连锦根
（上海航天控制技术研究所，中国 上海 201109）
【摘要】航天元器件的可靠性直接影响航天工程的成败，对于航天元器件的可靠性采购管理是航天工程的重要方面。本文首先分析国内外航天元器件的发展现状，然后经验总结了元器件可靠性采购的若干方面，最后根据国内外发展现状提出了元器件管理可持续发展的几点设想。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 航天元器件；可靠性采购；元器件管理
The Reliability of the Procurement and Management of Aerospace Components
LIAN Jin-gen
（The Institute of Shanghai Aerospace Control Technology, Shanghai 201109，China）
【Abstract】The procurement and management of aerospace components is an important aspect of aerospace engineering, with it directly affects the success or failure of the reliability of Aerospace Engineering. First, the present development situation of domestic and foreign aerospace parts are analyzed on this paper. Second, some aspects of component reliability procurement are summarized by the experience. Finally, according to the current situation of domestic and abroad development, several suggestions of sustainable development management of components are proposed.
【Key words】Aerospace components;Reliability of procurement;Component management
0 引言
航天技术水平体现了国家的政治经济实力，并直接关系到国家的战略与形象。世界各国都在大力发展自己的航天事业。而航天元器件作为航天工程的关键通用产品，对航天工程的功能、性能、寿命、研制周期、成本以及任务成功都有着极其重要的作用和影响，其质量与可靠性直接影响航天工程的成败[1]。
元器件的可靠性是可靠性技术产生的两个重要应用领域之一。可靠性问题是军用电子设备的特殊问题，最早是在第二次世界大战提出并开始致力解决的问题。可靠性技术基于两个重要的理论基础：失效物理和概率统计，同时，它产生了两个重要的应用领域，即系统可靠性和元器件可靠性。在元器件可靠性领域又进一步可分为元器件固有可靠性和使用可靠性。前者主要研究元器件的设计与研制过程中的可控性，后者侧重于研究在电子系统研制中如何选好、买好、用好和管理好元器件，防止、控制引入过应力而损坏可靠元器件和接收、使用可靠性不能满足要求的元器件。
本文重点讨论航天元器件可靠性采购管理，即使用可靠性。首先分析国内外航天元器件的发展现状，然后总结了航天元器件可靠性采购的几个方面，最后提出对于元器件管理可持续发展的几点设想。
1 国内外航天元器件的发展现状
1.1 国外航天元器件发展现状
目前，世界航天大国极其重视元器件的质量与可靠性工作，将元器件的采购管理作为国家级战略技术资源，给予极大的关注与努力。下面从美国航天元器件的发展情况为例进行分析[2]。
美国航空航天局（NASA）的EEE元器件保证工作组（NEPAG）和EEE元器件与封装项目组（NEPP）有效负责航天元器件的技术研究以及任务实施。美国不仅关注航天元器件的很多方面，而且注意把有限资源分配到关键元器件的研发。在2005年NEPP基金的分配表中，14%用于FPGA的改进，12%用于存储器的改进。在2006年，美国政府授予洛克希德?马丁公司价值约150万美元的合同来实施一项航天项目，名为“宇航用高运行温度中波红外焦平面阵列”计划，分3个阶段，历史36个月，非常主要关键元器件的研发。
在美国，除了由NASA统一领导和保障元器件的质量与可靠性，美国还形成了相对完善的航天工业管理体制。美国总统和国会为方针政策决策层，由总统负责航天、导弹工业发展的方针政策和战略决策，而国会进行相关管理的立法工作，以监督有关部门的管理工作，并以预算拨款和政策对航天、导弹工业来宏观调控。NASA为计划层，国防部是军用航天和导弹的主管部门。
美国航天元器件的发展，除了离不开国家和政府的高度重视，还归功于美国强大的工业水平。美国非常重视国家安全基石的原材料设计、生产、制作以及测试等基础能力的建设。最近，美国针对航天工程的巨大需求，大力推进先进制造技术，并在快速响应制造、精密制造以及特种加工等技术领域取得了重大进展。
1.2 国内航天元器件发展现状
我国对于航天关键元器件的发展尤为重视。我们对“航天关键元器件”的判定条件是[2]：①对航天工程功能、性能、可靠性和环境适应性起决定作用且可替代性差；②元器件或其技术不易获取。可获得性差，满足其一即是航天关键元器件。
依据上述两条判据，通过对一些航天重点型号所用关键元器件的整理，航天关键元器件主要有运算放大器、A／D(模拟／数字)和D／A转换器、电压调整器等集成器件、大规模FPGA、DSP(数字信号处理器)、高性能CPU(中央处理器)等单片集成芯片，以及长寿命、高可靠的空间用固态放大器、行波管放大器等。
我国航天关键元器件中的大部分都是依靠从国外进口。在航天事业发展初期，火箭上的绝大部分器件采购的是国产元器件，少部分是由航天内部研制，如弹载计算机、接插件等。后来，随着航天事业的不断发展，进口关键元器件比例越来越大。在20世纪90年代后期至本世纪初，在我国研制的设计工作寿命为15年的卫星中，采用国产元器件的数量约占总数的85％，但关键元器件，如存储器、FPGA、等基本依赖进口，此时，航天元器件严重依赖进口的问题进一步凸显出来[3]。
航天关键元器件如果大量采用国外引进元器件，必将导致航天工程项目核心技术指标、进度以及建设成本等受制于人。并且，一些进口的关键元器件在使用过程中发生失效，但国内无法分析，往往需要送往国外分析，这就使得归零的周期和协调难度大大增加。比如在载人航天工程两个型号中，部分DC／DC电源模块是从国外某公司进口的产品，但其产品出现失效至今，两型号中仍各有一只未得到国外的失效分析结果。
由此可见，要想实现航天技术的可持续发展，减小进口元器件带来的安全隐患，改善航天关键元器件不断受制于人的局面，积极推进航天关键元器件的自主研发是当务之急。
2 航天元器件的可靠性采购
2.1 元器件降额采购准则
降额设计是航天工程可靠性设计的重要方面，也是元器件采购中需要执行的重要准则。在电子设备的设计准则中，通常都对器件的降额使用做出了明确的规定。我国参照的元器件降额标准GJB／Z 35—93《元器件降额准则》[4](以下简称《准则》)不仅是电子设备可靠性设计的重要准则，而且是电子设备设计方案可靠性评估的主要依据，在工程项目中得到了广泛的应用。但是随着元器件的快速发展，该标准在应用中也出现了一些需要注意的问题，主要表现在以下几个方面：①部分元器件的降额准则不够详细。在该准则编制时，对部分元器件的认识不足，没能按降额等级给出对应降额量值以及降额曲线。然而20年来，随着元器件的广泛应用，积累了一定的应用数据及元器件主要失效模式的研究成果，从而对元器件有了较为深入的了解，已为确定元器件在不同降额等级下的降额量值并给出详细的应力计算方法和降额曲线奠定了基础。②缺少新材料电子元器件的降额准则。在元器件的发展中，各种新材料不断的应用，从而改善了电子元器件的工作性能。但是对于新材料元器件，准则中给出的降额量值也需要作对应的调整。③采用新结构的元器件降额准则也需要调整。修正并补充采用新结构电子元器件的降额准则，将对相关电子设备可靠性设计工作提供了可靠指导。
2.2 常见可靠性筛选方法
可靠性筛选，是一种剔除由于元器件制造工艺形成潜在缺陷的前期失效产品的技术，已经广泛应用于各类电子产品的研究和生产中。筛选的主要功能在于通过对电子产品的100%非破坏性的筛选试验，从而剔除具有潜在缺陷的前期失效产品，使产品度过浴盆曲线的前期失效阶段。因此在元器件产品的整个寿命周期，必须采取主动的工艺手段，对电子产品施加适当的应力，使其潜在的缺陷被激发，潜在隐患提前暴露，以提高产品的质量。目前常规所用筛选方法有下面几种[5]：
①检查筛选。镜检筛选和目检筛选是集成电路的重要筛选方法，简单高效，对检查电子芯片外表的各种缺陷，观察内部的焊接、引线键合、封装的缺陷等非常有效。镜检主要包括光学、声学以及电子扫描显微镜，另外还有X射线以及红外射线显微镜等检查筛选技术。
②功率老化筛选。功率老化筛选是对产品施加外部的过电应力，以促使前期失效器件潜在的缺陷暴露从而被剔除，有效地去除元件生产中产生的工艺缺陷以及金属化膜过薄、划伤等。
③密封筛选。密封性筛选是用来检查芯片的封装残留气氛以及密封不良而渗透进去的水汽，具体可以分为浸液检漏筛选、气泡筛选、放射性筛选和氦质谱仪检漏筛选等。
④环境的应力筛选。环境的应力筛选是对产品施加比较合理的环境应力，将其内部的潜在缺陷进行加速变成故障，然后通过检验发现并排除的过程。目前为止，环境的应力筛选是国内外使用最广泛，并且最有效的一种筛选方法。
3 可持续发展的元器件管理设想
3.1 立足急需元器件的国产化
日本、欧洲等航天大国在实现航天关键元器件的自主发展过程中，都会结合本国国情，有选择、有重点、有策略地发展。从前面对我国航天关键元器件发展现状分析来看，我国目前航天元器件涉及的产品品种较多，如果要想实现自主研发，必须有重点、有策略发展。目前，SoC(片上系统)技术可以把一个单板系统或者整个控制系统的全部功能在一块芯片上实现，大大减小系统的体积重量，提高了产品的功能密度、系统性能以及系统可控度，是航天工程高性能和小型化需求的有效途径。我国也可以参考日本SOI—ASIC器件的发展经验，选择SoC为突破口，集中资源对SoC重点投入，进行重点研发。
3.2 统一受控的元器件供应途径
电子技术的快速发展，对元器件的发展产生了很大影响，其中民用器件的市场份额和效益大增，而军用、航天等可靠性高的元器件的市场份额则大幅下降，已由以前的25％降到不足l％，并且有继续下降的趋势。由于航天元器件的特殊应用特点和任务使命，确保其稳定的供应有很大难度，因此，不能仅仅依靠市场调节行为，必须要在国家层面上来解决相关资源的配置并进行统筹管理，建立起国家级资源配置平台，对航天工程有着重要影响的一些元器件项目进行重点的投资攻关，确保其稳定供应。
在这方面，美国为我们提供了学习的经验，如美国建立了统一受控的供应途径，如：①NASA为了保障航天元器件的稳定供应，建立了航天元器件资源平台NPSL(NASA Parts Select List)。NPSL是政府建立的供应线，NASA将其看作为国家必须控制资源，其从应用、研发以及技术支撑全面控制。NPSL也是NASA航天元器件产品的规范体系，NPSL共有2000多页，内容涵盖元器件型号的规格、技术性能、厂商、规范依据、预定的应用等级要求等。NPSL由NASA的NEPAG组织进行管理控制，对于选择列入NPSL的航天元器件必须经过NEPAG的审查评估。不仅如此，NASA还建立了两个核心的CSL，为航天元器件的供应提供保障。②为充分利用各个成员国的有效资源，提供行业互认标准，美国建立了统一的ESA元器件选择目录(EPPL)。它是ESA航天元器件的资源平台，可以引导用户选择并采用能够覆盖绝大多数设计的有限元器件类型，有效减少重复，实现品种的压缩，从而通过器件数量的增加来降低成本以及改善系统的可靠性。经ESA鉴定合格的元器件已进入NASA的NPSL、JAXA的QPL和QML。
因此，建立统一受控的元器件供应途径，可以保障关键元器件的稳定供应，并增加系统可靠性。
3.3 积极推行元器件的标准化
目前，NASA、ESA、JAXA已经制定了航天元器件标准体系和配套的标准，能够用来技术成果的固化和传递。通过标准来总结经验、提高安全可靠性、控制问题的重复发生、加强风险管理能力、促进技术发展水平，满足支撑航天项目的需求。由此可以看出，对于工程师以及技术人员来说，标准规范在工程项目设计、研制和生产等方面都是非常重要和关键的技术资源。
NASA的航天元器件标准体系充分的利用了其政府标准和国家军用MIL标准，通过贯彻执行各类元器件的产品规范、标准及其它工程文件手册，支持了元器件的设计、选用、生产、检验、应用、失效分析等各个环节的严格控制。产品规范是NASA标准的主体，只有据此进行质量认证的元器件产品才可以成为NPPL的主要备选对象。NASA还充分总结了工程应用经验，形成了大量的、有借鉴价值的工程实践以供参考，这样也形成了以规范标准为基础和手段，具有结构清晰、内容规范可控、保障完善等特点的应用质量体系。
3.4 库存元器件的有效管理和使用
在对元器件、原材料选型后就进入采购周期阶段，并按合同要求节点到货后，进行复验以及二次筛选，合格以后取回入所，入所质量的控制至关重要，比如，对功率模块、霍尔器件、电感和磁环等有特殊应用要求的元器件，设计师必须拟制检验要求以及技术协议。对元器件、原材料的使用情况、物理尺寸、无害的电性能实验测试做出详细的描述，质量师据此检验要求来完成基本的入所质量检验。元器件、原材料在入库之前，设计师依据课题型号编写相关元器件的配套表，把元器件的名称、规格型号、批次、印制板的代号、数量、封装形式、质量等级、生产厂家全部写清楚归档。在使用时，依据元器件配套表将元器件以及合格证领出，对元器件进行静电防护、包装、运输等，将领出的元器件入到本单位元器件库备用。
在元器件库存管理中，还会遇到超过有效期问题。超过有效期贮存期的航天元器件，应当先进行超期复验。在元器件超期复验中进行失效分析，发现功能已经失效或者不合格率(PDA)超差(适用时)，必须对失效件进行失效分析，失效分析的管理按QJ3065.5和相应管理文件的规格执行。若失效分析结论为批次性问题，则整批元器件不能用于项目型号。
另外，元器件在装机使用前还要进行必要的质量控制，以满足可靠性需要。根据系统对元器件的可靠性需要，剔除元器件的早期失效和潜在缺陷，开展元器件质量控制工作。
3.5 政府企业质量控制多重把关
元器件质量保障是高技术的系统工程研制部门经常采用的一种先进有效的质量管理方法，也是航天产品可靠保证的重要领域之一。根据对美国国防部、NASA、ESA的航天元器件质量保证工作的发展现状研究发现，航天型号对使用的元器件的质量和可靠性要求越来越高，但我国与国际水平的差距却在不断地拉大，与航天需求间的矛盾不断加剧。未来，必须改变发展思路，管理协调、机制创新，不仅要在元器件的采购、筛选、检测和使用过程中，加强质量保证控制，确保元器件的使用质量，还需要国家高层在战略层面上采取一些特殊举措，建立自主可控的关键航天元器件产品保障体系，以保证我国航天工程协调、可持续地发展。
4 结束语
航天元器件的可靠性是航天工程的重要方面，在国内航天元器件发展管理还不完善的情况下，必须积极借鉴国外航天大国的经验，做好可靠性采购，并立足国产化，积极推行有效的管理经验，严把质量关，实现我国航天元器件的可持续发展，确保我国航天工程的蓬勃发展。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［1］桑娜,王敬贤.国外航天元器件发展经验简析[J].航天元器件,2010(4)：28-31.
［2］姚莉,王敬贤,蔡娜.国内外航天关键元器件发展初探[J].航天标准化,2013(1)：26-29.
［3］方怡.元器件国产化应用管理的探讨[J].质量与可靠性,2013(4)：46-49.
［4］张晧东.元器件降额准则分析[J].电子产品可靠性与环境试验,2013(4)：64-66.
［5］杨少华,吴福根,黄瑞毅.电子元器件的可靠性筛选[J].广东工业大学学报,2006,23(1)：67-70.
［责任编辑：薛俊歌］