國產航天元器件自主可控應用驗證方法研究

彭曉飛，李 杰，劉路揚，苗志坤，孫 寧

(1.中北大學 電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 030051；2.航天科工防御技術研究試驗中心,北京 100089)

0 引言

在航天裝備中，國產化元器件的應用比例不高，關鍵元器件仍大量依賴于進口產品，這嚴重影響了航天設備的自主保障能力。我國電子元器件生產起步較晚，在設計初期，主要采用借鑒、引用和集成創新等思維模式，存在不理解原理只單純追求產品形似神似的情況，從而忽略基本的設計原理和需求，導致后續應用存在潛在的風險。另外，也有很大一部分元器件雖然采取的是正向的設計，但由于對國外的設計原理的理解不透徹、技術掌握不到位，使得無法完全獨立自主設計。

元器件國產化替代在我國雖然得到了長足的發展，但由于缺乏統一的標準，各單位執行力度不一，許多國產元器件并未通過大量的應用驗證。在使用元器件前沒有掌握其在未來使用環境或應用設計方案中的功能和性能，也沒有對實際使用中的元器件性能指標進行評估，因而無法得知元器件在實際使用時的功能性能表現。此外，在驗證過程中無法模擬實際的應用環境，也會導致元器件的潛在問題不能得到充分暴露，若直接應用到航天裝備中，可能存在較大的風險。

要想徹底解決這些問題，就亟需建立一套通用的應用驗證體系，有組織的開展國產化元器件替代應用驗證工作，以此來滿足同類型大批量元器件的通用化驗證需求，為后續型號應用提供成型的系統化的驗證方法和流程設計，降低國產化驗證復雜度，減少重復驗證流程，為研制單位提供有效且實用的驗證數據，充分保障質量，提高國產化替代水平。

1 元器件自主可控

“自主可控”要求將核心元器件、核心技術、關鍵原材料等方面掌握在自己手中。通過自主的設計和開發，掌握產品的核心技術，實現產品在設計、開發、生產、維護、升級等過程中的完全可控。自主可控是指制造商和服務提供商具有技術能力和知識產權，并掌握產品技術的發展方向。對于主權國家，必須要求核心元器件、核心技術和配套軟件的自主性和可控性，對于必須使用進口技術產品的領域應達到風險可控。

我國元器件研制生產受自身各種客觀條件的限制，從而使絕大部分仿制元器件無法與進口元器件相媲比，在設計、材料和工藝等方面不能完全保證一致。此外，國產元器件參數系統設置不完善、性能指標測試覆蓋不完整，即便是測試合格的產品，在使用時也會出現各種各樣的問題。同時，我國新研制的電子元器件在設計開發、制造封裝、測試評估、應用驗證方面沒有系統性的指導文件，也就是頂層管理文件不完善，造成無法對國產化元器件的替代工作進行有效的監督和落實。

為實現自主可控的目標，保障元器件的國產化替代，必須從元器件生產過程中所用到的知識產權、材料、技術等方面同步推動。應建立更加完善的系統管理機制，引導研制單位對主流器件進行國產化替代；加大專項資金支持，促進器件應用單位與設計單位的合作交流，開展聯合研究，開展應用驗證。確保器件穩定供貨，無隱患，最終實現元器件自主可控的宏偉目標。

2 元器件應用驗證方法探討

元器件在應用之前，通過開展一系列測試、評估和評價，綜合判斷并確定元器件研制的成熟度以及工程應用的適用度，這就是元器件的應用驗證。不僅能夠有效的指導元器件產品合理化、成熟化，還可保障新研制的元器件其可靠性、實用性和適宜性，以提高元器件的上裝率。

元器件的應用驗證是國產化元器件的替代工作過程中必要且關鍵一環。應用驗證具體包括4個階段，即生產過程要素評價、功能性能驗證、質量可靠性驗證和應用適應性驗證。根據應用驗證項目，充分考慮各層級準備周期、儀器設備資源、樣品數量、試驗周期等，建立驗證試驗項目邏輯關系，通過合理設計試驗項目的串行、并行關系，實現驗證工作效率和效益的最大化，根據確定的驗證項目和準備的試驗樣品情況，驗證工作采用板卡級驗證和器件級驗證并行開展的方式。圖1詳細展示了元器件的基礎驗證技術流程。

圖1 基礎驗證技術流程圖

2.1 生產過程要素評價

元器件生產過程要素評價目的是通過對待驗證器件研制廠家調研評估，對元器件的過程控制、制造和工藝、設計能力以及自主可控能力進行評價，提前識別短板與風險，保障后續供貨的穩定可靠。在生產要素指標分配方案中，重點關注該器件的國產化自主可控能力。評價指標中與自主可控相關的指標權重占比較大。具體涵蓋如下：

2.1.1 過程控制

元器件的生產過程控制能力對元器件批次一致性及可靠性保證具有重要意義，主要確保器件長期穩定可控，同時對相關設備、關鍵工序、材料、生產人員等進行評價。

2.1.2 制造與工藝

主要通過器件的生產制造過程和成品器件的結構特點對其進行評價：①元器件生產線是否有穩定的流片能力；②封裝生產線的自動化程度如何以及是否是在國內進行；③產品是否已經穩定應用。

2.1.3 設計能力

設計能力主要包含設計團隊經歷、單位元器件設計能力、封裝管殼設計能力、設計文件的規范性與完備性等內容。

對設計團隊人員組成、在崗時間、團隊規模、團隊成員支撐、設計經驗等進行考核；主要關注元器件設計版圖、仿真資料等過程文件，同時考核同類型元器件的歷史設計應用情況；設計規范文件中考察產品設計流程管理記錄、規格文檔、整體設計方案及迭代文件等；同時考察封裝管殼設計能力。

2.2 功能性能驗證

表1列出了功能性能驗證的一些基本驗證項目，如功能性能測試、關鍵參數特性曲線測試、比對測試與分析以及電性能參數極限評價等各項試驗，綜合這些驗證實現元器件的器件級驗證。

表1 功能性能驗證項目

2.3 質量可靠性驗證

2.3.1 結構分析

目的是評價元器件的設計、工藝和材料等能否滿足可靠性要求以及相關型號裝備應用要求的能力。通過結構分析盡可能避免存在結構缺陷的元器件被應用于型號裝備。原則上，鑒定試驗和批質量一致性檢驗中已開展的可靠性試驗(如可焊性、引線牢固性等)，結構分析對其試驗數據進行采信。同時，針對同一生產廠家相同封裝工藝的元器件，選取一個典型器件進行工藝和材料分析。

2.3.2 結構單元分解

元器件結構主要由四部分組成，如圖2所示，分為封裝管殼、鍵合互連、芯片焊接和芯片結構。

圖2 器件結構分析框圖

2.3.3 結構要素識別

根據其間型號需求，對器件進行結構要素識別，并結合同類器件的失效案例和應用環境與要求，了解常見結構的失效模式，具體如表2所示。

表2 器件結構要素組成

2.3.4 結構分析試驗流程

元器件結構分析試驗流程，如圖3所示。

圖3 器件結構分析試驗流程

2.4 應用適應性驗證

應用適應性與用戶實際應用結合最為緊密，主要通過分析用戶提出的應用條件、系統功能實現、環境要求等，制定能夠考核到用戶關注內容的指標。應用適應性驗證項目如表3所示。

表3 應用適應性驗證項目

2.4.1 總體設計方案

在進行應用適應性驗證時需要硬件設計母版控制板，驗證子板及其與工控機和設備的連接關系的設計。同時，母板以FPGA 作為核心器件，其主要完成對高性能A/D轉換器輸出數據的采樣，并為高性能D/A轉換器提供高速測試激勵向量，同時完成數據的緩存、數據的跨時鐘域處理，DDR3 SDRAM高速數據讀寫控制，以太網和光纖接口協議實現及數據傳輸等功能，并且FPGA片內已集成JESD204B標準的收發接口，為高性能A/D和D/A轉換器的數據采樣和發送提供了極大的便利。

基于Kintex-7的A/D和D/A轉換器測試系統總體方案如圖4所示。

圖4 測試平臺實現總體方案圖

圖中的同步動態存儲器DDR3 SDRAM在系統中作為A/D和D/A轉換器的數據存儲空間，其最大吞吐速度可以達到1.6 Gbps，最大2 GB的容量，這為ADC數據的大容量存儲和DAC測試激勵向量的高速輸出提供了良好條件，也保證了數據在K7與PC之間的高速傳輸和下載。

2.4.2 詳細設計階段

完成ADC靜態參數和動態參數的測試需要輔助儀器，如信號發生器、高精度萬用表、示波器、頻譜分析儀、高精度電源等。這些信號源具有出色的性能(低相位噪聲、平坦的頻率響應、適度的諧波性能)。由于這些發生器的諧波功率一般不如特定ADC固有的線性度那么好，因此在信號發生器與 ADC模擬輸入之間需要進行濾波處理。如圖5所示。

1)子板設計：

子板設計在-55～125 ℃范圍內正常工作，保證在高低溫測試、溫度循環測試以及力學環境測試等試驗中工作良好。對于控制板和子板、控制板與設備、子板與設備之間的連接選擇高質量的連接器材。

考慮數字信號線長度對信號傳輸的影響和被驗證器件自身數字接口的驅動能力，采用子板增加驅動電路、信號轉換電路等方式與驗證母板連接，保證傳輸的可靠性，避免誤判操作；與子板相關的連接線纜均選用能承受150 ℃以上的線纜，保證在高溫測試和溫度循環測試以及力學環境測試等試驗中工作良好；對于數字控制信號，可以采用排線進行傳輸，且長度不宜過大；對于模擬信號，要保障傳輸的效果，減少噪聲的引入；雙方接口選擇SMA接口，通過同軸電纜進行連接。子板設計如圖6所示。

2)母板設計：

通用數據處理板卡主要完成ADC數據的預處理，將預處理的數據發送到上位機，上位機接收到數據后，對數據進

圖5 基于運放的帶通濾波器

圖6 子板設計原理圖

行運算處理得出ADC的靜態參數和動態參數；并將數據存入數據庫。母板的設計框圖如圖7所示，母板的核心是一個FPGA芯片，用于產生測試的圖形激勵。FPGA的供電模塊保證FPGA的正常運行，連接器的資源主要包括控制切換通道、數字通道、差分通道的高速連接通道，這些通道都由主控FPGA控制，完成相關的功能，通訊功能主要是用串口進行承接。

圖7 母板結構

由于AD任務包中器件類型多樣、廠家應用電路不同、功能存在差異、封裝各異、性能指標不同、測試項目繁多、應用環境復雜等問題，平臺設計需滿足兼容性、綜合性、實用性等實際要求。通用驗證平臺可高效、準確的采集、存儲、分析數據，將數據以波形、數字等形式直觀、有效地反映給客戶，并將數據存儲到數據庫，為高效、準確的對AD轉換器的應用特性作研究提供有效的依據和保障。

2.4.3 試驗驗證

1)將HWD976待測板卡置于規定的環境與直流電源、專用控制母板連接；輸入高精度的正弦波

f

=45 056.152 343 75 Hz，其采樣頻率設為

f

=200 kHz；

2)接通電源，給定器件電壓、模式控制引腳電壓，將器件數字輸出通過高速接口連接至數字采集端；

3)通過高性能射頻信號源提供特定頻率的模擬輸入信號，并連接固定頻率的濾波器至HWD976模擬輸入端；

4)利用邏輯分析儀/專用控制母板控制HWD976進行動態轉換，并采集器件數字輸出信號；

5)通過上位機軟件將采集的數據進行FFT變換，得到頻域信息，并繪制出結果的頻譜圖形如圖8～9所示。

圖8 板卡1：25 ℃溫度下功率譜

圖9 板卡2：25 ℃溫度下功率譜

利用FFT變換結果，通過公式計算得出SNR、SINAD、SFDR等動態指標如表4。

3 元器件驗證過程控制要求

3.1 驗證過程異常處理

3.1.1 驗證試驗中斷處理

在測試過程中，如果測試條件改變不能符合試驗要求時，則應中斷測試，待滿足條件后繼續測試。當測試中斷前

表4 動態指標測試結果

的測試條件未超出規定的范圍，則中斷前的測試有效，否則將重新進行測試。

當出現以下情況時，則應中斷測試：

1)在測試過程中，試驗裝置因技術狀態或質量問題危及安全，無法保障測試安全；

2)影響性能和使用的重要技術問題；

3)出現短期內不能排除的故障；

4)因不可抗拒因素，無法滿足測試條件。

3.1.2 樣品異常情況處理

1)驗證項目中出現元器件樣品失效，應標識、隔離，填寫故障記錄表，并由試驗分析團隊進行失效分析；

2)驗證項目中出現元器件樣品參數非預期超差，應對參數超差現象提供便于追溯的支撐性素材，以便后續分析；

3)對于元器件失效和參數超差問題，由應用驗證專業機構、器件用戶單位和研制單位共同分析、定位和處理，并記錄形成問題清單。

3.1.3 儀器、設備故障處理

1)分析故障對被驗證元器件的樣品的影響；

2)修復故障的儀器設備并進行檢定合格，或更換同類合格設備；

3)若儀器、設備故障對被評價元器件樣品無影響，使用修復或更換的儀器設備繼續試驗；若有影響，則更換被評價元器件樣品后使用修復或更換的儀器設備重新試驗。

3.2 驗證試驗數據處理

在測試過程中，應及時、準確、完整地獲取測試信息并填寫測試數據表(必要時應采集視頻或圖像信息)。測試數據應準確可靠，不得隨意取舍，對所采集的數據進行收集、分類、整理和存檔，并組織相關專業人員對測試數據進行統計分析，根據分析結果科學、公正、客觀的進行測試評價。

4 結束語

隨著當前國際形勢的不斷演變，航天元器件自主可控已成為我國航天領域未來發展的必然趨勢。雖然航天元器件在國產化過程中存在諸多問題，且與進口元器件相比存在明顯的劣勢，但通過對元器件采取充分的應用驗證，包括從器件微觀結構到板卡、組合/整機、分系統/系統多個層級，可以提前暴露和規避國產元器件存在的安全風險。通過構建面向各類航天元器件的應用驗證指標體系和賦權方法，能夠全面提升航天元器件的質量可靠性保障能力，實現航天裝備的自主可控水平，支撐國家航天產業升級，從而推動航天防御事業高質量發展。