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微系統(tǒng)電子產品宇航應用的保證要求

2016-05-18 09:23:28朱恒靜張延偉張偉祝名匡潛瑋

朱恒靜,張延偉,張偉,祝名,匡潛瑋

(中國空間技術研究院,北京 100094)

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微系統(tǒng)電子產品宇航應用的保證要求

朱恒靜,張延偉,張偉,祝名,匡潛瑋

(中國空間技術研究院,北京100094)

摘要:對國內外微系統(tǒng)電子產品技術的發(fā)展趨勢及管理模式進行了分析,針對微系統(tǒng)電子產品的特點及目前存在的問題,提出了宇航型號用微系統(tǒng)電子產品應按照“制定規(guī)劃、統(tǒng)一管理,全面保證、統(tǒng)一要求”的原則進行管理的工作思路,分析了微系統(tǒng)電子產品保證應重點考慮的內容,給出了微系統(tǒng)電子產品全研制流程保證的總體要求。

關鍵詞:微系統(tǒng);封裝;空間應用;產品保證

0 引言

微系統(tǒng)電子產品技術是一項關鍵技術,幾乎所有的發(fā)達國家都制定了有關全面開發(fā)和使用微系統(tǒng)電子產品技術的計劃。微系統(tǒng)電子產品一般指以處理器為核心,將傳統(tǒng)的CMOS技術與其他領域的技術相結合,采用異構集成技術,按需要集成的“多樣化”的微小型化器件,包括SIP、SOC和ASIC等。目前國外正在積極地推動微系統(tǒng)電子產品的宇航應用,例如:美國國防部高級研究計劃局(DARPA:Defense Advanced Research Projects A-genct)啟動了一項涵蓋了未來、快速、靈活、自由飛行和模塊化航天器等內容的“F6計劃”,其新型衛(wèi)星均采用了模塊化和組合的概念;歐洲則利用微系統(tǒng)電子產品技術來改變歐洲電子產品的技術現(xiàn)狀,例如:ESA航天電子系統(tǒng)開放式接口架構SAVOIR,可以說就是一種基于歐洲電子產品標準化需求的典型應用。

NASA、ESA設有專門的微系統(tǒng)電子產品的管理部門,對型號用微系統(tǒng)電子產品進行統(tǒng)一的管理;設置專門的組織機構,例如:NEPP、NEPAG,以此來強化產品保證技術的研究和保證的實施,重點研究封裝可靠性評價和納米器件的失效機理等。

所謂微系統(tǒng)電子產品的支撐技術,包括微系統(tǒng)綜合集成技術、總體規(guī)劃與設計技術、大規(guī)模集成電路設計技術、制造技術、測試技術和集成封裝技術,以及新材料、新工藝和新技術的可靠性保證技術。

1 國內外技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國內外技術發(fā)展路線

1.1.1美國

為了滿足空間活動和軍用需求,美國大力地發(fā)展微系統(tǒng)電子產品技術,管理責任落實到位、發(fā)展路線明確、指導思想清晰,始終保持國際領先地位。美國國防部率先提出了采用異構集成技術,將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合集成在一起,形成集成微系統(tǒng)。DARPA將集成微系統(tǒng)列為重點領域,加速推進發(fā)展,成立了微系統(tǒng)集成辦公室(MTO),統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調發(fā)展集成微系統(tǒng)技術,將微系統(tǒng)技術列為8大核心技術基礎之一。NASA航天電子技術指導委員會(ASC)負責推進航天電子技術的發(fā)展,2013年發(fā)布了“航天飛行電子系統(tǒng)硬件路線圖”,列出了2030年前的重點投資領域,在制定任務規(guī)劃的同時,分析了未來任務對電子技術的需求,制定了微系統(tǒng)電子產品兩個層次、多項關鍵技術共同發(fā)展的發(fā)展路線圖[1],路線圖包括多項微系統(tǒng)電子產品技術,涉及系統(tǒng)應用和元器件基礎技術兩個層面,而且要求這些技術的成熟度達到6級,才能為項目所選用。

美國系統(tǒng)均衡發(fā)展微系統(tǒng)電子產品的各項支撐技術。為了保持軍事優(yōu)勢地位,美國收購了國際上先進的微電子設計公司和最先進的芯片生產線。美國國防部資助了國防部等下屬8家機構開展先進微電子器件的原型研制和批量生產,開展“信得過”集成電路戰(zhàn)略,為國家安全和國防提供保證;DARPA聯(lián)合NASA、Aerospace等機構和部門成立了“高可靠電子產品中心”,專門開展納米級器件可靠性相關技術研究[2];NASA成立了NEPP和NEPAG機構,針對空間應用的需求,重點開展納米級器件可靠性、先進封裝可靠性等研究工作。上述各項技術協(xié)調發(fā)展,確保元器件技術的成熟度能夠滿足微系統(tǒng)電子產品的需求。

1.1.2歐洲

面對21世紀的挑戰(zhàn),歐洲認為空間技術的發(fā)展具有經濟和戰(zhàn)略意義,超越摩爾定律的微系統(tǒng)電子產品技術是改變歐洲電子產品現(xiàn)狀的重要機會,因而其從空間應用領域和電子系統(tǒng)/分系統(tǒng)技術的發(fā)展出發(fā),在制定空間技術長期發(fā)展計劃的同時,制定了微系統(tǒng)電子產品技術路線圖。主要宗旨為制定頂層規(guī)劃,堅持獨立發(fā)展;在這些技術發(fā)展的同時,牢記的準則是:自主、不依賴。歐洲國防部與ESA簽署了戰(zhàn)略協(xié)議——歐洲空間關鍵技術緊急行動計劃,投資14億歐元,發(fā)展包括微系統(tǒng)電子產品技術在內的多項關鍵技術。歐洲建立了由8個成員國、歐洲宇航工業(yè)、宇航機構、研究實驗室和大學等組成的歐洲宇航技術平臺——ESTP,旨在建立堅實、非依賴性的宇航技術平臺,重點發(fā)展微系統(tǒng)電子產品技術。此外,歐洲還成立了高效系統(tǒng)級封裝(ESiP:Efficient Ststem in Package)組織,開展宇航用SiP的開發(fā)、應用、可靠性分析、失效分析和試驗等工作。

歐洲高度重視產品性能的驗證與評估,為了解決微系統(tǒng)電子產品的可靠性問題,必須掌握其失效機理,建立適合宇航應用的保證方法。歐洲開展了微系統(tǒng)電子產品的質量保證研究工作,包括新產品評價鑒定技術、產品成熟度評價技術、產品失效模式和失效機理研究,取得了一定的成果。例如:ST公司采用65 nm CMOS技術進行ASIC研制,針對HCI和NBTI失效機理,開展了系統(tǒng)應用可靠性設計方法的研究[3];針對復雜的制造過程,開展了有關應用制造設計方法的研究,擬通過研究建立相應的流程和方法,從而全部地覆蓋可靠性問題。

1.1.3中國

國家在開發(fā)微系統(tǒng)電子產品技術方面部署了相應的工作,國內抗輻射加固設計能力達到0.18 m~0.13 nm的水平,正在開發(fā)和完善65 nm抗輻射單元庫。在集成封裝方面,SiP技術已開始向高端邁進,二維封裝、3D堆疊封裝的關鍵技術已經取得了突破。與國外的先進水平相比,我國的微系統(tǒng)電子產品技術的整體水平還有一定的差距,表現(xiàn)在對微觀性與系統(tǒng)性協(xié)同發(fā)展的認識不足,需求的超前探索力度不夠,系統(tǒng)性研究不夠;目前國內宇航用微系統(tǒng)電子產品的發(fā)展缺乏統(tǒng)一的頂層規(guī)劃,多數產品的使用數量少,無法有效地降低開發(fā)和應用成本。

1.2國內外管理模式

1.2.1國外宇航機構的管理模式

NASA、ESA對宇航型號用微系統(tǒng)電子產品的規(guī)劃和應用進行統(tǒng)一的管理,采用垂直分工的研制實施模式,設立了專業(yè)機構負責產品保證。

a)對產品規(guī)劃和應用進行統(tǒng)一的管理。

NASA、ESA設有專門的微系統(tǒng)電子產品管理部門,對型號用微系統(tǒng)電子產品進行統(tǒng)一的管理,工作內容偏重于微系統(tǒng)電子產品規(guī)劃制定、需求確認和研制過程質量控制。

b)采用垂直分工的研制實施模式。

用戶方提出需求,并且要完成系統(tǒng)設計;設計采用自主或部分委托;流片、封裝采用委托外協(xié)開展;管理部門負責研制和實施單位的選擇與控制、生產過程的管理等工作。

c)專業(yè)機構負責產品保證。

設置專門的組織機構,強化產品保證技術的研究和保證的實施,例如:NEPP、NEPAG重點研究封裝可靠性評價、納米器件的失效機理等;TESAT等質量保證機構承擔保證工作。

NASA JPL實驗室發(fā)布了定制集成電路保證指南,包括產品管理、制造廠評價、設計和用戶接收4個部分。歐州發(fā)布了定制電路管理標準ECSS-QST-60-02,著重于產品開發(fā)、驗證和確認3個主要階段,從計劃管理、工程實踐和質量保證3個方面對定制集成電路的研制過程提出要求[4]。質量保證機構在保證實施的過程中,高度重視項目管理工作,例如:TESAT將SoC/SiP供應鏈分為設計、布線、生產、封裝、電測、環(huán)境試驗、篩選和認證8大部分,管理作為重要支撐,貫穿于整個項目的研制過程中。

1.2.2國內的管理模式

國內某衛(wèi)星研制單位提出了對型號用定制集成電路按照“統(tǒng)一管理,統(tǒng)一保證”的原則進行管理的總體要求,并提出保證應從需求論證和確認開始,一直延續(xù)到型號應用的全過程中。

2 空間用微系統(tǒng)電子產品的特點與挑戰(zhàn)

目前產品的空間應用缺乏頂層規(guī)劃,以SiP為代表的微系統(tǒng)電子產品一般采用定制電路,需要根據空間應用的具體要求進行設計和制造,與通用元器件相比具有諸多的特點。由于集成系統(tǒng)的高性能、小型化、異質集成、結構多樣化和成本需求,與通用元器件相比,集成系統(tǒng)的可靠性保證存在諸多的難點,空間應用面臨著眾多的挑戰(zhàn)。

2.1空間用微系統(tǒng)電子產品的特點

微系統(tǒng)電子產品具有3個特點:需求特定、結構復雜和開發(fā)流程繁多。

a)需求特定

在缺乏統(tǒng)一規(guī)劃的情況下,用戶可以針對特定的需求自行確定產品的功能。在實現(xiàn)方式上,可選擇的因素很多,例如:生產廠、設計方法、生產工藝和集成方式;產品驗證充分性、質量和可靠性均難以保證。

用量少、成本高,可靠性驗證試驗抽樣需要綜合考慮。一方面,與通用元器件相比,微系統(tǒng)電子產品的用量較少,如果完全按照標準進行考核,用于試驗的樣品會較多,會相對地增加產品的研制成本;另一方面,由于微系統(tǒng)電子產品的復雜性,因而需要開展針對其新技術的一系列的分析和評價試驗,這在一定程序上也會增加試驗樣品的數量,因而需要綜合考慮成本與可靠性,制定特定的微系統(tǒng)電子產品的保證方法,滿足型號需求。

b)結構復雜

微系統(tǒng)電子產品功能先進、結構復雜,涉及多方面的新技術,但新技術、新材料和新工藝會引入新的失效機理和失效模式,針對新的失效機理、失效模式的可靠性保證方法尚需研究和建立,研制成熟度與應用成熟度還需要充分的驗證。

c)開發(fā)流程繁多

微系統(tǒng)電子產品的開發(fā)不同于傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)的開發(fā),其具有系統(tǒng)設計和芯片設計密切相關、軟件設計和硬件設計并行開展的特殊性。設計方法、研制流程的多變,導致了產品的質量不易保證;研制過程包括設計、流片、封裝和保證等多個環(huán)節(jié),涉及多個單位,產品的質量與可靠性難以控制。

2.2微系統(tǒng)電子產品空間應用的挑戰(zhàn)

由于集成系統(tǒng)的高性能、小型化、異質集成、結構多樣化和成本需求,與通用元器件相比,其可靠性保證面臨著諸多的挑戰(zhàn)??煽啃员WC的難點包括:1)設計可靠性保證——復雜系統(tǒng)的芯片-封裝-系統(tǒng)協(xié)同設計,軟件、硬件并行設計;2)集成封裝新技術可靠性保證——系統(tǒng)集成電、熱和力特性的新技術、創(chuàng)新的封裝工藝技術和測試工具與方法;3)新技術器件的可靠性保證——深亞微米器件的可靠性保證。

微系統(tǒng)電子產品的研制和保證,是復雜的系統(tǒng)工程,歐洲認為,宇航用微系統(tǒng)電子產品從設計、開發(fā)到應用,需10年時間[5]。

2.3小結

微系統(tǒng)電子產品的空間應用面臨以下挑戰(zhàn)。

a)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃,產品的通用性較差,用量少、成本高,可靠性驗證試驗抽樣與驗證充分性需綜合地考慮,產品驗證充分性、質量和可靠性難以保證。

b)對產品研發(fā)的項目管理、設計和制造過程的質量控制等缺乏統(tǒng)一的管理,存在諸多的可靠性隱患。

c)可靠性保證技術研究需不斷地深入。微系統(tǒng)電子產品涉及多方面的新技術,集成封裝涉及的新技術、新材料和新工藝引入了新的失效機理和失效模式;采用納米技術的關鍵新器件的可靠性保證技術尚未獲得有效的突破;系統(tǒng)設計和芯片設計密切相關,軟件、硬件設計并行開展的特點,更給微系統(tǒng)電子產品的保證帶來了技術壁壘。

微系統(tǒng)電子產品在迅速發(fā)展的過程中,由于集成系統(tǒng)具有高性能、小型化、異質集成和結構多樣化等特點,以及成本需求,其空間應用面臨著眾多的挑戰(zhàn)。微系統(tǒng)電子產品中大量地引入了新材料、新工藝和新設計,研制過程所涉及的環(huán)節(jié)多,傳統(tǒng)的保證方法難以滿足可靠性要求的實現(xiàn),需要由專門的機構統(tǒng)一組織開展微系統(tǒng)電子產品全研制流程的保證工作。

3 產品規(guī)范化管理的考慮

針對微系統(tǒng)電子產品的特點,提出了應按照“制定規(guī)劃、統(tǒng)一管理,全面保證、統(tǒng)一要求”的發(fā)展思路來對微系統(tǒng)電子產品進行規(guī)劃、發(fā)展和保證。

3.1制定規(guī)劃、統(tǒng)一管理

a)制定規(guī)劃

對微系統(tǒng)電子產品進行統(tǒng)一的規(guī)劃,對需求進行統(tǒng)一的控制和規(guī)劃管理,實現(xiàn)微系統(tǒng)電子產品的系列化、通用化和規(guī)范化,提升成熟度,打造貨架產品,降低成本和風險。

b)統(tǒng)一管理

重點開展微系統(tǒng)電子產品的規(guī)劃管理,設計、流片和封裝階段的質量控制,應用驗證,質量保證和應用指導。

在微系統(tǒng)電子產品型譜規(guī)劃的指引下,依托國內工業(yè)基礎,開展微系統(tǒng)電子產品系統(tǒng)研制。以需求為牽引,推動國內宇航用微系統(tǒng)電子產品研制行業(yè)的技術與質量控制水平的提升,促進產品制造領域核心技術的突破。

3.2全面保證、統(tǒng)一要求

微系統(tǒng)電子產品的保證應貫穿于研制與應用的全過程。微系統(tǒng)電子產品的保證工作必須從研制初期介入,并貫穿于產品研制的全過程,保證工作應由專業(yè)機構統(tǒng)一實施,并按照“全面保證、統(tǒng)一要求”的管理模式實施。

a)全面保證

微系統(tǒng)電子產品的保證應從研制初期介入,并貫穿于研制與應用的全過程。

b)統(tǒng)一要求

由專業(yè)機構統(tǒng)一實施保證,按照統(tǒng)一的要求開展保證工作;結合微系統(tǒng)電子產品的特點,重點開展需求分析和確認,設計、流片與封裝階段的質量控制,應用驗證,質量保證和應用指導工作。概括為:一個流程,二個確認,三個重點,四個階段。

3.2.1一個流程

首先,應建立微系統(tǒng)電子產品保證的技術流程。微系統(tǒng)電子產品的保證工作必須從研制初期介入,并貫穿于產品研制的全過程,包括需求分析與確認、系統(tǒng)設計、流片(有需要時)、集成封裝考核和認定各個環(huán)節(jié)。微系統(tǒng)電子產品保證的本質屬性決定了它不是一個普通的孤立項目,而是與需求、產品研制和型號研制3個相關流程關聯(lián)進行、并有機地結合在一起的復雜過程。

3.2.2兩個確認

在需求階段,應考慮產品的功能實現(xiàn)和可靠性等諸多因素;保證的概念應延伸到用戶需求提出和確認階段。

a)用戶需求確認

用戶方應明確需求,包括邏輯功能、性能參數和物理結構等方面的需求,并經過充分的驗證,需求定義可追溯。質量保證機構應對用戶的需求進行確認。

b)研制要求落實確認

研制單位應對需求文件逐項地進行確認,并建立可追溯性;應針對微系統(tǒng)電子產品的需求和現(xiàn)有的資源進行可行性分析,包括設計的復雜程度、封裝可行性、頻率要求、熱設計和抗輻射設計等,并對風險進行評估,針對可能存在的風險,提出解決措施。質量保證機構對研制要求的落實進行確認。

3.2.3三個重點

微系統(tǒng)電子產品保證的3個重點方面為:系統(tǒng)設計評價、集成封裝新技術評價和新技術器件可靠性保證。

a)系統(tǒng)設計評價

微系統(tǒng)電子產品是異類器件的綜合集成,是能夠實現(xiàn)多種功能的電子系統(tǒng),其設計為復雜系統(tǒng)的芯片-封裝-系統(tǒng)協(xié)同設計,軟件、硬件并行設計。系統(tǒng)設計評價就是要對微系統(tǒng)電子產品設計涉及的系統(tǒng)設計、可靠性設計和軟件等進行評價;集成電路設計保證包括前端邏輯和后端版圖設計評價。

b)集成封裝新技術評價

集成封裝新技術是設計系統(tǒng)集成電、熱和力特性的新技術,創(chuàng)新的封裝工藝技術,新的測試工具與方法等。集成封裝新技術評價包括電、熱和力等一系列評價試驗,例如:步進應力試驗、高溫反偏試驗、加速電應力耐久性試驗和針對具體裝聯(lián)工藝的評價試驗等。目前,美國、歐洲均開展了封裝可靠性相關技術研究,例如:NASA NEPP的重點研究方向就是封裝可靠性評價方法研究,目前針對封裝可靠性的評價尚未建立通用的方法,需要根據具體采用的工藝研究制定專門的評價方法。

c)新技術器件可靠性保證

SiP等微系統(tǒng)電子產品內部多采用深亞微米集成電路,特征尺寸進入深亞微米后,經時擊穿(TDDB)、熱載流子(HCI)、負偏溫不穩(wěn)定(NBTI)和電遷移(EM)就成為了集成電路的主要失效機理,國外均開展了深亞微米器件的可靠性研究,結果表明:先進技術帶來了浴盆曲線三階段的變化,同時,已經發(fā)布的鑒定方法已經不能完全適用,需要根據器件的具體工藝和新的失效機理來制定一種具有針對性的鑒定方法。鑒定方法的核心在于:通過力、熱和電等步進加速試驗,確定器件的失效機理,確定可靠性試驗的項目和應力。例如:NASA提出針對新型FPGA,需要開展6 000 h壽命試驗(常規(guī)為1 000 h)、500次溫度試驗(常規(guī)為100次);JPL提出針對NOR Flash,需要開展基于應用需求的讀干擾等針對浮柵工藝的試驗。另外,根據美國集成電路協(xié)會G12聯(lián)合NASA研究的結果,大規(guī)模集成電路老練試驗應在其工作頻率下開展,才有可能達到盡快剔出早期失效的目的;而目前國內老煉設備的頻率僅能達到10 MHz,需要根據器件的功能開發(fā)滿足要求的老煉設備。此外,測試覆蓋率也是保證器件可靠性的一個重要方面,需要進行針對性的開發(fā)和分析,在測試成本和測試覆蓋率方面尋找平衡。

分析認為,微系統(tǒng)電子產品的保證,需要從3個維度、13個要素進行考慮。1)系統(tǒng)級總體規(guī)劃與設計層面,要素包括:需求分析與確認、系統(tǒng)設計、可靠性和成熟度;2)集成封裝可靠性保證,要素包括:封裝設計、工藝、材料和裝聯(lián);3)內部元器件可靠性保證,要素包括:選用、設計、成熟度和抗輻射能力。微系統(tǒng)電子產品保證需重點關注的維度和要素如表1所示。

3.2.44個階段

微系統(tǒng)電子產品保證包括研制保證、宇航鑒定、應用驗證和質量保證4個階段。

a)研制保證

對研制過程的質量進行可靠性保證。

b)宇航鑒定

針對宇航應用的微系統(tǒng)電子產品特定的失效模式開展宇航鑒定。

c)應用驗證

包括評價和驗證2個部分,評價主要包括功能性能分析、極限評估、應用功能驗證和抗輻射(單粒子、總劑量)能力評估;驗證主要是針對微系統(tǒng)電子產品的環(huán)境適應性進行驗證。

d)質量保證

指針對宇航應用的一致性和穩(wěn)定性開展的保證工作。

表1 微系統(tǒng)電子產品保證需重點關注的維度和要素

4 結束語

歐美各知名宇航機構都非常重視并在大力地推動宇航用微系統(tǒng)電子產品技術的發(fā)展和產品的應用,宇航用微系統(tǒng)電子產品的選用呈不斷上升的趨勢;歐美宇航強國都將宇航用微系統(tǒng)電子產品的研發(fā)與應用作為重點的發(fā)展方向,明確了微系統(tǒng)電子產品在下一代國防系統(tǒng)中的應用。隨著國內微電子技術水平的提高,以及微系統(tǒng)電子產品在推動宇航型號微小型化、高功能集成度上的優(yōu)勢日益顯現(xiàn),預計國內宇航型號微系統(tǒng)電子產品的需求將顯著地增加。

我國應在國家層面上建立權責明確的組織機構,開展微系統(tǒng)電子產品發(fā)展戰(zhàn)略研究,加大對核心關鍵元器件的支持力度,建立能夠獨立自主、穩(wěn)定持續(xù)地研發(fā)、生產和供應航天元器件產品的平臺,提升自主研發(fā)和制造能力;應加強空間微系統(tǒng)電子產品的頂層規(guī)劃,對空間微系統(tǒng)電子產品需求進行統(tǒng)一控制,對產品需求進行統(tǒng)一的規(guī)劃管理,實現(xiàn)產品系列化、通用化和規(guī)范化;加強深亞微米器件保證方法和實施技術的研究和建立,先進集成封裝可靠性評價方法研究等,提升成熟度,打造貨架產品,降低成本和風險。

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Assurance Requirements for Aerospace Application of Micro System Electronic Products

ZHU Heng-jing,ZHANG Yan-wei,ZHANG Wei,ZHU Ming,KUANG Qian-wei
(China Academt of Space Technologt,Beijing 100094,China)

Abstract:The development trend and management mode of micro ststem electronic products technologt are analtzed. And the work idea that micro ststem electronic products for aerospace application should be managed according to the principle of“making plans,unified management,comprehensive guarantee and unified requirements”aiming at the characteristics of micro ststem electronic products and the existing problems. Besides,the ket issues that deserve primart concern during the guarantee of micro ststem electronic products are analtzed,and the overall requirements of the guarantee of micro system electronic products during the whole development process are given.

Key words:micro ststem;package;aerospace application;product assurance

作者簡介:朱恒靜(1964-),女,山東萊蕪人,中國空間技術研究院宇航物資保障事業(yè)部研究員,從事航天元器件保證工作。

收稿日期:2015-10-13

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.006

中圖分類號:TN 305.94

文獻標志碼:A

文章編號:1672-5468(2016)02-0027-06

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