CN100399037C - 一种针对商用塑封器件空间应用的筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，包括依次进行的筛选测试、可靠性计算和依次进行的辐射测试、抗辐射加固，以及根据上述测试结果、可靠性计算和抗辐射加固结果进行的评估。本发明与现有技术相比更加系统化，可以有效的节约时间，节省费用。本发明的筛选测试方法，对选定的100%的商用塑封器件实施非破坏性筛选试验，剔除具有潜在缺陷的早期失效产品，可以提高批产品的可靠性。通过可靠性计算，获得该商用塑封器件应用于某一特定的空间任务的可靠度，可以定量地确定该产品是否可以应用于空间任务。通过辐射测试，可以获得器件的抗总剂量能力和单粒子翻转率，从而可以采取有效的措施进行抗辐射加固设计。

Description

一种针对商用塑封器件空间应用的筛选方法

技术领域

本发明涉及针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，尤其涉及一种应用于航空航天领域内的商用塑封器件的筛选方法。

背景技术

按照国际通用的分类方法，电子元器件等级一般可分为宇航级、883B级、军级、工业级、商业级。通常所说的商用器件Commercial-Off-The-Shelf(COTS)包括工业级和商业级器件。在空间任务中，器件大多采用宇航级/883B级产品，但近年来高性能商用器件，尤其是商用塑封器件Plastic Encapsulated Microcircuits(PEMs)正在逐渐广泛地应用于空间任务来满足系统对高性能的需求。

近年来，商用塑封器件的性能提高得很快，在高性能方面取得的成果非常显著。同类产品中，或者没有相应的宇航级/883B级器件，或者相应的宇航级/883B级器件性能远不及商用塑封器件。一般地讲，宇航级/883B级器件性能落后于商用塑封器件1-2代。另外，采用商用塑封器件还可以实现空间飞行器体积小、重量轻、功耗低的特殊要求。因此如果能够把先进的商用塑封器件应用于空间领域，就可以实现空间产品的高性能，满足空间系统性能不断提高的需求，在空间应用中具有重要的战略意义。

商用塑封器件在空间领域有良好的应用前景，具有提高性能降低成本的巨大驱动力。与宇航级/883B级器件相比，商用塑封器件在性能和价格上都具有比较大的优势，从商用塑封器件中筛选出合适的器件应用于空间飞行器中，已经成为空间系统发展的主要方向之一。

一方面，高性能商用塑封器件应用于空间任务，在国际上已经成为一种发展趋势；另一方面，由于西方某些国家在高性能军级以上器件方面对我国实行封锁，在我国未来航天任务，包括军事卫星上使用高性能商用塑封器件，必将有助于提高我国军用航天器和天基信息网的信息安全，更具有特殊的现实意义。但由于商用塑封器件是为了适应地面环境，而不是为适应空间恶劣环境而设计的，商用塑封器件应用于空间飞行器时，不可避免地会遇到许多问题，存在很大的风险。其中最严峻的两个问题是热环境和辐射环境。商用塑封器件的温度适用范围小，而空间环境存在温度变化较大以及温度突变的情况。辐射环境主要有总剂量效应和单粒子效应，商用塑封器件抗辐射能力差，在空间环境中会导致器件不同程度的损坏和失效，这是使用商用塑封器件不可回避的问题。另外，空间应用中的器件无法返修和置换，对器件可靠性的要求很高，而商用塑封器件的可靠性低且其可靠性数据厂家并不提供；商用塑封器件没有可追溯性；用户无法知道商用塑封器件工艺过程的更改；商用塑封器件容易受到潮湿的影响。针对以上的问题，在使用商用塑封器件时必须采取一定的措施来保证商用塑封器件在空间应用中安全可靠。这一方面国内外也都有一些解决的办法和对策，诸如使用前进行有针对性的特定的筛选测试、制定相应的筛选测试规范、在电路设计上的特殊考虑等等。但目前尚没有一个成熟的应用于商用塑封器件的规范或指导方针可以遵循，而应用于军用产品的可靠性测试方法又无法应用于商用塑封器件，因此仍然需要进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，满足在使用商用塑封器件时必须采取一定的措施，来保证商用塑封器件在空间应用中安全可靠的需要；从而提出一种将商用塑封器件应用于空间任务的筛选方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出的针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，包括以下步骤：

1)进行筛选测试；所述筛选测试是对选定的100％的商用塑封器件实施非破坏性筛选试验，剔除具有潜在缺陷的早期失效产品；

2)在筛选测试后进行可靠性计算；所述可靠性计算是根据元器件种类的不同，建立元器件的失效率模型，从而计算出元器件在特定空间任务中的失效率和可靠度；

3)进行辐射测试；所述辐射测试是对选定的商用塑封器件进行总剂量测试和单粒子事件测试，获得器件的抗总剂量能力和单粒子翻转率；

4)在辐射测试后进行抗辐射加固；所述抗辐射加固是在设计上采取各种措施，提高器件抗辐射总剂量水平和抗单粒子效应的能力；

5)根据上述测试结果、可靠性计算和抗辐射加固结果进行的评估。

所述步骤1)，包括对选定的商用塑封器件依次进行的供货渠道控制、批次检查、外观检测、声学显微镜扫描CSAM(C-mode Scanning Acoustic Microscope)测试、电性能测试、DPA(物理性破坏试验，Destructive Physical Analysis)、湿度试验、温度循环试验、老练试验、随整机可靠性筛选试验，提供筛选测试报告。

所述步骤2)是针对失效率模型，根据特定的空间任务需求、元器件质量等级、电路复杂度、封装复杂度、工作环境、使用寿命、温度应力和所进行的筛选试验，确定元器件失效率模型中的各种π系数，计算出元器件在特定空间任务中的失效率和可靠度。

所述步骤3)中，所述总剂量测试是对选定的商用塑封器件选用Co-60放射源或X射线辐射系统进行总剂量测试，获得器件的抗总剂量能力；所述单粒子事件测试是用高能加速器或者脉冲激光对该商用塑封器件进行扫描，观察其中特殊的单粒子事件，获得单粒子翻转率。

所述步骤4)，是利用飞船、卫星等的蒙皮、设备的机箱、设备内部加设屏蔽板、局部屏蔽、冗余设计、双机冷备份、多机备份、采取纠错措施、硬件看门狗，提高器件抗辐射总剂量水平和抗单粒子效应的能力。

所述步骤5)，是根据筛选测试和辐射测试的测试结果以及可靠性计算和抗辐射加固的结果进行评估，确定该器件是否可以用于特定的空间任务。

本发明的优点在于：

可靠性筛选试验是提高电子产品可靠性的一种行之有效的措施。理想的筛选会剔除所有存在潜在缺陷的元器件而不使良好的元器件受到损伤。但实际上做不到这一点，这不仅有技术上的困难，更有经济上的不合理性的问题。本发明提供的商用塑封器件应用于空间任务的筛选测试方法与现有技术相比更加系统化，可以有效的节约时间，节省费用。

本发明提供的商用塑封器件应用于空间任务的筛选测试方法，对选定的商用塑封器件实施100％非破坏性筛选试验，剔除具有潜在缺陷的早期失效产品，可以提高批产品的可靠性。

通过可靠性计算，获得该商用塑封器件应用于某一特定的空间任务的可靠度，并与该任务的可靠性指标进行比较，可以定量地确定该产品是否可以应用于空间任务：如果计算后的可靠度达到了指标要求，可以确定该器件满足任务需求；否则该批次产品不得应用于该任务。

通过辐射测试，可以获得器件的抗总剂量能力和单粒子翻转率，从而可以采取有效的措施进行抗辐射加固设计。

根据各项测试结果以及可靠性计算和抗辐射加固结果等进行评估，可以确定该器件是否可以用于特定的空间任务。

附图说明

图1是本发明针对商用塑封器件空间应用的筛选方法流程图；

图2是本发明的筛选测试步骤的详细流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的针对商用塑封器件空间应用的筛选方法包括如下步骤：

步骤100，进行筛选测试。对选定的一种商用塑封器件首先要进行筛选测试。如图2所示，进行筛选测试，首先要对选定的商用塑封器件的供货渠道进行控制，必须选用正规的、信誉好的生产厂家，而且要通过正规渠道订货；购买后要对产品进行批次检查，必须确认是同一批次的产品；然后依次进行外观检测、CSAM测试、电性能测试、DPA(2-3片/批)、湿度试验、温度循环试验、老练试验、随整机可靠性筛选试验，最后提供筛选测试报告。

步骤200，进行可靠性计算。如图1所示，对完成筛选测试的产品，进行可靠性计算。根据元器件种类的不同，建立不同的元器件的失效率模型，再根据选定该器件的特定空间任务需求、该元器件的质量等级、电路复杂度、封装复杂度、工作环境、使用寿命、温度应力、所进行的筛选测试(这里的筛选测试指的是整个步骤100)等因素，确定该元器件失效率模型中的各种π系数，从而可以计算出该器件在特定空间任务中的失效率和可靠度。

下面给出几种不同元器件失效率模型的示例。

1、半导体单片集成电路：

[1]单片双极与MOS数字电路、PLA、PAL电路；单片双极与MOS模拟电路；单片双极与MOS微处理器；存储器SRAM、DRAM、ROM、CCD：

λ_p＝π_Q[C₁π_Tπ_V+(C₂+C₃)π_E]π_L

[2]存储器PROM：

λ_p＝π_Q[C₁π_Tπ_Vπ_PT+(C₂+C₃)π_E]π_L

[3]存储器UVEPROM、EEPROM：

λ_p＝π_Q[C₁π_Tπ_Vπ_CYC+(C₂+C₃)π_E]π_L

2、混合集成电路：

λ_p＝λ_bπ_Eπ_Qπ_Lπ_Tπ_F

3、声表面波器件：

λ_p＝λ_bπ_Eπ_Q

其中：λ_p＝元器件失效率

      λ_b＝基本失效率

      π_E＝环境系数

      π_Q＝质量系数

      π_L＝成熟系数

      π_T＝温度应力系数

      π_V＝电压应力系数

      C₁ C₂----电路复杂度失效率

      C₃----封装复杂度失效率

下面给出一个可靠度计算的示例。

可靠度 $R\left(t\right)=e^{-{\mathrm{\λ}}_{p}t}$

以声表面波器件为例，

a)商用器件-质量等级C：π_Q＝5

λ_p＝0.48×10^-6/h×1.4×5＝3.36×10^-6/h

b)质量等级B1：符合SJ2968并经过多于5次温度循环(-55～125℃)筛选的产品：π_Q＝0.5

λ_p＝0.48×10^-6/h×1.4×0.5＝0.336×10^-6/h

可以计算出a)种情况下的可靠度为97.1％，而b)种情况下的可靠度为99.7％，经过一定的筛选试验，可靠度可以得到提高。

步骤300，进行辐射测试。如图1所示，选用该批次产品2-3片进行辐射测试，对选定的商用塑封器件选用Co-60放射源或X射线辐射系统进行总剂量测试和用高能加速器或脉冲激光对该商用塑封器件进行扫描，发现一些特殊的单粒子事件，获得器件的抗总剂量能力和单粒子翻转率。

步骤400，进行抗辐射加固。如图1所示，根据辐射测试3的结果设计抗辐射加固，在设计上采取各种措施，利用飞船、卫星等的蒙皮、设备的机箱、设备内部加设屏蔽板、局部屏蔽、冗余设计、双机冷备份、多机备份、采取纠错措施、硬件看门狗等办法，提高器件抗辐射总剂量水平和抗单粒子效应的能力。

步骤500，进行综合评估。如果在筛选测试1中器件没有通过测试，或有损坏；或者计算得到的可靠性指标不能满足具体任务的可靠性要求；或者根据该器件的总剂量数据设计的抗辐射加固的措施仍然不能满足任务对辐射能力的要求，等等，则该器件不可以用于这一特定的空间任务；若满足上述全部要求，则认为该器件可以用于这一特定的空间任务。

根据筛选测试的结果(器件经过该测试应该没有任何损坏)，再进行可靠性计算得到其可靠性指标，可以判定是否满足具体任务的可靠性要求；根据辐射测试的测试结果，得到该器件的总剂量数据，从而设计抗辐射加固的措施，进行抗辐射加固。最后进行评估确定该器件是否可以用于特定的空间任务。

本发明的方法适用于商用塑封器件应用于空间任务时在设计阶段对商用塑封器件进行筛选、测试和评估，确定该器件是否可以应用于特定的空间任务。

Claims (6)

1.针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)进行筛选测试；所述筛选测试是对选定的100％的商用塑封器件实施非破坏性筛选试验，剔除具有潜在缺陷的早期失效产品；

2)在筛选测试后进行可靠性计算；所述可靠性计算是根据元器件种类的不同，建立元器件的失效率模型，从而计算出元器件在特定空间任务中的失效率和可靠度；

3)进行辐射测试；所述辐射测试是对选定的商用塑封器件进行总剂量测试和单粒子事件测试，获得器件的抗总剂量能力和单粒子翻转率；

4)在辐射测试后进行抗辐射加固；所述抗辐射加固是根据辐射测试的结果，在设计上采取相应的加固措施，提高器件抗辐射总剂量水平和抗单粒子效应的能力；

5)根据上述测试结果、可靠性计算和抗辐射加固结果进行的评估。

2.按权利要求1所述的商用塑封器件空间应用的筛选方法，其特征在于，所述的步骤1)，包括对选定的商用塑封器件依次进行的供货渠道控制、批次检查、外观检测、声学显微镜扫描测试、电性能测试、DPA、湿度试验、温度循环试验、老练试验、随整机可靠性筛选试验，提供筛选测试报告。

3.按权利要求1所述的商用塑封器件空间应用的筛选方法，其特征在于，所述步骤2)是针对失效率模型，根据特定的空间任务需求、元器件质量等级、电路复杂度、封装复杂度、工作环境、使用寿命、温度应力和所进行的筛选试验，确定元器件失效率模型中的各种π系数，计算出元器件在特定空间任务中的失效率和可靠度。

4.按权利要求1所述的针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述总剂量测试是对选定的商用塑封器件选用Co-60放射源或X射线辐射系统进行总剂量测试，获得器件的抗总剂量能力；所述单粒子事件测试是用高能加速器或者脉冲激光对该商用塑封器件进行扫描，观察其中特殊的单粒子事件，获得单粒子翻转率。

5.按权利要求1所述的针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述加固措施包括利用飞船或卫星的蒙皮、设备的机箱进行屏蔽；在设备内部加设屏蔽板；进行局部屏蔽；采用冗余设计、双机冷备份或多机备份；采取纠错措施；采用硬件看门狗。

6.按权利要求1所述的针对商用塑封器件空间应用的筛选方法，其特征在于，所述步骤5)，是根据筛选测试和辐射测试的测试结果以及可靠性计算和抗辐射加固的结果进行评估，确定该器件是否可以用于特定的空间任务。

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