面向航天器型号的COTS元器件选用策略.pdf

面向航天器型号面向航天器型号的的 COTCOTS S 元器件选用策略元器件选用策略薄鹏1，汪悦2*（1.中国空间技术研究院；2.中国航天宇航元器件工程中心：北京100094）摘要：为了实现 COTS 元器件在航天器中低成本高效应用，文章调研了商用塑封器件的工业基础、应用风险以及国内外各航天机构对 COTS 元器件的应用策略；针对 COTS 元器件的选用策略，系统性提出了元器件需求分析、选择、供应、应用结合的选用程序，并在此基础上设计了元器件供应方选择、执行标准选择和产品选择的选用要素。最后结合元器件应用实践需求，提出了面向航天器型号的 COTS 元器件选用控制建议。关键词：COTS 元器件；选用策略；选用程序；选用要素设计；航天产品可靠性中图分类号：TN406文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)04-0430-07DOI:10.12126/see.2023102Selection strategy of COTS components for spacecraftBOPeng1,WANGYue2*(1.ChinaAcademyofSpaceTechnology;2.ChinaAerospaceComponentsEngineeringCenter:Beijing100094,China)Abstract:Inordertorealizelow-costandhigh-efficientapplicationofCOTScomponentsinspacecraft，thispaperreviewedtheindustrialbasisandapplicationrisksofcommercialplasticencapsulationcomponents,andapplicationstrategiesofCOTScomponentsbyaerospaceagenciesathomeandabroad.FortheselectionstrategyofCOTScomponents,asystematicselectionprocedurecombinedrequirementanalysis,selection,supplyand application of components was proposed.On this basis,the selection elements of component supplierselection,implementation standard selection and product selection were designed.Finally,according to thepracticalrequirementsofcomponentapplication,suggestionsfortheselectionandcontrolofCOTScomponentsforspacecraftweregiven.Keywords:commercialoff-the-shelf(COTS)component;selectionandapplicationstrategy;selectionandapplicationprocedure;selectionandapplicationelementdesign;reliabilityofspaceproducts收稿日期：2023-03-28；修回日期：2023-07-26基金项目：装备预先研究项目（编号：3050804）引用格式：薄鹏,汪悦.面向航天器型号的COTS元器件选用策略J.航天器环境工程,2023,40(4):430-436BO P,WANG Y.Selection strategy of COTS components for spacecraftJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(4):430-436Vol.40,No.4航天器环境工程第40卷第4期430SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2023年8月https:/E-mail:Tel:[phone] 引言引言商业现货（COTS）元器件与宇航元器件的主要区别在于 COTS 元器件在设计时未考虑真空、辐射、原子氧等空间环境适应性和长期工作可靠性。但 COTS 元器件由于其性能优异、成熟度高、生产批量大和采购成本低廉等特点，已大量应用于试验卫星及载荷系统等新航天产业领域1-3。近年来，在商业航天需求和电子工业技术发展基础上，国内外航天机构和企业都在研究 COTS 元器件如何在传统航天项目中更好地应用。美国 NASA、欧空局和日本 JAXA 等都对 COTS 元器件应用持积极态度，成功采用了技术成熟的低成本民标元器件4-6。实践证明，在适当保证的前提下，大部分 COTS 元器件能满足不同类型航天任务性能，以及温度、振动和辐射等航天器各任务剖面环境要求3-4，因此使用 COTS 元器件在满足航天器性能的前提下降低任务成本，技术上具备可行性，是航天领域未来发展的大势所趋。然而 COTS 元器件存在非抗辐照设计、易停产断档及可靠性信息缺失等典型问题，在航天任务尤其是传统航天项目中的应用中仍存在风险1，其应用难点和重点在于：遴选出适应航天任务尤其是适应空间环境的产品，确定产品基础，完善供给结构，优化供给方式，提升供给效率。本文研究 COTS 元器件工业基础和航天型号任务需求，基于可靠性数据缺失、稳定供应、塑封结构可靠性等风险问题，提出面向航天器型号的COTS 元器件选用原则、选用程序和要素设计方法，并结合工程实践进行分析。1 COTS 元器件工业基础和应用风险元器件工业基础和应用风险1.1COTS 元器件工业基础在电子工业不断发展的背景下，随着人们对可靠性物理技术研究进一步深入，并且能够采用全自动生产线加工保证产品工艺稳定，元器件性能和整体可靠性水平不断提高，已经衍生出大量高可靠元器件可供各行业选择。汽车电子和医疗电子与人的生命安全密切相关，其元器件也有相当高的质量和可靠性水平，并且市场份额很高，容易获得。ST、Microchip 和 ADI 等公司陆续推出抗辐射加固COTS 元器件，并提供辐射仿真工具，努力为航天项目提供“价格应用需求平衡问题”的解决方案7。因此，具备一定质量能力、在市场上作为成熟货架产品被采购的、代表行业发展方向的一系列先进元器件是航天器型号选用的良好基础。近年来，航天器型号低成本研制、规模化生产和高密度发射等要求对 COTS 元器件应用的具体需求主要体现在成本控制、风险控制、高性能快速应用以及稳定生产供货等方面。1.2应用风险分析及控制措施1.2.1可靠性数据缺失风险及控制措施不同于宇航元器件全面的评估、鉴定、验证和数据共享，COTS 元器件在极端环境、空间环境、长寿命等方面没有公开的数据，导致空间应用信心不足。建立可靠性数据信息平台支持 COTS 元器件的快速选型、针对性筛选和评价，都能够有效支撑其选用。1.2.2供应风险及控制措施COTS 元器件可追溯性差，技术状态可能不稳定，持续可获得性存在风险。面对停产或断档风险，可以进行适当的产品或芯片储备；跟踪产品变化，及时使用升级替代品更换。面对状态不受控风险，可以进行产地和芯片状态比对、批次间测试和试验数据比对，来增强使用信心和提前控制风险。1.2.3结构可靠性风险目前，公认的 COTS 元器件结构可靠性风险有纯锡材料风险和塑封吸潮特性风险。1）纯锡材料风险及控制措施COTS 元器件一般引线镀层为纯锡，而纯锡在低重力或失重条件下容易生长锡须，产生短路风险；在低温形成结晶态灰锡，产生元器件引线及焊点破坏风险。对于管脚表面涂覆层为纯锡的器件，目前公认有效防止锡须生长的方法是采用热浸渍铅锡焊料或涂层。2）塑封吸潮特性风险及控制措施COTS 元器件大多采用塑封，主要的故障模式是表面贴装过程中的“爆米花效应”以及内部湿气引起的键合焊点电偶腐蚀。“爆米花效应”是由于塑料封装体内部水分因加热汽化后体积膨胀引起，可以通过电装前适当烘焙避免。采用抽真空包装、第4期薄鹏等：面向航天器型号的 COTS 元器件选用策略431干燥洁净环境（如氮气干燥柜）存储能够有效避免腐蚀问题。2 COTS 元器件选用原则元器件选用原则航天器型号 COTS 元器件保证的关键是元器件选型控制，须确保选择的生产厂、器件型号符合应用的先进性和可靠性预期，确认是否具有连续的批采购可获得性，确定是否存在纯锡等航天禁限用工艺或是否能够实施风险缓解措施处理。COTS 元器件的选用控制策略决定了选型范围和应用风险，也影响着质量保证试验项目和要求的设计。2.1国内外 COTS 元器件航天应用策略2.1.1国外的应用策略NASA 尽管在积极推动选用 COTS 元器件，但也认为使用元器件没有捷径，需通过严格的保证和风险控制4：对于大部分 AC 级航天器，其应用COTS 元器件的策略偏保守，项目需基于对 COTS元器件、制造商以及元器件使用方式的系统理解以及风险的有效管理，并且按照 EEE-INT-002 进行筛选、考核和降额使用；对于 D 级以下航天器，大部分项目选择接受 COTS 相关风险。欧洲航天机构对 COTS 元器件应用持积极态度，欧空局允许多元 COTS 元器件保证后使用：目前普遍采用 ECSS-Q-ST-60-13，根据可追溯性和保证方法等将元器件分为不同的保证等级，供不同类型的航天项目选用。ECSS-Q-ST-60-13C（2022 年修订版）中进一步明确了 COTS 元器件的选用限制和评价要求，并重点推荐汽车级（AEC）COTS 元器件使用5。日本 JAXA 对于 COTS 元器件的应用相对激进：对家用、工业用、发动机用和高可靠用（如核、航空）4 类不同可靠性基础的 COTS 元器件，制定了针对性评价和选择策略，供不同类型的宇航项目选用6。2.1.2中国的应用策略我国已经形成了一套针对高可靠航天器用COTS 元器件选用和保证方法。GB/T410402021宇航用商业现货（COTS）半导体器件质量保证要求8给出了以结构分析、筛选、考核试验以及抗辐照评估等为主的质量保证技术体系，在应用 COTS元器件方面仍偏保守。2.1.3商业航天公司的应用策略以 SpaceX 公司为代表的商业航天公司始终将成本和先进性摆在与可靠性同等重要的地位，认为宇航级元器件的价格昂贵、生产周期长、性能落后等固有缺点是制约技术发展的瓶颈，因而需要使用价格低廉、性能先进的 COTS 元器件；对 COTS 元器件进行针对性的选用分析、筛选试验和板级考核试验等质量保证，可确保其应用可靠性9。2.2关于 COTS 元器件选用原则的思考宇航元器件的选用原则主要包含继承性、先进性与可获得性、目录管理及合格供方管理等，这些同样适用于 COTS 元器件。但是传统的供方和目录管理形式可能难以与先进元器件选择完全同步，至少应选择知名生产厂、产品质量信誉良好的现代化高水平生产线生产的成熟 COTS 元器件。选择中应关注 COTS 元器件供应方生产线质量认证、执行标准和产品本身的停产断档、技术状态变更等信息。而且，由于可靠性数据缺失、易停产断档等特点，应针对 COTS 元器件建立信息库（如表 1 所示），以应对数据不足风险，并为选用提供必要信息。另外，选用 COTS 元器件应与航天器型号分级保证工作结合，提高保证效率与效益，同时确保可靠性满足航天任务要求。表1COTS 元器件可靠性信息Table1ReliabilityinformationforCOTScomponents信息类型信息内容元器件产品a)性能参数b)封装形式，含镀层材料或无铅化标注c)元器件基础工艺和芯片版本，如CMOS、双极等d)工作温度范围e)环境敏感性，如ESD等级、潮湿敏感等级f)执行的标准规范g)内部元器件（若有）h)质量等级或商业应用领域i)工作失效率j)批次和检验数据，如筛选、鉴定、批接收、质量一致性k)停产和改选等供货方a)生产线质量认证与资质，如航天、军标、AEC-Q认证b)供货渠道c)供货周期d)采购成本元器件历史应用a)应用单机以及应用型号的轨道、寿命周期b)在轨工作状态c)在轨时间d)故障和失效情况等其他a)批次不合格元器件，如批次代码、供货方、不合格原因等b)假冒翻新元器件，如批次代码、供货方、假冒翻新类型432航天器环境工程第40卷 3 COTS 元器件选用程序和要素设计元器件选用程序和要素设计COTS 元器件选用解决的问题是：在一定的元器件产品范围中，采用成本最小的方式，能够最大限度地满足航天器型号需求。其选用程序如图 1 所示，即：从航天器型号需求出发，基于已有信息库，重点考虑供应方选择、执行标准选择、元器件产品选择三大方面的选用要素，识别和控制风险，保证高可靠应用。信息库电路板或系统设计应用案例应用数据采购供应方选择执行标准选择产品选择评估试验供应需求质量与可靠性需求环境需求任务需求风险控制电装或组装工艺质量保证电路板/单机/系统试验需求分析元器件选择元器件应用元器件供应图1COTS 元器件选用程序Fig.1SelectionproceduresforCOTScomponents3.1需求分析根据航天器型号需求，按照表 1 的信息进行分类，确定对应的元器件需求，如表 2 所示。表2元器件需求分析Table2Componentrequirementanalysis需求类型典型元器件需求任务需求元器件技术指标、接口约束和性能裕度环境需求元器件工作和非工作状态需经历的环境剖面，如：温度极限、温度交变、机械冲击、机械振动、辐射、真空、湿气、腐蚀等环境条件和累积应力质量与可靠性需求工作寿命、失效率、可接受的失效模式供应需求元器件供应（含采购和质量保证）周期、成本3.2元器件选择3.2.1供应方选择选用方应充分开展市场调研，甄别遴选出多种待选元器件，在考虑应用继承性的基础上进行 COTS元器件选用。选用分析内容包括 COTS 元器件供应方、执行标准、产品等与任务需求、环境需求、质量与可靠性需求以及供应需求的匹配性等方面；在信息过少难以决策的情况下，还需要结合评估试验结果分析风险可接受情况，制定风险控制措施。供应方选择要素如表 3 所示。表3供应方选择要素Table3Selectionelementsofsupplier供应方选择要素分类供应方选择要素内容成本、计划可行性结合采购订单的历史执行情况，分析成本和计划可行性。如：分析涉及的质量成本、样品损耗、试验周期是否能够满足任务要求停产断档和稳定供应情况在航天任务需求周期内，COTS元器件停产带来的储备、储存问题和产品功能的可替代性产品或工艺变更COTS元器件产品或工艺变更是否影响其功能性能假冒翻新控制应控制供货渠道，综合预防手段、识别手段和处置手段，能否避免假冒翻新元器件风险供货方可追溯性供货方对元器件的可追溯情况，是否能够通过生产线追溯码、封装周代码或器件/料盒/内包装等的其他标识等来识别制造来源3.2.2执行标准选择在基础条件相似的情况下，推荐选用表 4 中类别高的元器件。不建议选用民商用、适用规范不明或无公开渠道查询数据手册的 COTS 元器件。表4典型 COTS 元器件类型、执行规范、生产线和产品特点Table4TypicalCOTScomponenttypes,implementationspecifications,productionlinesandproductcharacteristics类别COTS元器件类型执行规范生产线和产品特点宇航级COTS元器件制造商规范或数据手册经过抗辐射等空间环境适应设计和试验，通常有航天应用经历按照IEC标准、国标等元器件通用规范和详细规范生产的元器件（非宇航级或宇航用）相应IEC标准、国标执行相应IEC标准、国家标准，目前市场较少该类产品航空ADHP元器件GB/T37312.12019、IECTS62686-1:2015、IECTS62686-2:2019执行相应航空工业标准，按照标准鉴定和认可，目前市场较少该类产品汽车用AEC鉴定元器件AEC-Q100，AEC-Q101等执行相应工业标准，按照标准鉴定和认可按照军标筛选的元器件相应军标执行相应的军用标准，但未进行鉴定和认可进行制造商筛选的Hi-Rel元器件（如：科学级）制造商规范或数据手册根据制造商的具体情况工程样片，（厂家）标准级制造商规范或数据手册可能与宇航级或军用级元器件共线生产，但不进行筛选和鉴定一般工业用元器件数据手册需具体分析第4期薄鹏等：面向航天器型号的 COTS 元器件选用策略4333.2.3元器件产品选择进行元器件产品选择时需考虑的要素如表 5所示，包括：分析 COTS 元器件的功能、性能、封装与航天任务的匹配性，元器件的环境适应性，质量与可靠性能否满足型号任务要求。COTS 元器件产品信息可能缺失，需结合典型样品进行评估，尤其在 COTS 元器件没有足够航天应用经历或采用未经航天任务验证的新技术的情况下，应针对应用风险制定具体评估试验方案，获取环境适应性和可靠性数据，确定元器件是否满足任务需求。评估试验可以按照结构相似性原则进行，一般包含结构分析和工艺评估。表5元器件产品选择要素Table5Selectionelementsofcomponentproduct要素分类选择要素要素内容功能、性能、封装与任务的匹配性功能选用COTS元器件拟实现的主要功能，核心元器件外围电路（电源、驱动电路等）匹配情况，整体电路设计在工业领域是否成熟，冗余备份是否合理性能参数有技术资料或测试数据证明COTS元器件性能参数指标满足航天任务分配的指标要求，关注极限使用温度下的元器件性能参数指标封装形式元器件的封装形式与选用方成熟电装工艺适应性，是否存在不成熟的高密度电装工艺、无铅（或其他限用）引线或引出端镀层的处理方式其他体积、质量、功耗、开发调试环境（软件模拟器、高级语言程序开发环境、集成开发调试环境）及配套软件（操作系统、图像库算法、通信算法、特定领域算法等）支持的要求，系统开发的便利性，应有足够的外部接口以便于与系统中的其他器件进行数据交换环境适应性工作温度范围COTS元器件的工作温度范围一般窄于宇航元器件。同类COTS元器件应选用最宽工作温度范围的产品环境敏感性是否充分考虑元器件本身的环境敏感性（静电敏感、潮湿敏感等），电装、储存和试验中有无相应的防范措施。对于元器件储存和复验，元器件环境敏感性是否还有其他额外影响，如何控制空间环境适应性温度极限、温度交变、机械冲击、机械振动、辐射、真空、湿气、腐蚀等环境条件的适应性，风险问题是否已经识别和控制质量与可靠性质量与可靠性关注COTS元器件筛选、鉴定、批接收、质量一致性检验数据情况，分析供货方给出的相似结构元器件的工作失效率信息是否能够满足任务要求。必要时需结合典型样品试验进行评估3.2.4典型 COTS 元器件选择实践某航天器单机用电机控制板电流控制电路需要一款轨对轨低噪声运算放大器，来构建比例积分控制器，实现电流环路闭环控制。根据市场调研，遴选出运放 A、运放 B 两种待选元器件，均为四通道、单电源、4MHz 带宽，都能够提供轨到轨输入和输出，可以构建基于单电源供电系统的多级滤波器并保持高信噪比。经对供应方、执行标准、产品的全面分析（见表 6），最终选择运放 B 成功应用。表6低噪声运算放大器选择Table6Lownoiseoperationalamplifierselection选择要素分类要素运放A运放B供应方选择成本、计划可行性供应方A，价格高，货期能满足要求 供应方B，价格低，货期能满足要求停产断档和稳定供应情况供应稳定供应稳定产品或工艺变更无无假冒翻新控制有风险，需对采购渠道进行控制无风险供货方可追溯性部分可追溯可追溯执行标准选择执行规范工程样片一般工业用元器件生产线和产品成熟性宇航线共线民用线产品选择功能、性能、封装与任务的匹配性输入输出端精度参数、开环增益、共模抑制比、输出特性、带宽、输出电压转换速率、噪声等关键参数能够满足应用要求；塑封SOIC-14封装输入输出端精度参数、开环增益、共模抑制比、输出特性、带宽、输出电压转换速率、噪声等关键参数能够满足应用要求；塑封SOIC-14封装环境适应性使用需防潮；纯锡焊料需处理使用需防潮；外引线表面镀NiPdAg，需注意可焊性质量与可靠性需进行升级筛选试验需进行升级筛选试验3.3元器件供应3.3.1元器件采购采购方应尽可能采用批量、集中采购模式：提前制定备件、消耗品计划，尽量确保初样、正样使用的 COTS 器件为同一批次；应在生产厂或授权经销商处直接采购 COTS 元器件，且在合同或协议中重434航天器环境工程第40卷点明确所提供产品的数据资料、停产或断档通知等内容。在考虑成本的时候，需考虑采购、质量保证等带来的综合成本，制定适当的采购策略。3.3.2元器件质量保证质量保证试验项目可在元器件级、电路板级、子系统/机箱级选取。更高集成度的试验降低了用户对元器件设计裕度和故障裕度的了解程度。对于商用塑封器件中存在的失效或航天禁限用工艺问题，不是一票否决弃用，而是考虑采用风险分析、工艺再处理、外部加固处理等多种措施支撑可靠应用。例如，纯锡涂覆和非密封等工艺问题都可采取风险分析和针对性措施缓解处理，包括已经被证明有效的加厚三防漆保护、电装前烘焙及干燥储存等。3.4元器件应用3.4.1电路板或系统设计应采用冗余设计、热设计、降额设计、容差设计、最坏境况分析等可靠性设计方法和抗辐射加固设计方法，在航天型号任务中适当应用 COTS 元器件，防止使用过程环境过应力（防瞬态过载、防寄生耦合和电磁干扰、静电放电）和器件失效传递的应力。3.4.2电装或组装工艺电装或组装工艺不应损伤元器件，并能够提供可靠的连接。表面安装潮湿敏感 COTS 元器件应根据 MSL 进行预处理。引出端纯锡镀层的 COTS 元器件应采取必要的防护处理措施。3.4.3电路板级、单机级和系统级试验电路板级、单机级和系统级试验可与元器件级质量保证结合进行。跳过元器件级试验能够降低成本和加快进度；然而，如果在电路板级、单机级和系统级试验中检测到任何故障，将对成本和进度产生更严重的负面影响10。即使 COTS 元器件已经进行了超额应力元器件级试验分析，仍建议在原有的额定应力范围内进行电路板级、单机级和系统级试验。4 结论及建议结论及建议使用 COTS 元器件提高航天器的性能和降低航天器型号任务的成本，技术上具备可行性，是航天领域发展的大势所趋，其应用难点和重点在于遴选出适应型号任务的产品，并采用低费效比的质保流程和方法。具体建议如下：1）系统制定完善航天器型号用 COTS 元器件的选用规范和质量保证总要求，并建立可用 COTS元器件的数据库。因而需要加大空间环境适应性、长期工作可靠性评估的投入，进行备选 COTS 元器件的储备。2）针对 COTS 元器件以塑封器件为主的特点，为保证应用可靠性，需要建立“运输储存使用前处理电装后防护”等全过程防护要求。3）全方位实施统筹集中、批量采购和质量保证，专业质量保证机构持续把关 COTS 元器件成熟度和芯片来源。4）COTS 技术更新换代非常快。须紧跟技术发展和市场动向，不断调整技术应用策略，同时建立与之相适应的单机技术状态动态管控及维护要求。参考文献（References）朱恒静.塑封器件宇航应用的质量保证方法J.电子产品可靠性与环境试验,2008,26(5):9-12ZHU H J.Quality assurance of plastic encapsulateddevices for space applicationsJ.Electronic 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Electronics(ACCEDE)2022.Seville,Spain,2022QUINTAS C L.COTS electronic parts for next spacechallengesandachievementsC/AssessmentofCommercial Components Enabling Disruptive SpaceElectronics(ACCEDE)2022.Seville,Spain,20227国家标准化管理委员会.宇航用商业现货(COTS)半导体器件质量保证要求:GB/T410402021S.北京:中国标准出版社,20218张大宇,宁永成,王熙庆,等.SpaceX 公司商用塑封器件9质量保证措施J.航天器环境工程,2019,28(3):92-98ZHANGDY,NINGYC,WANGXQ,etal.Qualityassurance measures in SpaceX for commercial plasticencapsulatedmicroelectronicsJ.SpacecraftEnvironmentEngineering,2019,28(3):92-98HODSONRF,CHENY,PANDOLFJE.Recommendations on use of commercial-off-the-shelf(COTS)electrical,electronicandelectromechanical(EEE)partsforNASAmissionsR/OL.2022-06-15.https:/ntrs.nasa.gov/citations/2020501157910（编辑：王洋）一作简介：薄鹏，高级工程师，主要从事航天器型号保证。*通信作者：汪悦，高级工程师，主要从事宇航元器件质量保证。436航天器环境工程第40卷