国产航天元器件的可靠性分析

吴振广，白郁，孙海钦，朱英玮，闵康磊

（上海航天电子技术研究所 数据传输室，上海 201109）

0 引言

众所周知，元器件是所有电子产品最重要的物质基础。由元器件组装而成的各类产品设备，需要面对外部各种应激反应，其可靠性对电子系统的可靠性起着至关重要的作用[1-2]。我国相对于国外元器件的可靠性研究起步较晚，但也取得了相应的进展。我国航天元器件的质量可靠性标准制定是从上世纪70年代开始的，航天部门率先提议要严格筛选电子元器件。航天工业部根据航天型号任务的需求，在1978年编制了《电子元器件优选手册》。随后又陆续出台了《电子元器件选用目录》等，持续推动着我国的航天元器件国产化进程。2003年7月2日，随着《航天型号电子元器件选用目录》的发布，我国在航天元器件的选用上有了源头上的保障，极大提高了我国宇航产品的质量和可靠性[3-4]。

航天产品发射之后，一旦航天元器件发生质量问题，将会造成不堪设想的后果。因此，分析和研究航天元器件可靠性对宇航领域是非常重要的，需要充分重视国家对于航天元器件国产化的迫切需求，建立起国产航天元器件的可靠性保障系统。从而进一步提升国产航天元器件的可靠性，推动我国航天事业的快速发展[5-6]。

1 国产航天元器件的意义

航天元器件作为航天工程最重要的基础组成部分，对航天工程的工作性能、研制成本、使用范围、以及服役寿命都有着很大的作用和重大影响。甚至可以说航天元器件的质量与可靠性直接决定着航天工程的成败。与我国快速发展的航天事业不匹配的是，在航天元器件的制造领域相对落后，对发达国家的进口元器件有很大的依赖性。伴随着日益紧张的国际形势，以美国为首的诸多发达国家禁止向中国售卖有航天、军事等用途的关键元器件，一定程度上阻碍了我国航天事业的发展进程。

全面深入掌握国内外电子元器件产品的可靠性体系,实现航天元器件国产化并保障航天设备高可靠性[7]，对我国航天事业的发展有着极其重要的推动作用，具有重大意义。

2 元器件的可靠性

元器件可靠性标准是指在规定的时间内，确保其组成的电子产品性能和硬件质量符合相关国家标准规定[8]。元器件的可靠性主要包含两个方面：第一是元器件本身固有的可靠性；第二是元器件的使用性能的可靠性。其固有可靠性，主要体现在元器件的品材质量、结构封装和设计方式等；其使用性能可靠性，主要体现在人为、环境等外部因素的影响。对于产品来说，元器件的选择和使用过程中都会影响其系统可靠性。

根据国外的元器件可靠性研究统计数据结果，元器件固有可靠性与使用可靠性出现的失效现象大致相当，统计结果各占50%。由此可见，在研究元器件可靠性领域，应考虑诸多方面，需要充分了解影响元器件可靠性的原因，制定相应的可靠性保障措施，进而提高其可靠性。

3 国产航天元器件可靠性的影响因素

为了应对以美国为首的发达国家长期以来对我国实行的严格的元器件出口限制政策，我国对航天元器件实现国产化非常重视。虽然我国加大了在国产航天元器件的研发投入，研发也取得了很大的进展，但是由于不同单位在国产化元器件的执行程度上有所区别，目前我国的国产航天元器件替代进程仍存在不少缺陷亟待解决。本文针对国产航天元器件的可靠性影响因素，主要从元器件设计工艺、使用过程两个角度进行分析研究。

3.1 设计工艺影响因素

由于历史原因和经济限制，我国航天元器件的研制和生产相对于发达国家起步较晚。与此同时，还要受到国际上技术封锁和限制等。目前大多数国产航天元器件，是根据进口的相关型号元器件进行仿制的。但是由于核心技术的封锁，部分航天元器件的仿制顶层文件不够完善，存在设计缺陷，无法保证其理论设计、材料材质、制作工艺等和进口元器件完全一样，影响了航天元器件的性能和可靠性，限制了航天事业的发展进程。

此外，由于目前国产航天元器件的顶层管理文件不够完善，尚无明确的指导性文件来规范和指导国产航天元器件的研制、生产、应用等。因此很难对国产航天元器件及其可靠性进行合理有效的控制和监督。对于那些新研制出的国产化元器件进行鉴定时，会存在很多情况难以应对，例如对专用件和非标准件的分析工作等。缺乏相关执行文件的统一性以及相关流程的闭环控制都使得国产航天元器件出现非标验证，只能结合实际的功能模块进行国产航天元器件性能验证，难以全面验证其性能。无法实现部分国产航天元器件对进口元器件的百分百性能替换，存在一定的可靠性风险。

当前对于国产化元器件的仿制多采用正向设计，期望生产出性能、封装、可靠性等参数都可以替代进口元器件的国产航天元器件。但在实际的国产航天元器件生产中，由于设计、工艺、加工环境等因素的影响，部分国产航天元器件难以达到和进口元器件完全一致的性能。其中最重要一个环节就是元器件的参数体系不完整，这会导致国产航天元器件性能指标的相关测试项覆盖不全面，甚至测试合格的元器件也存在一定的未被发现的风险，这严重影响了国产航天元器件的可靠性。

3.2 应用过程影响因素

在国产化元器件的应用过程中，其可靠性主要受到人为因素和环境因素等的影响。首先，任何产品设备都是为人类服务的，元器件的设计、制造和使用都需要人类参与，人为因素对其可靠性影响重大。例如，操作人员在装配元器件的过程中，由于工作疏忽或者技能尚不娴熟，会产生操作不当或损坏元器件等，这些原因会导致产品无法正常运行[9]。航天元器件的使用环境，例如温度、辐射、震动等各种因素都会影响其使用可靠性。尤其是宇航产品在发射时需要克服重力变化和震动影响等；在太空服役时，需要面对苛刻的温度变化、各种辐射等。这些因素都会一定程度上影响国产航天元器件可靠性。

4 国产航天元器件可靠性的改进措施

针对国产航天元器件的可靠性影响因素，本文主要从元器件设计工艺影响因素、使用过程影响因素两个角度对其可靠性的改进措施进行分析研究。

4.1 设计工艺影响因素的改进措施

针对新研发的国产航天元器件，需要对其进行科学状态管理。以型号任务为基础，明确国产航天元器件的顶层管理文件，积极主动积累和收集宇航元器件实际应用中可靠性的情况和相关参数数据。明确指导规范和指导国产航天元器件的研制、生产、应用等。做到全面细致了解元器件的具体情况和详细研究过程，结合相应的技术条件和使用经验，进而得到更为完善的设计方案。

对国产航天元器件的研制厂家，要加大扶持力度，保证资源供给。使得生产商和使用方可以数据共享，明确国产航天元器件与进口元器件的参数差异，将其可靠性放到首要位置，有效开展技术分析论证工作。在生产过程中，生产商要加强对国产航天元器件的检测力度，严格按照国产航天元器件的标准规范进行方案设计、工艺制作和检测试验，并定期对已经使用的元器件进行可靠性检测，确保国产航天元器件的设计工艺的可靠性。

4.2 应用过程影响因素的改进措施

针对人为因素对国产航天元器件使用过程的影响，必须严格按照相应的标准规范使用，并定期检测国产航天元器件的可靠性。具体可以分为以下三点：一是要明确国产航天元器件的使用操作标准规范，并严格对操作人员进行培训、指导、和监察；二是要制定明确的筛选流程，对于部分国产航天元器件一次筛选无法满足使用要求时，要对其进行二次筛选，以此来保证其可靠性；三是加强监督职能，重视国产航天元器件机器设备的维护，从实际出发做到明确设备状态、预防故障、故障早发现早解决。

针对环境因素对国产航天元器件使用过程中的影响，必须要完善相应的制作工艺要求、检测程序并加大检测力度[10]。首先根据宇航产品的实际应用环境，例如温度范围、抗震等级、真空辐照等环境因素来设计研发国产航天元器件；其次要模拟环境因素干扰开展国产航天元器件的检测和试验项，保证其可靠性。

5 结语

本文针对国产航天元器件在航天应用中还存在的不稳定性因素，提出需要对国产航天元器件的可靠性进行严格把控和监管，建立起国产航天元器件科学状态管理体系，制定相应的生产、选用、应用规范，同时还要从人为因素上入手，努力提高国产航天元器件的管理能力、设计能力和操作能力，确保国产航天元器件可靠性的提升，助推我国航天强国建设的步伐。