【可靠性知识】航天电子系统元器件选用分析

近些年来,航天技术得到了飞速的发展，我国研制成功了神舟系列飞船以及一系列的应用卫星，如气象卫星、通信卫星、科学试验卫星、资源卫星等。在这些空间飞行器中通常要使用数以万计的电子元器件，在空间运行过程中，宇宙空间中存在的大量的高能粒子，能够穿透卫星蒙皮和星载设备机箱，作用于星载设备的电子元器件，各种空间辐射会对电子元器件造成不同程度的损伤，使元器件的性能退化，可靠性降低，在某种程度上，将直接影响空间飞行器的可靠性水平，造成空间产品的失效，严重时甚至可能造成价值达几亿元的空间任务的失败。

空间辐射会对电子元器件造成的损伤主要有两种，即总剂量损坏(TID)和单粒子效应(SEE)。这两个问题目前已成为星载电子设备尤其是星上计算机设计中最受且需付出昂贵代价的独特问题。

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，但近年来高性能的商用器件也逐渐广泛地应用于空间任务来满足系统对高性能的需求。

1 电子元器件选用的途径

空间电子产品设计时对元器件的选用主要有两种途径：

①采用抗辐射加固器件：优先选择抗辐射加固的宇航级器件或至少是满足883B级标准的器件。

②采用商用器件：在没有可供选择的宇航级/883B级器件情况下，为了满足系统的高性能要求，可以有控制地使用商用器件，通过以下途径实现：

a.对商用器件采取抗辐射加固措施：利用飞船、卫星等蒙皮、设备机箱、设备内部加屏蔽板和局部屏蔽等办法，,提高器件抗辐射水平。

b.通过改进器件的制造工艺或进行二次封装，提高器件的抗辐射水平。

c.采用冗余设计：在设计时采用多机容错、电路冗余设计、轮换工作、冷热备份。等提高整机抗辐射水平。

d.商用器件经过筛选测试：采取特定的针对商用器件的筛选测试，剔除具有早期失效危险和固有缺陷的器件，提高器件的可靠性。

2 采用抗辐射加固器件

在空间产品的设计时，应该最大限度地优先选择抗辐射加固的宇航级器件或至少是满足883B级标准的器件。目前在空间微电子器件的使用中，主要还是采用宇航级的抗辐射加固器件，其优点是可靠性高，抗辐射能力强，不用担心辐射问题，而且一般可不采取多余的措施。然而面临的问题是由于宇航级抗辐射加固器件性能落后、价格昂贵，批量小，制造周期长，市场需求量小，大大挫伤了制造商制造和开发宇航级器件的积极性；不少制造商退出了军品市场，使得宇航级/883B级器件的成本不断提高，越来越难以获得。另外，宇航级/883B级器件的采购受到一定的。尤其在我国的空间工程中，关键器件如微处理器，几乎完全依赖于进口产品，而有些国家对中国的航天高技术进行封锁，特别是神舟五号飞船发射成功以后，美国又出台了一些新的，军品向我国出口。特别在微处理器等高性能大规模集成电路方面，即使能够获得宇航级/883B级器件，出于信息安全的考虑，也不宜应用到肩负重要使命的军事卫星中。这种局面已经严重地影响了我国国防工程的进一步发展，我们不得不探索各种技术途径包括商用器件的采用来发展航天电子设备的技术水平，提高国防系统的性能。在我国未来航天任务，甚至军事卫星上使用高性能商用器件更具有特殊的现实意义。

3 采用商用器件

3.1 商用器件用于空间不可避免商用器件技术先进、性能高。相对于宇航级/883B器件而言，商用器件具有更快的发展速度，在高性能方面取得的成果非常显著。商用器件的基本性能，如集成度、工作速度、容量、功耗等都远远优于空间用的宇航级/883B器件，一般地讲，宇航级/883B级器件性能落后于商用器件的1 -2代。现有的宇航级/883B级器件以及抗辐射器件和技术已经远远不能满足目前空间任

务高性能系统的需求，商用器件逐渐被采用来满足高性能的需求。因此如果能够把先进的商用器件应用于空间领域，就可以实现空间产品的高性能，在空间应用中具有重要的战略意义。

由于宇航级/883B级器件成本高、份额小,其市场的日益缩小,以及高性能航天器的需求不断提高、商业器件质量的提高、好、快、省的空间要求等等,使得商用器件用于空间不可避免。目前国际上已经有多个项目应用了商用塑封器件,例如:STEREO(SolarTerrestrial Rela-tion Observatory)，GLAST(Gamma -ray LargeArea SpaceTelescope)，LAT(Large Area Tele-scope)。

近些年来，国内也逐步开始了商用器件空间应用的探索。中国科学院空间科学与应用研究中心近年来在载人航天工程和双星计划等航天任务中曾采用了几种商用器件，并取得了在轨飞行的成功经验。

2003年12月31日和2004年7月25日发射的双星探测一号卫星和探测二号卫星中，有效载荷数据管理系统载荷配电器采用了商用塑封器件高端电流检测芯片MAX471EPA，均获得在轨运行的成功。2002年12月发射的神舟四号飞船中，微重力流体电控系统采用了商用器件热电偶放大器AD595C。该器件性能指标高，军级以上产品中没有相应的达到质量等级要求的器件，相对于完全采用宇航级设计的电路板，由于该商用器件的采用，使得设计的电路板体积小、功耗低、一致性好、精度高，完全满足系统高性能的需求，取得了在轨运行的成功。

1999年5月发射的“实践五号”卫星中的单粒子检测器，采用了商用塑封器件PC104-486DX33，试验PC104-486DX工业控制机在太阳同步轨道上的工作性能及对空间环境的适应性，该器件成功地完成了空间测试任务。

实践表明：采用商用器件除了能够提高空间系统的性能以外，还可以实现空间飞行器体积小、重量轻、功耗低的特殊要求，满足空间系统性能不断提高的需求。但商用器件可靠性和抗辐射能力低，会对空间任务带来一定的风险，这使得商用器件在空间的应用受到极大的。

3.2 空间飞行器中采用商用器件存在的问题和面临的风险商用器件是为了适应地面良好的环境，而不是为适应空间恶劣环境而设计的，并不是拿来就能够用,而是必须加以控制地使用。商用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。

①辐射环境：主要有总剂量效应和单粒子效应，商用器件抗辐射能力差，在空间环境中会导致器件不同程度的损坏和失效，这是使用商用器件不可回避的问题。

②热环境：商用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。

③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，而商用器件的可靠性低。

④商用器件的可靠性数据是未知的。 ⑤商用器件没有可追溯性。

⑥用户无法知道商用器件工艺过程的更改。

⑦虽然商用器件价格低，但由于要进行附加的筛选、测试、评估或适当的屏蔽加固等，使得采用商用器件的费用往往是很高的。

针对以上的问题，在使用商用器件时必须采取一定的措施来保证商用器件在空间应用中安全可靠，要求以尽可能小的代价解决空间电子设备的抗辐射问题。这一方面国内外都有一些解决的办法和对策，诸如采取抗辐射加固措施、在电路设计上的特殊考虑、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等等。但目前仍然没有一个成熟的规范或指导方针可以遵循，仍然需要长期的进一步的研究。

3.3 对商用器件进行抗辐射加固

抗辐射加固：利用飞船、卫星等的蒙皮、设备的机箱、设备内部加设屏蔽板和局部屏蔽等办法，提高器件抗辐射总剂量水平和抗单粒子效应的能力。

①空间飞行器抗辐射加固手段

利用飞船、卫星等的蒙皮作为屏蔽层，对空间飞行器内部的设备提供一定的保护作用，从而提高整船或整星的抗辐射水平。

②单机抗辐射加固措施

a.根据特定的空间任务飞行的轨道和寿命要求，合理选用机壳屏蔽的厚度，确保在该轨道预定寿命期限内辐射总剂量不会造成设备失效。

b.设计保护电路：各单机的输入、输出接口必须采用接口保护电路等可靠有效的故障隔离措施，保证一台单机的故障不影响有接口关系的其他设备的正常工作。

c.正确设计“看门狗”电路，能够对于正常启动和故障情况下的启动采用不同的识别标志加以识别，使软件可以根据标志的不同启动不同的初始化程序，进行相应的处理.

d.硬件设计时应该保证硬件具有自诊断能力和非法地址、非法指令等的检验功能。f合理设计单机的闩锁电流范围，当发生闩锁后的一定时间内，保证不会损坏单机设备，关机再次启动后应该可以恢复正常的工作。g软件上采取纠错编码进行检错纠错，提高抗单粒子效应的能力。

③设备内部加设屏蔽板和局部屏蔽：电子线路进行抗辐射加固设计，以便在空间辐射环境下，能够正常工作。其措施主要有:

a.选择合适的屏蔽方式和屏蔽材料；屏蔽可以采用金属材料屏蔽，如铝板或钽板等材料，也可以用复合材料以减轻重量.

b.一般采用加0.5mm以上厚度的铅皮或者1 mm以上厚度的钽板作为加强屏蔽。

c.设备内部加设屏蔽板，对某一具有薄弱环节的电子线路板进行整板屏蔽保护。

d.对采用的商用器件进行局部屏蔽，仅仅在该商用器件的周围加设屏蔽保护。

但是，加设屏蔽是有一定限度的，据估计，卫星每增加一公斤重量的成本达几万元人民币，因此加设屏蔽板在实际应用中受到一定的。

3.4 通过改进器件的制造工艺或进行二次封装

从工艺角度上，可以通过增加氮化硅保护层，减小晶体管栅极氧

化层厚度，使用外延硅衬底等方法改进器件的制造工艺或者对现成的商用器件进行二次封装，解决商用器件的抗辐射能力低的问题，但是该方法费用较高,而且空间用元器件的需求量小，大大增加了器件使用的成本，因此在实际应用中较少使用。

3.5 采用冗余设计

在设计时采用多机容错、电路冗余设计、轮换工作、冷热备份、冗余指令等提高整机抗辐射总剂量水平和抗单粒子效应的能力。多机容错：双机备份、三机容错在空间任务中的应用比较常见。

①单机的启动也应该有多种途径，例如直接指令启动、间接指令启动、数据注入指令启动、某种故障条件下的自动启动等，当单机发生不同性质的故障时，可以根据故障的原因采用不同的启动方式，保证设备能够继续工作。

②关键电路采用冷热备份。

③软件上采用双重/三重冗余等保护措施，以提高抗单粒子效应的能力。

容错设计的核心是系统采用热备份或冷备份。热备份主要提高系统的实时可靠性，能够随时发现故障。冷备份主要能够使系统轮流工作，各单机可以实现退火效应，从而提高整机的抗辐射总剂量能力。空间飞行器在轨运行时，可以使冷备机轮流工作，当器件或单机处于冷备状态时，可以大大地延长空间应用中的元器件的使用寿命，从而提高整机的可靠性。但多机容错设计在一定程度上会损失速度、功耗、体积和重量。

3.6 对商用器件进行特定的筛选测试

将商用器件应用于航天中，对其进行空间适应性筛选和测试已经成为一个必不可少的环节。针对商用器件可靠性级别低，抗辐射能力差而且批次之间离散的特点，采取特定的商用器件筛选测试，剔除带有固有的缺陷、潜在失效问题和早期失效危险的器件，注重筛选测试商用芯片对空间辐射的响应，包括总剂量测试和单粒子效应测试，可以完成商用芯片空间应用可行性的评估，提高系统的可靠性。

基本的筛选试验主要有：

a.外观检查：(包括气泡、气孔、剥离、引脚腐蚀)，筛除明显不合格品；

b.X-射线检查：可以初步筛选出有严重分层现象的器件； c.CSAM(C -mode Scanning Acous-tic Microscope)声学显微镜测试；

d.老化筛选试验； e.温度循环试验； f.湿热试验； h振动冲击筛选； I.应力加速试验。

在神舟四号飞船微重力流体电控系统的研制中，采用了商用器件热电偶放大器AD595C，用于测量微重力流体试验的温度梯度场。该器件通过了地面外观检查、老化筛选试验、温度循环试验、振动冲击筛选试验、应力加速筛选试验等筛选测试，取得了在轨运行的成功。对于塑封商用器件，在空间环境中会有许多可能的失效情况。一种影响塑封商用器件可靠性的问题是在封装过程中由于不正确的机械处理导致的硬模破裂。这种类型的问题靠电性能测试是无法检测出来的，但是在重复的热循环中可以引起永久性失效。另一种问题是，影响塑封商用器件可靠性的部位是模塑料与其他各种不同成分的联接处，尤其是硬模表面，在这个部位有一种潜在的失效，在引线接合处的剥离可能会由于温度循环造成接合处的机械力引起引线接合表面的退化,最终引起芯片断裂。

CSAM，是利用反射、脉冲响应技术，采用一个聚焦的声学镜头产生和接收被测器件内部的超声信号，再利用高速的数字信号处理技术在10 s到30 s内就可以产生器件的特定深度、横截面或者全部厚度的图象，通过该图象可以检测出器件失效情况。

比较目前，NASA对CSAM测试方法的使用和研究比较多，它在空间任务中允许控制地使用商用器件，对所要选用的商用器件100%地使用CSAM方法进行筛选。在国内该方法仅仅停留在进行失效分析中，还没有用于进行对商用器件的筛选测试。

4 结束语

航天电子系统中对电子元器件的选用仍然是优先选择宇航级/883B级器件，该器件抗辐射能力强，可靠性高。然而，仅仅依靠现有的宇航级抗辐射器件和技术已经远远不能满足目前空间飞行器高性能系统的需求，高性能商用器件的空间应用，在国际上已经成为一种发展趋势，具有提高性能降低体积、功耗和成本的巨大潜力。从商用器件中筛选出合适的器件应用于空间飞行器中，目前已经成为商用器件在空间发展的重要方向之一。

由于西方一定程度上在高性能军级以上器件方面对我国实行封锁，在我国未来空间任务,甚至军事卫星上使用高性能商用器件更具有特殊的现实意义。但商用器件在可靠性和抗辐射能力方面存在很大的缺陷,会对空间任务带来一定的风险，因此在空间中使用商用器件时必须进行抗辐射加固、冗余设计或特定的筛选测试等途径。目前商用器件“上天”，以采取抗辐射加固和冗余设计为主，但这些方法是以牺牲重量、体积、功耗、速度或成本等为代价的，使得商用器件的空间应用受到极大的，而且如果不结合针对商用器件特殊的筛选，也无法剔除有潜在失效问题的器件，因此商用器件的筛选测试，则是商用器件空间应用的一个必然的趋势。商用器件的空间应用在国内外已经引起了高度的重视，并已经开展了各种途径的研究，但是，要使商用器件能够在空间飞行器中得到广泛地使用，还需要长期的探索和研究。