导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第5期 No.5 1999



电子元器件可靠性技术在发展航天中的重要作用
　　编者按　现代战争是立体的战争、电子的战争和高技术的战争。电子元器件是高技术战争和电子战争的核心，是火箭走向电子化、自动化、智能化的基础，其可靠性得到了发达国家尤其是美国的重视。作者从火箭的发射、火箭的飞行环境、火箭对电子产品不断增长的需求、半导体技术的发展以及现代战争的需要5个方面讨论了电子元器件可靠性技术的重要性。同时讨论了电子元器件可靠性在国外的研究，重点介绍了美国如何将电子元器件可靠性技术应用于火箭的研制情况。最后对中国航天应用电子元器件可靠性技术的经验以及存在的问题和困难，提出了一些观点和看法。
沈剑波
1　电子元器件可靠性技术对航天技术的重要性
　　随着高新技术的发展，现代武器具有电子化、自动化、智能化的特点。从海湾战争和科索沃危机中可以看出，现代战争是立体的战争、电子的战争和高技术的战争。作为高技术战争和电子战争的核心——电子设备而言，其复杂程度不但很高，而且发展速度很快。在1940年，美国轰炸机上的电子设备的元器件总数才2 000个，而现代飞机上的一个火控雷达的元器件则有2 000多万个，所耗电力也相当惊人。
　　众所周知，系统越复杂，其可靠性问题则越尖锐。随着武器系统复杂程度的日益提高、国际市场竞争的加剧，由不可靠产品引起的巨大经济损失、战争教训以及社会动荡充分说明，可靠性工程的重要性已经凸显出来，其发展速度很快。
　　电子元器件作为电子设备和电子系统的基本组成单元，其可靠性已经得到了高度重视，但电子元器件的可靠性技术能否使航天技术再上一个台阶，能否保持航天事业发展势头，进一步打开国际发射市场仍是航天技术的关键因素之一。
1.1　火箭元器件的可靠性是火箭的发射风险之一
　　实现电子元器件的高可靠性是电子技术发展本身提出来的，也是航天事业发展的需要。为了适应国防现代化，电子设备和系统的复杂程度在不断提高，所用器件数量也在不断增多。根据可靠性理论，组成系统的元件、零件越多,在元件、零件可靠性指标不变的条件下，则系统的可靠性越低。为了保证火箭的高可靠性，必须提高电子元器件的可靠性。假如一个电子系统包括15 000个电子元器件， 为了确保系统0.95的可靠度，则要求每个元器件的可靠度为0.999 998 7。
　　火箭是一个十分复杂的系统，由大量的元器件组成，有一个元器件不可靠就可能造成重大损失。阿里安火箭已经发射100多次，其中有过8次发射失利。这8次发射失利中，1次是阿里安5型运载火箭由于火箭导航的电脑软件系统发生故障造成的，7次都是因为个别元件故障而造成的。
　　1998年8月至1999年5月，美国火箭发射失利6次，其中两次是火箭爆炸事故。一次是1998年8月26日，德尔它火箭在卡纳维拉尔角起飞后大约80 s时爆炸。该火箭携带着一颗美国通信卫星，经济损失为2.25亿美元。调查失事原因分析表明，火箭的导向系统发生故障，机械和电子部件造成火箭倾斜而失去控制。另一次是1998年8月12日，美国大力神火箭4A起飞40 s后出现异常，由地面控制人员在2 s后启动了自毁装置，在海洋上空爆炸。这次爆炸是美国航天史上损失最惨重的事故之一，造成的经济损失巨大，这枚美国推力最大的大力神火箭价值约3亿美元，携带的一颗间谍卫星价值为8亿～10亿美元。1999年4月9日大力神火箭发射预警卫星未进入预定轨道；4月27日雅典娜火箭发射间谍卫星未进入预定轨道；4月30日大力神火箭发射军用通信卫星未进入预定轨道；5月4日德尔它火箭发射民用通信卫星失利；这4次失败经济损失约20亿美元。
　　俄罗斯在1998年9月10日发生的事故，是携带12颗美国环球之星通信公司卫星的天顶-2号火箭发射失败，原因是二级助推器突然断电所致。
　　在被国际航天界称为“黑色96”的1996年，俄罗斯质子号火箭、美国哥伦比亚航天飞机、法国阿里安火箭均在发射中遭到重创。中国长征火箭也不例外，2月15日，新研制的长征三号乙火箭载着国际通信卫星起飞不久，就一头撞在发射场的山坡上。祸不单行，8月18日，长征家庭最老资格的长征三号火箭在执行第11次飞行中，三级发动机提前48 s关机，未能将卫星送入预定轨道。
　　高可靠性非常成功的例子是俄罗斯的和平号空间站。到1999年2月20日为止，在太空运行了13年，而其原设计寿命为3年。从技术的角度看，该站超期服役是其可靠性带来的巨大胜利，同时也带来了巨大的经济效益。在和平号这不平凡的13年里，共有135名俄罗斯和其他国家的宇航员在轨道站上工作过，他们先后共进行了1.65万次科学试验，其中包括完成的23项国际科学考查计划，取得了大量数据及具有重大实用价值的成果。宇航员在太空生活的经验为进行长期星际飞行提供了医学保障。
　　由此可见，提高航天用电子元器件的可靠性，是火箭在使用上提出的迫切要求，也是其使用性质所决定的。假设火箭或导弹系统的电子设备可靠性不高，在发射时或发射后，电子系统出现故障，造成控制失灵，将会导致巨大的经济损失和不良的政治后果。
1.2　火箭飞行环境要求电子元器件具有很高的可靠性
　　火箭飞行环境是十分恶劣的。在组成火箭的零部件中，电子元器件是比较脆弱的，而其使用条件却是比较苛刻的。由于它们要经受各种高低温、潮热、高低气压、振动冲击、加速度、辐射等环境的影响，所以对半导体器件可靠性的要求也越来越高。根据元器件环境试验的数据，如果某批电子元器件在实验室条件下出现故障的可能性为1，那么，在飞机使用条件下的可能性则为6.5，而在火箭使用条件下则为80。正是这种使用条件的不同，对电子元器件失效率要求也不同，家用电视机要求器件失效率为100非特～500非特，地下通讯设备要求器件失效率为20非特～200非特，而航天飞行器按照长期、中期、短期工作寿命而要求器件失效率分别为1非特，10非特，100非特。
　　综上所述，实现半导体高可靠性，是航天工程的需要，是国防建设的需要。
1.3　火箭对电子产品需求不断增加，所占比例不断增大
　　火箭对电子元器件需求不断增长的首要原因是电子产品能够极大地提高火箭、导弹及武器装备的性能，使它们在射程、可靠性、命中精度、反应时间、生存能力、机动性和适应性等方面都能有很大程度的提高。第2个原因是，电子产品使得以前由士兵承担的危险任务转由各种装备承担。通过使用新型雷达和导弹技术，使军队能在更远的距离与敌军作战，从而使官兵不受伤害。通过通讯系统以及电子设备实现远距离观察战场。第3个原因是，电子设备可以提高装备的智能化、自动化和现代化水平，使军队朝着规模更小、机动性更强的方向发展。这也是用于防务的电子产品的开支不断上升的原因。冷战结束后，美国尽管防务预算削减，一些军事基地关闭，但生产军用电子产品的一些公司出人意料地仍然处于发展中。美国政府将花更多的钱从洛克希德.马丁公司、雷声公司、休斯电子公司等生产防务电子产品的大公司购买电子产品。根据统计，对于某些喷气式战斗机来说，电子元器件用于监视、通讯及导航系统，已经占到成本的一半，而对于能非常准确地自动寻的激光制导炸弹或导弹来说，其中使用的电子元器件已占80％。据97年预测，尽管美国今后10年的防务预算将减少8％以上，总额将降到2320亿美元，但今后10年用于防务的电子产品的开支将上升10％,增加到555亿美元。
　　由此可见，要提高国防现代化水平，电子元器件可靠性是必须解决的重点技术之一。
1.4　半导体技术的快速发展给电子元器件可靠性带来了挑战
　　半导体电子技术是发展最快的一门尖端技术，在这个飞跃发展的微电子时代，电子元器件（特别是集成电路）的发展可以说是日新月异。新器件、新产品、新工艺不断涌现，集成度越来越高，这虽然是一件好事，但对于电子元器件可靠性技术却是一个挑战。
　　1975年Intel公司创始人之一 Moore 提出过Moore法则，那就是集成电路的集成度每2年增加4倍；CPU的计算能力每18个月提高一倍，其集成的晶体管也增加1倍。20多年的发展过程，基本上遵从了这一法则。集成电路的集成度在1960年～1975年，每2年增加4倍，10年提高了1000倍，从1975年以后，基本上每3年增加4倍，10年提高了40倍。芯片上的特征线宽每5年缩小1倍， 目前正在由μm向nm发展。CPU的速度从最早的4004仅2 000条指令／s发展到奔腾为3亿条指令／s。半导体技术正在向nm和量子计算机方向发展，可以说，半导体器件的三维结构以及在nm范围的结构尺寸方面利用量子电子效应，是今后10年～15年的重要趋势。这些发展带来了电性能的不可测性以及环境、机械试验的不可模拟性，是可靠性技术所要研究的新课题。
1.5　现代电子战争的需要
　　现代电子战争包括电子侦察、电子干扰和电子摧毁，而电子元器件则是进行电子战争的基本单元。在海湾战争期间，美国对伊拉克进行了一场奇妙的“芯片战”。在实施“沙漠风暴”行动之前，为对付伊军的战略指挥系统，派出特种作战小组去巴格达附近，成功启动某种“芯片”，使伊军战略指挥系统不仅工作不正常，而且不断泄漏出大量的信息资料，为美军突袭创造了有利条件。这种“芯片攻击”应该引起人们的注意，特别是许多核心芯片都是进口的。
　　科索沃危机中，北约也采用了强大的电子干扰设施，对南联盟进行了猛烈的电子压制，致使民用通讯基本中断。北约还使用了空射高功率微波弹，该弹产生极强大的电磁脉冲，使周围几公里至十几公里范围内的所有电子设备遭硬损坏，造成永久性破坏，无法修复，这种弹头对人体也能产生一定的杀伤作用。因此，一定要加强电子元器件和电子系统的可靠性研究。
2　电子元器件可靠性在国外的研究情况
　　美国对可靠性工作的重视是从50年代开始的。当时的背景是，1957年苏联向太平洋海域试射洲际导弹成功，引起了美国极大惊恐，促使他们投入大量人力、物力大搞可靠性技术研究。在60年代可靠性技术得到大发展并日趋成熟，发展成一个工程专业，并有其本身的方法、步骤和技术内容。民兵导弹和阿波罗计划对可靠性工作的发展起到了很大的推动作用。
2.1　将提高电子元器件可靠性纳入导弹研制计划
　　民兵导弹曾是美国主要的战略武器之一。在研制、生产民兵Ⅱ过程中，为了改进和提高集成电路的可靠性，特制定了“民兵可靠性保证计划”和“元器件质量保证计划”，并在这方面投入了大量人力、物力，民兵导弹研制费为200亿美元，而其中有40亿美元花在提高电子元器件可靠性方面。1964年～1966年，集成电路失效率从0.07%/kh降到0.000 8%/kh，即可靠性提高了近100倍，系统MTBF达到10 000 h，到1969年民兵Ⅱ的可靠性超过了规定指标。美国把这看作是“民兵可靠性计划”和“元器件质量保证计划”的成就，并把它作为可靠性工作发展过程中一个成功的典型，引以为自豪。
　　民兵可靠性计划还反映了一个事实：虽然可靠性计划需要一定投资，但总的经济核算是成本降低。具体体现在工厂和现场更换制导计算机的失效元器件上，在未实施各项措施之前，这两项成本极高，实施可靠性计划2年之后，这2项的成本降低了90%以上，非常可观。
2.2　电子元器件可靠性技术的发展与科学技术水平是同步发展的
　　民兵导弹研制开始于1958年，完成于1970年，整个计划实施了12年。在整个计划实施过程中，根据当时科学技术发展情况，采用了不同的可靠性分析方法。1958年开始研制民兵Ⅰ，1963年开始研制民兵Ⅱ，1966年开始研制民兵Ⅲ。民兵Ⅰ采用的是分立器件，民兵Ⅱ的制导计算机是第1台集成电路计算机，两个型号的MTBF都达到10 000 h，创立了当时可靠性的新水平，不能不说是可靠性计划的功劳。
　　民兵Ⅰ采用的是大规模可靠性验证实验与失效率核实法（简称失效率法），这是早期的经典方法，主要是对元器件进行大规模的寿命试验，统计出元器件的失效率。而民兵Ⅱ的“元器件质量保证计划”属于另一种可靠性方法，简称“失效模式法”，这是一种成本低、效率高的系统摸底试验，它与工艺线上的纠正措施相配合，可以加速元器件可靠性的改进，取得了显著效果，但它的缺点是不能用来精确地估计元器件失效率。但是该计划对集成电路可靠性的发展产生了很大影响，美国“罗马空军发展中心”在1968年制定美国军用微电子学标准883时，就受到了该可靠性计划中指导思想的影响，特别是筛选部分，在883中得到了进一步发展。这是美国为集成电路制订的第1个军用标准，一直在军工产品中被广泛采用。
　　经过半个世纪的发展，可靠性技术在自身日臻完善的同时，也带动了维修性、测试性、安全性、保障性等技术的产生和发展，并向着更深、更广的方向发展。1980年美国国防部正式颁发了第1个可靠性及维修性指令5000.40《可靠性及维修性》，1985年美国空军实施了R／M 2000年行动计划，提出了到2000年可靠性及维修性水平提高一倍，电子设备的MTBF达到20 000 h的目标。美国已经把可靠性工程作为系统研制工程的重要组成部分，并强调可靠性和维修性与性能、费用、进度同等重要。集成电路的快速发展，把电子元器件可靠性工程推向了一个新阶段。
2.3　航天与军用电子元器件质量与可靠性由标准管理体系作保证
　　80年代之后，美国航天和军工业在组织、机构和政策上都发生了变化。为确保电子元器件可靠性发挥，提高系统战斗力的作用，首先，制定了一系列的电子元器件的军用技术标准，保证军用电子产品的质量与可靠性，并根据电子技术的发展而不断补充、完善。其次，抓好电子元器件选用，制定电子元器件优选目录，随着半导体制造工艺的成熟和提高，又开展合格供应厂点认证，保证了军用电子元器件选用的可靠性。第3，对于军用电子元器件的采购加强规范化的管理，保证采购质量。
　　欧空局虽然在标准体系上与美国有一些差别，但在军用电子元器件的管理上都有相似之处，都是通过制订采购、选用、筛选等一系列航天标准来保证电子元器件可靠性的。
　　加强统一管理，使电子元器件的可靠性工作系统化、制度化，是电子元器件可靠性工程的保证。
2.4　加强电子元器件可靠性技术的基础建设和研究
　　无论美国宇航局(NASA)还是欧空局(ESA)，都重视电子元器件可靠性技术的基础建设，如建立电子元器件可靠性试验室。这些试验室有很完善的试验手段，除了开展可靠性筛选工作外，还开展很多可靠性技术的基础研究工作。这些基础研究工作包括失效分析技术、可靠性评价技术、可靠性试验及统计技术等，使可靠性技术和理论满足航天发展的需要。
3　电子元器件可靠性在国内的研究情况
3.1　航天对电子元器件的可靠性非常重视
　　中国航天科技工业是靠中国人自己的力量发展和壮大的，在航天事业的创立过程中，为了提高电子元器件的可靠性，保证装机质量，制定了“七专”技术条件。随着改革开放和国内电子工业的发展，从1989年开始贯彻国军标，引进、制订了电子元器件的有关军用标准和规范，并通过贯标取得了显著成绩，尤其对运载火箭和导弹的发展起到了重要作用。
3.2　加强了电子元器件可靠性的管理
　　为了搞好电子元器件的可靠性工作，提高可靠性技术保障手段，加强了装机元器件的质量控制和技术保障，开展了可靠性筛选工作，同时还加强了下厂监制与验收、DPA和失效分析等工作，以确保装机电子元器件的可靠性。制定了一系列管理措施。这些管理措施对于提高产品质量和可靠性起到了重要作用，特别是加强了电子元器件的“五统一”管理。对于元器件的选用、采购、监制、验收、复验、补充筛选和失效分析7个关键环节采取了统一管理措施，并将其上升为行业管理标准，取得了显著效果，提高了装机电子元器件的可靠性，降低了装机后元器件的失效率，为保证发射成功做出了贡献。1998年底，长征系列火箭连续13次发射成功。
3.3　建立了航天电子元器件可靠性中心
　　为了加强航天电子元器件可靠性的技术保障能力，建立了元器件可靠性中心。作为电子元器件可靠性的技术依托单位，可靠性中心具备了基本的元器件可靠性筛选和试验的技术手段，不仅可以进行可靠性筛选，而且针对航天产品对电子元器件可靠性的要求，进行各种机械试验和环境试验。通过大量的筛选试验和DPA分析，可靠性中心积累了相当的试验数据和经验，建立了一支具有一定可靠性理论的技术队伍，这支队伍能够适应航天型号提出的可靠性的要求，利用现有技术手段开展深层次可靠性课题研究。
4　航天电子元器件可靠性技术研究面临的困难
4.1　电子元器件可靠性水平存在着差距
　　国产电子元器件在整体水平上落后于国外的产品。由于部分生产厂经济状况与质量下滑，产品质量的一致性、批量稳定性差，工艺设计也存在可靠性问题，如在出现的失效模式中有许多是属于低层次的质量问题。国产电子元器件的失效率与国外的产品存在较大的差距。因此，电子元器件的可靠性工作任重而道远。
4.2　电子元器件可靠性工程未纳入型号系统研制工程
　　电子元器件的可靠性控制点一般都放在装配之前，其主要工作是对电子元器件进行可靠性筛选和检测。这种工作程序使元器件可靠性工作陷入一种质量复查、堵塞漏洞、应急补救的恶性循环境地，而工作人员的主要精力都集中在处理DPA不合格、筛选淘汰率高和失效元器件等一些具体事务性工作上，没有集中在解决提高电子元器件可靠性这一核心问题上。
　　美国与欧空局都把可靠性工程作为系统研制的重要组成部分，与型号研制同步进行，就象民兵Ⅱ导弹那样，在研制初期就制定了“元器件质量保证计划”、“民兵可靠性计划”，对于初次采用的集成电路进行可靠性试验，取得显著成果，使系统可靠性有了很大提高。
　　在型号研制过程中，除了抓总体、各分系统和工艺这几个专业之外，电子元器件可靠性技术也应同步进行。电子元器件的可靠性控制点应前移，从源头抓起，即从设计选用、优选厂家、压缩品种、可靠性试验、提高质量等级抓起，使那些用代价换来的预防措施在源头就发挥作用，而不能总是处于补救措施状态。这样做，主要基于以下几个原因：第1，电路的集成度越来越高，其可靠性测试和试验需要一个开发过程。第2，系统采用的新技术都涉及一些新型电路，现有手段可能没有检测能力，例如精确制导技术和总线技术所用的电路。第3，应该能提供所用电子元器件的一些可靠性数据。正是基于以上原因，在型号系统研制初期，就应制订元器件可靠性保证计划，投入人力、物力开展新型器件的可靠性保障工作，在火箭生产、制造阶段才真正有技术手段来保证其可靠性。否则，可靠性保障是一句空话，没有谁能对系统所采用的新技术、新器件的可靠性负责。
4.3　对可靠性数据没有给予应有的重视和进一步开发
　　电子元器件可靠性分析与预计是建立在大量数据的研究分析基础上的。大量的电子元器件的使用和失效数据实施“五统一”管理之后，进行了大量的DPA分析和检测筛选。这些可靠性数据的积累和分析尽管是一个长期过程，需要投入人力和资金，但对可靠性工程产生的作用却是巨大的。国外非常重视可靠性数据的分析和使用，不但建立可靠性模型，而且将其应用于编制优选目录和进行科学的可靠性预计。
4.4　电子元器件储存可靠性技术与国外有较大差距
　　电子元器件储存寿命有多长，其储存失效率是多少，哪些环境因素对电子元器件有影响，而且影响方式是什么？这些问题还没有明确的结论，但是这些研究对航天产品和武器系统不仅有着非常重要的意义，而且对提高元器件固有可靠性水平也至关重要。
4.5　缺少一些重要的可靠性技术手段
　　可靠性试验是评价分析产品可靠性的必要手段，在研制阶段通过改进可靠性试验中暴露的问题而使产品达到预定的可靠性指标；在定型阶段通过可靠性试验可以全面考核产品的可靠性指标；而在稳定生产阶段通过可靠性试验可以验证了解质量的稳定程度。
　　另外，通过可靠性试验，了解电子元器件在不同环境和应力条件下的失效模式，分析失效原因，找出薄弱环节，采取相应措施，以达到提高电子元器件可靠性水平的目的。
　　美国有许多可靠性中心试验室替用户进行有关的可靠性试验，NASA也资助自己的可靠性试验室（如JPL）进行有关航天用电子元器件的可靠性试验和筛选。电子元器件特别是集成电路发展很快，其实验设备需不断投资才能与半导体技术的发展相适应。因此，应该重视电子元器件可靠性中心的建设，不断提高其可靠性实验能力和技术手段，使其能与电子元器件的发展水平和运载火箭的要求相适应。
5　应重视和加强航天用电子元器件的质量与可靠性技术研究
　　由于电子元器件的质量与可靠性一直是航天型号研制生产中突出的薄弱环节，必须加强元器件的可靠性研究工作。
　　a) 虽然进口元器件整体质量较高，但是，进口渠道和质量等级难以控制，特别是高等级电路还受到美国的禁运。从长远和实战的角度出发，为了保证在未来电子战中立于不败之地，还应以立足国内电子元器件为主。
　　b) 为了保证电子元器件的装机质量，首先要将电子元器件可靠性技术作为一个专业方向纳入型号研制计划，制定每个型号相应的“元器件可靠性保证计划”和“元器件质量保证计划”。这些计划由元器件可靠性中心负责研究、开发和实施。第2，开展与型号相关的元器件可靠性研究工作，包括固有可靠性、使用可靠性、贮存可靠性等内容，对于出现的质量问题要进行攻关，将可靠性控制点前移。第3，加强元器件可靠性中心的基础建设，不断完善技术手段，提高试验能力，更好发挥质量与可靠性的技术支撑作用。
　　c) 除了搞好元器件级的质量与可靠性工作之外，还应加强电子设备级的质量与可靠性工作，开展相应的检测与可靠性试验。美国在分析1998年至1999年连续6次失利的原因时，曾经指出，原因之一是设计问题而不是生产过程的问题；原因之二是新产品在研制过程中过分依赖计算机模拟和模型，减少对实际硬件测试造成的。由此可见，电子设备也应按照有关标准进行相应的产品化检验，彻底解决电子设备的抗干扰能力、单点失效、接地、安全性等可靠性问题，提高型号的整体质量与可靠性。
　　d) 在精确制导方面，也应发展中国自己的全球定位系统，不能依赖外国的技术。欧盟已经意识到这一问题的严重性，正在发展他们自己的全球定位系统，中国也应该这样做。
　　航天是一个系统工程，但是其基本组成只有三项：电子元器件、原材料和软件。随着电子化程度的提高，应借鉴国外的成功经验，搞好元器件的可靠性工作，在型号研制过程中，电子元器件可靠性工作应作为一个专业与总体、分系统和工艺同步进行，才能从根本上解决系统可靠性保障问题，使航天产品在研制、设计、生产、使用、维护等各个阶段都能做到全过程受控，才能提高型号产品的可靠性。
作者单位：(中国运载火箭技术研究院电子元器件可靠性检测中心)
参考文献
　1　 Borofsky.CQAP for microminiature electronic components for Min.Ⅱ. 3rd Sym. on Physics of Failure ,1964.
　2　 Nowak. Reliability of IC for Minuteman. Sym. on Reliability, 1966.
　3　 Hausrath. Cost improvement as a result of reliability efforts on Minuteman Ⅱ IC. Sym. on Reliability, 1967.
　4　张国友.火箭发射：风险从何而来.中国航天报.
　5　李晓东.奇妙的“芯片战“.中国青年报.
收稿日期：1999-01-20
