针对商业卫星用塑封器件的质量保证新思路

宁永成，韩桂玉

（1.中国空间技术研究院，北京 100094；2.北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

更多的成功案例表明，以塑封器件为代表的COTS元器件只要选择得当，是完全可以胜任航天器任务需求的。针对该发展趋势，美国宇航局（NASA）为了保持技术领先地位、降低成本，系统地开展了商用器件宇航应用的可靠性保证技术研究[1]，并于2002年2月26日发布了商用塑封器件用于空间的使用白皮书[2]，在2003年发布了《塑封器件 （PEM）的选择、筛选和鉴定指南》（PEM-INST-001：Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection，Screening，and Qualification）；欧空局（ESA）在2013年发布了《空间产品保证-商用EEE元器件》 （ECSS-Q-ST-60-13C：Space Product Assurance-Commercial Elec trical，Electronic and Electromechanical（EEE）Components）。标准是实践后经验总结提炼的产物，因此对于PEM在宇航领域中的应用早在上述标准发布之前。ESA早在20世纪80年代就独立开展了商用器件在空间技术领域的应用研究工作，并且在Proba等部分宇航项目上大量地验证、使用了商用器件，获得了成功。1995年，NASA开展新千年计划（NMP：New Millennium Project）研究，其将“空间应用商用器件产品”和“低成本电子学产品”列入了研究目标，该计划研制的ST8航天器要验证的4项重要技术之一是基于商用器件的多处理器系统的可靠性研究。近些年，随着快响系列卫星的崛起，COTS技术的应用得到了较为快速的发展，为了满足快速响应的设计理念，采用了大量的COTS器件，并通过一系列的技术手段来提高COTS器件的抗辐照能力[3]。

本文通过介绍日本低成本卫星ETS-VI（Engineering Test Satellite-VI）项目对通用器件可靠性保证方法的新实践和SpaceX对塑封器件的认证和质保过程，结合我国工程实践，提出了国内宇航型号后续针对PEM选用的质量保证建议。

1 ETS-VI卫星项目的低成本质保方法

在1992年召开的第43届国际宇航联合会上，日本NTT公司无线电通信系统实验室的坂本浩和田中正芳，发表了题为“New Reliability Assurance Method Effective for Economical Satellite on-board Equipment”[4]的文章，介绍了如何在低成本卫星上使用通用元器件替代宇航级特定元器件，以及如何进行可靠性保证。

1.1 主要的观点和结论

文章开篇就提出了GUPs和STPs两个概念。GUPs（Generally Used Parts）指的是通常使用的元器件,与现在的COTS元器件意思相近；STPs（Specially Tailored expensive Parts）意思是特殊定制的昂贵元器件，文中指的是JANS质量等级分立器件、S级集成电路在特定的生产线上生产的器件。另外，笔者还认为之所以要进行器件级筛选和抽样检验，是因为批量少，这是成本高的原因。

使用GUPs替代STPs的前提是：对单机设备（含地面设备）的故障率进行了调查分析，表明几乎所有GUPs的故障率都小于或等于单机分配到单元用元器件的故障率；公共通信设备使用证明，GUPs已经变得与STPs一样可靠（不考虑空间环境）；大部分GUPs能够承受空间环境影响，对没有空间飞行经历的GUPs，要进行额外的试验验证。

1.2 对潜在缺陷更经济的检测方法

过多的试验项目使得元器件成本昂贵，在GUPs传统的基础上，只选择进行特定的筛选试验项目，选定的试验项目是被认为更有效的检测潜在缺陷的项目。以下将以在应答机上使用GUPs为例进行说明。

1.2.1使用STPs的应答机制造流程

文章给出的使用STPs的应答机制造流程，如图1所示。STPs 100%的筛选和抽样进行的批次质量检验试验，都是在器件级进行的，如此多的试验项目使得元器件成本昂贵。

图1 使用STPs的应答机制造流程

1.2.2使用GUPs的应答机制造流程

文章给出的采用GUPs的制造流程，如图2所示。为了降低试验的成本，提出有选择性地进行更有效的剔除早期失效缺陷的试验（如表1所示）。老炼试验在接近单机级进行，但在30℃开展3 500 h（接近5个月）的老炼试验的时间有些过长。当缺陷激活能取值为0.3 eV时，如果温度提高到70℃，根据阿伦纽斯方程，那么老炼时间可以缩短到1 000 h。

图2 使用GUPs的应答机制造流程

表1 GUPs的筛选试验项目

1.3 特点分析

在该工程案例中，可以分析并总结出以下几个特点：

1）在应答机单机中，高达70%的元器件都用GUPs替代，因此值得进行单机级的老炼试验；

2）GUPs也需要针对性地选择（基于地面使用故障率等现场数据），没有飞行经历的新品要进行空间环境相关试验；

3）为了降低元器件的成本，对试验项目进行了裁剪，只保留认为有效的试验项目；

4）单机级的老炼试验，可以与125℃、240 h的器件级老炼试验等效。

2 SpaceX的FTS用PEMs质量保证

在NASA发布的《商用器件技术认定流程》（“Commercial Parts Technology Qualification Processes”[5]）中，2.4章节是太空探索技术公司（SpaceX：Space Exploration Technologies）的近地轨道重型有效载荷运载火箭的飞行终端系统（FTS：Flight Termination Systems）及其对PEMs的使用所进行的全面分析，认为由于PEMs具有体积小、重量轻、机械和散热特性好等优点，其比传统的陶瓷封装器件更能适应任务环境，PEMs的长寿命和缓变退化在该任务中不是问题，传统的军用器件和PEMs器件都可以使用很多年。SpaceX认为，PEMs在抗机械冲击能力方面比传统的陶瓷器件要好一个数量级；PEMs没用空腔，不用担心可动多余物和键合丝碰丝等问题；超声扫描（C-SAM）在大部分器件中都发现了分层，C-SAM可能不是PEMs筛选的好方法；PEMs的设计余量很大；应重点关注潮湿和腐蚀、纯锡和包装问题（对于FTS应用，从历史看辐照不是个问题）等等。以下介绍SpaceX给出的PEMs筛选和认定流程。

2.1 SpaceX提议的筛选流程

SpaceX提出的筛选流程如图3所示。PEMs的筛选流程分成3个阶段：器件级、板级降额和单机级。其中，器件级筛选的试验项目仅保留了常温测试和外观检查；C-SAM抽样进行，其结果仅作为参考。老炼和温度循环在板级实施，一批至少电装20块。

图3 SpaceX提出的筛选流程

2.2 SpaceX提议的鉴定流程

SpaceX提出的PEMs鉴定流程也是在组装后实施的，选用6个单元实施，项目包括了全功能性能测试、温度循环、随机振动、机械冲击、耐湿试验和EMI/EMC测试等，详见“Commercial Parts Technology Qualification Processes”中的图2.2.4-2。

2.3 SpaceX提议的特点分析

马斯克曾说： “你在S paceX中多放一个NASA的人，产品的成本就要翻番”。马斯克认为NASA那些名声在外、薪资昂贵的航天专家更适合当顾问，决定权在自己，聘请了NASA专家进行了指导，听取建议吸收经验但并没有完全听从NASA的意见。对于宇航级零部件（含元器件），凡是觉得没有必要的，都换成货架产品，质量够用就行。对PEMs的选用持激进态度，认为优势明显，存在的“问题”不是问题。

在此指导思想下，SpaceX对PEMs的试验成本能省即省，器件级仅进行100%的常温电测试和X光检查，器件级的外观检查似乎都是抽样进行的。和JPL、APL、SWRI观点一致，其对针对PEMs进行100%C-SAM的必要性和有效性提出了质疑，改为抽样评价，结果作为使用参考。

但同时我们应该看到，SpaceX对PEM的大胆选用，与美国拥有强大的电子工业基础，以及汽车电子、医疗电子行业的支撑密不可分。

3 国内航天器用PEMs低成本质保方法

调研了国防科技大学“天拓一号”、浙江大学“皮星一号A”、五院东方红试验星、哈工大的“快舟”和“珠海一号”等选用PEMs较多的航天器，发现目前元器件采用高可靠元器件和PEMs等COTS元器件混合设计的方式，PEMs的质保方式也以器件级和板级、系统级相结合的方式进行，电测试和筛选以板级方式为主，必要时器件级进行C-SAM和X射线检查等。

航天器用PEMs的质量保证，目前很大一部分测试和老炼试验是采取板级方式进行的，一方面是因为进行器件级测试和老炼开发需要较大的成本投入和较长的周期；另一方面是考虑到PEMs大多以表贴封装为主，经过测试和老炼，对管脚存在一定程度的损失，尤其BGA封装器件，在高温条件下老炼，夹具或管座对焊球很容易造成压痕甚至凹陷缺损。因此进行板级测试老炼是经济可靠的一种方法。在器件级筛选方面，由于C-SAM发现分层等缺陷判批不合格的比例较大，一定程度上增加了用户选用PEMs的成本；通过C-SAM判批不合格的多个品种和批次PEMs进行了针对性的评价，在采取防潮包装、电装前预处理等措施下，完全可以规避塑封器件分层缺陷的使用风险。

4 批产商业卫星用PEMs的质保建议

对PEMs的选用持什么态度，选用占多大的比例，采用何种质保思路和方法，需要型号项目组最终决策；PEMs质量保证已经基本不存在技术问题了，需要的是型号总体的项目管理决策。 结合国内外PEMs质量保证的实例和经验，提出以下建议供参考。

a）首先，要落实好“先评价，后质保”指导思想；其次，评价应在已有收集到的数据的基础上进行，关注寿命/可靠性、抗辐射、出气溢气、机械冲击和振动等，试验均可考虑板级进行。

b）驱动PEMs空间应用的主要因素是性能、尺寸、重量和价格，需要在风险和成本上系统地分析决策；决策以型号总体为主，元器件质量保证和检测部门做技术支持。

c）在空间辐照需求方面，元器件级只考虑总剂量，单粒子试验可选做（根据系统设计采取纠错和SEL防护，由用户分析决定）。

d）PEMs的质量保证重点在选用控制，评价试验和数据库信息是控制的重要依据。

e）质量保证采用新方式和新方法，尤其是PEMs使用比例较高时，更加适宜采用板级测试老炼。

f）建立PEMs等COTS元器件数据信息库，尽可能地获取更多的元器件信息。

g）尽可能地选用已经过汽车电子、医疗电子认可的元器件。

h）集中、批量采购和质量保证。

建议的PEMs质保基本流程如图4所示。

图4 PEMs质保建议流程

5 结束语

针对PEMs的选用和质量保证，型号总体不能完全依赖物资保障部门和元器件试验机构，应该担负起主体责任，系统地策划和统筹PEMs的选用比例、质量保证流程；对PEMs宇航适用性的认知已经很系统全面，质量保证试验项目和方法也已经成熟，基本上不存在技术问题，需要的是型号总体在管理决策上进行取舍。针对PEMs质量保证，CSAM建议由以往的100%筛选更改为抽样评价；采用板级方式进行测试和老炼，已经过大量的工程实践证实了其可行性，对PEMs选用比例较大的单机，更是适合采用板级、单机方式进行质量保证。