面向航天器型号的COTS 元器件选用策略

薄 鹏，汪 悦

（1.中国空间技术研究院；2.中国航天宇航元器件工程中心：北京 100094）

0 引言

商业现货（COTS）元器件与宇航元器件的主要区别在于COTS 元器件在设计时未考虑真空、辐射、原子氧等空间环境适应性和长期工作可靠性。但COTS 元器件由于其性能优异、成熟度高、生产批量大和采购成本低廉等特点，已大量应用于试验卫星及载荷系统等新航天产业领域[1-3]。近年来，在商业航天需求和电子工业技术发展基础上，国内外航天机构和企业都在研究COTS 元器件如何在传统航天项目中更好地应用。美国NASA、欧空局和日本JAXA 等都对COTS 元器件应用持积极态度，成功采用了技术成熟的低成本民标元器件[4-6]。实践证明，在适当保证的前提下，大部分COTS 元器件能满足不同类型航天任务性能，以及温度、振动和辐射等航天器各任务剖面环境要求[3-4]，因此使用COTS 元器件在满足航天器性能的前提下降低任务成本，技术上具备可行性，是航天领域未来发展的大势所趋。

然而COTS 元器件存在非抗辐照设计、易停产断档及可靠性信息缺失等典型问题，在航天任务尤其是传统航天项目中的应用中仍存在风险[1]，其应用难点和重点在于：遴选出适应航天任务尤其是适应空间环境的产品，确定产品基础，完善供给结构，优化供给方式，提升供给效率。

本文研究COTS 元器件工业基础和航天型号任务需求，基于可靠性数据缺失、稳定供应、塑封结构可靠性等风险问题，提出面向航天器型号的COTS 元器件选用原则、选用程序和要素设计方法，并结合工程实践进行分析。

1 COTS 元器件工业基础和应用风险

1.1 COTS 元器件工业基础

在电子工业不断发展的背景下，随着人们对可靠性物理技术研究进一步深入，并且能够采用全自动生产线加工保证产品工艺稳定，元器件性能和整体可靠性水平不断提高，已经衍生出大量高可靠元器件可供各行业选择。汽车电子和医疗电子与人的生命安全密切相关，其元器件也有相当高的质量和可靠性水平，并且市场份额很高，容易获得。ST、Microchip 和ADI 等公司陆续推出抗辐射加固COTS 元器件，并提供辐射仿真工具，努力为航天项目提供“价格-应用需求平衡问题”的解决方案[7]。因此，具备一定质量能力、在市场上作为成熟货架产品被采购的、代表行业发展方向的一系列先进元器件是航天器型号选用的良好基础。近年来，航天器型号低成本研制、规模化生产和高密度发射等要求对COTS 元器件应用的具体需求主要体现在成本控制、风险控制、高性能快速应用以及稳定生产供货等方面。

1.2 应用风险分析及控制措施

1.2.1 可靠性数据缺失风险及控制措施

不同于宇航元器件全面的评估、鉴定、验证和数据共享，COTS 元器件在极端环境、空间环境、长寿命等方面没有公开的数据，导致空间应用信心不足。建立可靠性数据信息平台支持COTS 元器件的快速选型、针对性筛选和评价，都能够有效支撑其选用。

1.2.2 供应风险及控制措施

COTS 元器件可追溯性差，技术状态可能不稳定，持续可获得性存在风险。面对停产或断档风险，可以进行适当的产品或芯片储备；跟踪产品变化，及时使用升级替代品更换。面对状态不受控风险，可以进行产地和芯片状态比对、批次间测试和试验数据比对，来增强使用信心和提前控制风险。

1.2.3 结构可靠性风险

目前，公认的COTS 元器件结构可靠性风险有纯锡材料风险和塑封吸潮特性风险。

1）纯锡材料风险及控制措施

COTS 元器件一般引线镀层为纯锡，而纯锡在低重力或失重条件下容易生长锡须，产生短路风险；在低温形成结晶态灰锡，产生元器件引线及焊点破坏风险。对于管脚表面涂覆层为纯锡的器件，目前公认有效防止锡须生长的方法是采用热浸渍铅锡焊料或涂层。

2）塑封吸潮特性风险及控制措施

COTS 元器件大多采用塑封，主要的故障模式是表面贴装过程中的“爆米花效应”以及内部湿气引起的键合焊点电偶腐蚀。“爆米花效应”是由于塑料封装体内部水分因加热汽化后体积膨胀引起，可以通过电装前适当烘焙避免。采用抽真空包装、干燥洁净环境（如氮气干燥柜）存储能够有效避免腐蚀问题。

2 COTS 元器件选用原则

航天器型号COTS 元器件保证的关键是元器件选型控制，须确保选择的生产厂、器件型号符合应用的先进性和可靠性预期，确认是否具有连续的批采购可获得性，确定是否存在纯锡等航天禁限用工艺或是否能够实施风险缓解措施处理。COTS 元器件的选用控制策略决定了选型范围和应用风险，也影响着质量保证试验项目和要求的设计。

2.1 国内外COTS 元器件航天应用策略

2.1.1 国外的应用策略

NASA 尽管在积极推动选用COTS 元器件，但也认为使用元器件没有捷径，需通过严格的保证和风险控制[4]：对于大部分A～C 级航天器，其应用COTS 元器件的策略偏保守，项目需基于对COTS元器件、制造商以及元器件使用方式的系统理解以及风险的有效管理，并且按照EEE-INT-002 进行筛选、考核和降额使用；对于D 级以下航天器，大部分项目选择接受COTS 相关风险。

欧洲航天机构对COTS 元器件应用持积极态度，欧空局允许多元COTS 元器件保证后使用：目前普遍采用ECSS-Q-ST-60-13，根据可追溯性和保证方法等将元器件分为不同的保证等级，供不同类型的航天项目选用。ECSS-Q-ST-60-13C（2022 年修订版）中进一步明确了COTS 元器件的选用限制和评价要求，并重点推荐汽车级（AEC）COTS 元器件使用[5]。

日本JAXA 对于COTS 元器件的应用相对激进：对家用、工业用、发动机用和高可靠用（如核、航空）4 类不同可靠性基础的COTS 元器件，制定了针对性评价和选择策略，供不同类型的宇航项目选用[6]。

2.1.2 中国的应用策略

我国已经形成了一套针对高可靠航天器用COTS 元器件选用和保证方法。GB/T 41040—2021《宇航用商业现货（COTS）半导体器件 质量保证要求》[8]给出了以结构分析、筛选、考核试验以及抗辐照评估等为主的质量保证技术体系，在应用COTS元器件方面仍偏保守。

2.1.3 商业航天公司的应用策略

以SpaceX 公司为代表的商业航天公司始终将成本和先进性摆在与可靠性同等重要的地位，认为宇航级元器件的价格昂贵、生产周期长、性能落后等固有缺点是制约技术发展的瓶颈，因而需要使用价格低廉、性能先进的COTS 元器件；对COTS 元器件进行针对性的选用分析、筛选试验和板级考核试验等质量保证，可确保其应用可靠性[9]。

2.2 关于COTS 元器件选用原则的思考

宇航元器件的选用原则主要包含继承性、先进性与可获得性、目录管理及合格供方管理等，这些同样适用于COTS 元器件。但是传统的供方和目录管理形式可能难以与先进元器件选择完全同步，至少应选择知名生产厂、产品质量信誉良好的现代化高水平生产线生产的成熟COTS 元器件。选择中应关注COTS 元器件供应方生产线质量认证、执行标准和产品本身的停产断档、技术状态变更等信息。而且，由于可靠性数据缺失、易停产断档等特点，应针对COTS 元器件建立信息库（如表1 所示），以应对数据不足风险，并为选用提供必要信息。另外，选用COTS 元器件应与航天器型号分级保证工作结合，提高保证效率与效益，同时确保可靠性满足航天任务要求。

表1 COTS 元器件可靠性信息Table 1 Reliability information for COTS components

3 COTS 元器件选用程序和要素设计

COTS 元器件选用解决的问题是：在一定的元器件产品范围中，采用成本最小的方式，能够最大限度地满足航天器型号需求。其选用程序如图1 所示，即：从航天器型号需求出发，基于已有信息库，重点考虑供应方选择、执行标准选择、元器件产品选择三大方面的选用要素，识别和控制风险，保证高可靠应用。

图1 COTS 元器件选用程序Fig.1 Selection procedures for COTS components

3.1 需求分析

根据航天器型号需求，按照表1 的信息进行分类，确定对应的元器件需求，如表2 所示。

表2 元器件需求分析Table 2 Component requirement analysis

3.2 元器件选择

3.2.1 供应方选择

选用方应充分开展市场调研，甄别遴选出多种待选元器件，在考虑应用继承性的基础上进行COTS元器件选用。选用分析内容包括COTS 元器件供应方、执行标准、产品等与任务需求、环境需求、质量与可靠性需求以及供应需求的匹配性等方面；在信息过少难以决策的情况下，还需要结合评估试验结果分析风险可接受情况，制定风险控制措施。供应方选择要素如表3 所示。

表3 供应方选择要素Table 3 Selection elements of supplier

3.2.2 执行标准选择

在基础条件相似的情况下，推荐选用表4 中类别高的元器件。不建议选用民商用、适用规范不明或无公开渠道查询数据手册的COTS 元器件。

（4）企业制度的发展滞后。涉农企业按照现代企业管理标准，建立诸多的企业制度，并能给予完善和执行。但在部分企业中，企业制度形同虚设，总经理“一支笔”，内部控制制度缺失。特别是在激励机制方面，奖金等薪酬口头约定较多，不能落实，导致管理层积极性不高，责任心不强，工作效率低下，不利于管理人员的成长，最终导致公司治理效率低下，进入恶性循环状态，严重阻碍了企业的经营发展。

表4 典型COTS 元器件类型、执行规范、生产线和产品特点Table 4 Typical COTS component types, implementation specifications, production lines and product characteristics

3.2.3 元器件产品选择

进行元器件产品选择时需考虑的要素如表5所示，包括：分析COTS 元器件的功能、性能、封装与航天任务的匹配性，元器件的环境适应性，质量与可靠性能否满足型号任务要求。COTS 元器件产品信息可能缺失，需结合典型样品进行评估，尤其在COTS 元器件没有足够航天应用经历或采用未经航天任务验证的新技术的情况下，应针对应用风险制定具体评估试验方案，获取环境适应性和可靠性数据，确定元器件是否满足任务需求。评估试验可以按照结构相似性原则进行，一般包含结构分析和工艺评估。

表5 元器件产品选择要素Table 5 Selection elements of component product

3.2.4 典型COTS 元器件选择实践

某航天器单机用电机控制板电流控制电路需要一款轨对轨低噪声运算放大器，来构建比例积分控制器，实现电流环路闭环控制。根据市场调研，遴选出运放A、运放B 两种待选元器件，均为四通道、单电源、4 MHz 带宽，都能够提供轨到轨输入和输出，可以构建基于单电源供电系统的多级滤波器并保持高信噪比。经对供应方、执行标准、产品的全面分析（见表6），最终选择运放B 成功应用。

表6 低噪声运算放大器选择Table 6 Low noise operational amplifier selection

3.3 元器件供应

3.3.1 元器件采购

采购方应尽可能采用批量、集中采购模式：提前制定备件、消耗品计划，尽量确保初样、正样使用的COTS 器件为同一批次；应在生产厂或授权经销商处直接采购COTS 元器件，且在合同或协议中重点明确所提供产品的数据资料、停产或断档通知等内容。在考虑成本的时候，需考虑采购、质量保证等带来的综合成本，制定适当的采购策略。

3.3.2 元器件质量保证

质量保证试验项目可在元器件级、电路板级、子系统/机箱级选取。更高集成度的试验降低了用户对元器件设计裕度和故障裕度的了解程度。对于商用塑封器件中存在的失效或航天禁限用工艺问题，不是一票否决弃用，而是考虑采用风险分析、工艺再处理、外部加固处理等多种措施支撑可靠应用。例如，纯锡涂覆和非密封等工艺问题都可采取风险分析和针对性措施缓解处理，包括已经被证明有效的加厚三防漆保护、电装前烘焙及干燥储存等。

3.4 元器件应用

3.4.1 电路板或系统设计

应采用冗余设计、热设计、降额设计、容差设计、最坏境况分析等可靠性设计方法和抗辐射加固设计方法，在航天型号任务中适当应用COTS 元器件，防止使用过程环境过应力（防瞬态过载、防寄生耦合和电磁干扰、静电放电）和器件失效传递的应力。

3.4.2 电装或组装工艺

电装或组装工艺不应损伤元器件，并能够提供可靠的连接。表面安装潮湿敏感COTS 元器件应根据MSL 进行预处理。引出端纯锡镀层的COTS 元器件应采取必要的防护处理措施。

3.4.3 电路板级、单机级和系统级试验

电路板级、单机级和系统级试验可与元器件级质量保证结合进行。跳过元器件级试验能够降低成本和加快进度；然而，如果在电路板级、单机级和系统级试验中检测到任何故障，将对成本和进度产生更严重的负面影响[10]。即使COTS 元器件已经进行了超额应力元器件级试验分析，仍建议在原有的额定应力范围内进行电路板级、单机级和系统级试验。

4 结论及建议

使用COTS 元器件提高航天器的性能和降低航天器型号任务的成本，技术上具备可行性，是航天领域发展的大势所趋，其应用难点和重点在于遴选出适应型号任务的产品，并采用低费效比的质保流程和方法。具体建议如下：

1）系统制定完善航天器型号用COTS 元器件的选用规范和质量保证总要求，并建立可用COTS元器件的数据库。因而需要加大空间环境适应性、长期工作可靠性评估的投入，进行备选COTS 元器件的储备。

2）针对COTS 元器件以塑封器件为主的特点，为保证应用可靠性，需要建立“运输—储存—使用前处理—电装后防护”等全过程防护要求。

3）全方位实施统筹集中、批量采购和质量保证，专业质量保证机构持续把关COTS 元器件成熟度和芯片来源。

4）COTS 技术更新换代非常快。须紧跟技术发展和市场动向，不断调整技术应用策略，同时建立与之相适应的单机技术状态动态管控及维护要求。