航天任务中宇航级和COTS 元器件的比较和选择

张泽明，张楠

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094）

引言

多年来COTS 元器件是否胜任航天任务一直是航天系统研制的热门话题。COTS 器件具有成本低、性能高、货期短、可获得性高等优点[1,2]，很多航天任务成功使用了COTS 器件，如吉林一号、珠海一号、高景一号等卫星[3]，此外空间站也大量使用了COTS 器件[4]。另一方面，半导体行业里持续不断在投入大量成本研发宇航级元器件[5]。

两种思路，两条路径都在航天工程中广泛实践，本文从抗辐射性能、质量保证等级和质量等级、成熟度鲁棒性和用户使用风险代价几个方面比较分析研究宇航级元器件和COTS 元器件的优劣，探讨航天任务中元器件的选择 。

1 关于抗辐射性能

集成电路是对空间辐射环境最为敏感的元器件，在航天工程应用中关注最多的抗辐射特性是电离辐射总剂量效应和单粒子效应。

宇航级元器件是专门为适应航天任务或核爆等强辐射环境研制，满足军用航天元器件标准体系中最高质量保证等级认证要求具有优异抗辐照性能的元器件。最早美军标MIL-PRF-38510 将集成电路分B、S 两个质量保证等级，S 级代表宇航级集成电路，该标准已废止并入MIL-PRF-38535，MIL-PRF-38535K 按质量保证水平分为M、Q、V、Y、N、T 六个质量保证等级[6]， GJB 597B 分为B、BG、S 三个质量保证等级[7]，两个标准体系都把辐射强度级别（Radiation Hardness Assurance，RHA）分为八级，来表征集成电路电离辐射总剂量（Total Ionizing Dose，简称TID）能力，见表1，这八级与质量保证等级没有对应关系。

表1 国军标和美军标集成电路电离总剂量效应等级规定

MIL-PRF-38535K 和GJB 597B 在质量一致性检验E组试验都提出了全面的辐射鉴定项目要求，见表2，虽然GJB 597B 没有明确5 分组，但实际上国内宇航级集成电路在采购规范会规定单粒子效应阈值指标和试验鉴定要求。通常只有在S、V、Y 宇航级集成电路里规定E 组试验鉴定要求。E 组试验有5 个分组，但往往根据器件类型、材料、应用需求等不同在采购规范、详细规范中进行裁剪，并将指标定量化规定，通常宇航级集成电路至少会开展2 分组和5 分组鉴定试验。

表2 国军标和美军标对宇航级元器件抗辐射性能的E 分组试验项目要求

不同的抗辐射指标表示不同的抗辐射能力，前文表1 展示了电离辐射总剂量指标情况，而单粒子效应阈值指标通常规定为75 MeV·cm2/mg，由于空间中LET大于37 MeV·cm2/mg 的粒子通量极小，也往往降低为37 MeV·cm2/mg。处理器、存储器等集成电路往往达不到这么高的阈值，并且因为空间环境中绝大部分是质子，因此单粒子效应阈值也经常定为15 MeV·cm2/mg[8]，或者翻转、功能中断等软错误阈值概率不大于1×10-10次/（位·天）（存储器类）或不大于1×10-5次/（器件·天）（处理器类）。

因此，宇航级元器件是标识有明确抗辐射性能指标并经权威机构按照元器件标准规范确认和鉴定检验的元器件，既有明确较高的抗辐射指标要求，也有最高的质量保证要求。

宇航级元器件最重要的特征是抗辐射能力强，这意味着它可以长时间在辐射环境复杂的太空中稳定运行，并且不会或极少由于单粒子闩锁、单粒子翻转、单粒子功能中断等辐射效应造成板卡、单机运行出现错误、异常中断或者硬件失效。因此一般至少在关键任务的关键节点上选用宇航级元器件，确保最小系统的安全可靠，在其它电子设备异常时对其进行处置，保证能够恢复全系统正常运行。例如RAD750 应在詹姆斯韦伯太空望远镜、毅力号火星车和100 多颗卫星上，几十年运行正常。

COTS 集成电路没有采取抗辐射加固设计和试验考核，表面上看是先天劣势，但并不意味着完全不具有抗辐射能力，器件自身电离总剂量效应阈值可通过试验测试获得，不同工艺类别器件TID 水平有高有低，并可通过适当屏蔽大大降低在轨实际吸收剂量，适应不同寿命要求和不同轨道环境的航天任务[9]。单粒子效应在不同类型集成电路上阈值有显著差异，有相当一部分抗辐照性能优异能够达到15 MeV·cm2/mg 或37 MeV·cm2/mg甚至75 MeV·cm2/mg 以上，但通常存储器、FPGA、DSP、CPU 等对重离子、中子较敏感，例如美国极紫外探测卫星（EUVE）由于单粒子翻转效应，导致探测器窗口发生紧急关闭故障。这类单粒子事件风险一般可以在器件级和系统设计层面进行防护设计规避任务风险[10]。

有一种情况，某些集成电路厂家专门研发了具备抗辐射能力的COTS 元器件宣传为“宇航用”元器件，没有经上述标准的宇航级认证，冠以“宇航用 、Radhard、rad-hardened、rad-tolerant”等词语宣传其特性，这类元器件具有优异的抗辐射能力，但并不是所有辐射效应阈值都特别高，也有些指标和机构评测的指标相差非常大，需注意甄别[11]。

绝大部分不采用半导体工艺的元器件对空间辐射环境效应并不敏感，例如电阻电容电感，电连接器、机械开关、机械继电器等没有明显的电离辐射总剂量效应和单粒子效应。

在选用COTS 元器件时，需综合考虑轨道空间环境辐射环境特点、器件本身抗辐射能力、系统防护设计措施、冗余设计、系统可靠性风险承受水平等因素，比较不同COTS 元器件胜任任务的能力。电离辐射总剂量效应是累积效应，周边的各种材料和机箱都起屏蔽作用，例如达到20 KRad（Si）抗电离辐射总剂量能力的电路，经过适当屏蔽可以满足在低轨或较短寿命中高轨的任务需求。单粒子效应是偶然事件，可以在器件级、板卡级、单机级、系统级设计中去防护和应对。

2 关于质量保证等级和质量水平

宇航级元器件质量保证等级最高，在设计、工艺、材料、检验方法和程序、标准规范等方面采取了最严格的质量保证措施，尽最大可能消除材料缺陷、制造缺陷等导致的早期失效和偶然失效。宇航级集成电路按照GJB 597、MIL-PRF-38535 等标准中宇航级规定的质量控制措施进行质量控制，生产线应通过宇航级认证，严格质量一致性抽样试验保证批次质量可信度，并通过100 %筛选检验剔除不合格产品。 通常宇航级集成电路属于小批量生产，因此上述措施保证质量的同时也造成生产成本的大幅提高，因此元器件单价非常高。

总体上COTS 元器件没有统一的强制规范来规定质量保证等级，质量保证措施是在商业环境下提高产品竞争力和企业竞争力由企业自发制定的，主要通过大批量生产中采用统计过程控制Statistics Processing Control（SPC）来保证产品质量水平的[12]，一般没有100 %的测试和检验。由于宇航级元器件市场较小无法持续大批量生产，总体上SPC 方法不适于宇航级元器件的可靠性评价。

但由于市场充分竞争，竞相为了满足客户不断增长的需求不断提升性能和质量，整体上COTS 元器件质量水平持续提升[13]，例如塑封集成电路TPS74401 失效率达到了0.2 FIT（见图1），这是厂家大批量生产通过长期持续累计达到57508 只抽样高温寿命检验的统计结果。行业上形成的一系列标准规范（例如JEDEC，AEC-Q），对促进COTS 元器件质量水平也起到了推动作用，美军自从1994年制定政策鼓励在军用装备中使用COTS 器件以来，证明其质量水平可以满足高可靠领域的需求[14]。但由于可靠性预计标准MIL-HDBK-217 对COTS 元器件的质量系数评价过低，导致长期以来误导和阻碍了COTS 器件在军用和航天领域的应用[15]。

图1 厂家公布的COTS TPS74401RGRR 失效率评估数据

宇航级元器件通常由于批量小并且没有长期持续生产，通常无法通过大量试验数据统计来定量评价质量等级水平，因此宇航级元器件虽然质量保证等级最高但往往并不给出失效率试验统计结果，这是两种不同的质量保证控制措施的差异所致。

这里需要注意的是，集成电路的S 级是质量保证等级，而元件的S 级是质量等级，表示失效率水平达到了0.1FIT，代表了元件本身的固有可靠性。

COTS 元器件虽然没有军用标准体系规定的Q、V、B、S 等质量保证等级，但是不同元器件厂家根据市场用途（Applications）往往对COTS 器件的等级做了一定程度的细分，例如厂家Linear Technology Corporation划分为C、E、I、H、MP 等级，TI 分为Commercial、Industry、AEC-Q100、Enhanced Product（EP）、Space EP Products，选用时可以加以甄别。

军用元器件标准中质量保证等级越高意味着元器件质量水平越高，应用风险较小。而COTS 元器件从另一种形式的质量保证措施来提高和保持质量水平，在航天选用时需根据所在设备或系统的风险承受情况来适当选择COTS 元器件，比如考虑加电时长需求，系统冗余情况等等。尤其是COTS 质量水平参次不齐，需要在繁多的等级、厂家、种类、规格中遴选和优选，大量航天实践证明COTS 元器件是可行的方案。表3列出了宇航级和COTS 元器件在抗辐照性能和质量特点对比。

表3 宇航级元器件与COTS 器件的综合对比

3 成熟度鲁棒性

宇航级元器件一旦鉴定定型，版图设计是受控的，厂家不能随意修改，设计提升需要申请批准和验证，因此厂家是没有很强的意愿和商业利益驱动去更新升级，很多宇航级元器件从几十年前设计定型一直沿用至今，并不与主流商业技术同步。

COTS 元器件由于商业市场海量用户使用验证，通过市场反馈和需求提升反复多次迭代持续升级，趋向成熟稳定。不仅对性能指标本身快速提升，在异常操作保护设计、多种封装形式、配套开发的软硬件产品等也不断完善提供了更强的适应性，对用户的应用操作要求不断降低，提升了应用可靠性。

在这点上COTS 元器件是有显著优势的。例如RS422 总线收发器使用在接口电路中，测试使用环境复杂多变，容易误操作引起过电应力失效，为此有些COTS RS422 总线收发器提供了高达±35 kV ESD 的鲁棒性保护[16]。

4 用户使用风险和代价

宇航级元器件抗辐射性能高，质量保证等级高，在轨应用风险极低。由于订货量小，宇航级元器件单价往往是同等性能商业器件的两个数量级以上，用户采购成本非常高[17]。为了达到高标准的抗辐射指标，还需要在功耗、性能、尺寸等方面和抗辐射能力上进行平衡，宇航级元器件通常是金属陶瓷气密封装，元器件尺寸重量较大，电路板卡和机箱尺寸重量相应增加，航天器姿态控制设备、推进剂用量以及能源系统也随之增重，导致整星发射成本较高，因此整体成本较高。

COTS 元器件由于适用性广，用户多，商业大规模生产大幅降低了单位成本，用户采购成本低。COTS 元器件有利于设计建造小型超小型航天器，航天系统整体成本大大降低。但是市场上COTS 元器件品种繁多，可靠性水平参次不齐，以及COTS 元器件新技术带来可靠性风险需要针对性识别和验证，因此需要在可靠性评估、筛选、系统设计上采取必要的针对性措施降低使用风险，对用户元器件管控能力要求较高。

5 总结

航天电子系统的高可靠在很大程度上取决于元器件的固有高可靠特性，但是优秀的系统设计往往可以在元器件自身特性基础上进一步提升系统可靠性。因此采用宇航级元器件还是采用COTS 元器件来构建航天电子系统，一方面需要在器件级考量元器件自身可靠性，另一方面需要在系统设计层次统筹考虑，利用COTS 元器件的高性能、低成本和宇航级元器件的高可靠、辐照免疫优势，采取必要措施规避各自的使用风险。

采用宇航级元器件和COTS 元器件都是可行可取的方案，只是在具体的某块板卡、某个单机、某个分系统中可以具体考量，适当加以选择和分辨。