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8月5日公众号指出空间应用进入2.0时代，从“不惜一切代价来保障可靠性”转变为“满足性能要求的同时尽可能降低成本”（详情见此），那么将商用现货（COTS）引入宇航应用是否可以？听听以色列航天企业（IAI）公司自身电子元器件工程师Dan Friedlander的看法。 Dan于1965～1969年就读以色列特拉维夫大学物理学，随后在IAI公司供职44年，负责军事和宇航领域用电气、电子和机电（EEE）元器件的各方面，包括企业内部的政策制定和标准化、授予使用许可等。2013年退休后承担顾问一职。 数十年来，军用/宇航EEE元器件已被证实适用于军事和宇航应用。NASA的安全和任务保障办公室（OSMA）为其EEE元器件项目下的项目和计划评估新的可用和先进电子元器件，传统美军标是通过测试已生产出的元器件成品来避免风险。但是，随着全球化研发和预算收紧的因素，军用/宇航EEE的可靠供应受到影响，需要找到替代性解决方案。 替代方案是1994年由美国国防部部长威廉·佩里宣布的“商用现货”指令，即除了宇航应用外，可在军事应用中使用商用现货。COTS已成功在军事应用中使用了二十余年，证实上述改变是可行的。 在只使用COTS的情况下，很多宇航应用需求可以得到满足。对于政策制定者而言，现在正是就“COTS应用于宇航领域”达成一致的好时机（这个时间宜早不宜迟）。政策的改变对于宇航产业非常重要。这篇文章将针对需要解决的不同问题给出建议，以满足宇航领域使用COTS而出现的技术、质量保障、成本要求。在这篇文章中的“COTS指的是商用EEE元器件，包括塑料封装的有源器件。 美国国防部威廉·佩里在1994年发布的指令正式开启了军事领域用元器件从“军用EEE”转向“商用EEE器件或COTS”的变化。COTS在宇航领域的应用被排除在指令之外，但是现有的变化也在驱动着宇航领域使用COTS，如器件可靠性。 军用标准（MIL-SPEC）：避免风险、器件测试、小批量生产 COTS：风险管理：即使采用最严苛的措施也无法变为零， 统计性过程控制（SPC）、通过工艺将可靠性内嵌与器件中 大批量生产：带来高可靠性 质量和可靠性是需要理解的两个不同术语：质量是使用之初的性能要求。可靠性是器件在最恶劣条件下长时间工作仍能满足相关性能要求的可能性。可靠性是质量随时间的变化，即，质量是寿命周期起点时性能的快照，可靠性是性能随着时间变化的视频。 在分清了上述质量和可靠性的区别，以及明白可靠性无法仅由器件自身测得的基础上，即可以明白资格认证和筛选并不能因此就被认为可替代对制造过程的控制，但是可以减少风险。因此，解决可靠性问题的方式是通过统计性过程控制（SPC），该过程可将可靠性置于元器件内部。详细说明如下： 术语“高可靠性”或“高可靠”（hi-fel）只用于宇航/军事器件。但如果因此就得出结论——“所有的COTS都是非高可靠的”，则是错误的。 数十年来，预测可靠性的首要文档是MIL-HDBK-217，该手册在电子设备可靠性预测上系统性地抑制了非军用器件在军事领域的应用。尽管上述文档的广泛应用，在1994年威廉佩里的指令后，它被宣布是不可靠的；1996年2月15日，美国陆军研究、发展和采购副部长Gilbert Decker表示：“实际上，MIL-HDBK-217‘电子设备可靠性预测’并未出现在任何提案征集（RFP）中，因为它已显示出不可靠，以及它的使用会导致错误和可靠性预测错误。” 需要指出的是，可靠性预测模型是基于阿列纽斯（Arrhenius）等式，这是一个有关反应速率的温度依赖等级，只考虑一个应力。多位专家都表示，已有大量证据证实，带有由高温加速应力测试决定的激活能的Arrhenius等式的直接应用，并不是处理该类事情的正确方法。 术语“宇航级认证”需要完全了解依赖以避免误用。该定义是：满足与其使用环境相关的规范的宇航系统、子系统和电子元器件。例如，通常将MIL-SPEC质量等级中的“S”级称为“宇航级”。质量等级“S”级是军标最高质量等级，但并不应该自动翻译为“S”等于宇航级。“S”等级，在特定器件规格中没有满足宇航系统所需要的特定抗辐射加固保障（RHA），在这些器件规格中全部或部分忽略了宇宙中的抗辐射要求。宇航应用的完整需求包括：抗辐射、放气、真空、微重力和原子氧。 COTS已在军事领域用了二十余年，证实COTS对于宇航任务而言非常可靠。除了辐射外，军事任务所面临的条件经常比宇航任务所面临的更严格，任务持续时间也通常比宇航任务长。在宇航领域中，合理地选择COTS（包括非密封器件）能够满足应用需求。为推进COTS在宇航领域的大量应用，应在风险管理思路下对已根植于宇航领域的需求进行重新审视，以节约时间和金钱。 COTS在军事领域的正式使用已超过20余年，但并没有为市场带来实质性变化。军用和宇航质量等级的EEE器件总价在EEE全球市场的比重不超过0.5%。没有人能够阻止制造商离开一个被认为是没有利润的市场。未来军事和宇航用EEE器件的供应必须得到保证，但商业决定要比任何EEE器件政策来得有力。 密封封装的重要性毋庸置疑。在早些年（从20世纪60年代）遇到的有关非密封塑料半导体出现的问题，导致军事和宇航器件政策制定者禁止其应用于军事和宇航领域。但当时塑料器件的“密封性”与今日塑料密封器件的密封性不可同日而语，而且密封性的要求应该是够用就好，而非“最好”。 宇航应用所需COTS存在高额的一次性工程（NRE）费用，主要是采购后测试，而这些测试需要来源于那些传统器件惯常进行的测试。 用户需找到评估器件抗总离子剂量（TID）能力的方法，并进行评估。包括以下需要重新审视的问题： 辐射设计阈值（RDM） RDM需求提供了一个系统级方法来管理任务风险，该任务风险由辐射模型和硬件辐射敏感性中的不确定性导致。RDM将依据传统对批次间的差异进行审视。但现在，得益于更好的工艺控制和改进，过去和现在批次间的差异已显著不同。重新审视可能减少所需RDM，使更多COTS能够进入宇航应用。 批次性TID测试需求 从改进的工艺控制和大批量统计的可行性角度看，批次到批次和批次内的差异需要重新审视。从抗辐射测试这一角度看，军用级质量器件和COTS有同样的缺乏芯片可追溯性的问题。宇航应用在由来已久的军用级器件缺少可追溯性上闭一只眼，但是却因为同样的可追溯性问题就禁止COTS进入宇航应用。 器件的TID阈值等级 器件的抗TID能力等级通过抗辐射测试建立，并在器件首次超出规格时进行定义。更高层次的实现被称为设计器件的TID耐受能力等级。设计“最恶劣情况分析”（WCA）应该证实上述措施。重新审视上述广泛使用的措施可能将带来新的方法，使得引入相关TID弱COTS在宇航应用变得容易。在另一方面，它可能带来结论，当运行在标准之外，风险就太高了。 EEE器件防护 使用更有效的防护材料降低可预测任务TID等级。因此，所需器件TID阈值减少，更多器件适合于宇航应用（从TID这点看），比如铝更好的材料（如钽），更有效的防护技术（如多层防护），正处研究阶段的有源防护（如磁）。 单粒子事件（SEL）具有破坏性。减少手段包括设置闩锁保护电路来快速断开受损电路。要实现该墓地，需要通过SEL测试知道闩锁电流。SEL测试是在重离子加速器中进行，意味着高成本和长时间。为了减少成本和时间，以下的问题需要重新审视。 SEL测试方法 重新审视传统方法VS其他能够削减成本和节省时间的方法。其他值得考虑的SEL测试方法是更廉价的脉冲激光SEL（和其他SEE）测试，已被证实是有效的。通过这种方法，脉冲激光源在位映射、减少多比特翻转（MBU）中扮演重要角色。另一个已知的SEL测试方法是锎252。 SEL速率预测 基于对比器件可靠性数值，也可用于评估有效性。如果SEL可能性少于相关可靠性数值的1/10,该器件就可能用于飞行器中。 为了帮助复杂、困难的COTS评估，强烈需要相关器件技术/工艺基础数据知识。以下信息是需要的：技术、工艺、代工厂、芯片修正。宇航产业中的联盟能够在避免重复测试上持续性发挥作用。 DPA聚焦于工艺相关问题，不是一个可去除的采购后活动。但这样说，并不意味着DPA测试深度不需要进行重新审视和优化。 “升级筛选”意味着在给定宇航应用中的器件使用增加信任等级。升级筛选传统上是做到100%，但是也可通过采样筛选来达到目标。采样测试背后的原因是对将用于飞行器的器件的任何处理都将损害它们自身，采样后的这些器件不能再用于飞行中。有必要对NASA在官方文档PEM-INST-001中给出的警告给予特别强调：“已有大量数据显示，对器件不合理的处置和测试能够引入比筛出淘汰的那些器件更多的缺陷”。 需要重新审视传统采购后器件需进行100%升级筛选的要求。MIL-STD-883，方法105，老炼筛选，表述到“进行老炼的目的是减少边缘器件，是那些带有内部缺陷，或者有制造偏差导致的缺陷，表现为依赖时间或压力的失效。如果没有老炼测试，这些有缺陷的器件预计将会在使用条件下出现初期或早期失效。”可靠性是没有办法通过升级筛选来解决。 COTS器件在恶劣环境军事领域的延伸设计、制造和操作性使用，为宇航应用带来成功经验。而且随着技术进步和器件功能集成度的增加，电子采购后测试变得越来越困难，低效和成本高昂。 COTS器件在军事领域中的成功使用（非常长寿命的情况也是适用的）很好地支持COTS器件在宇航领域的使用。NASA PEM-INST-001描述道：“对于所有PEM，通过飞行历史或类似的质量认证方式都是不可接受的”。这不可理解，为什么NASA仍然沿袭传统思维，对所有PEM施加了如此通用限制。质量认证和可靠性监控在各类器件制造商中都以最佳方式进行了。如上面看到的，每一件事情开始和结束在芯片的制造工艺中。制造缺陷可能引发失效。现有COTS是在一个统计性过程控制的大批量制造管理体制中进行制造。这个结果是能持续带来更好的器件输出质量。 通常，宇航领域的大多数企业没有独立管理EEE器件采购所需的所有技术和基础设施。优先做法是将这些活动外包给专业公司，被称为中央器件采购局（CCPA）。COTS的采购可遵循宇航器件的采购做法。这些相关活动的中央化对于COTS有益，能减少重复的NRE费用。 1 1994年佩里的行动逆转了军事领域用EEE器件的选择优先性：第一优先级是使用COTS。焦点变为将过程控制作为器件可靠性的基础。1994年至今COTS在军事领域的应用已被证实是成功的。 2 3 军事/宇航市场的寿命是有限和不可预测的。 4 现有方法的有效性是基于EEE器件的可用性，受商业决策驱动。因此并不是一个安全的解决方案。 5 需要建立一个实用性的宇航COTS选择方法，并获得官方认可，该方法需要基于过程控制的概念而非100%器件测试。 6 一个强烈的技术方面需求是使用带有先进技术的复杂器件，可用只有的COTS。另一个强烈需求是减少成本和投入使用前所需时间。 7 在阻碍宇航领域使用经过筛选的COTS器件方面，没有不可解决的技术问题。 1 绝对的可靠性数值不应该明确作为必须满足的要求，可靠性预测模型应充分理解并保证不被误用。02 EEE器件的可用性保障应该被认为具有高优先级，以及是选择过程中的重要参数。需要一个新的方法来更好地保障器件的可用性。03 COTS后采购测试应该被优化，减少不增加价值的活动。 4 现有的方法需要重新审视优化和适应现实。05 建立共享的器件抗辐射能力数据库，以此避免重复的测试。 6 聚焦于减少器件类型和合并订单。 现在是政策制定者达到一个共识的好时间，应在宇航领域中采取一个真正的COTS政策。没有技术问题阻碍在宇航领域使用经选择的COTS。拒绝变化是需要克服的主要障碍。 一种观念，当他的时代已经来临时，它要比全世界所有的军队更为强悍。”——法国文豪雨果。 成功没有电梯，你需要一步一个脚印的楼梯。 |
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