梁 媛劉文媛楊 洋盧曉青蔡良續(xù)孟玉慈

（1.中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團公司第六三一研究所，陜西 西安 710119 ）

航空電子器件超溫使用分析及升額方法研究

梁 媛1劉文媛2楊 洋1盧曉青1蔡良續(xù)1孟玉慈2

（1.中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團公司第六三一研究所，陜西 西安 710119 ）

對航空電子器件超溫使用的現(xiàn)狀以及危害性進行分析，結合國際標準IEC/TR 62240，提出航空電子器件升額的器件參數(shù)特性重估法、應力配平法、參數(shù)一致性評估法及更高裝配級測試法，為器件超溫使用評估提供理論依據(jù)。

航空電子；超溫使用；升額

電子元器件是組成電子產品的基本單元，其選用是保證電子產品可靠性的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的應用于嚴酷環(huán)境的航空電子產品選用執(zhí)行軍用標準的半導體元器件，由生產軍用標準半導體廠商提供貨源，因此能夠保證元器件的工作溫度范圍覆蓋電子產品的實際使用工作溫度范圍。由于近幾年來，許多元器件生產廠家已退出軍品市場，使得可供使用的寬溫度范圍電子器件大量減少，設備生產廠家經常將電子器件應用在超出產品手冊所規(guī)定的溫度范圍，這對半導體電子器件的使用和電子產品的可靠性帶來了很大的風險。

近年來，在航空電子與計算機領域，為滿足航空電子設備性能要求，大量使用商用貨架元器件（Commercial-off-the-shelf Products，以下簡稱COTS器件），由于COTS器件工作的溫度范圍比航空電子環(huán)境的稍窄，電子元器件在超出制造商規(guī)定的溫度范圍內使用，通常引起元器件可靠性降低，安全風險增大，從而影響武器裝備的質量和可靠性[1]。

1 超溫使用對電子器件影響分析

通常，電子器件在高溫條件下工作的失效率遠大于在室溫下工作的失效率。例如，對于PNP硅晶體管，在其工作溫度范圍內，25℃和應力比0.3的條件下，其基本失效率為0.009 6，130℃和應力比0.3的條件下，其基本失效率為0.063，高溫與室溫失效率之比為7:1，低溫使用時失效率同樣高于室溫失效率[2]。由此可見，如果超溫使用電子器件，造成設備內電子器件的溫度超出元器件的使用溫度范圍，加速元器件的失效，從而導致航空電子設備可靠性降低。

1.1 超高溫使用對電子器件可靠性的影響

當電子器件使用于超過手冊規(guī)定的高溫環(huán)境時，通常出現(xiàn)電子器件材料加速老化、絕緣性能惡化、金屬材料加速膨脹或使不同材料膨脹差異變大、塑性材料加速變軟、同時化學變化加速等，從而引起電子器件性能改變或退化；絕緣不良使電子器件漏電或短路；膨脹使密封破壞或使磨損增加、化學腐蝕加劇等。這些是微電子器件、半導體分立器件較為常見的失效模式。

1.2 超低溫使用對元器件可靠性的影響

當電子器件使用于超過手冊規(guī)定的低溫環(huán)境時，通常出現(xiàn)潤滑劑等粘度增加，材料快速脆裂，冷凝結冰等現(xiàn)象，從而引起電子器件運轉部分卡死，密封性破壞、零件斷裂或失去彈性；電性能變化，甚至出現(xiàn)短路等失效模式[2]。

2 航空電子器件超溫使用現(xiàn)狀分析

市場采用的電子器件根據(jù)不同的溫度范圍確定了不同的使用級別，其中軍工級電子器件溫度范圍最寬，汽車級電子器件次之，工業(yè)級電子器件較低，商業(yè)級電子器件最低，典型溫度范圍見表1。在超溫使用元器件過程中，首先選擇規(guī)定溫度范圍擴展最小的電子器件。即在選擇制造商提供的不同溫度條件下工作的電子器件時，一般選擇額定溫度范圍最接近使用范圍的電子器件。例如，如果電子器件使用溫度范圍要求為-55℃～125℃，制造商給定可選的電子器件中，商用電子器件溫度范圍為0℃～70℃，相同型號工業(yè)級電子器件溫度范圍為-40℃～85℃，汽車級電子器件溫度范圍為-40℃～125℃，則選擇汽車級電子器件。

表1 市場采用器件典型溫度范圍

目前，軍用電子產品選用的超出制造商規(guī)定溫度范圍的COTS器件，其封裝類型大多為塑封電子器件（Plastic Encapsulated Microcircuit，以下簡稱PEM）。塑封電子器件質量輕、體積小、成本低、制造工藝簡單，已廣泛應用于航空工業(yè)領域，但仍存在著許多可靠性問題，造成塑封電子器件在使用過程失效率較高，特別是在高溫高濕環(huán)境中由封裝氣密性造成的失效，在高電壓、高電流、高工作溫度的功率電子器件上表現(xiàn)得尤為突出，而這些失效通常無法通過普通的篩選來剔除。

軍用電子元器件中超出制造商規(guī)定的溫度范圍內使用COTS器件存在問題包括：

· 在按照系統(tǒng)或整機的篩選大綱進行篩選過程中，進行溫度循環(huán)試驗時，如果系統(tǒng)或整機篩選大綱規(guī)定的溫度范圍超出電子器件手冊規(guī)定的溫度范圍（一般為貯存溫度范圍），會給電子器件帶來潛在的傷害；

· 對于超出制造商規(guī)定的溫度范圍使用的塑封電子器件，可依據(jù)PEM-INST-001 Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection, Screening, and Qualification（《塑封微電路選擇、篩選及鑒定》）[3]進行高溫高壓蒸煮試驗來評估其質量。但通常試驗費用較高，試驗耗時長，一般工程中難以實現(xiàn)；

· 隨整機進行考核。但缺少統(tǒng)一的規(guī)范及標準，造成在超出制造商規(guī)定的溫度范圍內使用的塑封電子器件在使用過程中失效率較高，且失效后通常無法進行正常歸零。

3 航空電子器件超溫使用方法研究

為保證COTS器件的可靠使用，針對超溫使用電子器件引起的上述問題，本文依據(jù)目前航空電子超溫使用電子器件的現(xiàn)狀，結合國際標準IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part1:Temperature uprating（《航空電子過程管理—電子器件使用性能—第一部分：升額》）[4]，給出航空電子器件超溫使用時升額的方法，以確保航空超溫使用塑封電子器件的使用可靠性。

3.1 電子器件參數(shù)特性重估法

電子器件參數(shù)重估指超過電子器件制造商規(guī)定溫度范圍的各類電子器件參數(shù)的重估，該過程在電子器件廠商規(guī)定的溫度范圍之外測試電子器件的電參數(shù)及其變化，如果測試結果準確無誤，且符合參數(shù)閾值要求，則據(jù)此重新規(guī)定數(shù)據(jù)手冊中目標參數(shù)在更寬溫度范圍的升額值或冗余，經重估后的電子器件可在新參數(shù)提供的功能要求中使用。為了有效的評估電子器件制造差異性，需要考慮不同批次電子器件，同時通過應用方式和使用頻率來識別該差異。

參數(shù)特性重估過程通常由電子器件使用者或特定測試機構進行，具體重估過程見圖1。

3.1.1 選擇關鍵參數(shù)

確定使用中所有關鍵的電參數(shù)，并在全部應用目標溫度范圍內進行重估。參數(shù)通常具有相互依賴性，例如邏輯電壓依賴于供電電壓，因此在確定參數(shù)時應考慮各參數(shù)之間的相關性。

3.1.2 確定樣本量

為了保證參數(shù)特性重估中的正常變化不會引起參數(shù)超限，要選擇大量的參數(shù)特性重估的樣本。樣本量應根據(jù)每一個參數(shù)特性重估實例確定。由于質量一致性可能是由實際使用及使用率決定的，為了有效地評估電子器件制造質量一致性，需要對多批次電子器件進行采樣。考慮的因素包括：

——可用于測試的電子器件數(shù)量；

——用于測試的參數(shù)類型；

——目標溫度；

——進行測試所需的資源；

——期望的置信水平；

——期望的參數(shù)裕度；

——與電子器件和使用相關的其它參數(shù)。

3.1.3 參數(shù)重估測試

參數(shù)重估測試通常要求在整個目標溫度范圍內，選取多個溫度點進行，而且還要考慮目標溫度范圍外的溫度裕值。在參數(shù)重估過程中，需要了解電子器件的絕對溫度極限值；并且在這個過程中控制所有溫度不能超過該極限值。實際使用的電子器件不能超過最大絕對溫度極限值。

圖1 參數(shù)特性重估過程流程圖

3.1.4 電測試結果的預估

如果測試結果顯示無功能失效，參數(shù)-溫度曲線連續(xù)，且修改的參數(shù)限制適用于使用情況，那么認為升額過程成功。

3.2 應力配平

半導體電子器件工作時，滿足公式：

式中：

TJ：電子器件結溫，℃；TC：電子器件殼溫，℃；P ：功耗，W；θJA：電子器件結到管殼間熱阻，℃/W。

由此可見，電子器件的功耗通常與電子器件使用時殼溫、結溫、結到管殼間熱阻相關。通常電子器件殼溫受環(huán)境溫度影響較大，可用環(huán)境溫度TA代替殼溫TC。電子器件參數(shù)重估就是通過充分降低功耗來保持結溫不變，達到電子器件在較高的環(huán)境溫度下工作的目的。考慮到電子器件在低溫下的啟動問題，公式（1）通常適用于將電子器件工作溫度升額到額定最高工作溫度之一，不適用于對電子器件在低于其額定最低工作溫度的條件下使用的評估。電子器件工作在低于額定最低環(huán)境溫度時可使用其他方法評估，如：參數(shù)特性重估法。應力平衡方法具體實施過程如圖2所示。

圖2 器件應力配平流程圖

3.2.1 確定參數(shù)與功耗的關系

首先，確定出哪些電參數(shù)可被降低、降低多少，并計算出為了進行升額，在給定應用中電子器件應降低的功耗值。在某些情況下，為保證功耗的減少滿足要求，有必要同時降低多個參數(shù)。

3.2.2 建立ISO-TJ曲線

在保持結溫不變的前提下，繪制ISO-TJ曲線。常用的方法有公式（1）所示的熱阻-功率公式法及熱仿真軟件仿真法。

使用熱阻-功率公式法繪制曲線時，在已知結到管殼間熱阻θJA的前提下，功耗-環(huán)境溫度斜率為-θJA的直線。如果該直線穿過點（TA-Max，PMax），即為ISO-TJ曲線。其中PMax為制造商規(guī)定的最高工作環(huán)境溫度（TA-Max）下的最大功耗。廣義的ISO-TJ曲線如圖3所示。曲線繪制于電子器件最低功耗（PMin）和規(guī)定的最高功耗（PMax）之間?？紤]到結溫存在數(shù)據(jù)和計算誤差，實際曲線向橫軸平移結溫裕度TM，從而ISO-TJ曲線計算出的使用功耗PAPP也相應的降低了裕度PM，成為PAPP，由此可得到比制造商規(guī)定的最高工作環(huán)境溫度TA-Max更高的使用環(huán)境溫度TAPP。圖3中PMin對應的溫度是電子器件可使用的最高溫度，記為TUp-Max。這樣，PMax–PMin–I–I’作為邊界確定的區(qū)域即為升額工作區(qū)域。

圖3 ISO-TJ曲線：環(huán)境溫度與功耗的關系

使用熱分析構造ISO-TJ曲線時，根據(jù)使用環(huán)境溫度、功耗等條件，利用熱仿真軟件模擬電子器件工作情況。首先建立一個電子器件的熱模型，在熱測試條件下對電子器件進行熱仿真，如果電子器件熱仿真結果與制造商提供的熱數(shù)據(jù)匹配，證明模型有效；然后模擬電子器件在應用環(huán)境中不同的功耗值，從應用熱模型得出功耗/溫度關系。

3.2.3 確定新參數(shù)值

如果應力配平方法可用，繪制一條以某項電參數(shù)值為縱坐標，橫坐標為在PMin和PMax之間的功耗值的曲線。垂線對應升額電子器件的應用功耗PApp。垂線與曲線的交點縱坐標的值就是通過應力配平方法調整后的電參數(shù)值。電參數(shù)和功耗的關系如圖4所示。

完成以上步驟后，在目標應用溫度下對新的電參數(shù)值進行功能測試，如果電子器件滿足電子器件手冊要求，但不能確定是否滿足使用中的功能要求，可進行更高裝配級的功能測試，以判斷電子器件是否可用。

圖4 電參數(shù)和功耗的關系圖

3.3 參數(shù)一致性評估

在低于或高于制造商規(guī)定的額定溫度值的目標溫度點評估電參數(shù)一致性時，考慮的因素有：電子器件規(guī)定的工作溫度、目標溫度范圍以及電子器件前期經歷，通常采用的兩種方案有：最小容差條件下測試和通過增量溫度測試確定容差。

3.3.1 最小容差條件下測試

最小容差條件下測試指在電子器件溫度高于規(guī)定溫度上限或低于規(guī)定溫度下限的條件下進行參數(shù)測試。電子器件目標溫度限值增加（電子器件目標溫度高于規(guī)定溫度上限）或減少（電子器件目標溫度低于規(guī)定溫度下限）適當?shù)脑６龋话愕湫偷脑６葹?～5℃。

采用該方法時，為保證置信度，樣本量選取數(shù)量足夠大，且所有被評估的臨界電參數(shù)都要通過參數(shù)“合格-失效”測試進行評價。參數(shù)測試極限應根據(jù)電子器件制造商提供的電子器件手冊而定。如果測試結果合格，電子器件進行組裝前測試或進行更高裝配級測試；如果測試結果不合格，說明電子器件不具備升額的能力，或者應考慮其它的升額流程。

3.3.2 通過增量溫度測試確定容差

通過增量溫度測試確定容差時，電子器件測試溫度達到或接近規(guī)定溫度的上限（或下限），然后再連續(xù)提高（或降低）溫度，直到所關注的參數(shù)超出數(shù)據(jù)手冊中限值的范圍，通常推薦的溫度增量是5℃。通過該方法可得到參數(shù)非一致性的溫度分布以及新的溫度限值。經過測試結果，如果符合公式2，則電子器件可投入使用。

式中：

Treq-max：系統(tǒng)中所需電子器件最高工作溫度；X ：樣本均值；CIX：平均值的置信區(qū)間；A ：容差的標準方差；CLσ：標準差置信度；TE ：測試設備容差。

3.4 更高裝配級測試

通過裝配級測試進行升額是電子器件升額方法的一種，由測試包含該電子器件的組件實現(xiàn)。測試在裝配級進行，通過測試電子器件和組件的相關性，確定在目標使用溫度范圍內電子器件是否滿足所需功能。

更高裝配級測試通常用于在目標使用溫度范圍內，電子器件用于包含其它電子器件及功能的更大裝配中時，驗證電子器件是否滿足該組件所需功能和性能的能力。該過程要求對電子器件在特定應用中重要性能參數(shù)進行評估，并非針對所有規(guī)定的性能特性參數(shù)。因此，會出現(xiàn)在某個應用中驗證可用的電子器件在其它應用中可能不可用的情況。

4 總結

隨著COTS器件越來越多的應用于航空航天及國防領域，超出制造商規(guī)定溫度范圍時半導體電子器件的使用造成武器裝備失效率升高，導致航空電子設備可靠性低。目前，超溫使用的電子器件無法通過常用的的篩選對影響使用可靠性的電子器件進行有效的剔除，且工程中缺少有效可行的升額方法，因此，急需形成一套適用于工程應用、有效可行的電子器件升額方法。

本文依據(jù)目前航空電子超溫使用電子器件的現(xiàn)狀，結合國際標準IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part1:Temperature uprating，提出航空電子電子器件升額的電子器件參數(shù)特性重估法、應力配平法、參數(shù)一致性評估法及更高裝配級測試法，通過理論評價、仿真評估、試驗驗證相結合的方法，保證超溫超溫使用電子器件的質量及可靠性，為后續(xù)形成有效的超溫使用電子器件評估提供理論依據(jù)。

[1]黃永葵.IEC/TC107國際電工委員會航空電子過程管理技術委員會及相關情況介紹[J].航空標準化與質量，2004（3）.

[2]《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊第二十冊 可靠性、維修性設計[M].北京：航空工業(yè)出版社.1999.

[3]PEM-INST-001 Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection，Screening，and Qualifcation[S].

[4]IEC/TR 62240 Process Management for Avionics-Electronic Components Capability in Operation-Part：Temperature uprating[S].2014.

（編輯：雨晴）

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1003-6660（2016）06-0036-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.009