宇航用COTS器件质量保证要求-编制说明

1、宇航用 COTS 器件质量保证要求编制说明中国空间技术研究院2020 年4月1宇航用 COTS器件质量保证要求一、工作简况（包括任务来源、协作单位、主要工作过程、国家标准主要起草人及其所做的工作等）1.1任务来源根据国标委发 201929号文件国家标准化管理委员会关于下达2019 年第三批推荐性国家标准计划的通知要求，由中国空间技术研究院（以下简称“航天五院”）负责开展国家标准宇航用 COTS器件质量保证要求的制定工作，项目计划号为20201647-T-469，项目周期为 2 年。1.2各阶段工作过程2020 年 X 月 XX 日收到国标委下达的标准编制计划。组织成立编制组， 开展标准编制工作

2、， 先后调研和查阅了相关标准和资料，于 2020年 4 月完成初稿。二、国家标准编制原则和确定国家标准主要内容（如技术指标、参数、公式、性能要求、试验方法、检验规则等）的论据2.1编制原则2.1.1统一性：各类管理和技术标准规范中的内容与本规范内容要求一致。2.1.2先进性：在充分借鉴同类基础规范的基础上，充分考虑到国内元器件标准的特点，制定了本规范的内容和框架，具体内容充分参考了新编制完成的各类标准规范。可操作性：规范的内容在型号用元器件质量保证工程任务中已经被广泛使用，可操作性强。2.2标准的主要内容确定的依据调研情况国内外宇航用 COTS 器件质量保证技术发展随着航天技术和产业的快速发展

3、， 特别是科学探测、 遥感测绘、通讯转播、减灾救灾、新技术验证等民用、 商业航天项目越来越多， 单机的高性能、 低成本和短周期设计成为必然趋势，各国均已经以不同的形式成功应用了大量的商用器件， 并开展了相关选用、 质量保证技术研究，1、美国研究现状以 NASA 为代表的美国在对商用器件应用的尝试，一致走在世界前列。表1 是其下2属的 GSFC 和 MSFC 对 COTS 器件的应用策略。表 1 NASA 下属机构对COTS 器件应用策略机构COTS 应用策略器件在使用上将质量等级分为3 级，不同的器件具有不同的特性和应用戈达德空间飞环境。倘若对特定应用的器件在热、力学、辐射方面进行彻底的评估后

4、，行中心（ GSFC） 确认其可以满足任务需求的情况下，NASA 哥达德航天中心允许在航天器中使用 COTS 器件。MSFC 在使用上将器件分为4 个级别， 不同等级对器件具有不同的可靠马歇尔空间飞性要求。 MSFC-STD-3012A明确了在 4 级器件中包含 COTS 器件，在没有弃权声明书的情况下禁止在应用等级为1 级的条件下选用 COTS 器行中心（ MSFC）件。并且在附件中规定了不同等级下COTS 器件的选择、 筛选、鉴定和降额要求。近年来， NASA NEPP 一直致力于商用器件宇航应用方法及寻找合适的宇航应用器件的研究工作， 研究范围包含汽车电子、 手机等各行业领域的先进器件，

5、 同时也在致力于新实验方法、 使用指南的研究。 2017 年 6 月，NASA NEPP 电子技术年会中一个重要议题就是研究使用 非军用或 非宇航 级元器件 的风险（ Risk Mitigation Using Non-Military or Non-Space Grade Products），但其具体内容没有公开发布。 受限于经费限制， 研究集中于：混合信号器件、功率器件、光学器件、传感器、嵌入式FPGA 等方面。2014 起，Navy Crane、AFSMC 两家机构合作开展了汽车电子元器件用于宇航的可靠性评价，其评价采用： 1）采购样品，按照厂家承诺性能和参数进行评价；2）进行老炼和寿命

6、试验评价可靠性。其评价结果将有助于汽车级器件的宇航应用。美国 政府电子 和信息技术联合会发布 的GEIA-STD-0002 （ Aerospace QualifiedElectronic Component(AQEC) Requirements）中， GEIA-STD-0002-1 内容是关于AQEC对 COTS 器件最低保证要求，质量保证的主要试验技术要求执行美国汽车电子行业标准AEC-Q100（集成电路） 和 AEC-Q101（半导体器件）。经过保证的 COTS 器件使用寿命目标至少 5 年（首选 10 年）。SAE 在 2015 年发布的 ANSI/GEIA 933-BCOTS 生产线管

7、理要求中指出，尽管先进商用器件有一整套质量管理体制，但仍有不受控制的因素存在。 根据商用器件的特点建立了生产线管理要求，包含环境应力、降额、老化、可靠性、鉴定、技术状态控制、假货避免、停产管理等16 个方面的，作为工厂原有质量体系的重要补充。需要考虑的因素包含：生产厂生产线情况、 宇航机构认证情况、 生产制造水平、 主要产品系列、 国外高可靠领域使用情况和产品数据公开性等；历史供货情况； 持续供货能力等； 建立制造商质量评定、 COTS 元器件供应商名录、元器件选用目录等。3Space X认为采用 AQEC 的 ANSI/GEIA-STD-0002-1 标准或汽车电子协会元器件技术委员会（ A

8、EC）的 AEC-Q100 标准进行质量保证的商用器件，与美军标MIL-PRF-38535的质量保证过程非常相似， 能够满足其具体航天任务的高可靠性要求，因此优先选用该等级的产品。 另外，Space X通过选择适当的器件和制造商，按照专用、 成批次采购的模式，解决器件性能一致性和可信性问题，确保商用塑封器件的整体质量水平稳定可靠。2、欧洲研究现状ECSS-Q-ST-60C 结合元器件应用环境分为了三个不同的等级。项目管理者需要根据工程的目标及其技术要求、 预算、允许风险和进度等方面的综合因素来决定合理使用一种或几种等级的元器件。标准给出的质量保证要求包含：a 元器件项目管理b 元器件选用、评估

9、和批准c 采购d 操作和贮存e 元器件质量保证f 专用元器件g 文件要求。德国航天航空中心（ DLR）2003 年发布了 DLR-RF-PS-006商用 EEE 元器件空间应用通用要求（ General Requirement for the Use of Commercial EEE Parts in SpaceApplications），明确了商用器件的空间应用可行性和需要采取的质量保证要求。德国宇航局制定了相应的COTS 器件标准， DLR-RF-PS-004 规定了商用器件的风险分析。对于COTS 器件供应商的选择，德国宇航局也有明确的要求，制定了对COTS 器件供应商的评价关键要素。

10、3、国内研究现状国内关于商用器件空间应用的研究起步较晚，但是由于面临航天电子系统的技术指标提升迫切需求和国外元器件新技术严格禁运的严峻形势，以及降低航天产品成本、 加快航天器研制进度的需求， 商用器件空间应用的意义重大。近年来，航天五院、 航天八院、中科院、中电集团等多家院所和部分高校都对商用器件的可靠性和空间应用的质量保证要求进行了大量研究。国内宇航型号对商用半导体器件的选用主要分为两种情况。（1）型号中使用的一些高4性能高技术指标的先进器件国内外市场上无军品供货，只能选择工业级或商业级民用器件。如空间站用千兆 、万兆以太网光 收发一体组件 中选用的半导体 激光器驱动芯片GN1157，其传输

11、速率可达 11.3Gb/s；以及 Everspin 公司生产的工业级 toggle MRAM ，目前也大量应用于宇航。 此类器件亦需根据其特殊的工作原理、 生产制造工艺及可靠性隐患制定针对性的升级筛选方案进行筛选， 从而保证其可靠性。（ 2）在商业航天快速发展的大背景下，低成本卫星将 COTS 大量应用于小卫星、微小卫星等低成本宇航型号。QJA 104-2013航天用进口元器件选择控制要求将 COTS 器件归于低等级元器件，给出了论证、 评估、批准、质量保证的管理要求， 元器件质量保证技术机构依据质量保证方案对低等级进口元器件开展升级试验、筛选等质量保证工作。航天五院制定了院标 低于规定等级元

12、器件质量保证要求 ，具有 30 多年宇航元器件质量保证经验， 含东三、东四平台、 遥感平台、载人航天等多个国家重点高难度宇航型号的元器件质量保证工作。 大量商用器件在轨均无失效。 在十二五、 十三五期间， 完成了大量商用器件、低成本航天器相关国家级预研工作。与德国TESAT、俄罗斯 IRZ 公司分别建立了联合试验室，在COTS 器件保证方面与国外先进试验室接轨。产品保证的基本内容调研的货架产品保证的相关标准，可以借鉴用于编制宇航用COTS 器件质量保证要求。ISO 21350，Space systems - Off-the-shelf item utilization 指出空间项目经常面临使用

13、COTS，这些项目能够缩短周期，更快的引进新技术和降低采购成本。货架产品项目的使用与传统的管理和工程实践不同，在理解相关风险的基础上， 系统构建保证要求。 内容主要包含：设计评价、宇航环境分析、技术状态控制、接收试验、保障要求等。尽管这个标准明确指出了不包含元器件，它的思想仍值得我们借鉴。JEDEC JESD31D.01， General Requirements for Distributors of Commercial and MilitarySemiconductor Devices，面向的对象是商业和军用器件分销商，为建立了库存、增值及加工、重新包装半导体器件及芯片提供了要求。针对商

14、用器件分销销商， 具体要求包含以下几个方面： 分销商质量体系、 文件及状态管理、 包含测试和筛选的增值过程控制、质量记录及可追溯性、库存及不合格品控制、产品退货、计量校准、假货识别及风险控制等。GB/T25000.51-2010/ISO/IEC25051： 2006 软件工程软件 产品质量 要求与 评价(SQuaRE) 商业现货 (COTS)软件产品的质量要求和测试细则针对 COTS 软件产品，这种5软件产品与其用户文档集一起预先包装好出售。包装中提供出的信息常常是制造商或营销组织能与用户交流的唯一手段。由于COTS 软件产品可能要在各种环境中运行，并且用户是在没有机会与类似产品作性能比较就作

15、出选择，供方需要一种方式以确保COTS 软件产品给予用户服务信用。 一些供方可能选择第三方的评价或认证，以协助其提供这种信用。此外，当用户要求确保避免业务或安全攸关的风险时，这种保证可能需要由用户在采购后选用特定的技术来处置，包含：COTS 软件产品的要求、测试文档集要求、符合性评价细则。标准编制过程的主要考虑结合上述调研情况，分析本规范编制过程的主要考虑以下内容。概念和内涵本标准中缩略语 “COTS”用作形容词， 指“商业现货的”。国内外相关标准中对COTS相关的概念和定义如下表。基本是一致的，结合我国宇航用 COTS 器件的特点，定义为采用商用成熟技术，可不按军用或宇航标准设计和制造的、

16、不受政府采购限制的现货器件。名词CommercialOff-The-Shelf(OTS)HardwareCommercial Components表 2 常见国内外标准中COTS 相关定义来源定义（原文）A classification for an assembly, part, or design for which the item manufacturer or vendor establishes performance and quality standards pursuant toNASA-STD-8739.10market forces rather than by enfo

17、rceable compliance to a government or industry standard.MSFC-STD-3012Assembly, part, or design that is readily available for procurement, usually to catalog specifications, without the necessity of generating detail procurement specifications for the item.ECSS-Q-ST-60CPart neither designed, nor manu

18、factured with reference to military or space standards.ECSS-Q-60-13C定义内容对于组件、元器件、设计，由生产厂或者供方根据市场建立的质量和性能控制标准，而不是由政府或者工业标准控制。对于组件、元器件、设计，随时可供采购，通常采用目录规范，而没有必要为该项目建立细化的采购规范。设计、生产不参考军用和宇航标准的元器件off-the-shelf（ OTS）COTSassemblyexistingitem whichhas been developed foraISO 21350specific application and is i

19、ntended to be used in another application.An assembly developed by a supplier for multiplecustomers,whosedesignandconfigurationisEIA-933Bcontrolled by the supplier ors an indust ry specification.为某一具体应用开发的已存在项目用于其他的应用。由供方为多个客户开发的生产线，其设计和状态由供方或行业规范控制。COTS 软件产品GB/T25000.51 2010由市场驱动的需要而定义的、通过商业方式提供的、其

20、适用性已经得到各类商业/ISO/IEC25051:2006用户证实的商业现货软件。6SAE EIA-933 从宇航、军用设备用户角度，认为商用生产线的设计、内部元器件、材料、状态控制、鉴定方法有两种可能性， 一是受到用户的部分控制和影响， 供应商对用户反馈非常敏感， 并愿意根据反馈做出更改。 然而，这种反应只是一般的， 除非供应商认为它对产品的市场表现有利， 否则不太可能做出具体的改变。 二是用户不太可能获得公布的datasheet以外的任何资料；此外， datasheet和其它重要信息可以不经通知而更改。因此，对宇航用户来讲，COTS 器件质量保证关注的重点是：1 审查和理解所有已接收的 C

21、OTS 元器件的设计、内部元器件、材料、状态控制、鉴定方法，以及它们系统应用相关的能力；2 识别存在的风险；3 采用额外的行动降低 COTS 器件的性能与可靠性相关的风险。主要框架按照 GB/T 1.1 2009 的规则建立本标准的基本框架；（ 1）总的篇章结构遵循范围、引用文件、定义、一般要求、关键项目具体要求、附录（示例）的编写规律；（ 2）一般要求中要对 COTS 器件质量保证工作的共性要求进行说明， 包括保证的方法、项目和要求，器件防护，失效分析，信息及数据库管理等；（3）关键项目具体要求中要对 COTS 器件质量保证工作开展的项目、涉及到的关键技术方法等进行说明和示例。主要技术内容的

22、说明本标准的主要技术内容是COTS 器件质量保证工作关键项目具体要求。针对不同的应用场合， NASA NASA-STD-8739.10 、EEE-INST-002、MSFC-STD-3012指南将元器件分为不同的应用等级，并给出了不同等级元器件建议的应用任务周期，见表3。ECSS-Q-ST-60 给出了 3 个保证等级， 针对不同的等级， 从元器件控制大纲开始， 对涉及元器件的整个过程给出了要求。虽然NASA 、 ECSS 给出了不同应用等级对应的典型任务周期，但是仅是根据项目的风险进行了定性的判断，没有建立定量的对应关系。 而实际工作中，寿命并不是表征任务风险的唯一指征，需要进行任务需求分析

23、针对性判断。因此，本标准在分析器件的基础信息与任务需求差异的基础上制定质量保证方案。也可考虑针对寿命、轨道等宇航任务特征按照风险等级分级制定通用质量保证方案。表 3 NASA 元器件应用等级与保证要求应用等级任务要求应开展的保证工作7应用等级1 级2 级3 级项目评估文档筛选批接收试验任务要求应开展的保证工作要求最高可靠性和最低风险的任务。应对其抗辐射能力进行审查，如果得不到有关这1 级应用等级项目的典型的任务周方面的信息，则需要对其进行抗辐射能力评估试期为 5 年或更长。验。按照最高要求进行筛选、鉴定。将风险降低到低到中等水平的任务。应对其抗辐射能力进行审查，如果得不到有关这项目的典型的任务

24、周期为1到5年。方面的信息，则需要对其进行抗辐射能力评估试验。按照 2 级要求进行筛选、鉴定。主要用在可以使用具有较高风险的应对其抗辐射能力进行审查，如果得不到有关这元器件的任务场合中。 典型的任务周方面的信息，则需要对其进行抗辐射能力评估试期为1到2年。验。按照 3 级要求进行筛选、鉴定。表 4 欧洲低等级半导体器件的保证要求不同等级的保证要求区别1 级2 级3 级结构分析；结构分析；结构分析；表征试验；表征试验；抗辐射能力HAST 试验；HAST 试验；评估。2000h， 125高温寿命试验；2000 小时， 125高温寿命试验；500 次温度循环；500 次温度循环；抗辐射能力评估。抗辐

25、射能力评估。生产厂相关数据；可根据需求简化。可根据需求评估试验；简化。采购过程相关文件；批接收试验数据；抗辐射能力评估、 RVT 。温度循环；可根据需求简化。可根据需求初始电参数测试；简化。PIND （适用时）；老炼试验；三温电参数测试；PDA 控制；密封性检查（适用时）。结构分析；结构分析；可根据需求HAST 试验；HAST 试验；简化。2000h、 125高温寿命试验；2000 小时、 125高温寿命试验；500 次温度循环；500 次温度循环；RVT 。RVT 。质量保证方案和试验分析工作项目参照NASA EEE-INST-002 和 ECSS-Q-ST-60-13 标准进行完善，提出了

26、编制针对性质量保证方案过程中需要考虑的问题，质量保证试验工作项目的原则和具体指南内容。8三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果3.1 验证分析情况本标准中的需求分析和试验分析方法采用相关单位长期应用累积数据进行了验证， 并在验证数据基础上对其进行分析和优化，采用的 COTS 器件已有大量具有成功飞行经历，进一步证实了流程、方法的有效性。3.2 可实施性分析质量保证过程从了解器件状态、 应用背景信息入手， 通过编制方案，确定了试验程序、试验方法和要求，并获得了大量试验数据和应用数据，指导COTS 器件在宇航型号中成功应用，证明具体实施过程可操作性强。四、采用国际标准及国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况根据目前调研结果，国内目前没有宇航用COTS 器件质量保证方面的标准、规范。本规范综合了各宇航型号中1000 余例 /年的 COTS 器件质量保证工程实践经验， 在具体实施流程、试验分析方法方面