航天电子信息产品电子元器件的质量控制*

2022-10-09刘云峰仝伟焦亮刘剑

航天标准化 2022年3期

刘云峰仝伟焦亮刘剑

（1火箭军装备部驻成都地区第四军事代表室，成都， 610052；2火箭军装备部驻西安地区第一军事代表室，西安， 710025；3中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都， 610036）

近些年，随着装备采购体制改革的不断推进和国防工业格局的调整、 “武器装备信息化、信息装备武器化”的深入推进，电子信息产品在航天领域得到广泛应用。这类电子产品采用了微电子技术、光电子技术、电子计算机技术、通信技术等电子信息技术，是由元器件、微组装模块、印制电路板、连接器、导线及结构件等装配成一体实现特定功能的产品。除具备普通电子产品的特点外，还因平台应用的特殊性使其具有以下特点：①产品的经济价值高、政治意义大，如果失败造成的损失非常大；②产品需满足长寿命、高可靠的质量要求，卫星产品要求多年连续加电工作，弹载产品有数年以上的贮存期要求；③产品一次性使用，发射后便不可维修、维护[1]；④产品设计上有模块化、小型化要求，结构紧凑。

电子元器件的可靠性是电子产品可靠性的基础。通过大量电子整机故障统计分析发现电子元器件无法工作是造成整机出现故障的重要原因[2]。电子元器件作为航天电子信息产品的最基本单元，其质量和可靠性在很大程度上决定了产品的质量和可靠性。为了满足高可靠、长寿命的质量要求，实现航天电子信息产品“工作零缺陷、产品零故障”的质量目标，必须从源头抓起，提高电子元器件质量与可靠性，从而确保航天电子信息产品“一次成功”。

1 存在的主要问题

目前在航天电子信息产品研制、生产过程中，受承制单位质量管控水平的制约，元器件质量问题屡见不鲜。以某电子研究所为例，该单位2000年开始承担航天电子信息产品的研制生产工作，在多年的电子信息产品研制生产过程中，曾出现过以下涉及到元器件质量控制的主要问题。

a）元器件选用不当。一些设计师在选用元器件时，过分注重元器件的功能和性能技术指标，而对使用环境考虑不够，没有对元器件的质量等级和可靠性要求给予足够的重视；个别设计师借用成熟电路设计时，没有掌握元器件发展实时动态，选用了即将停产或者禁用的元器件，造成电子信息产品技术状态刚固化就面临着元器件换型的窘境。

b）元器件管理要求不明确。某些电子信息产品的元器件在监制、验收、复验过程中，存在未按航天产品元器件管理办法执行的现象。例如，航天电子信息产品在尚未明确搭载总体平台的情况下，元器件的监制、验收、筛选要求无法确定；特别是配套层次低的产品，型号总体的质量要求传递较为滞后，电子信息产品装配完成后才明确元器件质量保证要求，导致元器件的监制、验收、筛选不满足要求，带来产品质量风险。

c）元器件问题处置不规范。当元器件在使用过程中出现元器件失效等质量问题时，问题的处理程序不明确，存在失效原因分析定位不准确等状况，给元器件的质量问题处理及归零工作带来了障碍。

2 元器件的质量控制

2.1 元器件的选用

合理选用元器件是航天电子信息产品元器件可靠性的基础[3]，该工作应从电子信息产品研制初期就开始，贯穿整个产品研制过程。承制单位根据航天型号平台的任务特点、使用环境和可靠性要求，制定元器件控制准则，明确元器件选用的基本要求。结合国家军用标准《电子元器件选用管理要求》，针对航天电子信息产品元器件的选用应考虑以下要求。

a）满足功能和性能指标要求。为满足产品整机功能和性能指标，经设计选用的元器件等各项性能参数必须符合要求，同时考虑到元器件出现参数漂移、短路、开路等失效模式下整机功能和性能指标的影响，建立元器件级FMEA（故障模式及影响分析）。

b）选择质量等级适当的元器件。设计师系统要根据电子信息产品使用或贮存寿命、使用环境和要求（包括温度、振动、冲击等）等特点，在满足电路整体性能要求下，选择质量等级适当的元器件。可靠性较低的元器件（如钽电容）优先选用此类中较高质量等级的，关键或重要产品优先采用高可靠性高质量等级的元器件。

案例：某航天电子信息产品在贮存数年后，多套产品陆续出现钽电容（CA45）失效。器件厂家给出的原因是钽电容在生产过程中，钽粉中总存在少量杂质，而且通过高温烧结除杂也很难完全去除。在形成氧化膜介质层的时候，这些杂质会在氧化膜层内占据本应是Ta2O5的位置，这些被杂质占据的位置就是所谓的氧化膜介质层疵点。阳极钽块中某区域介质膜存在疵点时，在加电情况下，这些部分的场强较高，电流密度较大，导致局部高温点出现，从而留下诱发晶化的隐患，温度升高会促进晶核的形成和生长，当晶体达到一定大小后，会使氧化膜破裂，在晶体生长阶段，对电容器的性能没有显著影响，当氧化膜破裂时，绝缘会完全消失，产品突然失效。因此针对这类产品后续就应该选用高可靠性指标的钽电容（CAK45）。

c）元器件应从航天选用目录或优选目录中选用。航天电子信息产品在不同的平台上使用，型号总体通常都有其选用目录或优选目录。如航天一院的航天平台，元器件应优先在《型号电子元器件选用目录》中选用，如果元器件超型号选用目录或优选目录选用时，应优选本单位合格供方目录的产品或经过其他型号成功应用的产品，同时应按型号规定履行审批手续。

d）选用国产元器件。近几年中美贸易战持续升级，美方对进口元器件采购及其制造技术的封锁逐步加大。目前航天电子信息产品在元器件选用上提出了全国产化要求，即使由于短期内国产元器件性能上满足不了要求，暂时考虑了进口元器件，元器件选用单位必须督促国内元器件单位加大研发力度，制定国产元器件的替代换型工作计划，从而确保替代换型工作的有效落实。

e）优先选用成熟和通过考核的元器件。考虑航天电子信息产品的工作环境，如温度、湿度、振动、冲击和电应力等条件，优先选择经过多个工程型号应用验证考核验证的质量稳定、可靠性高、有发展空间及供货有保障的成熟元器件，不允许选择淘汰品种和曾经出现过应设计、工艺、制造等自身缺陷引起过重大质量问题的元器件[4]。在满足电路功能性能前提下尽量减少元器件的品种、型号。

f）新品元器件选用。严格控制新品元器件的使用，未经技术鉴定合格的元器件不能在航天电子信息产品中正式使用。新研制元器件应在设计方案评审通过后方能安排试制，通过技术鉴定后的元器件方可正式用于航天电子信息产品。

g）禁止使用因材料、工艺和使用条件等原因而被航天型号要求禁止使用的元器件。不同型号总体单位会根据自身使用经验给出各自的禁用元器件清单。同时航天型号总体会定时通报《航大型号质量问题警示录》和《航大型号质量问题举一反三》，其中提到的元器件质量问题，反映出一些单位和人员在元器件选用和使用中存在的技术和管理问题，对此，必须做好举一反三工作，坚决杜绝这些问题的再次发生。

h）应选择合格供方生产的元器件。电子信息产品选用元器件时，应对元器件供方的研发、制造、质量保证、企业规模、市场反馈等情况进行考核，要符合产品承研单位合格供方管理要求，需要通过武器装备质量管理体系或者ISO 9001质量体系认证，并且提供的元器件类别应在认证范围内。

2.2 元器件的使用设计

根据航天电子信息产品的功能、环境及可靠性要求，积极采用与电子元器件使用可靠性密切相关的降额设计、热设计、静电防护设计、容差设计等技术，以提高元器件的使用可靠性。

2.2.1 降额设计

指降低施加在元器件上的工作应力（电应力、热应力等），使其实际工作应力低于额定工作应力，以提高元器件的可靠性并延长其工作寿命。航天电子信息产品使用元器件应按照国家军用标准《元器件降额准则》进行降额设计，降额等级优先推荐Ⅰ级，至少为Ⅱ级。

2.2.2 热设计

航天电子信息产品小型化是一个主要趋势，导致产品所用元器件的密度越来越高，同时电子信息产品对性能的要求越来要高，造成产品的功耗不断增加。元器件有最高允许工作温度，范围超过器件温度范围工作，会影响元器件的性能、寿命及可靠性，进而影响电子信息产品的可靠性，因此航天电子信息产品在热设计时可以考虑以下原则。

a）在元器件布局时，考虑其散热路径，包括导热散热路径和辐射散热路径，要使绝大部分热量沿着这个路径传到产品的底板或机箱壳体上；发热元器件尽可能靠近单机的底座，以减小传导热阻和接触热阻，同时还有针对性地增加相关零件的热传导截面和接触面积；对于功耗比较大的元器件，直接安装于底座或者机箱壳体上。

b）对于安装于印制板上的发热元器件，在发热元器件和印制板之间使用导热板，并在其接触面上涂覆导热脂；同时，在印制板布局时，发热元器件要尽量靠近印制板与单机的接触面，每一块印制板组件均加装导热板散热。

c）尽量增大元器件与底板或机箱的安装接触面积，降低接触表面的粗糙度，增大接触压力，在接触界面间填充导热填料，减小安装面接触热阻。

d）带引出线的元器件应尽量利用引出线的导热散热，减小元器件引出线的安装长度。元器件到机箱壳体的导热距离最短，尽可能降低元器件到机箱壳体的导热散热路径的热阻，同时采取消除产生热应力的措施。

e）大功率器件的散热设计，各单机应从降低器件功耗、合理电路布局和加强散热3个方面来达到最佳热设计。具体措施有：元器件选用低电压数字电路，能有效的降低器件的功耗；改进FPGA（现场可编程逻辑门阵列）算法，对处理流程进行严格的控制，对未用的处理算法模块通过使能信号停止翻转等方法减小FPGA的功耗；选用体积大、效率高的开关电源，在减小发热量的同时，通过增大散热面积来降低器件温度；对热阻大，同时发热量也较大的ADC（模数转换器）采取特殊的散热措施，加大芯片与散热盒体、印制板地层的接触面积，在ADC周围减少其他发热源。

2.2.3 静电防护设计

静电引发器件失效主要有2种情况，一种是立即完全失效，通常表现为开路、短路或者电参数不合格；另外一种是受到轻微损伤，但是不造成器件立马失效，而是在后续使用工作中参数逐渐恶化，最终造成完全失效。为解决静电导致器件失效，在关键电路设计时可以考虑增加静电防护网络，同时在产品进行装配、调试、转运等环节时要采取防静电措施。

2.2.4 容差设计

容差设计与电子信息产品的性能、可靠性、成本等息息相关。若设计的容差范围窄，将使得产品设计性能不稳定、环境适应性差、生产难度加大，最终导致航天电子信息产品发生质量问题。容差设计主要措施有：①微波开关控制电平使用标准TTL电平控制，内加驱动芯片，保证每路的电流容差；②各路开关控制电平在设计时充分考虑了开关通与断不同状态下的控制电流及灌电流，控制线应加245驱动以确保控制电平在最大负载电流状态下完全满足电平容差范围的要求；③在时序控制方面，CPU、FPGA的运行速度都留有较大的裕量；④各大功耗器件在设计过程中应进行详细的热仿真分析，采取充分的散热措施，器件的结温或工作温度满足降额使用要求，保证环境温度的变化时系统的正常工作；⑤大体积器件应通过力学仿真设计，采取有效的加固措施，确保在实际力学环境中结构设计的裕度。

2.3 元器件筛选

元器件筛选是一种对产品进行全数检验的非破坏性试验，是提高电子元器件使用可靠性的重要手段。电子元器件进行科学筛选的同时对电子元器件的质量也进行有效的控制来使其性能得到充分的发挥[5]。元器件经过筛选可以发现并剔除在制造、工艺、材料方面的缺陷和隐患，有效地剔除早期失效产品[6]，从而减少经济损失。

元器件的筛选一般由元器件生产厂家按照相应规范或者与用户签订的技术协议进行。本文所说的筛选为二次筛选，电子元器件二次筛选是由使用方进行的筛选，其筛选项目及其应力选择应根据航天电子信息产品的平台要求来制定。航天总体单位对电子元器件的二次筛选已开展多年，根据整机使用的环境和可靠性要求，参照国家军用标准、企标有关电子元器件的试验条件及方法并经适当裁剪后，制定相应的平台元器件二次筛选规范，使元器件的二次筛选工作有据可循，比如航天三院的《元器件筛选（复验）技术条件》。

除经证实确实属于按有关规定进行了下厂监制、验收的元器件以及按照型号要求可免筛的高质量等级元器件外，其他元器件均应100%地进行二次筛选。元器件的二次筛选必须在航天系统或者型号总体认可的筛选中心进行，未经二次筛选的元器件不得装机使用；对于国内无复验、筛选能力的元器件，需由筛选中心出具无法筛选测试证明。对于无试验检测能力和手段进行二次筛选的元器件，须采取其他的控制方式来保证其质量。例如进行板级和整机级筛选等。

2.4 元器件的贮存

航天电子信息产品为长期贮存、一次使用的产品，因此必须适应长期贮存、随时可用和能用的特点，要求元器件能够满足贮存寿命[7]。元器件的贮存期与元器件的品种、质量等级、仓储条件以及元器件的失效率判据有关。承制单位应按照国家军用标准及航天行业标准要求，制定并认真执行元器件的贮存、包装、防护和发放制度。元器件经过入厂复验和筛选后，贮存在元器件仓库内，确保元器件贮存环境条件符合有关要求。保证仓库通风、干燥、清洁、无腐蚀性气体，防止元器件发生引脚氧化、塑封器件封装材料受潮以及静电敏感器件遭受静电损伤等问题。

航天电子信息产品越来越追求小型化，使得微波射频相关领域使用无封装的裸芯片进行混合集成设计成为一种趋势。裸芯片与常规金属封装、陶瓷封装或者塑料封装器件相比虽然体积上占有明显的优势，但是其裸露无封装的特点对贮存环境也提出了更高的要求。为保证产品的使用可靠性，裸芯片应贮存在充氮干燥容器中，并保持在10℃～30℃的温度范围，同时运输和发放过程中应避免受到机械损伤、静电放电和沾污。

2.5 元器件的超期复验与国产替代

航天产品尽量不用或者少用超过有效贮存期的元器件。如果必须使用时，在装机使用前要根据超期的期限进行分类，按照航天行业标准《航天元器件有效贮存期和超期复验要求》或者型号总体规定的超期复验要求进行超期复验，复验合格后才能继续使用。电子信息产品承研单位面对国外禁运、停产断档的进口元器件、原材料，应提前策划，积极制定国产替代方案，委托国内元器件厂家加快研制生产进度，尽快完成国产替代和自主保障工作。

2.6 破坏性物理分析（DPA）

破坏性物理分析（DPA）是指为验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范，对元器件样品进行解剖，以及解剖前后进行一系列检验和分析的全过程。DPA的主要目的是要防止有明显或潜在缺陷的元器件装机使用，对于一个批次的元器件，抽样进行DPA是对元器件二次筛选工作的有益补充，DPA能够发现在筛选中无法暴露出来的隐藏极深的缺陷，避免存在潜在缺陷的元器件装机使用。目前航天型号基本明确要求对电子信息产品元器件进行DPA，除用于元器件的质量鉴定外，在航天电子信息产品中还用于元器件的验收、二次筛选、元器件超期复验及元器件的失效分析等。

航天电子信息产品元器件实施DPA的筛选机构都有明确要求，采取对到货的每个品种、每个批次的元器件需按型号规定DPA试验的方法抽样，DPA合格后才能使用，这样将有效保证电子信息产品元器件的装机质量。

2.7 元器件装配工艺

航天电子信息产品的装配工艺越来越复杂，要求越来越高，既有传统的手工焊接，又有现代化高效率的贴片焊接和波峰焊接，更有为满足小薄轻、高性能要求而发展起来的裸芯片微组装工艺。在电路板装调过程中一定要严格执行手工焊接工艺、贴片和波峰焊接机操作规程以及防静电措施。对于装有静电敏感器件的电路板，无论是成品还是半成品，在整个周转过程中都要放置在防静电存放箱中才能流转至下道工序。

2.8 元器件失效分析

元器件失效分析是指元器件失效后，对元器件进行分析查找失效原因的过程。失效分析内容包括：失效调查、失效模式鉴别、失效特征描述、失效机理证实、提出纠正措施等。当元器件出现失效、参数退化影响到电子信息产品功能性能指标时，承制单位需委托第三方机构开展元器件失效分析工作，明确失效原因，并反馈给元器件设计、制造和使用等相关方，完成问题归零闭环工作，防止失效的再次发生。

2.9 电子元器件的质量跟踪

收集元器件相关质量数据和信息，建立元器件质量信息数据库，为后续同类产品的设计生产提供参考。元器件质量信息数据库应包括以下信息： ①元器件的规格品种；②设计生产厂家；③采购批次数量及日期；④经质量部门检验后的合格率；⑤二次筛选的项目及合格率；⑥入库时间。元器件质量信息数据库的建立需体现元器件的质量状态，可以为承制单位设计、生产等部门提供相关信息，有效对元器件进行控制，从而确保航天电子信息产品的可靠性水平。

3 合同监管方加强元器件监管的几点建议

3.1 提升质量意识

目前航天电子信息产品研制生产对电子元器件使用要求越来越迫切，因此必须从思想认识的高度重视电子元器件质量控制这项工作。树立“质量第一、预防为主、紧抓源头”才能确保产品最终质量的思想观念。加强教育和宣传航天成功和成熟经验，把航天产品“零缺陷”质量教育作为一项重要内容进行强化，大力加强全员的质量意识、质量道德、质量观念的教育。开展技术培训、标准学习和制度教育，培养一支高素质的元器件管理队伍，不断提高管理人员的业务水平，从而保证源头的质量控制。

3.2 监督落实责任

合同监管方应督促承制单位将电子元器件选用控制点前移，严格落实各单位、各部门和各岗位的责任制。从设计选用开始抓起，监督相关部门要尽早介入选用控制的管理，不能搞事后控制。从设计人员到 “两总系统”，要层层控制、严格把关。

3.3 把好选用节点

合同监管方在元器件选用的监督过程中，重点加强关键节点（如选用评审环节）的监控，监督承制单位邀请元器件专家参加设计评审，督促承制单位按专家意见完成闭环。监控范围包括：①承制方是否在目录内选择供方和产品；②超目录选用是否合理，是否按规定办理了报批手续；③新选用产品是否经过应用验证；④元器件选用是否科学，如是否按要求进行降额设计等；⑤选用的器件是否满足要求，对于禁运器件和可能停产的器件是否及时寻求国产化替代路径；⑥器件采购周期风险是否识别，并采取了相应的预防措施。

3.4 加强过程监督

a）督促承制单位对元器件进行100%的筛选，针对不能进行器件级筛选的元器件，承制单位必须采取其他的控制方式来保证其质量，例如进行单板筛选或随整机筛选。

b）监督承制单位根据实际情况增加或裁剪DPA项目，针对DPA疑似批的处理，可以加强评审的力度；针对不合格批的处理，重点关注可筛选缺陷和批次性缺陷的判定。

c）深究元器件失效的根本原因，从根本上杜绝质量隐患。在测试、装机、调试等过程中出现元器件的失效，合同监管方应督促承制单位相关人员进行分析。失效元器件应送至具有相应资质的失效分析检测单位进行失效分析，查明失效模式和失效原因，采取防范措施并形成报告。

d）确保承制单位把元器件的选用、使用设计、筛选、贮存、破坏性物理分析、装配工艺、失效分析、质量跟踪等全过程的信息纳入电子元器件质量信息数据库。

3.5 完善管理规章

合同监管方督促承制单位建立元器件的管理制度。制度建设和工作机制是保障系统工程有序运行的必要条件[8]。全面梳理航天电子信息产品元器件质量管理现状，提升元器件质量监督级别，督促承制单位制定针对元器件的作业规范，比如《电子元器件筛选实施细则》《元器件入所复验规范》《军用元器件DPA实施规范》等，做到严格要求，确保按章操作，符合规范要求，高标准地做好每一项工作。对于在航天电子信息产品研制生产过程中出现的元器件质量问题，合同监管方在督促做好技术归零的同时，下大力气抓好管理归零工作，眼睛向内、深入系统地查找存在的薄弱环节和问题，制定针对性的措施并及时固化到体系文件、规章制度和标准规范中去。