Вопросы обеспечения качества электронной компонентной базы

Дата публикации: 27.04.2015

Мантузов В.А., Орлов В.И., к.т.н. Федосов В.В.

ОАО «Испытательный технический центр – НПО ПМ» (ОАО «ИТЦ-НПО ПМ»)

г. Железногорск Красноярский край

Современный космический аппарат – это сложная электронная система, которая, находясь в космосе в течение 10-15 лет, должна сама себя диагностировать, проверять, принимать решение в рамках поставленных задач и выполнять различные возложенные на нее функции.

Космос является агрессивной средой, которая обладает различными деструктивными характеристиками, в том числе глубокий вакуум, большой перепад температур, радиация, потоки заряженных частиц и т.д.

Бортовая аппаратура в космическом пространстве не подлежит ремонту, именно поэтому она называется неремонтопригодной, и, соответственно, надежность такой аппаратуры должна быть максимальной. Требуемый уровень надежности обеспечивается за счет различных факторов, самым главным из которых является использование высоконадежной электронной компонентной базы (ЭКБ).

Космический аппарат (КА) содержит от 100 до 200 тысяч электронных компонентов. К ним относятся микросхемы, транзисторы, диоды, конденсаторы, реле, кварцевые резонаторы, резисторы и т.д.

Комплектация бортовой аппаратуры КА высоконадежной ЭКБ является одной из основных задач современной космической отрасли. В первую очередь следует предотвратить попадание в аппаратуру низкосортной фальсифицированной продукции. В рамках решения этой проблемы необходимо обеспечить закупку ЭКБ у проверенных поставщиков, а также проведение входного контроля (ВК), дополнительных отбраковочных испытаний (ДОИ) и разрушающего физического анализа (РФА) ЭКБ.

В России отсутствуют специализированные производства электрорадиоизделий (ЭРИ) для космической отрасли требования к качеству которых чрезвычайно высоки. Основное требование заключается в необходимости обеспечения их длительной непрерывной работоспособности в течение 10÷15 лет.

Учитывая, что в партиях ЭКБ, поступающих к изготовителю аппаратуры, всегда содержатся ЭКБ с дефектами (потенциально ненадежные), на стадии входного контроля необходимо выявить такие изделия и не допустить их к установке в аппаратуру.

Одним из наиболее эффективных методов предотвращения отказов аппаратуры являются дополнительные отбраковочные испытания и разрушающий физический анализ (РФА)  ЭКБ [1]. По сути, индивидуальная отбраковка компонентов. Для каждого компонента предусмотрено проведение следующих испытаний:

На все электрические параметры компонентов устанавливаются ужесточенные нормы. Определение ужесточенных норм осуществляется в следующей последовательности:

  1. Измерение электрических параметров для выборки компонентов.
  2. Статистическая обработка результатов измерений, в том числе:
  1. Расчет границ допустимых значений ужесточенных норм по следующим формуле:

, где

                 – среднее значение параметра;

                 – толерантный коэффициент,

                – среднеквадратичное отклонение.

  1. Оценка и корректировка (при необходимости) рассчитанных граничных значений с учетом погрешности измерения параметра, физической сути параметра и характера зависимости параметра от внешних и внутренних факторов.

Поставляемые партии ЭКБ могут быть неоднородными, собранными из нескольких производственных партий пластин (для ИС категории качества «ОС» - одна партия пластин, для «ВП» - до 4х [3], для ИС класса «V (S)» - одна партия пластин, для, «Q (B)» - до 4х [4]. Поэтому результаты испытаний на выборке ЭКБ категорий качества «ВП», «Q (B)» распространять на всю поставленную партию компонентов необходимо осторожно, как минимум, с убеждением в том, что партия изготовлена из одной партии пластин или, что разброс параметров различных кристальных партий невелик. Это связано с тем, что относительно незначительные изменения в производственном процессе могут радикально повлиять на характеристики чувствительности, например, к радиационному воздействию. Необходимо знать, из какого количества однородных групп собрана производственная партия компонентов. Это особенно важно для импортных компонентов уровня качества «Industry», где не существует требований к однородности продукции, а так же для уровня качества «Military» без гарантии радиационной стойкости. И для оценки «жизненного цикла» (steady state life test).

Если поставленная совокупность компонентов состоит из нескольких различных групп, то для того чтобы иметь обоснованное мнение о каждой из них необходимо провести испытания для каждой группы предварительно выявив их. С первыми результатами исследований по выявлению таких групп можно ознакомиться в статье [5].

Опыт показал, что серийная продукция заводов – изготовителей не всегда удовлетворяет предъявляемым требованиям, поэтому необходима работа с заводами-изготовителями по выпуску специальных партий ЭКБ (так называемых «спецпартий»).

Что должна представлять собой спецпартия, чтобы стать прообразом компонентов космического уровня качества? Чем она должна отличаться от обычной партии ЭКБ категории качества «ВП» или «ОС»?

Для того чтобы понять это, был проведен сравнительный анализ последовательности испытаний по американским стандартам MIL для интегральных схем (ИС) и полупроводниковых приборов (ППП) категории качества «SPACE» (для космического применения) и «MILITARY» (для военного применения) и требований Российских стандартов для категорий качества «ВП», «ОС» и «ОСД». Немаловажную роль в определении понятия спецпартии сыграл опыт международного сотрудничества при создании спутника SESAT с 10-летним сроком активного существования, который успешно функционирует на орбите более 13 лет.

В результате проведенного сравнительного анализа выяснилось, что ЭКБ категории качества «SPACE» и «MILITARY» имеют два отличия: оценка дрейфа параметров и контроль наличия посторонних частиц в подкорпусном пространстве (PIND).

Если испытания на наличие посторонних частиц в подкорпусном пространстве достаточно легко реализовать имея соответствующее оборудование, то для оценки дрейфа параметров необходимо:

  1. Присвоить каждому элементу (корпусу) индивидуальный номер.
  2. Провести измерения электрических параметров (обычно в объеме не менее приемосдаточных испытаний завода – изготовителя) и записать их результаты.
  3. Провести электротермотренировку (ЭТТ) (не менее 72 часов) с подготовкой необходимой оснастки.
  4. Провести повторные измерения электрических параметров с записью результатов после завершения ЭТТ в течение 24 часов (для отдельных элементов – в течение 6÷8 часов);
  5. Рассчитать дрейф параметров и оценить допустимые границы дрейфа.
  6. Провести классификацию на «годные» и «негодные».

Именно поэтому при выпуске решении о поставке спецпартий в состав дополнительных испытаний обязательно входит оценка дрейфа параметров и контроль наличия посторонних частиц в подкорпусном пространстве. Эти испытания проводятся в испытательном техническом центре (ИТЦ), поскольку ни один завод-изготовитель в России не в состоянии откорректировать свой технологический процесс в соответствии с этими требованиями. В результате спецпартии являются совместным продуктом завода-изготовителя и ИТЦ.

От каждой партии ЭКБ берутся образцы, на которых проводится РФА для оценки технологических дефектов, которые обычно не выявляются на этапе электрических отбраковочных испытаний, а проявляются как временной фактор. В составе РФА такие операции, как исследование на растровом электронном микроскопе (РЭМ), контроль подкорпусной влаги, испытания на сдвиг кристалла и обрыв выводов, проверка паяемости и др.

После проведения необходимых (взаимосогласованных) работ на заводе – изготовителе и в ОАО «ИТЦ-НПО ПМ» получается продукт названный нами «Спецпартия». Почему ОАО «ИТЦ-НПО ПМ»? Да потому, что системно данной работой в России занимается только ОАО «ИТЦ-НПО ПМ». Были попытки использовать идею спецпартий другими организациями, но обычно это заканчивалось дискредитацией идеи, поскольку существенную часть работы, проводимую в ИТЦ, не проводил никто. На сегодня оформлено 26 решений о порядке изготовления и поставки спецпартий с различными заводами изготовителями. Необходимо отметить, что идея создания спецпартий начала реализовывается с 2002 года и с некоторыми заводами существует уже по нескольку редакций решений, которые уточнялись и развивались на основе накопленного опыта.

В соответствии с действующей нормативной документацией [6] ЭКБ иностранного производства (ЭКБ ИП) в ракетно-космической технике необходимо сертифицировать с целью документального подтверждения соответствия требованиям потребителя. Сертификация ЭКБ ИП в космической технике должна подтвердить соответствие характеристик элементов требованиям модели внешних воздействующих факторов (ВВФ).

Объективными предпосылками необходимости проведения сертификации ЭКБ ИП являются:

Изначально сертификация осуществлялась проведением сертификационных испытаний. При этом требовалось сложнейшая контрольно-испытательная аппаратура и оснастка, программно-методическая документация, подготовка и испытания длились месяцы. В результате суммарные затраты на порядки превышали стоимость самих ЭКБ ИП, значительно удлинялись сроки комплектации аппаратуры электрорадиоизделиями. На начальном этапе применения ЭКБ ИП в отечественной аппаратуре применялись исключительно элементы коммерческого (индустриального) класса, которые поставлялись без каких либо документов качества.

В то же время мировые требования к надежности космической техники предполагают использование высоконадежной элементной базы, для ЭКБ ИП – это элементы категории качества Space” (в крайнем случае, с проведением дополнительного отбора, классаMIL“).

На сегодня доля элементов Space”, “MIL”, “HI-REL” в современной бортовой аппаратуре космических аппаратов значительно увеличилась и имеет тенденцию к дальнейшему росту, чему «объективно способствуют» отказы ЭКБ ИП коммерческого (индустриального) уровня качества при испытаниях и эксплуатации бортовой аппаратуры, хотя доля ЭКБ ИП  индустриального класса в силу различных причин остается значительной. Применение ЭКБ ИП космического уровня качества диктует новые подходы к сертификации закупаемых ЭКБ ИП, отказываясь от сертификационных испытаний в пользу использования результатов испытаний изготовителей ЭКБ ИП.

ЭКБ ИП для космического применения изготавливаются в соответствии с общими и детальными спецификациями утвержденными в установленном порядке соответствующих стран-производителей, в процессе изготовления подвергаются отбраковочным и квалификационным испытаниям, которые превосходят требования отечественной НД. В то же время отсутствие официальных межгосударственных актов по использованию ЭКБ ИП на территории РФ и, соответственно, механизмов идентификации их подлинности, не позволяет применять без сертификации ЭКБ ИП даже казалось бы, высших уровней качества (Space” иMIL”).

Проведение “классической” сертификации ЭКБ ИП  уровней качества Space” иMIL“ с проведением испытаний для подтверждения требований модели ВВФ, учитывая высокую стоимость как самих ЭКБ ИП, так и сертификационных испытаний, становится неоправданно затратной.

Практика поставки ЭКБ ИП  уровней качестваSpace” иMIL“ официальными дистрибьюторами изготовителей ЭКБ ИП показывает, что по запросу изготовители ЭКБ ИП поставляют сопроводительную документацию, содержащую отчеты по испытаниям.

При наличии отчётов по испытаниям ЭКБ ИП сертификация может полностью или частично проведена анализом отчётов по испытаниям на соответствие подтвержденных характеристик закупленных ЭКБ ИП требованиям модели ВВФ.

Сопроводительная документация должна предоставляться в следующем объёме:

Анализ сопроводительной документации выявил ряд проблемных вопросов, вызванных различиями в НД на иностранную и отечественную ЭКБ:

К нам обратилась одна организация с предложением закупить и провести сертификацию ЭКБ ИП.

Анализ предложенной номенклатуры ЭКБ ИП показал, что разработчик недостаточно разбирается в уровнях качества ЭКБ ИП, зачастую вывод о них делается по заявленному диапазону рабочих температур, если это -55+125°С, то считается, что элемент военного уровня, а уж если в обозначении элемента присутствуют буквы S,V,K (в военных стандартах используются для обозначения высшего уровня качества в PIN-номерах элементов), то это “космический” элемент, при том что информация черпается из коммерческих каталогов или сайтов.

Однозначное определение принадлежности ЭКБ ИП к военному (космическому) уровню - наличие на них SMD-спецификаций (ТУ по нашему), в которых отражены требования к изготовлению, отбраковке, квалификации и т. д. Выпускаемые на остальные элементы “Date sheet” (лист данных) содержат краткий перечень электрических параметров, температурный диапазон, габаритные размеры и никаких данных об испытаниях.

Неверное определение уровня качества элемента приводит к тому, что при закупке невозможно получить необходимую сопроводительную документацию, а, соответственно, к необходимости закупки дополнительных ЭКБ, проведению сертификационных испытаний, что существенно увеличивает затраты, не учитываемые на этапе выбора ЭКБ ИП.

Причиной такого положения, является отсутствие нормативных документов, в т.ч. по проведению сертификации ЭКБ ИП, которая напрямую влияет на надёжность и качество бортовой аппаратуры современных космических аппаратов.

Выводы

Анализ партий ЭКБ на однородность становится актуальной задачей, особенно для ЭКБ с высоким уровнем интеграции, где флуктуации технологического процесса могут привести к ошибкам в оценке качества ЭКБ, идущей на комплектацию КА.

Создание спецпартий – путь к централизованной комплектации аппаратуры КА на принципе равнонадежности. ОАО «ИТЦ-НПО ПМ» готово поставлять спецпартии всем заинтересованным организациям. Спецпартия это обязательно совместный продукт завода – изготовителя ЭКБ и ИТЦ и, если это не так, то это что-то другое, а не спецпартия.

Отсутствуют межгосударственные акты по использованию ЭКБ ИП на территории РФ и, соответственно, механизмы идентификации их подлинности.

Литература



[1] Федосов В. В, Патраев В. Е. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при применении электрорадиоизделий, прошедших дополнительные отбраковочные испытания в специализированных испытательных технических центрах // Авиакосмическое приборостроение. 2006. № 10. С. 50—55.

[2] РД В 319.04.47-2006. Порядок и методы проведения разрушающего анализа качества партий изделий, поставляемых для высоконадежных радиоэлектронных средств вооружения. 46 с.

[3] ОСТ В 11 0998-99. Микросхемы интегральные. Общие технические условия

[4] PERFORMANCE SPECIFICATION/INTEGRATED CIRCUITS (MICROCIRCUITS) MANUFACTURING, GENERAL SPECIFICATION FOR. MIL-PRF-38535F

[5] В.И. Орлов, Н.А. Сергеева О непараметрической диагностике и управлении процессом изготовления электрорадиоизделий. // Вестник СибГАУ. 2013. Вып 2(48) С. 70-75.

[6] РД 134-0154-2007. Методические указания. Порядок организации и проведения сертификации изделий иностранной электронной компонентной базы. 26 с.

Назад