Обеспечения длительной работоспособности ЭКБ

Дата публикации: 27.04.2015

В.И. Орлов, В.В. Федосов к.т.н.

ОАО «Испытательный технический центр – НПО ПМ» Россия, 662970,
 г. Железногорск Красноярского края, ул. Молодежная, 20. Тел. (3919)76-44-33
Е-mail: itcnpopm@atomlink.ru

Космос является агрессивной средой, которая обладает различными деструктивными характеристиками, в том числе глубокий вакуум, большой перепад температур, 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, одним из основных является использование высоконадежной электронной компонентной базы (ЭКБ).

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

Одним из наиболее эффективных методов предотвращения отказов аппаратуры являются дополнительные отбраковочные испытания (ДОИ) и разрушающий физический анализ (РФА) ЭКБ [1, 2]. По сути индивидуальная отбраковка ЭКБ, включающая проведение следующих испытаний:

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.

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» и «MILITARY» и требований Российских стандартов для категорий качества «ВП», «ОС» и «ОСД». 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).

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 ДОИ, 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». 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) необходимо сертифицировать с целью документального подтверждения соответствия требованиям потребителя (модели внешних воздействующих факторов). 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. 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 анализа результатов испытаний изготовителей ЭКБ ИП.

ЭКБ ИП для космического применения изготавливаются в соответствии с общими и детальными спецификациями 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 (SpaceиMIL).

Проведение “классической” сертификации ЭКБ ИП  уровней качества SpaceиMIL 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 качестваSpaceиMIL официальными дистрибьюторами изготовителей ЭКБ ИП показывает, что по запросу изготовители ЭКБ ИП поставляют сопроводительную документацию, содержащую отчеты по испытаниям.

При их наличии сертификация может полностью или частично проведена анализом соответствия требованиям модели ВВФ.

Необходимо отметить, что наиболее сложный и ответственный этап при проведении сертификации - это разработка модели ВВФ, от которого зависит вся последующая работа, в том числе вопросы материальных, финансовых и временных затрат.

Для начала надо определиться, какую смысловую нагрузку несет слово «сертификация». Во-первых, и самое главное: сертификация ЭРИ ИП не должна и не может заменить оценку правильности применения ЭРИ в аппаратуре, что накладывается на неë почти повсеместно. Чаще всего берут модель ВВФ, сформулированную для аппаратуры и механически переносят на ЭРИ. А по сути это разные модели, например, требования по механическим воздействиям для аппаратуры задаются с учетом жесткости конструкции прибора. Нужно ли предъявлять требования на механические воздействия, если ЭРИ не содержит в конструкции деталей, соединяемых путем сборочных операций (конденсаторы и резисторы, дроссели и т.д.) ?. Длина выводов и способ крепления в аппаратуре это уже аппаратурный вопрос. Очевидно, что ЭРИ соответствуют требованиям по механическим нагрузкам, если нижняя резонансная частота ЭРИ превышает заданный частотный диапазон. Поэтому целесообразно требования к механическим воздействиям заменить определением собственной резонансной частоты ЭРИ. Оценка резонансных частот может быть проведена в соответствии с РД 11 0696-89 [7] либо определена экспериментально в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.416-98. Имеющиеся данные показывают, что резонансная частота интегральных схем существенно превышает 2 кГц [7]. Что выше частотного диапазона вибраций во время выведения КА на орбиту.

Бессмысленно задавать требования на ЭРИ по величине пониженного давления для негерметичных космических аппаратов, так как ЭРИ можно применять при любых значениях пониженного давлении, при обеспечении конструктивных мер, обеспечивающих температурные режимы, установленные в технических условиях [8], и это так же аппаратурный вопрос.

Отдельный вопрос возможно ли провести сертификацию по диапазону ВВФ превышающему диапазон соответствующей спецификации на ЭРИ ИП (по температуре, по радиационным факторам и т.д.), конечно нет. Использование любых ЭРИ вне гарантий изготовителя запрещено. Хотя попытки такие делаются. Это, к сожалению, показывает не компетентность разработчика.

Если в модель включены требования по ресурсу, то возникает вопрос о проведении обязательных ресурсных испытаний на все ЭРИ ИП поскольку, например, в системе MIL в принципе отсутствует понятие ресурса. Одно из мнений – проводите ресурсные испытания в соответствии с требованиями «Климата-7». А это время и деньги. И деньги не малые до 600 0000 рублей за один корпус и выше. При этом в аппаратуре может использоваться один корпус, а на сертификацию необходимо несколько. Для устранения этого противоречия необходимо признание систем MIL, “Климата-7», ESCC. Техническим основанием для такого решения может быть периодическая проверка технологии (Life test) по системе MIL: наработка 1000 часов при температуре максимально допустимой по спецификации. Это жесткая проверка, но и сроки эксплуатации иностранных КА во всяком случае не ниже, чем в России.

Необходимо отметить, что сформированная модель ВВФ не может носить универсальный характер, а должна рассматриваться как наиболее широкие условия эксплуатации и удовлетворение этой модели означает безусловное соответствие условиям применения в аппаратуре. Но как показывает опыт, ряд ЭРИ этой модели не удовлетворяют, например, по нижней отрицательной температуре или радиационной стойкости включая поглощенную дозу и тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ). Поэтому далее разработчик аппаратуры должен показать возможность применения в аппаратуре и если “да”, то для этого ЭРИ ИП должна быть уточнена модель. Потому, что при сертификации решается один вопрос: удовлетворяет ли ЭРИ ИП требованиям модели ВВФ или нет.

Выводы

Рассмотрены основные аспекты обеспечения качества ЭКБ, устанавливаемой в летные образцы КА. Показано, что 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.

Создание спецпартий – путь к централизованной комплектации аппаратуры КА на принципе равнонадежности. ОАО «ИТЦ-НПО ПМ» готово поставлять спецпартии всем заинтересованным организациям.

Отсутствие межгосударственных актов по использованию ЭКБ ИП на территории РФ приводит к необоснованному увеличению затрат на проведение сертификационных испытаний.

 

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.

[7] ОСТ Изделия электронной техники. Выбор и контроль правильности применения в условиях воздействия внешних механических факторов РД 11 0696-89. Филиал ЦНИИ «ЦИКЛОН», 1990, 105 с.

[8] Стандарт отрасли. Микросхемы интегральные. Общие технические условия. ОСТ В 11 0998-99, 2000, 139 с.

Назад