国产航天元器件自主可控应用验证方法研究

彭晓飞，李 杰，刘路扬，苗志坤，孙 宁

(1.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室,太原 030051；2.航天科工防御技术研究试验中心,北京 100089)

0 引言

在航天装备中，国产化元器件的应用比例不高，关键元器件仍大量依赖于进口产品，这严重影响了航天设备的自主保障能力。我国电子元器件生产起步较晚，在设计初期，主要采用借鉴、引用和集成创新等思维模式，存在不理解原理只单纯追求产品形似神似的情况，从而忽略基本的设计原理和需求，导致后续应用存在潜在的风险。另外，也有很大一部分元器件虽然采取的是正向的设计，但由于对国外的设计原理的理解不透彻、技术掌握不到位，使得无法完全独立自主设计。

元器件国产化替代在我国虽然得到了长足的发展，但由于缺乏统一的标准，各单位执行力度不一，许多国产元器件并未通过大量的应用验证。在使用元器件前没有掌握其在未来使用环境或应用设计方案中的功能和性能，也没有对实际使用中的元器件性能指标进行评估，因而无法得知元器件在实际使用时的功能性能表现。此外，在验证过程中无法模拟实际的应用环境，也会导致元器件的潜在问题不能得到充分暴露，若直接应用到航天装备中，可能存在较大的风险。

要想彻底解决这些问题，就亟需建立一套通用的应用验证体系，有组织的开展国产化元器件替代应用验证工作，以此来满足同类型大批量元器件的通用化验证需求，为后续型号应用提供成型的系统化的验证方法和流程设计，降低国产化验证复杂度，减少重复验证流程，为研制单位提供有效且实用的验证数据，充分保障质量，提高国产化替代水平。

1 元器件自主可控

“自主可控”要求将核心元器件、核心技术、关键原材料等方面掌握在自己手中。通过自主的设计和开发，掌握产品的核心技术，实现产品在设计、开发、生产、维护、升级等过程中的完全可控。自主可控是指制造商和服务提供商具有技术能力和知识产权，并掌握产品技术的发展方向。对于主权国家，必须要求核心元器件、核心技术和配套软件的自主性和可控性，对于必须使用进口技术产品的领域应达到风险可控。

我国元器件研制生产受自身各种客观条件的限制，从而使绝大部分仿制元器件无法与进口元器件相媲比，在设计、材料和工艺等方面不能完全保证一致。此外，国产元器件参数系统设置不完善、性能指标测试覆盖不完整，即便是测试合格的产品，在使用时也会出现各种各样的问题。同时，我国新研制的电子元器件在设计开发、制造封装、测试评估、应用验证方面没有系统性的指导文件，也就是顶层管理文件不完善，造成无法对国产化元器件的替代工作进行有效的监督和落实。

为实现自主可控的目标，保障元器件的国产化替代，必须从元器件生产过程中所用到的知识产权、材料、技术等方面同步推动。应建立更加完善的系统管理机制，引导研制单位对主流器件进行国产化替代；加大专项资金支持，促进器件应用单位与设计单位的合作交流，开展联合研究，开展应用验证。确保器件稳定供货，无隐患，最终实现元器件自主可控的宏伟目标。

2 元器件应用验证方法探讨

元器件在应用之前，通过开展一系列测试、评估和评价，综合判断并确定元器件研制的成熟度以及工程应用的适用度，这就是元器件的应用验证。不仅能够有效的指导元器件产品合理化、成熟化，还可保障新研制的元器件其可靠性、实用性和适宜性，以提高元器件的上装率。

元器件的应用验证是国产化元器件的替代工作过程中必要且关键一环。应用验证具体包括4个阶段，即生产过程要素评价、功能性能验证、质量可靠性验证和应用适应性验证。根据应用验证项目，充分考虑各层级准备周期、仪器设备资源、样品数量、试验周期等，建立验证试验项目逻辑关系，通过合理设计试验项目的串行、并行关系，实现验证工作效率和效益的最大化，根据确定的验证项目和准备的试验样品情况，验证工作采用板卡级验证和器件级验证并行开展的方式。图1详细展示了元器件的基础验证技术流程。

图1 基础验证技术流程图

2.1 生产过程要素评价

元器件生产过程要素评价目的是通过对待验证器件研制厂家调研评估，对元器件的过程控制、制造和工艺、设计能力以及自主可控能力进行评价，提前识别短板与风险，保障后续供货的稳定可靠。在生产要素指标分配方案中，重点关注该器件的国产化自主可控能力。评价指标中与自主可控相关的指标权重占比较大。具体涵盖如下：

2.1.1 过程控制

元器件的生产过程控制能力对元器件批次一致性及可靠性保证具有重要意义，主要确保器件长期稳定可控，同时对相关设备、关键工序、材料、生产人员等进行评价。

2.1.2 制造与工艺

主要通过器件的生产制造过程和成品器件的结构特点对其进行评价：①元器件生产线是否有稳定的流片能力；②封装生产线的自动化程度如何以及是否是在国内进行；③产品是否已经稳定应用。

2.1.3 设计能力

设计能力主要包含设计团队经历、单位元器件设计能力、封装管壳设计能力、设计文件的规范性与完备性等内容。

对设计团队人员组成、在岗时间、团队规模、团队成员支撑、设计经验等进行考核；主要关注元器件设计版图、仿真资料等过程文件，同时考核同类型元器件的历史设计应用情况；设计规范文件中考察产品设计流程管理记录、规格文档、整体设计方案及迭代文件等；同时考察封装管壳设计能力。

2.2 功能性能验证

表1列出了功能性能验证的一些基本验证项目，如功能性能测试、关键参数特性曲线测试、比对测试与分析以及电性能参数极限评价等各项试验，综合这些验证实现元器件的器件级验证。

表1 功能性能验证项目

2.3 质量可靠性验证

2.3.1 结构分析

目的是评价元器件的设计、工艺和材料等能否满足可靠性要求以及相关型号装备应用要求的能力。通过结构分析尽可能避免存在结构缺陷的元器件被应用于型号装备。原则上，鉴定试验和批质量一致性检验中已开展的可靠性试验(如可焊性、引线牢固性等)，结构分析对其试验数据进行采信。同时，针对同一生产厂家相同封装工艺的元器件，选取一个典型器件进行工艺和材料分析。

2.3.2 结构单元分解

元器件结构主要由四部分组成，如图2所示，分为封装管壳、键合互连、芯片焊接和芯片结构。

图2 器件结构分析框图

2.3.3 结构要素识别

根据其间型号需求，对器件进行结构要素识别，并结合同类器件的失效案例和应用环境与要求，了解常见结构的失效模式，具体如表2所示。

表2 器件结构要素组成

2.3.4 结构分析试验流程

元器件结构分析试验流程，如图3所示。

图3 器件结构分析试验流程

2.4 应用适应性验证

应用适应性与用户实际应用结合最为紧密，主要通过分析用户提出的应用条件、系统功能实现、环境要求等，制定能够考核到用户关注内容的指标。应用适应性验证项目如表3所示。

表3 应用适应性验证项目

2.4.1 总体设计方案

在进行应用适应性验证时需要硬件设计母版控制板，验证子板及其与工控机和设备的连接关系的设计。同时，母板以FPGA 作为核心器件，其主要完成对高性能A/D转换器输出数据的采样，并为高性能D/A转换器提供高速测试激励向量，同时完成数据的缓存、数据的跨时钟域处理，DDR3 SDRAM高速数据读写控制，以太网和光纤接口协议实现及数据传输等功能，并且FPGA片内已集成JESD204B标准的收发接口，为高性能A/D和D/A转换器的数据采样和发送提供了极大的便利。

基于Kintex-7的A/D和D/A转换器测试系统总体方案如图4所示。

图4 测试平台实现总体方案图

图中的同步动态存储器DDR3 SDRAM在系统中作为A/D和D/A转换器的数据存储空间，其最大吞吐速度可以达到1.6 Gbps，最大2 GB的容量，这为ADC数据的大容量存储和DAC测试激励向量的高速输出提供了良好条件，也保证了数据在K7与PC之间的高速传输和下载。

2.4.2 详细设计阶段

完成ADC静态参数和动态参数的测试需要辅助仪器，如信号发生器、高精度万用表、示波器、频谱分析仪、高精度电源等。这些信号源具有出色的性能(低相位噪声、平坦的频率响应、适度的谐波性能)。由于这些发生器的谐波功率一般不如特定ADC固有的线性度那么好，因此在信号发生器与 ADC模拟输入之间需要进行滤波处理。如图5所示。

1)子板设计：

子板设计在-55～125 ℃范围内正常工作，保证在高低温测试、温度循环测试以及力学环境测试等试验中工作良好。对于控制板和子板、控制板与设备、子板与设备之间的连接选择高质量的连接器材。

考虑数字信号线长度对信号传输的影响和被验证器件自身数字接口的驱动能力，采用子板增加驱动电路、信号转换电路等方式与验证母板连接，保证传输的可靠性，避免误判操作；与子板相关的连接线缆均选用能承受150 ℃以上的线缆，保证在高温测试和温度循环测试以及力学环境测试等试验中工作良好；对于数字控制信号，可以采用排线进行传输，且长度不宜过大；对于模拟信号，要保障传输的效果，减少噪声的引入；双方接口选择SMA接口，通过同轴电缆进行连接。子板设计如图6所示。

2)母板设计：

通用数据处理板卡主要完成ADC数据的预处理，将预处理的数据发送到上位机，上位机接收到数据后，对数据进

图5 基于运放的带通滤波器

图6 子板设计原理图

行运算处理得出ADC的静态参数和动态参数；并将数据存入数据库。母板的设计框图如图7所示，母板的核心是一个FPGA芯片，用于产生测试的图形激励。FPGA的供电模块保证FPGA的正常运行，连接器的资源主要包括控制切换通道、数字通道、差分通道的高速连接通道，这些通道都由主控FPGA控制，完成相关的功能，通讯功能主要是用串口进行承接。

图7 母板结构

由于AD任务包中器件类型多样、厂家应用电路不同、功能存在差异、封装各异、性能指标不同、测试项目繁多、应用环境复杂等问题，平台设计需满足兼容性、综合性、实用性等实际要求。通用验证平台可高效、准确的采集、存储、分析数据，将数据以波形、数字等形式直观、有效地反映给客户，并将数据存储到数据库，为高效、准确的对AD转换器的应用特性作研究提供有效的依据和保障。

2.4.3 试验验证

1)将HWD976待测板卡置于规定的环境与直流电源、专用控制母板连接；输入高精度的正弦波

f

=45 056.152 343 75 Hz，其采样频率设为

f

=200 kHz；

2)接通电源，给定器件电压、模式控制引脚电压，将器件数字输出通过高速接口连接至数字采集端；

3)通过高性能射频信号源提供特定频率的模拟输入信号，并连接固定频率的滤波器至HWD976模拟输入端；

4)利用逻辑分析仪/专用控制母板控制HWD976进行动态转换，并采集器件数字输出信号；

5)通过上位机软件将采集的数据进行FFT变换，得到频域信息，并绘制出结果的频谱图形如图8～9所示。

图8 板卡1：25 ℃温度下功率谱

图9 板卡2：25 ℃温度下功率谱

利用FFT变换结果，通过公式计算得出SNR、SINAD、SFDR等动态指标如表4。

3 元器件验证过程控制要求

3.1 验证过程异常处理

3.1.1 验证试验中断处理

在测试过程中，如果测试条件改变不能符合试验要求时，则应中断测试，待满足条件后继续测试。当测试中断前

表4 动态指标测试结果

的测试条件未超出规定的范围，则中断前的测试有效，否则将重新进行测试。

当出现以下情况时，则应中断测试：

1)在测试过程中，试验装置因技术状态或质量问题危及安全，无法保障测试安全；

2)影响性能和使用的重要技术问题；

3)出现短期内不能排除的故障；

4)因不可抗拒因素，无法满足测试条件。

3.1.2 样品异常情况处理

1)验证项目中出现元器件样品失效，应标识、隔离，填写故障记录表，并由试验分析团队进行失效分析；

2)验证项目中出现元器件样品参数非预期超差，应对参数超差现象提供便于追溯的支撑性素材，以便后续分析；

3)对于元器件失效和参数超差问题，由应用验证专业机构、器件用户单位和研制单位共同分析、定位和处理，并记录形成问题清单。

3.1.3 仪器、设备故障处理

1)分析故障对被验证元器件的样品的影响；

2)修复故障的仪器设备并进行检定合格，或更换同类合格设备；

3)若仪器、设备故障对被评价元器件样品无影响，使用修复或更换的仪器设备继续试验；若有影响，则更换被评价元器件样品后使用修复或更换的仪器设备重新试验。

3.2 验证试验数据处理

在测试过程中，应及时、准确、完整地获取测试信息并填写测试数据表(必要时应采集视频或图像信息)。测试数据应准确可靠，不得随意取舍，对所采集的数据进行收集、分类、整理和存档，并组织相关专业人员对测试数据进行统计分析，根据分析结果科学、公正、客观的进行测试评价。

4 结束语

随着当前国际形势的不断演变，航天元器件自主可控已成为我国航天领域未来发展的必然趋势。虽然航天元器件在国产化过程中存在诸多问题，且与进口元器件相比存在明显的劣势，但通过对元器件采取充分的应用验证，包括从器件微观结构到板卡、组合/整机、分系统/系统多个层级，可以提前暴露和规避国产元器件存在的安全风险。通过构建面向各类航天元器件的应用验证指标体系和赋权方法，能够全面提升航天元器件的质量可靠性保障能力，实现航天装备的自主可控水平，支撑国家航天产业升级，从而推动航天防御事业高质量发展。