SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證措施

張大宇 寧永成 王熙慶 叢山 汪悅

(中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

目前，商用塑封器件用于傳統(tǒng)航天器時一般參考NASA戈達德空間飛行中心(GSFC)發(fā)布的元器件技術(shù)指南進行質(zhì)量保證，試驗項目、方法和條件原則上參考宇航級器件的要求設(shè)定，這樣雖然能較好地驗證器件的宇航適用性，但試驗周期長、成本高、實施技術(shù)難度大，妨礙了商用先進技術(shù)在航天項目中應(yīng)用的及時性[1-2]。在國際商業(yè)航天項目方面，近年來取得巨大成功的美國太空探索技術(shù)(SpaceX)公司明確允許采用商用塑封器件設(shè)計火箭、衛(wèi)星、飛船的電子系統(tǒng)。SpaceX公司在參考NASA技術(shù)指南的基礎(chǔ)上，結(jié)合航天任務(wù)的應(yīng)用環(huán)境和條件，系統(tǒng)評估器件選用風(fēng)險，并制定嚴(yán)格的器件級和板級篩選、考核評價試驗流程，以確保商用塑封器件能可靠應(yīng)用于航天任務(wù)。

本文研究了國外商用塑封器件宇航應(yīng)用的質(zhì)量保證一般要求，重點介紹了SpaceX公司的塑封器件質(zhì)量保證措施、流程和方法，分析其特點與成功經(jīng)驗，可為我國開展同類型質(zhì)量保證改進工作提供借鑒。

1 國外商用塑封器件保證概況

商用塑封器件屬于商用現(xiàn)貨產(chǎn)品(COTS)，采用制造成本較低的非氣密性塑料封裝，是國際市場上應(yīng)用最廣泛的元器件。在宇航應(yīng)用方面，NASA為了保持技術(shù)領(lǐng)先地位并降低成本，多年來以噴氣推進實驗室(JPL)、GSFC等下屬研究機構(gòu)為支撐，持續(xù)研究新型元器件及其質(zhì)量保證技術(shù)，確保單機用元器件的先進性和可靠性。2003年GSFC基于MIL-STD-975和早期形成的311-INST-001標(biāo)準(zhǔn)，制定并發(fā)布了《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》(編號PEM-INST-001)及《EEE元器件選擇、篩選、鑒定和降額指南》(編號EEE-INST-002)，規(guī)定了當(dāng)高等級元器件無法獲取時，在經(jīng)過風(fēng)險評估可接受的情況下，允許選用商用塑封器件，但需要進行全面的質(zhì)量保證。NASA指南中全面闡述了包括商用塑封器件在內(nèi)的低于宇航級的器件在宇航應(yīng)用時必須進行的質(zhì)量保證要求，其中包括貯存溫度、潔凈度、防靜電和濕度控制要求、可追溯性要求、采購渠道要求、試驗項目和技術(shù)條件要求等[3-5]。其修訂的新版指南(編號為EEE-INST-003)，重點增加了塑封單片集成電路、塑封混合集成電路和塑封分立器件等內(nèi)容，明確在評估滿足任務(wù)需求時允許使用低等級塑封器件[5]。

ESA早在20世紀(jì)80年代就獨立開展了商用塑封器件在空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作，并且在“星上自主計劃”(Proba)衛(wèi)星等部分項目上大量驗證、使用商用塑封器件并獲得成功[6]。德國航空航天研究中心(DLR)2003年發(fā)布了《商用EEE元器件空間應(yīng)用通用要求》(編號DLR-RF-PS-006)，明確了商用塑封器件的空間應(yīng)用可行性和需要采取的質(zhì)量保證要求，其內(nèi)容主要是針對塑封器件。

另外，霍尼韋爾(Honeywell)、波音(Boeing)、飛思卡爾(Freescale)、德州儀器(Texas Instruments)等10多個全球知名半導(dǎo)體制造商和航空電子公司，聯(lián)合制定了航空航天合格電子元器件(AQEC)規(guī)范(編號GEIA-STD-0002-1)，AQEC工作組與美國政府電子和信息技術(shù)協(xié)會(GEIA)一起發(fā)布了該規(guī)范。該規(guī)范提供確保商用塑封器件能達到航空航天低風(fēng)險、高可靠性要求的通用方法，包括提供支持更寬溫度范圍的器件和管芯、貯存保護及可持續(xù)供應(yīng)鏈等。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織航天分技術(shù)委員會(ISO/TC20/SC14)發(fā)布的多項標(biāo)準(zhǔn)中涉及商用塑封器件宇航應(yīng)用，包括ISO 21350：2007《航天系統(tǒng)——現(xiàn)貨產(chǎn)品的利用》、ISO 19683：2017《航天系統(tǒng)——小衛(wèi)星鑒定和接收試驗設(shè)計》、ISO 14621：2019《航天系統(tǒng)——電子、電氣和機電(EEE)元器件》等，其目的是推動商用器件進入宇航領(lǐng)域，實現(xiàn)低成本、高性能、快速實現(xiàn)的航天單機系統(tǒng)設(shè)計。

綜上所述，歐美國家長期研究性能先進的商用塑封器件在航天領(lǐng)域高可靠應(yīng)用方法，形成了質(zhì)量保證要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在多個航天項目上取得成功，是值得借鑒的普適性方法。同時，這些方法是基于器件級的質(zhì)量保證，技術(shù)流程復(fù)雜、試驗成本高、實現(xiàn)難度大，在沒有生產(chǎn)廠商參與的情況下用戶難以完成，因此也會限制商用塑封器件的宇航應(yīng)用。

2 SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證

近年來，SpaceX公司在商業(yè)航天領(lǐng)域取得重大突破，采用低成本的獵鷹-9(Falcon-9)火箭和“龍”(Dragon)飛船成功實現(xiàn)了火箭回收、商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射、空間站往返貨運等任務(wù)，并且正實施“火星殖民”(Mars Plans)和“星鏈”(Starlink)計劃，向深空探測、載人航天及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信方向發(fā)展。SpaceX公司作為商業(yè)公司，始終將成本和先進性擺在與可靠性同等重要的地位，因而在宇航單機設(shè)計中允許選用商用塑封器件，從而降低設(shè)計成本、提升單機性能、加快研制進度。

與宇航級空腔密封器件相比，商用塑封器件在價格、性能方面具有優(yōu)勢，但是由于商用元器件領(lǐng)域沒有強制要求實施批次性可靠性試驗，因而不能給出相應(yīng)的可靠性指標(biāo)，宇航適用性方面也缺乏驗證，而且由于可追溯性差，直接使用的風(fēng)險極大，必須針對性開展嚴(yán)格的質(zhì)量保證，以確保其應(yīng)用的可靠性。SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證分為選型控制、原廠試驗、篩選試驗和考核試驗，在流程和方法上與NASA的主要區(qū)別是簡化生產(chǎn)廠商試驗而增加用戶板級試驗內(nèi)容，結(jié)合單機的實際工況設(shè)計相關(guān)試驗條件和判據(jù)[7]。

2.1 質(zhì)量保證過程和方法

SpaceX公司基于商業(yè)航天實際應(yīng)用條件制定商用塑封器件質(zhì)量保證試驗流程，在器件篩選和考核試驗的項目及條件上進行裁剪和特殊設(shè)計，在器件級只進行單批次100%篩選試驗，單板電裝后再進行板級試驗，包括篩選試驗、接收試驗和考核試驗，板級考核試驗通過后，板級接收試驗合格的單板可作為飛行件交付單機。其質(zhì)量保證試驗和板級考核試驗的流程如圖1和圖2所示。

注：MSL為濕度敏感性等級，C-SAM為C模式超聲掃描檢查，DPA為破壞性物理分析。

圖1 SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證試驗流程

Fig.1 SpaceX’s quality assurance test process for commercial PEMs

注：EMI和EMC分別為電磁干擾和電磁兼容。

圖2 SpaceX公司商用塑封器件板級考核試驗流程

Fig.2 SpaceX’s board-level qualification testprocess for commercial PEMs

分析以上質(zhì)量保證的試驗過程、項目內(nèi)容和方法，SpaceX公司采用器件級和板級試驗相結(jié)合的用戶級“批接收篩選試驗+單板考核試驗”的質(zhì)量保證模式，由試驗結(jié)果決定是否接收，淡化對生產(chǎn)廠、生產(chǎn)線資質(zhì)和生產(chǎn)過程的控制要求。這樣做的優(yōu)點是可以按照常規(guī)商業(yè)模式進行全球采購，只要能夠達到質(zhì)量要求的產(chǎn)品都可以應(yīng)用，不必局限在宇航和軍用認(rèn)證的元器件范圍內(nèi)選型。

另外，從試驗項目的設(shè)計來看，板級電性能測試、加電溫度循環(huán)、連續(xù)監(jiān)測的板級穩(wěn)態(tài)老煉等試驗項目，是與傳統(tǒng)宇航級器件篩選要求完全不同的試驗；考核試驗中設(shè)計的板級接收和板級考核試驗項目，也是結(jié)合單機實際工況制定的板級熱、力、電應(yīng)力試驗，不再進行器件級考核試驗；當(dāng)具體應(yīng)用環(huán)境較好時，不再進行抗輻照能力評估。與NASA相比，SpaceX公司進行的不是單一品種商用塑封器件質(zhì)量保證，而是對元器件和單機正樣板的篩選、考核試驗合并。

值得注意的是，SpaceX公司的質(zhì)量保證過程第一步是器件選型控制，確保選擇的生產(chǎn)廠、器件型號符合應(yīng)用的先進性和可靠性預(yù)期，確認(rèn)是否具有連續(xù)的批采購可獲得性，確定是否存在純錫等宇航禁限用工藝或是否能夠?qū)嵤╋L(fēng)險緩解措施處理。商用塑封器件的選用控制策略決定了選型范圍和應(yīng)用風(fēng)險，也影響著篩選和考核試驗項目、條件的設(shè)計。

2.2 應(yīng)用風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

SpaceX公司分析認(rèn)為，宇航級元器件的價格昂貴、生產(chǎn)周期長、性能落后等固有缺點，是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸，因而需要使用價格低廉、性能先進的商用塑封器件，并要進行針對性的選用分析、篩選試驗和板級考核試驗等質(zhì)量保證，以確保應(yīng)用的可靠性。

SpaceX公司根據(jù)具體宇航任務(wù)的環(huán)境和應(yīng)用條件選擇器件，火箭和貨運飛船都是近地軌道、短周期的任務(wù)，元器件的應(yīng)用環(huán)境需要考慮發(fā)射階段顯著的機械沖擊、振動和恒定加速度應(yīng)力，不需要考慮元器件的抗輻射、長壽命和性能退化問題。與傳統(tǒng)的軍用陶瓷密封器件相比，商用塑封器件具有更好的抗機械振動、沖擊和恒定加速度特性，而且由于沒有空腔，也不存在可動多余物引起的內(nèi)部短路問題?？梢?，商用塑封器件能滿足近地軌道、短周期宇航任務(wù)的電性能、壽命、抗輻射性能、封裝可靠性等要求，在溫度范圍窄、存在純錫和非密封等禁限用工藝方面也具有可行的解決措施，總體上可以選用，通過針對性質(zhì)量保證的篩選試驗和考核試驗，可決定單批次器件是否適用于單機。

2.2.1 溫度范圍及過程控制

NASA的PEM-INST-001中指出，商用塑封器件與軍用、宇航級器件相比，應(yīng)用于宇航任務(wù)時主要存在4個方面的問題：①工作溫度的范圍窄，通常不能達到-55～+125 ℃的軍溫范圍；②作為市售現(xiàn)貨產(chǎn)品，用戶無法完全知悉器件的內(nèi)部設(shè)計、材料、生產(chǎn)工藝和控制過程；③由于是工業(yè)上大批量生產(chǎn)的低成本商用塑封器件，每只器件的內(nèi)部芯片無可追溯性；④無權(quán)威機構(gòu)監(jiān)測或評價器件的可靠性和質(zhì)量控制水平[8]。

針對這些問題，SpaceX公司結(jié)合具體任務(wù)的空間環(huán)境，按照美國空軍太空司令部AFSPC Manual 91-710中給出的測量驗證數(shù)據(jù)，確定發(fā)射階段火箭艙內(nèi)實際環(huán)境溫度范圍為-34～+71 ℃，因此選擇工作溫度范圍在-40～+85 ℃的工業(yè)級商用塑封器件能夠滿足使用環(huán)境溫度要求，不會出現(xiàn)因超出工作溫度范圍而失效或參數(shù)退化的問題。通過對生產(chǎn)過程對比分析，SpaceX公司認(rèn)為采用AQEC規(guī)范的ANSI/GEIA-STD-0002-1或汽車電子協(xié)會元器件技術(shù)委員會(AEC)的AEC-Q100進行質(zhì)量保證的商用塑封器件，與美軍標(biāo)MIL-PRF-38535的質(zhì)量保證過程相似，能夠滿足宇航任務(wù)高可靠要求，因此優(yōu)先選用該等級的產(chǎn)品。另外，SpaceX公司通過選擇適當(dāng)?shù)钠骷椭圃焐?，按照專用、成批次采購的模式，解決器件性能一致性和可信性問題，確保商用塑封器件的整體質(zhì)量水平穩(wěn)定可靠[7]。

2.2.2 純錫材料

商用塑封器件還存在著引線純錫涂覆和吸潮腐蝕等固有問題。在生產(chǎn)商用塑封器件時，考慮到環(huán)保的無鉛要求，一般引線鍍層為純錫，而純錫在低重力或失重條件下容易生長錫須，雖然生長速度非常緩慢，但是不能排除因此產(chǎn)生短路的風(fēng)險。另外，純錫在低溫(低于-13 ℃)時原子間的空間變大，形成結(jié)晶態(tài)的灰錫(又稱為錫瘟、錫疫)，會導(dǎo)致元器件引線及焊點的破壞[9]。NASA的元器件政策文件NPD 8730.2規(guī)定，必須采用傳統(tǒng)的鉛錫焊料并按照GEIA-STD-0005-1的要求制定控制方案，如果采用錫銀銅焊料和其他新焊料，則必須有證明材料；對于引線涂覆要求錫基的涂覆必須含有至少3%的鉛，如果能夠按照GEIA-STD-0005-2中2C等級進行風(fēng)險控制，提供2種以上緩解錫須、錫疫問題的措施及相關(guān)證明材料，也可以選用純錫引線的商用塑封器件。

對于管腳表面涂覆層為純錫的器件，目前防止錫須生長唯一可行的方法是熱浸漬鉛錫焊料。SpaceX公司建議采用自動熱浸漬焊料工藝，避免因手工操作導(dǎo)致塑封體的開裂、起泡等損傷。對于火箭和飛船等短期宇航任務(wù)，SpaceX公司認(rèn)為錫須的風(fēng)險是已知可接受的，沒有必要對塑封純錫引腳進行鉛錫焊料的浸焊來更換涂覆層，以免引入更大的未知風(fēng)險。文獻[10]中關(guān)于三防漆厚度對錫須生長影響的研究成果表明，保形涂料的涂覆處理也能夠延緩和減少錫須的生長，有效防止引線短路失效。SpaceX公司在NASA的“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”(COTS)和“商業(yè)補給服務(wù)”(CRS)計劃中，對獵鷹-9火箭和“龍”飛船的相應(yīng)部位就是采用了加厚的三防漆涂覆方式緩解錫須生長。

GEIA標(biāo)準(zhǔn)也支持風(fēng)險分析的方法計算錫須導(dǎo)致失效的總體風(fēng)險，SpaceX公司采用了由Raytheon公司開發(fā)、航空航天工業(yè)界通用的“Pinsky算法”作為風(fēng)險分析工具，預(yù)測錫須密度、長度，評估減緩措施的有效性。需要注意的是，上述分析方法只適用于錫須橋接短路故障，不能用于高壓電弧放電失效模式的分析[11]。

2.2.3 吸潮特性

塑封材料的吸潮特性嚴(yán)重影響器件應(yīng)用的可靠性，主要的故障模式是發(fā)生在焊裝過程中的“爆米花效應(yīng)”，以及內(nèi)部濕氣引起的鍵合焊點電偶腐蝕?！氨谆ā笔怯捎谒芰戏庋b體內(nèi)部水分因加熱汽化后體積膨脹引起的，通常導(dǎo)致內(nèi)部分層、封裝基體破裂、鍵合點破壞等失效，可以通過器件電裝前的烘焙避免。目前，業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了基于器件MSL的器件烘焙方法和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SpaceX公司嚴(yán)格按照J(rèn)-STD-033B.1的要求處置、包裝、運輸和應(yīng)用相關(guān)器件，能夠確保不出現(xiàn)爆米花效應(yīng)。

吸潮腐蝕是一種長期效應(yīng)，需要形成電解液的3個必要條件為：2種金屬形成電偶(通常存在于金鋁鍵合點處)、游離的離子雜質(zhì)(通常為氯、鉀、溴、鈉等離子污染物)和水汽(由大氣中擴散侵入)。國際上的大量研究表明：由于現(xiàn)代塑封半導(dǎo)體器件制造的清洗工藝能夠基本消除離子污染，通過控制環(huán)境溫度和濕度，并且采用適當(dāng)?shù)陌b、定期更換干燥劑，塑封器件貯存壽命能夠超過15年，不會出現(xiàn)長期存儲引起的腐蝕失效。針對元器件大批量戰(zhàn)略儲備的需求，美國國防部及主要的供應(yīng)商參與制定了GEIA-STD-0003標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了保證元器件可靠性的長期貯存方法。SpaceX公司推薦按照德州儀器公司(TI)發(fā)布的關(guān)于長期貯存后元器件可靠性的研究報告相關(guān)要求存儲元器件，原廠包裝設(shè)計的保持干燥時間為32個月，按照J(rèn)-STD-033對元器件進行烘焙，并采用隔離水汽和腐蝕性污染物的包裝，以延長貯存壽命達到幾十年[12]。

3 對傳統(tǒng)質(zhì)量保證的改進

SpaceX公司結(jié)合航天任務(wù)實際要求、NASA的規(guī)范指南、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其他相關(guān)研究成果，按照“批接收篩選試驗+考核試驗”的模式進行商用塑封器件針對性質(zhì)量保證，設(shè)計用戶板級試驗替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)廠商器件級試驗項目，在降低試驗周期和成本的同時確保了應(yīng)用的可靠性。與傳統(tǒng)方法相比，SpaceX公司商用塑封器件質(zhì)量保證方法是以用戶系統(tǒng)角度實施元器件保證，簡化器件級試驗項目，但是增加了大量板級試驗內(nèi)容，系統(tǒng)可靠性和宇航適用性的質(zhì)量保證要求并未降低。其主要的區(qū)別和改進體現(xiàn)在選用準(zhǔn)入策略、禁限用工藝處理、抗輻射考慮和篩選考核試驗流程設(shè)計等4個方面。

3.1 選用準(zhǔn)入的范圍

SpaceX公司元器件選用是基于具體宇航任務(wù)應(yīng)用條件進行適用性分析，綜合考慮性價比、可靠性，擴大可選型范圍，工業(yè)級、汽車級等民用行業(yè)內(nèi)質(zhì)量控制水平穩(wěn)定的商用塑封器件也可作為商業(yè)航天的候選元器件，只是需要通過針對性質(zhì)量保證試驗驗證其可靠性。另外，結(jié)合商業(yè)航天任務(wù)的電子系統(tǒng)實際工作溫度環(huán)境，可以按照實際工況技術(shù)要求進行器件選型，不必局限于軍溫范圍。

3.2 禁限用工藝的應(yīng)對措施

對于商用塑封器件中存在的宇航禁限用工藝問題，不是一票否決棄用，而是考慮采用風(fēng)險分析、工藝再處理、外部加固處理等多種措施支撐可靠應(yīng)用。例如，純錫涂覆、非密封等工藝問題，SpaceX公司采取風(fēng)險分析和針對性措施緩解處理，包括已經(jīng)被證明有效的重新涂覆、加厚三防漆保護、“Pinsky算法”分析、電裝前烘焙、干燥貯存等。

3.3 抗輻射要求的考慮

元器件輻射損傷失效的風(fēng)險概率與軌道高度、在軌時間密切相關(guān)，火箭發(fā)射和低軌道貨運任務(wù)涉及的空間環(huán)境較好，電子系統(tǒng)單機開機時間短，輻射效應(yīng)引起任務(wù)失敗的風(fēng)險極低，因此SpaceX公司在質(zhì)量保證中不再進行商用塑封器件的抗輻射試驗評估，而是在選型控制階段基于應(yīng)用風(fēng)險考慮抗輻射問題處理。截至目前，在SpaceX公司的商業(yè)航天任務(wù)中，沒有出現(xiàn)因元器件輻射效應(yīng)引起單機失效的相關(guān)報道。

3.4 試驗方案的設(shè)計

SpaceX公司在試驗流程、項目、條件的設(shè)計方面，以選用合理性分析和批量采購為前提，考慮任務(wù)實際工況裁剪非必要器件級試驗，降低試驗應(yīng)力條件；結(jié)合應(yīng)用條件增加板級篩選試驗、板級接收試驗和板級考核試驗，減少或合并抽樣數(shù)量；針對商用塑封器件的封裝缺陷，增加潮濕敏感性分級測試、加電溫度循環(huán)、板級振動試驗、涂三防漆保護和蒸煮試驗等。

4 啟示與建議

美國商業(yè)航天的代表SpaceX公司，在可靠應(yīng)用商用塑封器件方面借鑒微電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)研究成果，形成了一套有別于NASA、ESA、MIL的質(zhì)量保證方法。實踐證明，該方法在現(xiàn)階段有效保證了其火箭、無人貨運飛船等商業(yè)航天任務(wù)中元器件的應(yīng)用可靠性。國內(nèi)某些低軌、短壽命、低成本的小衛(wèi)星，以及科學(xué)探測及新技術(shù)驗證搭載單機等風(fēng)險接受能力較高的航天項目，在應(yīng)用商用塑封器件時也可以借鑒SpaceX公司的質(zhì)量保證措施、方法，結(jié)合航天器實際環(huán)境和應(yīng)力條件，設(shè)計基于“器件級篩選+板級考核試驗”相結(jié)合的保證流程，以有效降低成本，加快進度，促進新技術(shù)、先進器件在未來復(fù)雜宇航任務(wù)中低成本、高可靠地應(yīng)用。

4.1 國內(nèi)質(zhì)量保證流程

長期以來，商用塑封器件的選型和低成本質(zhì)量保證都是宇航應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的重點。國內(nèi)用戶單位在小衛(wèi)星項目、非關(guān)鍵載荷、搭載任務(wù)單機等特定應(yīng)用場合的元器件控制和保證方面積累了一定的經(jīng)驗，包括基于應(yīng)用風(fēng)險分級的器件選型和保證流程優(yōu)化、板級試驗與器件級試驗項目的替代實施等措施，推動了新型處理器、FPGA、高速接口等復(fù)雜高性能商用塑封器件的宇航應(yīng)用，但是在質(zhì)量保證試驗項目和流程優(yōu)化方面尚未形成廣泛共識。

商用塑封器件質(zhì)量保證通常是參考NASA的PEM-INST-001和EEE-INST-002制定針對性保證方案，實施篩選、考核試驗、輻照評估試驗、結(jié)構(gòu)分析和破壞性物理分析(DPA)[2,13]。典型商用塑封器件的質(zhì)量保證試驗項目和流程，如圖3所示。

篩選試驗包括外部目檢、溫度循環(huán)、電測試和老煉等，并進行參數(shù)變化率控制，在篩選合格產(chǎn)品中抽取樣品進行DPA?？己嗽囼炓话惆▔勖囼?、模擬回流焊等項目，其結(jié)論判斷是否存在批次性問題。結(jié)構(gòu)分析需要針對器件的結(jié)構(gòu)特點制定針對性的分析方案，結(jié)合宇航禁限用工藝的規(guī)定，給出器件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等是否適合宇航應(yīng)用的結(jié)論。輻照試驗是根據(jù)宇航任務(wù)的要求和不同類型器件的輻照效應(yīng)單獨制定方案，對每批次的器件進行總劑量試驗(TID)，對每個芯片版本的器件進行單粒子試驗(SEE)，CCD及光耦等光電器件還要考慮進行抗位移損傷效應(yīng)(DDD)摸底試驗，輻照試驗判據(jù)與任務(wù)周期、軌道空間環(huán)境及冗余設(shè)計要求(RDM)有關(guān)。上述質(zhì)量保證流程是較為嚴(yán)格的器件級質(zhì)量控制方法，用戶實施成本高、難度大，且結(jié)構(gòu)分析結(jié)論一般是宇航禁限用、需要進一步針對性評價或航天器決策，另外花費長時間、高成本完成的抗輻照摸底指標(biāo)通常也不理想，還要采取單機線路級抗輻照設(shè)計或其他緩解措施。

注：SEM為掃描電子顯微鏡檢查。 圖3 典型商用塑封器件質(zhì)量保證流程Fig.3 Quality assurance flow of typical commercial PEMs

4.2 質(zhì)量保證方法改進建議

分析對比國內(nèi)外調(diào)研情況，我國航天器在商用塑封器件的選擇、篩選、考核、應(yīng)用實踐方面還需要進一步創(chuàng)新方法，精細(xì)化設(shè)計基于實際工況的質(zhì)量保證方案，引入結(jié)合單機系統(tǒng)設(shè)計的板級力、熱、電及綜合應(yīng)力試驗內(nèi)容，減少器件級篩選和考核試驗項目，優(yōu)化質(zhì)量保證流程，并急需形成通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以指導(dǎo)用戶應(yīng)用。綜合考慮質(zhì)量、成本、風(fēng)險和可實施性等諸多因素，建議在6個方面對現(xiàn)有質(zhì)量保證流程進行優(yōu)化和改進。

(1)商用塑封器件選型控制階段首先進行應(yīng)用需求分析，結(jié)合應(yīng)用風(fēng)險分級和實際工況設(shè)計質(zhì)量保證流程，綜合考慮應(yīng)用需求、器件背景、經(jīng)費、成本和風(fēng)險，以目標(biāo)為導(dǎo)向確定器件級、板級試驗項目和實施方式。

(2)由于商用塑封器件屬于通用現(xiàn)貨產(chǎn)品，不能以宇航或軍用元器件的方式控制設(shè)計、生產(chǎn)過程，因此建議采用批接收試驗(LAT)的方式進行質(zhì)量保證，根據(jù)應(yīng)用風(fēng)險針對性設(shè)計不同的保證流程。

(3)在結(jié)構(gòu)分析或DPA中發(fā)現(xiàn)非密封特性、金鋁鍵合工藝、純錫材料等公知風(fēng)險問題時，可將其作為警示提醒用戶應(yīng)用時進行適當(dāng)處理，不作拒收判據(jù)。

(4)商用塑封器件的工作溫度范圍滿足航天器板級、單機級、整機級試驗的相應(yīng)溫度范圍即可，非必要時無需開展超溫范圍的器件特性摸底試驗。

(5)建議對航天器選用及潛在選用的商用塑封器件獨立于質(zhì)量保證以外統(tǒng)一實施抗輻射試驗，得到的權(quán)威抗輻射指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，支撐選用。

(6)批量投產(chǎn)的航天器單機、單板，如果大量選用已有成功應(yīng)用經(jīng)歷的商用塑封器件，可以采用多品種器件電裝后的單板級篩選、考核試驗的方式進行質(zhì)量保證，降低成本、簡化流程。

總體來說，當(dāng)單機關(guān)鍵程度高、要求最低風(fēng)險設(shè)計時，建議對選用的商用塑封器件從元器件角度實施全面質(zhì)量保證，采用“器件級篩選+器件級考核試驗”的傳統(tǒng)保證模式，全面評價器件的可靠性和宇航適用性；當(dāng)單機風(fēng)險接受能力較高、要求低成本設(shè)計時，建議從單機角度進行質(zhì)量保證，采用“器件級簡化篩選+板級篩選+板級考核試驗”的保證模式，確保單機、單板的可靠性，典型方案在下一節(jié)具體介紹。

4.3 典型的低成本保證方案

借鑒SpaceX公司的成功經(jīng)驗，建議國內(nèi)在選用商用塑封器件時，首先以用戶和任務(wù)角度進行基于應(yīng)用條件的選用風(fēng)險分析和結(jié)構(gòu)分析，針對已知可靠性隱患采取緩解措施，設(shè)計適度的器件級篩選試驗，統(tǒng)籌調(diào)度實施多品種元器件電裝后的板級篩選和板級考核試驗，不再進行單一品種商用塑封器件的器件級考核試驗，典型的低成本保證流程見圖4。

選用分析階段重點對備選器件的宇航應(yīng)用經(jīng)歷、批次質(zhì)量信息、抗輻照試驗數(shù)據(jù)、歷史質(zhì)量問題情況、選用必要性等進行分析，同時確定選用的器件型號、封裝形式、質(zhì)量等級、批次等信息，確定是否需要進行抗輻照評估或單機級抗輻射設(shè)計。結(jié)構(gòu)分析是針對器件的結(jié)構(gòu)、材料、封裝進行一系列試驗和物理分析，判斷是否存在禁限用工藝，是否適合宇航應(yīng)用或者能否采取針對性緩解措施，同時也需要從物理層面識別樣品是否為假貨。器件級篩選試驗中模擬焊接、C-SAM和DPA為抽樣評價項目，外部目檢、X光檢查和電測試為對100%樣品實施的器件級試驗。對多品種元器件電裝后的多塊單板進行篩選試驗，項目包括溫度循環(huán)、板級測試、板級老煉及外部目檢。對篩選合格的單板進行板級接收試驗，主要為板級溫度和極限應(yīng)力試驗，并進行板級性能測試，通過接收試驗后抽樣實施板級壽命試驗、耐濕試驗、機械試驗和EMC試驗等考核試驗項目，其余單板可以作為飛行件。

圖4 商用塑封器件的板級質(zhì)量保證流程Fig.4 Board level quality assurance flow of commercial PEMs

區(qū)別于現(xiàn)行航天元器件“統(tǒng)一質(zhì)量保證”的管理要求，實施低成本保證方案的前提是以單機研制部門為主體開展器件質(zhì)量保證，針對性簡化器件級試驗項目，并與多品種元器件電裝后的板級試驗相融合，直接篩選出板級飛行件產(chǎn)品。我國航天器用商用塑封器件保證技術(shù)的改進需求強烈，后續(xù)仍要結(jié)合具體項目實踐，從元器件質(zhì)量保證技術(shù)和管理兩方面入手探索流程優(yōu)化方法，提高單機的性價比和市場競爭力。