘元器件间替代关系。同时，还将关注元器件选用和采购过程中的供货风险和自主可控能力，以提高核心元器件的自主保障程度，推荐价格和货期更优的替代元器件。
