太空设备用单片集成电路筛选方案研究

摘" 要： 随着太空研究进程不断加速，空天优势已经成为现代竞争中取胜的重要环节。如果偶然失效或者有质量隐患的元器件上装应用，会导致太空设备整机早期故障率大大增加。装备对太空设备用元器件的质量与可靠性提出了战略需求。文中基于太空设备的典型应用环境，在充分调研国内外元器件标准体系及质量控制模式的基础上，利用FMEA技术分析元器件的敏感因素。基于薄弱环节建立分级分类的筛选方案，支撑太空设备用元器件可靠性保证工作，避免早期失效或有质量隐患的元器件上装应用，满足太空设备对元器件质量、成本及研制周期的要求，助力空天装备快速、高质量和可持续发展。

关键词： 太空设备； 单片集成电路； 元器件； 可靠性评价； FMEA技术； 温度传感器

中图分类号： TN406⁃34" " " " " " " " " " " " " " "文献标识码： A" " " " " " " " " " " 文章编号： 1004⁃373X（2024）10⁃0101⁃06

Research on integrated circuit screening program for space equipment

Abstract： With the continuous acceleration of space research， the aerospace advantage has become an important link to win in modern competition. If accidental failures or components with quality hazards are installed and applied， the early failure rate of space equipment will be increased. Strategic requirements are proposed for the quality and reliability of components used in space equipment. Based on the typical application environment of space equipment and thorough research on domestic and foreign component standard systems and quality control modes， FMEA technology is used to analyze the sensitive factors of components. A hierarchical classification screening scheme is established based on weak links to support the reliability assurance of components used in space equipment， avoid early failure or installation of components with quality hazards， meet the requirements of space equipment for component quality， cost， and development cycle， and assist in the rapid， high⁃quality， and sustainable development of space equipment.

Keywords： space equipment; single chip integrated circuit; components; reliability evaluation; FMEA technology; temperature sensor

0" 引" 言

为响应新形势下太空设备快速发展需求，开展太空设备元器件筛选方案研究，避免有质量隐患及风险结构的元器件上装应用。

本文基于太空设备典型应用环境的特殊性要求，利用FMEA技术分析元器件的敏感要素及薄弱环节，设置试验对其功能性能、物理特性、封装可靠性及寿命可靠性等方面进行筛选，剔除参数测试异常以及结构、工艺等物理特性存在质量隐患的元器件，保证整个装备的可靠运转。

1" 国内外元器件标准体系及质量保证模式分析

经过不断摸索与实践，国外已经建立先进、成熟并且行之有效的包含工作体系、责任体系及技术体系的宇航元器件质量保证体系，覆盖元器件从制造、采购、检验、应用、失效、归零管理等全流程。

美国航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）及日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的元器件标准体系较为成熟，由专门的政府机构负责管理，设置统一的元器件质量保证机构。

质量管理已由传统的元器件规范管理转向生产线认证及过程控制，例如通过过程确认文件体系（PID）的建立来保证元器件生产制造的稳定性、一致性及可追溯性[1]。同时为了降低成本、提高效率，NASA、ESA、JAXA依据标准体系推行元器件的合格鉴定[2]，鉴定合格的产品纳入元器件优选目录。各国之间的目录存在互认机构，为元器件上装应用提供数据支撑。

我国元器件标准体系随着航天型号的发展逐步建立，经历了“三定”“七专”（包含“加严七专”）“贯标”“可靠性增长”等不同控制阶段。

近年来，以探月、载人飞船等为代表的设备向着高可靠、长寿命及多功能方向发展，各院所建立了结合实际背景的产品保证技术规范。随着精细化管理方法不断运用[3]，设备设计、工艺等方面的质量问题发生率不断下降。在当前设备研制平台化、产品化及组批生产的形势下，元器件质量问题日益凸显。

基于国产元器件生产制造水平现状，通过补充筛选来保证上装元器件质量及可靠性[4]是当前及未来很长时间内仍然有效、不可替代的途径。

2" 典型应用环境分析

太空设备环境适应性与装备所处的运行阶段及运行阶段环境有关。太空设备的运行阶段可以分为储存、发射、运行及返回4个阶段。利用鱼骨图分析典型阶段的环境要素，如图1所示。

2.1" 储存阶段

太空设备从装配完成到发射前的时间为储存阶段。大部分设备储存周期短，但有些设备周期可能长达20～30年（可能更长），太空设备用元器件需要适应典型的储存阶段环境。

根据地理位置及储存环境的不同，储存阶段可能承受的环境要素有：温度、湿度、盐雾、静电放电、电磁干扰以及可能存在的霉菌环境等[5]。若设计、结构、工艺、材料不存在重大缺陷，大部分元器件能适应储存阶段环境，个别需要采取“三防”（防潮、防盐雾、防霉菌）及静电屏蔽等措施来保证元器件适应该阶段环境应力。

2.2" 发射阶段

设备从发射开始，入轨到轨道定点的时间为发射阶段。太空设备将经受发动机推力导致的加速度环境、随机振动环境、瞬态环境（可能由点火/关机、级间分离导致）及声环境（喷流噪声或气动噪声导致）[6]。器件设计及物理特性无致命缺陷，且通过鉴定检验、质量一致性检验及补充筛选等质量手段，使用过程按照操作规程正确装联，上装元器件能承受发射阶段环境应力。

2.3" 运行阶段

太空设备进入运行直至结束的时间为运行阶段。因运行周期及方式不同，承受的环境影响差异较大，部分装备可能长期休眠偶尔开机，也可能定期开机，轨道不同设备承受的环境压力不同。总结常见的空间环境主要包括真空、热、辐射、原子氧等。不同类别元器件在不同轨道、设备不同部位可能产生不同的空间辐射效应，需要针对不同类型的辐射效应[7]分别采取相应的措施。

2.4" 返回阶段

设备回收等部分再进入大气层过程为返回阶段，经历的环境主要包括加速度、气动热和着陆冲击等。一般物理特性不存在严重缺陷，且正确装联的元器件可以承受返回阶段的环境。

3" 基于FMEA的单片集成电路可靠性分级技术研究

单片集成电路实现功能十分丰富，包括信号变换处理、信号传输、存储等。随着制造工艺的不断发展，集成度不断提高，集成电路向着超大规模方向发展，封装也从简单的DIP转变到SOP、QFP、PGA、BGA以及倒装焊等。

选取一款温度传感器作为分析对象，利用FMEA技术对其进行敏感要素分析[8]。XD590LH是一个带双终端的集成电路温度传感器，它会产生一个与绝对温度成比例的输出电流。功能层次与结构层次对应图如图2所示。

任务可靠性框图如图3所示。

初始约定层次为XD590LH温度传感器，约定层次为电气结构和机械结构，最低约定层次为感温元件、外壳、引线。

根据温度传感器产品的特点，该温度传感器严酷度类别及定义见表1。

故障模式危害等级如表2所示。

参考系统可靠性分析技术的失效模式和效应分析（FMEA）程序以及故障模式、影响及危害性分析指南规定，结合XD590LH设计图纸开展XD590LH的故障模式分析，根据上述XD590LH温度传感器的功能、结构和使用环境要求分析，其主要故障模式及采取的控制措施如下。

1） 信号输出异常故障

① 内部芯片上集成的晶体管在常温、低温时可能存在不工作的情况，而高温时晶体管又存在异常工作情况。

② 由于电阻层与下层的绝缘性能存在问题，出现漏电流过大而造成过流烧蚀现象。而漏电流的产生也破坏了其左右两个镜像电流源的平衡性能，使该器件输出电流严重超差，从而使该器件输出电流随温度的线性变化关系不复存在。

③ 感温元件焊接因温度过高、焊接时间过长导致感温元件受损，在后续使用中开路而引起感温组件整体失效。

当信号输出故障，无法准确地测量温度，在本身正常的温度环境下的工作过程中会出现“环境温度故障”报警。

为控制信号输出异常这类故障，采取：

① 加强器件的二次筛选，尤其增加高温、低温时的老炼筛选；

② 改善焊接工艺（可采用高熔点焊锡焊接方式），以防止焊接温度过高、焊接时间过长而导致感温元件受损。

2） 信号无输出故障

① 内部芯片上集成的晶体管在常温、低温时可能存在不工作的情况，而高温时晶体管又存在异常工作情况；

② 由于电阻层与下层的绝缘性能存在问题，出现漏电流过大而造成过流烧蚀现象。而漏电流的产生也破坏了其左右两个镜像电流源的平衡性能，使该器件输出电流严重超差，从而使该器件输出电流随温度的线性变化关系不复存在。

而信号无输出故障，无法测量温度，失去原有功能。为控制该类故障，采取加强器件的二次筛选，尤其增加高温、低温时的老炼筛选的措施。

3） 外壳开裂故障

由于外界振动导致管壳受到破坏，发生外壳开裂故障，无法对温度传感器内部结构进行有效的保护，导致后续器件的彻底破坏。

为控制该类故障，采取：加强原材料检验；将接口处退刀槽改为锥形结构。

根据上述分析，XD590LH温度传感器主要有2类严酷度为I类的故障模式，1类严酷度为Ⅲ类的故障模式。在产品设计过程中采取了相应的设计控制措施，能够降低发生概率，确保产品质量。

但在分析过程中发现还存在以下需要改进提升的环节：改善焊接工艺（可采用高熔点焊锡焊接方式），以防止焊接温度过高、焊接时间过长而导致感温元件受损。

XD590LH温度传感器FMEA分析如表3所示。

构建故障树分析[9]，如图4所示。

根据FMEA分析，集成电路的敏感因素包括物理特性（结构、材料、工艺）、热学环境（如温度）、力学环境等，需要对其进行考核评价。

4" 单片集成电路筛选方案研究

对元器件选用源头[10]进行控制是以最经济的方式取得质量管控最优效果的途径之一。太空设备元器件相比一般设备[11]，主要有以下特点：

1） 元器件复杂程度、集成度提高，可编程逻辑器件、大功率器件、微波射频器件等精密复杂，且这类器件对应力敏感；

2） 元器件经历的环境比较严酷，例如温度、振动、电磁等环境；

3） 维修性差，发生失效后导致的后果可能比较严重。

不同质量保证等级的元器件具有对应的固有可靠性水平。等级越高，保证要求内容越多和越严。选用时不应盲目选过高质量等级的元器件，低成本研制背景下，这样不但不能带来产品可靠性提高，还会带来研制成本浪费[12]。

结合GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》，B级以上的器件在鉴定时已经对可焊性、ESD、稳态寿命、热冲击、温度循环、耐湿、机械冲击、振动、盐雾等方面进行了摸底，对其结构、工艺、材料进行了质量及可靠性摸底，可以直接进行筛选，剔除早期失效的元器件。太空设备元器件若选用“七专”或低于“七专”级单片集成电路，需要确认是否完成鉴定检验或其他可靠性评估验证。未进行任何摸底的电路需要进行评价试验，对其功能性能、结构可靠性、封装可靠性及寿命可靠性进行评估验证，通过可靠性评价后方可上装应用。

对于空间辐射效应，根据长期摸底结果，中小规模集成电路单粒子效应不敏感，例如54AC系列中小规模逻辑门电路、54HC系列中小规模逻辑门电路等；数字逻辑电路（如CPU、DSP、SRAM、FPGA）应考虑单粒子翻转，CMOS器件应考虑单粒子锁定。单片集成电路需要考虑总剂量评估。结合FMEA技术分析，器件采购到货后进行筛选+DPA[13⁃14]。筛选项目如表4、表5所示。

5" 结" 语

元器件是太空设备研制、生产与应用等过程中重要的基础物资，对太空设备研制周期、寿命、性能、成本和应用风险均有极其重要的影响。

元器件筛选是为剔除有缺陷或可能引起早期失效或者选择具有一定特性的元器件产品而进行的质量保证。如果将早期失效的元器件装上太空设备，将会使得整机早期故障率大大增加，其可靠性不满足要求，需要寻求满足太空设备应用环境的元器件筛选方案，助力空天设备快速、高质量发展。结合太空设备的应用环境，在充分调研国内外元器件质量保证模式的基础上，基于FMEA技术开展太空设备元器件筛选标准的研究，筛选标准将指导太空设备元器件可靠性保证工作，为后续型号元器件质量管控提供依据。

参考文献

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[3] 赵明，周炜.关于航天军工企业质量精细化管理思考[J].科技资讯，2021，19（1）：117⁃119.

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