微系统电子产品宇航应用的保证要求

朱恒静，张延伟，张伟，祝名，匡潜玮

（中国空间技术研究院，北京　100094）



微系统电子产品宇航应用的保证要求

朱恒静，张延伟，张伟，祝名，匡潜玮

（中国空间技术研究院，北京100094）

摘要：对国内外微系统电子产品技术的发展趋势及管理模式进行了分析，针对微系统电子产品的特点及目前存在的问题，提出了宇航型号用微系统电子产品应按照“制定规划、统一管理，全面保证、统一要求”的原则进行管理的工作思路，分析了微系统电子产品保证应重点考虑的内容，给出了微系统电子产品全研制流程保证的总体要求。

关键词：微系统；封装；空间应用；产品保证

0　引言

微系统电子产品技术是一项关键技术，几乎所有的发达国家都制定了有关全面开发和使用微系统电子产品技术的计划。微系统电子产品一般指以处理器为核心，将传统的CMOS技术与其他领域的技术相结合，采用异构集成技术，按需要集成的“多样化”的微小型化器件，包括SIP、SOC和ASIC等。目前国外正在积极地推动微系统电子产品的宇航应用，例如：美国国防部高级研究计划局（DARPA：Defense Advanced Research Projects A-genct）启动了一项涵盖了未来、快速、灵活、自由飞行和模块化航天器等内容的“F6计划”，其新型卫星均采用了模块化和组合的概念；欧洲则利用微系统电子产品技术来改变欧洲电子产品的技术现状，例如：ESA航天电子系统开放式接口架构SAVOIR，可以说就是一种基于欧洲电子产品标准化需求的典型应用。

NASA、ESA设有专门的微系统电子产品的管理部门，对型号用微系统电子产品进行统一的管理；设置专门的组织机构，例如：NEPP、NEPAG，以此来强化产品保证技术的研究和保证的实施，重点研究封装可靠性评价和纳米器件的失效机理等。

所谓微系统电子产品的支撑技术，包括微系统综合集成技术、总体规划与设计技术、大规模集成电路设计技术、制造技术、测试技术和集成封装技术，以及新材料、新工艺和新技术的可靠性保证技术。

1　国内外技术发展现状

1.1国内外技术发展路线

1.1.1美国

为了满足空间活动和军用需求，美国大力地发展微系统电子产品技术，管理责任落实到位、发展路线明确、指导思想清晰，始终保持国际领先地位。美国国防部率先提出了采用异构集成技术，将微电子器件、光电子器件和MEMS器件整合集成在一起，形成集成微系统。DARPA将集成微系统列为重点领域，加速推进发展，成立了微系统集成办公室（MTO），统一规划、协调发展集成微系统技术，将微系统技术列为8大核心技术基础之一。NASA航天电子技术指导委员会（ASC）负责推进航天电子技术的发展，2013年发布了“航天飞行电子系统硬件路线图”，列出了2030年前的重点投资领域，在制定任务规划的同时，分析了未来任务对电子技术的需求，制定了微系统电子产品两个层次、多项关键技术共同发展的发展路线图[1]，路线图包括多项微系统电子产品技术，涉及系统应用和元器件基础技术两个层面，而且要求这些技术的成熟度达到6级，才能为项目所选用。

美国系统均衡发展微系统电子产品的各项支撑技术。为了保持军事优势地位，美国收购了国际上先进的微电子设计公司和最先进的芯片生产线。美国国防部资助了国防部等下属8家机构开展先进微电子器件的原型研制和批量生产，开展“信得过”集成电路战略，为国家安全和国防提供保证；DARPA联合NASA、Aerospace等机构和部门成立了“高可靠电子产品中心”，专门开展纳米级器件可靠性相关技术研究[2]；NASA成立了NEPP和NEPAG机构，针对空间应用的需求，重点开展纳米级器件可靠性、先进封装可靠性等研究工作。上述各项技术协调发展，确保元器件技术的成熟度能够满足微系统电子产品的需求。

1.1.2欧洲

面对21世纪的挑战，欧洲认为空间技术的发展具有经济和战略意义，超越摩尔定律的微系统电子产品技术是改变欧洲电子产品现状的重要机会，因而其从空间应用领域和电子系统/分系统技术的发展出发，在制定空间技术长期发展计划的同时，制定了微系统电子产品技术路线图。主要宗旨为制定顶层规划，坚持独立发展；在这些技术发展的同时，牢记的准则是：自主、不依赖。欧洲国防部与ESA签署了战略协议——欧洲空间关键技术紧急行动计划，投资14亿欧元，发展包括微系统电子产品技术在内的多项关键技术。欧洲建立了由8个成员国、欧洲宇航工业、宇航机构、研究实验室和大学等组成的欧洲宇航技术平台——ESTP，旨在建立坚实、非依赖性的宇航技术平台，重点发展微系统电子产品技术。此外，欧洲还成立了高效系统级封装（ESiP：Efficient Ststem in Package）组织，开展宇航用SiP的开发、应用、可靠性分析、失效分析和试验等工作。

欧洲高度重视产品性能的验证与评估，为了解决微系统电子产品的可靠性问题，必须掌握其失效机理，建立适合宇航应用的保证方法。欧洲开展了微系统电子产品的质量保证研究工作，包括新产品评价鉴定技术、产品成熟度评价技术、产品失效模式和失效机理研究，取得了一定的成果。例如：ST公司采用65 nm CMOS技术进行ASIC研制，针对HCI和NBTI失效机理，开展了系统应用可靠性设计方法的研究[3]；针对复杂的制造过程，开展了有关应用制造设计方法的研究，拟通过研究建立相应的流程和方法，从而全部地覆盖可靠性问题。

1.1.3中国

国家在开发微系统电子产品技术方面部署了相应的工作，国内抗辐射加固设计能力达到0.18 m～0.13 nm的水平，正在开发和完善65 nm抗辐射单元库。在集成封装方面，SiP技术已开始向高端迈进，二维封装、3D堆叠封装的关键技术已经取得了突破。与国外的先进水平相比，我国的微系统电子产品技术的整体水平还有一定的差距，表现在对微观性与系统性协同发展的认识不足，需求的超前探索力度不够，系统性研究不够；目前国内宇航用微系统电子产品的发展缺乏统一的顶层规划，多数产品的使用数量少，无法有效地降低开发和应用成本。

1.2国内外管理模式

1.2.1国外宇航机构的管理模式

NASA、ESA对宇航型号用微系统电子产品的规划和应用进行统一的管理，采用垂直分工的研制实施模式，设立了专业机构负责产品保证。

a）对产品规划和应用进行统一的管理。

NASA、ESA设有专门的微系统电子产品管理部门，对型号用微系统电子产品进行统一的管理，工作内容偏重于微系统电子产品规划制定、需求确认和研制过程质量控制。

b）采用垂直分工的研制实施模式。

用户方提出需求，并且要完成系统设计；设计采用自主或部分委托；流片、封装采用委托外协开展；管理部门负责研制和实施单位的选择与控制、生产过程的管理等工作。

c）专业机构负责产品保证。

设置专门的组织机构，强化产品保证技术的研究和保证的实施，例如：NEPP、NEPAG重点研究封装可靠性评价、纳米器件的失效机理等；TESAT等质量保证机构承担保证工作。

NASA JPL实验室发布了定制集成电路保证指南，包括产品管理、制造厂评价、设计和用户接收4个部分。欧州发布了定制电路管理标准ECSS-QST-60-02，着重于产品开发、验证和确认3个主要阶段，从计划管理、工程实践和质量保证3个方面对定制集成电路的研制过程提出要求[4]。质量保证机构在保证实施的过程中，高度重视项目管理工作，例如：TESAT将SoC/SiP供应链分为设计、布线、生产、封装、电测、环境试验、筛选和认证8大部分，管理作为重要支撑，贯穿于整个项目的研制过程中。

1.2.2国内的管理模式

国内某卫星研制单位提出了对型号用定制集成电路按照“统一管理，统一保证”的原则进行管理的总体要求，并提出保证应从需求论证和确认开始，一直延续到型号应用的全过程中。

2　空间用微系统电子产品的特点与挑战

目前产品的空间应用缺乏顶层规划，以SiP为代表的微系统电子产品一般采用定制电路，需要根据空间应用的具体要求进行设计和制造，与通用元器件相比具有诸多的特点。由于集成系统的高性能、小型化、异质集成、结构多样化和成本需求，与通用元器件相比，集成系统的可靠性保证存在诸多的难点，空间应用面临着众多的挑战。

2.1空间用微系统电子产品的特点

微系统电子产品具有3个特点：需求特定、结构复杂和开发流程繁多。

a）需求特定

在缺乏统一规划的情况下，用户可以针对特定的需求自行确定产品的功能。在实现方式上，可选择的因素很多，例如：生产厂、设计方法、生产工艺和集成方式；产品验证充分性、质量和可靠性均难以保证。

用量少、成本高，可靠性验证试验抽样需要综合考虑。一方面，与通用元器件相比，微系统电子产品的用量较少，如果完全按照标准进行考核，用于试验的样品会较多，会相对地增加产品的研制成本；另一方面，由于微系统电子产品的复杂性，因而需要开展针对其新技术的一系列的分析和评价试验，这在一定程序上也会增加试验样品的数量，因而需要综合考虑成本与可靠性，制定特定的微系统电子产品的保证方法，满足型号需求。

b）结构复杂

微系统电子产品功能先进、结构复杂，涉及多方面的新技术，但新技术、新材料和新工艺会引入新的失效机理和失效模式，针对新的失效机理、失效模式的可靠性保证方法尚需研究和建立，研制成熟度与应用成熟度还需要充分的验证。

c）开发流程繁多

微系统电子产品的开发不同于传统的电子系统的开发，其具有系统设计和芯片设计密切相关、软件设计和硬件设计并行开展的特殊性。设计方法、研制流程的多变，导致了产品的质量不易保证；研制过程包括设计、流片、封装和保证等多个环节，涉及多个单位，产品的质量与可靠性难以控制。

2.2微系统电子产品空间应用的挑战

由于集成系统的高性能、小型化、异质集成、结构多样化和成本需求，与通用元器件相比，其可靠性保证面临着诸多的挑战。可靠性保证的难点包括：1）设计可靠性保证——复杂系统的芯片-封装-系统协同设计，软件、硬件并行设计；2）集成封装新技术可靠性保证——系统集成电、热和力特性的新技术、创新的封装工艺技术和测试工具与方法；3）新技术器件的可靠性保证——深亚微米器件的可靠性保证。

微系统电子产品的研制和保证，是复杂的系统工程，欧洲认为，宇航用微系统电子产品从设计、开发到应用，需10年时间[5]。

2.3小结

微系统电子产品的空间应用面临以下挑战。

a）缺乏统一规划，产品的通用性较差，用量少、成本高，可靠性验证试验抽样与验证充分性需综合地考虑，产品验证充分性、质量和可靠性难以保证。

b）对产品研发的项目管理、设计和制造过程的质量控制等缺乏统一的管理，存在诸多的可靠性隐患。

c）可靠性保证技术研究需不断地深入。微系统电子产品涉及多方面的新技术，集成封装涉及的新技术、新材料和新工艺引入了新的失效机理和失效模式；采用纳米技术的关键新器件的可靠性保证技术尚未获得有效的突破；系统设计和芯片设计密切相关，软件、硬件设计并行开展的特点，更给微系统电子产品的保证带来了技术壁垒。

微系统电子产品在迅速发展的过程中，由于集成系统具有高性能、小型化、异质集成和结构多样化等特点，以及成本需求，其空间应用面临着众多的挑战。微系统电子产品中大量地引入了新材料、新工艺和新设计，研制过程所涉及的环节多，传统的保证方法难以满足可靠性要求的实现，需要由专门的机构统一组织开展微系统电子产品全研制流程的保证工作。

3　产品规范化管理的考虑

针对微系统电子产品的特点，提出了应按照“制定规划、统一管理，全面保证、统一要求”的发展思路来对微系统电子产品进行规划、发展和保证。

3.1制定规划、统一管理

a）制定规划

对微系统电子产品进行统一的规划，对需求进行统一的控制和规划管理，实现微系统电子产品的系列化、通用化和规范化，提升成熟度，打造货架产品，降低成本和风险。

b）统一管理

重点开展微系统电子产品的规划管理，设计、流片和封装阶段的质量控制，应用验证，质量保证和应用指导。

在微系统电子产品型谱规划的指引下，依托国内工业基础，开展微系统电子产品系统研制。以需求为牵引，推动国内宇航用微系统电子产品研制行业的技术与质量控制水平的提升，促进产品制造领域核心技术的突破。

3.2全面保证、统一要求

微系统电子产品的保证应贯穿于研制与应用的全过程。微系统电子产品的保证工作必须从研制初期介入，并贯穿于产品研制的全过程，保证工作应由专业机构统一实施，并按照“全面保证、统一要求”的管理模式实施。

a）全面保证

微系统电子产品的保证应从研制初期介入，并贯穿于研制与应用的全过程。

b）统一要求

由专业机构统一实施保证，按照统一的要求开展保证工作；结合微系统电子产品的特点，重点开展需求分析和确认，设计、流片与封装阶段的质量控制，应用验证，质量保证和应用指导工作。概括为：一个流程，二个确认，三个重点，四个阶段。

3.2.1一个流程

首先，应建立微系统电子产品保证的技术流程。微系统电子产品的保证工作必须从研制初期介入，并贯穿于产品研制的全过程，包括需求分析与确认、系统设计、流片（有需要时）、集成封装考核和认定各个环节。微系统电子产品保证的本质属性决定了它不是一个普通的孤立项目，而是与需求、产品研制和型号研制3个相关流程关联进行、并有机地结合在一起的复杂过程。

3.2.2两个确认

在需求阶段，应考虑产品的功能实现和可靠性等诸多因素；保证的概念应延伸到用户需求提出和确认阶段。

a）用户需求确认

用户方应明确需求，包括逻辑功能、性能参数和物理结构等方面的需求，并经过充分的验证，需求定义可追溯。质量保证机构应对用户的需求进行确认。

b）研制要求落实确认

研制单位应对需求文件逐项地进行确认，并建立可追溯性；应针对微系统电子产品的需求和现有的资源进行可行性分析，包括设计的复杂程度、封装可行性、频率要求、热设计和抗辐射设计等，并对风险进行评估，针对可能存在的风险，提出解决措施。质量保证机构对研制要求的落实进行确认。

3.2.3三个重点

微系统电子产品保证的3个重点方面为：系统设计评价、集成封装新技术评价和新技术器件可靠性保证。

a）系统设计评价

微系统电子产品是异类器件的综合集成，是能够实现多种功能的电子系统，其设计为复杂系统的芯片-封装-系统协同设计，软件、硬件并行设计。系统设计评价就是要对微系统电子产品设计涉及的系统设计、可靠性设计和软件等进行评价；集成电路设计保证包括前端逻辑和后端版图设计评价。

b）集成封装新技术评价

集成封装新技术是设计系统集成电、热和力特性的新技术，创新的封装工艺技术，新的测试工具与方法等。集成封装新技术评价包括电、热和力等一系列评价试验，例如：步进应力试验、高温反偏试验、加速电应力耐久性试验和针对具体装联工艺的评价试验等。目前，美国、欧洲均开展了封装可靠性相关技术研究，例如：NASA NEPP的重点研究方向就是封装可靠性评价方法研究，目前针对封装可靠性的评价尚未建立通用的方法，需要根据具体采用的工艺研究制定专门的评价方法。

c）新技术器件可靠性保证

SiP等微系统电子产品内部多采用深亚微米集成电路，特征尺寸进入深亚微米后，经时击穿（TDDB）、热载流子（HCI）、负偏温不稳定（NBTI）和电迁移（EM）就成为了集成电路的主要失效机理，国外均开展了深亚微米器件的可靠性研究，结果表明：先进技术带来了浴盆曲线三阶段的变化，同时，已经发布的鉴定方法已经不能完全适用，需要根据器件的具体工艺和新的失效机理来制定一种具有针对性的鉴定方法。鉴定方法的核心在于：通过力、热和电等步进加速试验，确定器件的失效机理，确定可靠性试验的项目和应力。例如：NASA提出针对新型FPGA，需要开展6 000 h寿命试验（常规为1 000 h）、500次温度试验（常规为100次）；JPL提出针对NOR Flash，需要开展基于应用需求的读干扰等针对浮栅工艺的试验。另外，根据美国集成电路协会G12联合NASA研究的结果，大规模集成电路老练试验应在其工作频率下开展，才有可能达到尽快剔出早期失效的目的；而目前国内老炼设备的频率仅能达到10 MHz，需要根据器件的功能开发满足要求的老炼设备。此外，测试覆盖率也是保证器件可靠性的一个重要方面，需要进行针对性的开发和分析，在测试成本和测试覆盖率方面寻找平衡。

分析认为，微系统电子产品的保证，需要从3个维度、13个要素进行考虑。1）系统级总体规划与设计层面，要素包括：需求分析与确认、系统设计、可靠性和成熟度；2）集成封装可靠性保证，要素包括：封装设计、工艺、材料和装联；3）内部元器件可靠性保证，要素包括：选用、设计、成熟度和抗辐射能力。微系统电子产品保证需重点关注的维度和要素如表1所示。

3.2.44个阶段

微系统电子产品保证包括研制保证、宇航鉴定、应用验证和质量保证4个阶段。

a）研制保证

对研制过程的质量进行可靠性保证。

b）宇航鉴定

针对宇航应用的微系统电子产品特定的失效模式开展宇航鉴定。

c）应用验证

包括评价和验证2个部分，评价主要包括功能性能分析、极限评估、应用功能验证和抗辐射（单粒子、总剂量）能力评估；验证主要是针对微系统电子产品的环境适应性进行验证。

d）质量保证

指针对宇航应用的一致性和稳定性开展的保证工作。

表1　微系统电子产品保证需重点关注的维度和要素

4　结束语

欧美各知名宇航机构都非常重视并在大力地推动宇航用微系统电子产品技术的发展和产品的应用，宇航用微系统电子产品的选用呈不断上升的趋势；欧美宇航强国都将宇航用微系统电子产品的研发与应用作为重点的发展方向，明确了微系统电子产品在下一代国防系统中的应用。随着国内微电子技术水平的提高，以及微系统电子产品在推动宇航型号微小型化、高功能集成度上的优势日益显现，预计国内宇航型号微系统电子产品的需求将显著地增加。

我国应在国家层面上建立权责明确的组织机构，开展微系统电子产品发展战略研究，加大对核心关键元器件的支持力度，建立能够独立自主、稳定持续地研发、生产和供应航天元器件产品的平台，提升自主研发和制造能力；应加强空间微系统电子产品的顶层规划，对空间微系统电子产品需求进行统一控制，对产品需求进行统一的规划管理，实现产品系列化、通用化和规范化；加强深亚微米器件保证方法和实施技术的研究和建立，先进集成封装可靠性评价方法研究等，提升成熟度，打造货架产品，降低成本和风险。

参考文献：

[1] NASA/TM-2013-217986：Flight avionics hardware roadmap [S] .

[2] DON Dorset. High Reliabilitt Electronics Virtual（HiREV）Center Overview [ EB/OL] . [ 2016 -03 -25] .www.nepp. nasa.gov.

[3] Florence Malou CNES. Development and evaluation of advanced electronic components and technologies [EB/OL] . （2012-11-02）. [2016-03-24] .http://escies.org.

[4]朱恒静，夏泓.欧洲元器件保证标准分析[J] .电子产品可靠性与环境试验，2014，32（6）：9-13.

[5] MICHAEL J Sampson. Packaging and embedded electronics for the next generation [M] . Bibliogov，2013：22-24.

Assurance Requirements for Aerospace Application of Micro System Electronic Products

ZHU Heng-jing，ZHANG Yan-wei，ZHANG Wei，ZHU Ming，KUANG Qian-wei
（China Academt of Space Technologt，Beijing 100094，China）

Abstract：The development trend and management mode of micro ststem electronic products technologt are analtzed. And the work idea that micro ststem electronic products for aerospace application should be managed according to the principle of“making plans，unified management，comprehensive guarantee and unified requirements”aiming at the characteristics of micro ststem electronic products and the existing problems. Besides，the ket issues that deserve primart concern during the guarantee of micro ststem electronic products are analtzed，and the overall requirements of the guarantee of micro system electronic products during the whole development process are given.

Key words：micro ststem；package；aerospace application；product assurance

作者简介：朱恒静（1964-），女，山东莱芜人，中国空间技术研究院宇航物资保障事业部研究员，从事航天元器件保证工作。

收稿日期：2015-10-13

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.006

中图分类号：TN 305.94

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）02-0027-06