宇航用元器件结构分析通用指南-编制说明

1、宇航用元器件结构分析通用指南编制说明中国空间技术研究院2019 年 12 月1宇航用元器件结构分析通用指南一、工作简况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元器件结构分析通用指南的制定工作，项目计划号为20193227-T-469，项目周期为 2 年。1.2各阶段工作过程年 4 月开始了标准的立项论证工作，2019 年 10 月 30 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， 先后调研和查阅了相关标准和资料，于 2

2、019年 12 月完成初稿。编制组成员分工如下：王 旭，主要技术内容的研究、结构分析试验方法和判据的研究龚 欣，结构分析方法和流程的研究孟 猛，标准主体框架设计张海明，标准研究思路及标准化设计王 彤，标准研究思路设计张延伟，结构分析技术规划及研究年 1 月 3 日，同过部内初审的标准初稿提交分标委， 1 月 15 日接到分标委反馈，对标准的格式及组成等提出修改意见， 编制组按要求对标准初稿进行了修改， 再次进行了部内讨论，并根据部内讨论意见于2 月 28 日完成了修改。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编制原则统一

3、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。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的结构分析工程任务中已经被广泛使用，可操作性强。22.2 标准的主要内容确定的依据调研情况国内外结构分析技术发展通常，在工业界“结构分析” 一般是指利用有限元分析方法，借助 ANSYS 、ABAQUS软件对机构和部件的几何分布、应力分布、强度等方面的性能进行分析。因此，这种结构分析可以认为是主要针对产品机械特性进行的分析，一般在机械、 机电领域使用。 本课题

4、所研究的“结构分析”中的结构是包含了元器件的设计、 工艺和材料选用等多方面的内容。需要指明的是，对于元器件电学性能方面的分析和评价不作为结构分析的内容。ESCC-Q-ST-60C中对元器件的结构分析给出的说明是： “结构分析的主要目标是对元器件满足评价要求和相关项目运行要求的能力作出早期判断，结构分析应包括破坏性和非破坏性检验、分析和试验，其目标为查明：a) 设计和结构工艺；b) 所用材料；c) 固有可靠性状况；d) 工艺质量；e) 潜在危险。国外的结构分析工作最早是在90 年代初开展的，并且早期较多的是针对半导体器件开展，大多为一些元器件工程服务机构针对具体器件进行的结构分析工作，如美国IC

5、E（ Integrated Circuit Engineering）公司曾在 1995 年针对 Actel 公司的 A1440 型 FPGA 进行了结构分析工作； 美国 NASA 的 JPL 曾经对 Intel DA28F016SV 型塑封 16Mb Flash 存储器开展了宇航应用适应性的结构分析工作，结合分析结果给出了应用的建议。随着对于结构分析重要性的认识不断提高，以及实践经验的不断积累， 一些元器件保证单位进行了一定程度上的归纳总结，如：德国TESAT 公司的元器件工程部将不同类别元器件结构分析过程中应当实施的试验项目进行了总结，制定出了选项表格， 指导其开展了大量结构分析工作。 欧空

6、局 ECSS 标准体系的 EEE 元器件保证要求（ECSS-Q-60B）中，也已经明确将结构分析作为元器件评价试验的一项要求。美军标MIL-STD-1580C 草稿版（正式版还未发布） 在最末尾提出了结构分析的概念， 花费一页的篇幅提出了对新型元器件要进行结构分析的要求。 但以上三个标准均未涉及给出结构分析的具体技术细节。 从调研的信息来看，美国和欧洲均还没有建立标准或指南性质的宇航用元器件结构分析指导性3文件，目前还均处于依靠质量保证机构或元器件工程服务机构的个性化方法和经验在开展。2003 年，航天五院电子元器件可靠性中心对结构分析（CA）的概念进行了研究，并对 CA 的作用、与 DPA

7、的关系、与 FA 的关系、CA 的一般方法等方面的问题进行了探讨。 2006 年以来，航天五院电子元器件可靠性中心对航天型号用新研或新选元器件开展结构分析工作，积累了大量的工程实践经验。CA 对元器件的使用方和制造方都有很大作用：系统设计者借助于CA 可以减少系统失效的风险和提高设计的可靠性。 通过 CA 可以衡量和比较用于系统的元器件的质量和可靠性；通过发现潜在的失效机制， 可以帮助用户避免使用存在隐患的元器件，避免由于元器件的固有可靠性问题导致的整机失效带来的经济和进度上的损失；制造商可以通过CA来监控其生产工艺， 从而能在生产中找到能引起元器件潜在失效的部位和工艺，并通过改进工艺提高产品

8、质量。CA 和 DPA 既有共同点也有不同点，相同点是CA 和 DPA 都是评估元器件可靠性的方法，都是破坏性的，都要抽样进行。两者的不同点是：DPA 是对元器件与已知的设计、工艺的符合性和一致性的检查，而CA 一般是探索性的分析，是对元器件在某种范围内的适应性进行的分析，工作内容比 DPA要广泛，包含的可靠性信息量更多更全面；CA 一般是没有标准的， 对不同的元器件一般要考虑分析的目的和元器件的特点来制定特定的分析方案，而 DPA 有现成的标准；对一个新型元器件一般是先进行CA ，而后在此基础上逐步形成DPA 标准。国内对于元器件结构分析的研究起步稍晚于国外，但已经开展了大量的工程实践工作。

9、目前在航天五院型号选用的新型元器件和目录外元器件的考核认定工作中，结构分析是在考核认定试验项目开始前先行开展的必做项目；在航天五院的CAST 采购规范中结构分析也是体现产品过程控制要求的要素之一； 核心器件国家重大专项中， 结构分析是对核心器件开展的器件级评价、 应用验证等工作的重要一环。 综合分析以往已经开展的研究和技术工作，可以看到针对结构分析技术的研究还不具有系统性， 当前更多的是面向具体的元器件以及具体的工程任务需求而开展的结构分析工程工作； 另外，以往开展的结构分析工作大多是针对常规元器件进行的， 针对核心电子器件（包括固态微波器件、光电探测器件、高速运算器件等多种类别） 开展的结构

10、分析工作少之又少， 相应的结构分析方法尚不掌握。近年来，随着结构分析工程实践的深入开展，对典型类型元器件的结构分析方法进行4归纳、研究，形成具有一定普适性、 指导性的指南，从而进一步指导同类别元器件结构分析工作开展的需求逐渐凸现， 对可操作性强、流程清晰明确的结构分析指导性规范的需求逐渐突出，工程化需求的牵引也要求分析单位改变以往对每一批次元器件的结构分析均从零开始的状况。核心电子器件方向“十一五” （2008-2010 年）阶段实施计划任务表中课题编号2009ZX01025-001，任务名称 “宇航用元器件评价与检测技术” ，航天科技集团公司承担了应用验证总体技术和基础技术研究，其中设立了专

11、项子课题 “宇航用元器件结构分析技术研究”。通过研究，已经掌握了开展宇航用元器件结构分析的工作流程和技术流程，确定了宇航用元器件结构分析实施过程中的关键技术和方法，为具体器件的结构分析提供了技术支撑。指南性质标准规范的基本框架内容为了确定元器件结构分析指南的基本框架， 首先对国家军用标准、 航天行业标准中典型的指南性质的标准规范进行了研究， 这些指南的主要内容与结构分析相似， 均属于可靠性评价、评估领域范畴，因此具有较高的参考价值。（1）GJB/Z89-97电路容差分析指南该标准规定了军用电子设备电路容差分析的方法和程序，其基本框架为：图 1 电路容差分析指南的内容框架（2）GJB/Z223-

12、2005最坏情况电路分析指南该标准规定了最坏情况电路分析的方法和程序，其基本框架为：5图 2最坏情况电路分析指南的内容框架（3）QJ3050A-2011航天产品故障模式、影响极危害性分析指南该标准为航天产品实施故障模式、影响及危害性分析（FMECA ）的方法和程序提供指南，其基本框架为：6图 3 航天产品故障模式、影响极危害性分析指南的内容框架（4）QJ3273-2006航天产品安全性分析指南该标准规定了航天产品安全性分析的基本方法、程序及报告要求，其内容基本框架为：图 4 航天产品安全性分析指南的内容框架7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：结构分析指南的主

13、要技术内容（1）“结构分析”的内涵；（2）以现有的失效分析和破坏性物理分析两项分析技术为重要基础，提出宇航用元器件的结构分析工作流程；（3）通过梳理结构分析开展的技术过程和所需要的技术基础、 技术手段和技术难点，确定结构分析技术流程；（4）对结构分析过程中有关 “结构单元分解”、“结构要素识别”、“结构评价与判别”以及结构分析结论确定、改进或应用建议提出等方面的技术方法进行说明；（5）通过选取典型元器件作为结构分析样品，按照研究确定的工作流程进行分析准备，编制结构分析方案，并按照研究确定的技术流程实施结构分析，进行结构单元分解、结构要素识别和判别，最终结合器件实物的实际质量等级等信息对验证结果

14、进行综合评价，对结构分析研究结果： 结构分析工作流程、 技术流程、结构分析的 3 个关键实施步骤的适用性和可操作性进行分析。结构分析指南的主要框架分析上述典型标准规范的内容框架，可以总结出该类指南性质标准规范的篇章结构特点：（ 1）总的篇章结构遵循范围、引用文件、定义、一般流程和要求、关键步骤具体要求、附录（示例）的编写规律；（ 2）一般流程和要求中要对评价工作的各阶段实施步骤和评价相关的共性要求进行说明，包括样品的准备、报告的要求、结果的处理等；（3）关键步骤具体要求中要对评价工作开展的程序和步骤、 涉及到的关键技术方法等进行说明和示例。主要技术内容的说明a) 本规范的主要框架是在充分调研同

15、类分析、评价类指南规范的框架基础上制定的。b) 本规范提出以元器件的结构单元作为结构分析的评价主线，使得分析评价过程能够更全面地覆盖元器件的各种设计、工艺和材料要素，分析评价的针对性更强，分析深度能够得到极大的延伸，避免了试验项目对分析评价的局限作用。8c) 从以最小界限和界面为原则的结构单元分解入手，通过一系列破坏性和非破坏性方法进行结构要素识别，借助典型结构、标准规范、以往案例作为判别依据的一系列技术途径用最基础的技术手段系统解决了结构分析技术本身的技术难点，目标明确，合理、可行，较好地解决了开展结构分析工作 “如何分析、 如何判别” 的问题。三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经

16、济论证，预期的经济效果3.1 验证目的和结果通过选取典型元器件作为结构分析样品， 按照研究确定的工作流程进行分析准备， 编制结构分析方案， 并按照研究确定的技术流程实施结构分析， 进行结构单元分解、 结构要素识别和判别， 最终结合器件实物的实际质量等级等信息对验证结果进行综合评价， 对结构分析研究结果： 结构分析工作流程、 技术流程、结构分析的 3 个关键实施步骤的适用性和可操作性进行分析。选取 ACTEL 公司的 AX500-1CQ208M 型 FPGA 作为分析对象，制定了结构分析方案并完成了结构分析工作。考虑到本次试验的目的主要在于验证结构分析的工作流程、 技术流程和结构分析的三项关键步

17、骤的可实施性， 结合具体实施进度和技术手段等方面的条件， 芯片结构单元的具体分析试验工作未列入本次验证方案。3.2可实施性分析整个分析过程符合前述的主要工作流程， 从了解器件状态、 应用背景信息入手， 编制了分析方案， 确定了试验流程，并按照流程实施了结构分析，编制了分析报告，前述的工作流程可以满足结构分析工作的需要。总体来看，分析过程按照前述的主要技术流程完成了分析工作， 主要步骤都有所体现，可以适应结构分析技术工作需要。 但在本次分析中， 对于芯片部分结构单元的进一步结构单元划分、结构要素识别以及对其中发现的异常问题的进一步试验评价和失效模式分析尚未深入开展，主要原因是分析的进度和掌握的手

18、段不足。按照从结构单元分解入手、 通过多种试验项目识别结构要素、 对照标准规范和基准结构等进行结构判别这三个关键步骤可以达到对元器件的设计、 工艺、材料的可靠性进行评价的目的，分析项目具有一定的覆盖性，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，国内于2012 年 8 月发布了宇航标准宇航用元器件结构分析通9用指南，与以往规范相比较，本规范综合了 2012 年以来 3000 余例结构分析的工程实践经验，在具体实施流程、范例方面更加具有可实施性，更加具有指导性。国外没有元器件结构分析方面的标准、规范，国外 元器件结构分析处于概念研究阶段和工程探索阶段，无相关国家或者行业标准。因此，本标准可以同步制定国际标准五、 与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系目前国内外除相关的行业和企业规范外， 还没有国家级的相关标准规范， 与宇航用信号处理器件结构分析方法 等系列宇航标准是总分关系， 内容不冲突， 且本标准综合了近年来结构分析的最新实践， 宇标内容与本标准相关类别元器件结构分析的流程和要求可以配合使用。六、重大分歧意见的处理经过和依据暂无七、作为强制性或推荐性国家标准的建议与现行的 QJA 标准、国内外标准的要求相协调，不存在冲突。八、贯标国家