專利名稱：一種針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，尤其涉及一種應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域內(nèi)的商用塑封器件的篩選方法。
背景技術(shù)：
按照國際通用的分類方法，電子元器件等級(jí)一般可分為宇航級(jí)、883B級(jí)、軍級(jí)、工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)。通常所說的商用器件Commercial-Off-The-Shelf(COTS)包括工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)器件。在空間任務(wù)中，器件大多采用宇航級(jí)/883B級(jí)產(chǎn)品，但近年來高性能商用器件，尤其是商用塑封器件Plastic Encapsulated Microcircuits(PEMs)正在逐漸廣泛地應(yīng)用于空間任務(wù)來滿足系統(tǒng)對(duì)高性能的需求。
近年來，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顯著。同類產(chǎn)品中，或者沒有相應(yīng)的宇航級(jí)/883B級(jí)器件，或者相應(yīng)的宇航級(jí)/883B級(jí)器件性能遠(yuǎn)不及商用塑封器件。一般地講，宇航級(jí)/883B級(jí)器件性能落后于商用塑封器件1-2代。另外，采用商用塑封器件還可以實(shí)現(xiàn)空間飛行器體積小、重量輕、功耗低的特殊要求。因此如果能夠把先進(jìn)的商用塑封器件應(yīng)用于空間領(lǐng)域，就可以實(shí)現(xiàn)空間產(chǎn)品的高性能，滿足空間系統(tǒng)性能不斷提高的需求，在空間應(yīng)用中具有重要的戰(zhàn)略意義。
商用塑封器件在空間領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，具有提高性能降低成本的巨大驅(qū)動(dòng)力。與宇航級(jí)/883B級(jí)器件相比，商用塑封器件在性能和價(jià)格上都具有比較大的優(yōu)勢(shì)，從商用塑封器件中篩選出合適的器件應(yīng)用于空間飛行器中，已經(jīng)成為空間系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。
一方面，高性能商用塑封器件應(yīng)用于空間任務(wù)，在國際上已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)；另一方面，由于西方某些國家在高性能軍級(jí)以上器件方面對(duì)我國實(shí)行封鎖，在我國未來航天任務(wù)，包括軍事衛(wèi)星上使用高性能商用塑封器件，必將有助于提高我國軍用航天器和天基信息網(wǎng)的信息安全，更具有特殊的現(xiàn)實(shí)意義。但由于商用塑封器件是為了適應(yīng)地面環(huán)境，而不是為適應(yīng)空間惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)的，商用塑封器件應(yīng)用于空間飛行器時(shí)，不可避免地會(huì)遇到許多問題，存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。其中最嚴(yán)峻的兩個(gè)問題是熱環(huán)境和輻射環(huán)境。商用塑封器件的溫度適用范圍小，而空間環(huán)境存在溫度變化較大以及溫度突變的情況。輻射環(huán)境主要有總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)，商用塑封器件抗輻射能力差，在空間環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致器件不同程度的損壞和失效，這是使用商用塑封器件不可回避的問題。另外，空間應(yīng)用中的器件無法返修和置換，對(duì)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數(shù)據(jù)廠家并不提供；商用塑封器件沒有可追溯性；用戶無法知道商用塑封器件工藝過程的更改；商用塑封器件容易受到潮濕的影響。針對(duì)以上的問題，在使用商用塑封器件時(shí)必須采取一定的措施來保證商用塑封器件在空間應(yīng)用中安全可靠。這一方面國內(nèi)外也都有一些解決的辦法和對(duì)策，諸如使用前進(jìn)行有針對(duì)性的特定的篩選測(cè)試、制定相應(yīng)的篩選測(cè)試規(guī)范、在電路設(shè)計(jì)上的特殊考慮等等。但目前尚沒有一個(gè)成熟的應(yīng)用于商用塑封器件的規(guī)范或指導(dǎo)方針可以遵循，而應(yīng)用于軍用產(chǎn)品的可靠性測(cè)試方法又無法應(yīng)用于商用塑封器件，因此仍然需要進(jìn)一步的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，滿足在使用商用塑封器件時(shí)必須采取一定的措施，來保證商用塑封器件在空間應(yīng)用中安全可靠的需要；從而提出一種將商用塑封器件應(yīng)用于空間任務(wù)的篩選方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提出的針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，包括以下步驟1)進(jìn)行篩選測(cè)試；所述篩選測(cè)試是對(duì)選定的商用塑封器件實(shí)施100％非破壞性篩選試驗(yàn)，剔除具有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品；2)在篩選測(cè)試后進(jìn)行可靠性計(jì)算；所述可靠性計(jì)算是根據(jù)元器件種類的不同，建立元器件的失效率模型，從而計(jì)算出元器件在特定空間任務(wù)中的失效率和可靠度；3)進(jìn)行輻射測(cè)試；所述輻射測(cè)試是對(duì)選定的商用塑封器件進(jìn)行總劑量測(cè)試和單粒子事件測(cè)試，獲得器件的抗總劑量能力和單粒子翻轉(zhuǎn)率；4)在輻射測(cè)試后進(jìn)行抗輻射加固；所述抗輻射加固是在設(shè)計(jì)上采取各種措施，提高器件抗輻射總劑量水平和抗單粒子效應(yīng)的能力；5)根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果、可靠性計(jì)算和抗輻射加固結(jié)果進(jìn)行的評(píng)估。
所述步驟1)，包括對(duì)選定的商用塑封器件依次進(jìn)行的供貨渠道控制、批次檢查、外觀檢測(cè)、聲學(xué)顯微鏡掃描CSAM(C-mode Scanning Acoustic Microscope)測(cè)試、電性能測(cè)試、DPA、濕度試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、老練試驗(yàn)、隨整機(jī)可靠性篩選試驗(yàn)，提供篩選測(cè)試報(bào)告。
所述步驟2)是針對(duì)失效率模型，根據(jù)特定的空間任務(wù)需求、元器件質(zhì)量等級(jí)、電路復(fù)雜度、封裝復(fù)雜度、工作環(huán)境、使用壽命、溫度應(yīng)力和所進(jìn)行的篩選試驗(yàn)，確定元器件失效率模型中的各種π系數(shù)，計(jì)算出元器件在特定空間任務(wù)中的失效率和可靠度。
所述步驟3)中，所述總劑量測(cè)試是對(duì)選定的商用塑封器件選用Co-60放射源或X射線輻射系統(tǒng)進(jìn)行總劑量測(cè)試，獲得器件的抗總劑量能力；所述單粒子事件測(cè)試是用高能加速器或者脈沖激光對(duì)該商用塑封器件進(jìn)行掃描，觀察其中特殊的單粒子事件，獲得單粒子翻轉(zhuǎn)率。
所述步驟4)，是利用飛船、衛(wèi)星等的蒙皮、設(shè)備的機(jī)箱、設(shè)備內(nèi)部加設(shè)屏蔽板、局部屏蔽、冗余設(shè)計(jì)、雙機(jī)冷備份、多機(jī)備份、采取糾錯(cuò)措施、硬件看門狗，提高器件抗輻射總劑量水平和抗單粒子效應(yīng)的能力。
所述步驟5)，是根據(jù)篩選測(cè)試和輻射測(cè)試的測(cè)試結(jié)果以及可靠性計(jì)算和抗輻射加固的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，確定該器件是否可以用于特定的空間任務(wù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可靠性篩選試驗(yàn)是提高電子產(chǎn)品可靠性的一種行之有效的措施。理想的篩選會(huì)剔除所有存在潛在缺陷的元器件而不使良好的元器件受到損傷。但實(shí)際上做不到這一點(diǎn)，這不僅有技術(shù)上的困難，更有經(jīng)濟(jì)上的不合理性的問題。本發(fā)明提供的商用塑封器件應(yīng)用于空間任務(wù)的篩選測(cè)試方法與現(xiàn)有技術(shù)相比更加系統(tǒng)化，可以有效的節(jié)約時(shí)間，節(jié)省費(fèi)用。
本發(fā)明提供的商用塑封器件應(yīng)用于空間任務(wù)的篩選測(cè)試方法，對(duì)選定的商用塑封器件實(shí)施100％非破壞性篩選試驗(yàn)，剔除具有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品，可以提高批產(chǎn)品的可靠性。
通過可靠性計(jì)算，獲得該商用塑封器件應(yīng)用于某一特定的空間任務(wù)的可靠度，并與該任務(wù)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行比較，可以定量地確定該產(chǎn)品是否可以應(yīng)用于空間任務(wù)如果計(jì)算后的可靠度達(dá)到了指標(biāo)要求，可以確定該器件滿足任務(wù)需求；否則該批次產(chǎn)品不得應(yīng)用于該任務(wù)。
通過輻射測(cè)試，可以獲得器件的抗總劑量能力和單粒子翻轉(zhuǎn)率，從而可以采取有效的措施進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)。
根據(jù)各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果以及可靠性計(jì)算和抗輻射加固結(jié)果等進(jìn)行評(píng)估，可以確定該器件是否可以用于特定的空間任務(wù)。


圖1是本發(fā)明針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法流程圖；圖2是本發(fā)明的篩選測(cè)試步驟的詳細(xì)流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明提供的針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法包括如下步驟步驟100，進(jìn)行篩選測(cè)試。對(duì)選定的一種商用塑封器件首先要進(jìn)行篩選測(cè)試。如圖2所示，進(jìn)行篩選測(cè)試，首先要對(duì)選定的商用塑封器件的供貨渠道進(jìn)行控制，必須選用正規(guī)的、信譽(yù)好的生產(chǎn)廠家，而且要通過正規(guī)渠道訂貨；購買后要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行批次檢查，必須確認(rèn)是同一批次的產(chǎn)品；然后依次進(jìn)行外觀檢測(cè)、CSAM測(cè)試、電性能測(cè)試、DPA(2-3片/批)、濕度試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、老練試驗(yàn)、隨整機(jī)可靠性篩選試驗(yàn)，最后提供篩選測(cè)試報(bào)告。
步驟200，進(jìn)行可靠性計(jì)算。如圖1所示，對(duì)完成篩選測(cè)試的產(chǎn)品，進(jìn)行可靠性計(jì)算。根據(jù)元器件種類的不同，建立不同的元器件的失效率模型，再根據(jù)選定該器件的特定空間任務(wù)需求、該元器件的質(zhì)量等級(jí)、電路復(fù)雜度、封裝復(fù)雜度、工作環(huán)境、使用壽命、溫度應(yīng)力、所進(jìn)行的篩選測(cè)試(這里的篩選測(cè)試指的是整個(gè)步驟100)等因素，確定該元器件失效率模型中的各種π系數(shù)，從而可以計(jì)算出該器件在特定空間任務(wù)中的失效率和可靠度。
下面給出幾種不同元器件失效率模型的示例。
1、半導(dǎo)體單片集成電路[1]單片雙極與MOS數(shù)字電路、PLA、PAL電路；單片雙極與MOS模擬電路；單片雙極與MOS微處理器；存儲(chǔ)器SRAM、DRAM、ROM、CCDλp＝πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL 存儲(chǔ)器PROMλp＝πQ[C1πTπVπPT+(C2+C3)πE]πL[3]存儲(chǔ)器UVEPROM、EEPROMλp＝πQ[C1πTπVπCYC+(C2+C3)πE]πL2、混合集成電路λp＝λbπEπQπLπTπF3、聲表面波器件λp＝λbπEπQ其中λp＝元器件失效率λb＝基本失效率πE＝環(huán)境系數(shù)πQ＝質(zhì)量系數(shù)πL＝成熟系數(shù)πT＝溫度應(yīng)力系數(shù)πV＝電壓應(yīng)力系數(shù)C1C2----電路復(fù)雜度失效率C3----封裝復(fù)雜度失效率下面給出一個(gè)可靠度計(jì)算的示例。
可靠度R(t)=e-λpt]]>以聲表面波器件為例，a)商用器件-質(zhì)量等級(jí)CπQ＝5λp＝0.48×10-6/h×1.4×5＝3.36×10-6/hb)質(zhì)量等級(jí)B1符合SJ2968并經(jīng)過多于5次溫度循環(huán)(-55～125℃)篩選的產(chǎn)品πQ＝0.5λXp＝0.48×10-6/h×1.4×0.5＝0.336×10-6/h可以計(jì)算出a)種情況下的可靠度為97.1％，而b)種情況下的可靠度為99.7％，經(jīng)過一定的篩選試驗(yàn)，可靠度可以得到提高。
步驟300，進(jìn)行輻射測(cè)試。如圖1所示，選用該批次產(chǎn)品2-3片進(jìn)行輻射測(cè)試，對(duì)選定的商用塑封器件選用Co-60放射源或X射線輻射系統(tǒng)進(jìn)行總劑量測(cè)試和用高能加速器或脈沖激光對(duì)該商用塑封器件進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)一些特殊的單粒子事件，獲得器件的抗總劑量能力和單粒子翻轉(zhuǎn)率。
步驟400，進(jìn)行抗輻射加固。如圖1所示，根據(jù)輻射測(cè)試3的結(jié)果設(shè)計(jì)抗輻射加固，在設(shè)計(jì)上采取各種措施，利用飛船、衛(wèi)星等的蒙皮、設(shè)備的機(jī)箱、設(shè)備內(nèi)部加設(shè)屏蔽板、局部屏蔽、冗余設(shè)計(jì)、雙機(jī)冷備份、多機(jī)備份、采取糾錯(cuò)措施、硬件看門狗等辦法，提高器件抗輻射總劑量水平和抗單粒子效應(yīng)的能力。
步驟500，進(jìn)行綜合評(píng)估。如果在篩選測(cè)試1中器件沒有通過測(cè)試，或有損壞；或者計(jì)算得到的可靠性指標(biāo)不能滿足具體任務(wù)的可靠性要求；或者根據(jù)該器件的總劑量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的抗輻射加固的措施仍然不能滿足任務(wù)對(duì)輻射能力的要求，等等，則該器件不可以用于這一特定的空間任務(wù)；若滿足上述全部要求，則認(rèn)為該器件可以用于這一特定的空間任務(wù)。
根據(jù)篩選測(cè)試的結(jié)果(器件經(jīng)過該測(cè)試應(yīng)該沒有任何損壞)，再進(jìn)行可靠性計(jì)算得到其可靠性指標(biāo)，可以判定是否滿足具體任務(wù)的可靠性要求；根據(jù)輻射測(cè)試的測(cè)試結(jié)果，得到該器件的總劑量數(shù)據(jù)，從而設(shè)計(jì)抗輻射加固的措施，進(jìn)行抗輻射加固。最后進(jìn)行評(píng)估確定該器件是否可以用于特定的空間任務(wù)。
本發(fā)明的方法適用于商用塑封器件應(yīng)用于空間任務(wù)時(shí)在設(shè)計(jì)階段對(duì)商用塑封器件進(jìn)行篩選、測(cè)試和評(píng)估，確定該器件是否可以應(yīng)用于特定的空間任務(wù)。
權(quán)利要求
1.針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，其特征在于，包括以下步驟1)進(jìn)行篩選測(cè)試；所述篩選測(cè)試是對(duì)選定的商用塑封器件實(shí)施100％非破壞性篩選試驗(yàn)，剔除具有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品；2)在篩選測(cè)試后進(jìn)行可靠性計(jì)算；所述可靠性計(jì)算是根據(jù)元器件種類的不同，建立元器件的失效率模型，從而計(jì)算出元器件在特定空間任務(wù)中的失效率和可靠度；3)進(jìn)行輻射測(cè)試；所述輻射測(cè)試是對(duì)選定的商用塑封器件進(jìn)行總劑量測(cè)試和單粒子事件測(cè)試，獲得器件的抗總劑量能力和單粒子翻轉(zhuǎn)率；4)在輻射測(cè)試后進(jìn)行抗輻射加固；所述抗輻射加固是根據(jù)輻射測(cè)試的結(jié)果，在設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的加固措施，提高器件抗輻射總劑量水平和抗單粒子效應(yīng)的能力；5)根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果、可靠性計(jì)算和抗輻射加固結(jié)果進(jìn)行的評(píng)估。
2.按權(quán)利要求1所述的商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，其特征在于，所述的步驟1)，包括對(duì)選定的商用塑封器件依次進(jìn)行的供貨渠道控制、批次檢查、外觀檢測(cè)、聲學(xué)顯微鏡掃描測(cè)試、電性能測(cè)試、DPA、濕度試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、老練試驗(yàn)、隨整機(jī)可靠性篩選試驗(yàn)，提供篩選測(cè)試報(bào)告。
3.按權(quán)利要求1所述的商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，其特征在于，所述步驟2)是針對(duì)失效率模型，根據(jù)特定的空間任務(wù)需求、元器件質(zhì)量等級(jí)、電路復(fù)雜度、封裝復(fù)雜度、工作環(huán)境、使用壽命、溫度應(yīng)力和所進(jìn)行的篩選試驗(yàn)，確定元器件失效率模型中的各種π系數(shù)，計(jì)算出元器件在特定空間任務(wù)中的失效率和可靠度。
4.按權(quán)利要求1所述的針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述總劑量測(cè)試是對(duì)選定的商用塑封器件選用Co-60放射源或X射線輻射系統(tǒng)進(jìn)行總劑量測(cè)試，獲得器件的抗總劑量能力；所述單粒子事件測(cè)試是用高能加速器或者脈沖激光對(duì)該商用塑封器件進(jìn)行掃描，觀察其中特殊的單粒子事件，獲得單粒子翻轉(zhuǎn)率。
5.按權(quán)利要求1所述的針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，其特征在于，所述步驟4)中，所述加固措施包括利用飛船或衛(wèi)星的蒙皮、設(shè)備的機(jī)箱進(jìn)行屏蔽；在設(shè)備內(nèi)部加設(shè)屏蔽板；進(jìn)行局部屏蔽；采用冗余設(shè)計(jì)、雙機(jī)冷備份或多機(jī)備份；采取糾錯(cuò)措施；采用硬件看門狗。
6.按權(quán)利要求1所述的針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，其特征在于，所述步驟5)，是根據(jù)篩選測(cè)試和輻射測(cè)試的測(cè)試結(jié)果以及可靠性計(jì)算和抗輻射加固的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，確定該器件是否可以用于特定的空間任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及針對(duì)商用塑封器件空間應(yīng)用的篩選方法，包括依次進(jìn)行的篩選測(cè)試、可靠性計(jì)算和依次進(jìn)行的輻射測(cè)試、抗輻射加固，以及根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果、可靠性計(jì)算和抗輻射加固結(jié)果進(jìn)行的評(píng)估。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比更加系統(tǒng)化，可以有效的節(jié)約時(shí)間，節(jié)省費(fèi)用。本發(fā)明的篩選測(cè)試方法，對(duì)選定的商用塑封器件實(shí)施100％非破壞性篩選試驗(yàn)，剔除具有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品，可以提高批產(chǎn)品的可靠性。通過可靠性計(jì)算，獲得該商用塑封器件應(yīng)用于某一特定的空間任務(wù)的可靠度，可以定量地確定該產(chǎn)品是否可以應(yīng)用于空間任務(wù)。通過輻射測(cè)試，可以獲得器件的抗總劑量能力和單粒子翻轉(zhuǎn)率，從而可以采取有效的措施進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)B07C5/00GK1858604SQ200510068030
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者姜秀杰, 孫輝先, 陳小敏, 趙天麟, 王志華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心