T
echnicalColumn
航空电子产品元器件选择研究
刘海天，徐文正
（中国航空综合技术研究所，北京 100028）
摘要：结合航空电子产品的特点，从电子产品研制单位的角度分析航空电子产品元器件可靠性选择的原则和工作要素。分析了元器件选择准则、优选目录、质量等级、筛选试验、DPA、失效分析等方面的工作内容和要求。基于国内元器件选择工作现况，给出提升航空电子产品元器件选用水平的若干建议。关键词：航空电子产品；元器件；可靠性；选择
中图分类号：ＴＮ３０６ 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2019)02-0084-06
Study on Selection of Avionics Components
LIU Hai-tian, XU Wen-zheng
(China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Combining characteristics of avionics products, the principals and elements of avionics components reliability selection were analyzed in terms of the avionics products manufactures. Contents and requirements of components selection rules, such as PPL, quality grades, screening, DPA and failure analysis were described. Suggestions on promoting working levels of components selection were given based on domestic present situation.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：avionics; component; reliability; selection
引言
元器件是电子产品的最基本组成单位，是电子产品功能性能的底层承载和实现单元。元器件的可靠性是电子产品可靠性的基础和重要组成部分。在统计的４ ２２６例航空电子产品元器件失效案例中，因元器件选择和使用不当导致的失效案例达２ ０８６例，占比４９．３ ％，可见在航空电子产品的可靠性设计中，元器件选用占有重要的地位。元器件基本可靠性是通过设计和制造等工作表现出的可靠性特征，取决于元器件的设计、制造工艺和原材料［１］。元器件合理选择是航空电子产品研制单位保证元器件可靠性的基础工作，是元器件可靠使用的前提。元器件合理选择旨在通过选择出既符合产品功能性能要求又满足可靠性要求的元器件，其本质是选择具有较高基本可靠性的元器件。
１ 航空电子产品元器件选择
１．１ 航空电子产品的特点
航空电子产品的功能性能要求与一般电子产品不同：第一，航空电子产品从传统的分立式向开放式、综合式、模块式发展［２］，其复杂度和集成度显著提高，更多地采用中央处理器、存储器、可编程逻辑器件、大功率器件、微波射频器件等精密复杂且对应力敏感的器件；第二，航空装备技术性能指标要求的提升使航空电子产品面临更加复杂环境条件，其元器件承受的温度、振动、电磁等环境应力比一般电子产品更严酷；第三，航空电子产品的功能失效往往导致较为严重的后果，关键任务系统的失效不仅可能导致航空装备不能发挥作战效能，还有可能导致装备损毁和人员伤亡，因此航空电子产品的元器件可靠性要求较一般电子产品更高。
基金项目:航空基金-MEMS微机电传感器失效机理与模型研究,项目编号:2016ZC41002。
84
环境技术/Environmental Technology
１．２ 元器件合理选择原则及要素
元器件合理选择的目的是保证选择到的元器件的基本可靠性满足产品要求，其一般原则有：
１）应选择技术条件、技术性能和质量等级均满足产品要求的元器件；
２）应选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件；
３）军用电子产品应优先选择相关合格产品目录上的元器件或已通过ＧＪＢ ９００１Ｃ－２０１７认证的元器件生产厂家生产的元器件；
４）不应选择产品规定禁用的元器件，不应选择淘汰的元器件及已经停止或即将停止生产的元器件，不宜选择限制使用的元器件。
在工程研制过程中支撑元器件合理选择的主要要素有：元器件选择准则、优选目录、质量等级、筛选试验、ＤＰＡ等。
１．２．１ 元器件选择准则
元器件选择准则是按器件类型给出具体的条款的集合，主要分为推荐、允许、限制和禁止四种。推荐类条款使用“宜”、“应”等词语表示条件允许时应尽可能选用，如“非固体钽电解电容器应选择全密封（气密封）”；允许类条款用“可”等词语表示可以选用，如“合成电阻器可用于初始容差不高于±５ ％，长期稳定性要求不高于±１５ ％的电路中”；限制类条款用“不宜”“尽量不”等词语表示如非必须则尽可能不选用，如“石英晶体滤波器不宜用作大带宽的带通滤波器”；禁止类条款使用“不应”“禁止”等词语表示任何情况都不允许选用，如“半导体分立器件不应选择锗管”。元器件选择准则应结合航空电子产品的考虑而增加专用条款，例如不允许机载设备使用电解电容器，是考虑航空环境气压和振动的变化可能引起电解液泄露或爆炸。制定元器件选择准则主要参考的因素有：
１）元器件性能指标；２）元器件的封装工艺及材料；３）元器件的寿命及贮存期限；
T
echnicalColumn
技术专栏
４）元器件的失效率；
５）元器件的使用环境要求。
制定元器件选择准则的主体一般是电子产品研制单位，根据其研制产品的特点和元器件失效历史进行总结，因此元器件选择准则具有很高的专用性，不同研制单位的不同产品因为设计、工作环境、元器件采购渠道的不同，其元器件选择准则会有较大差异。
１．２．２ 优选目录
优选目录是权威部门机构或航空装备总体设计单位制定的，用以指导电子产品研制单位进行元器件选择的文件。优选目录将元器件依据选择的推荐程度分为优选、可选、限选等若干档，每一档又按元器件的类型分别给出元器件的基本信息，包括名称、型号、主要技术指标、工作温度范围、质量等级、技术标准、外形尺寸、生产厂家等。电子产品设计单位根据优选目录进行元器件的选择，通常要求是：
１）在满足性能和质量要求的前提下优先选择国产元器件；
２）尽量避免选择军温的工业级元器件；
３）严格控制目录外元器件的选择，目录外元器件的选择必须履行审批程序，经装备总体设计单位批准后方可装机。
１．２．３ 质量等级
元器件质量等级定义为元器件装机使用之前，按产品执行标准或供需双方的的技术协议，在制造、检验及筛选过程中其质量控制的等级。元器件质量等级是表征元器件固有可靠性的重要量化性指标，是航空电子系统设计师选用元器件时必须考虑的重要内容，也是物资、采购、质量及管理人员在采购和考核元器件时的重要依据［３］。航空电子产品元器件在选用时应满足表１所示的要求，但不应盲目选用过高质量等级的元器件，因为这样做不但不能带来产品可靠性的提高，反而会带来研制成本的浪费。
１．２．４ 筛选试验
统计数据表明，绝大多数元器件的失效率分布服从
２０１９年０４月／ Ａｐｒｉｌ ２０１９
85
技术专栏
T
echnicalColumn
“浴盆曲线”的规律，如图１所示。可见在元器件服役的初期其偶然失效率较高，因为部分存在缺陷或潜在缺陷的元器件会暴露并展现为失效。
筛选试验就是为剔除早期失效的元器件而进行的试验。常规筛选方法主要包括：检查筛查、功率老化筛选、密封性筛选和环境应力筛选。其中环境应力筛选是对产品施加合理的环境应力的筛选方法，是目前国内最有效、使用最广泛的使用方法。为各种应力对于激发元器件潜在缺陷的效果的统计结果，由此可见，温度循环和随机振动是效果最好的环境应力，应当优先考虑使用。［５］
筛选依据目的和实施主体的不同主要分为四类：一次筛选、补充筛选、二次筛选和升级筛选。其中产品研制单位实施的最常见的筛选是二次筛选。二次筛选是元器件使用方进行的或委托第三方机构进行的筛选试验，
表1 基于质量等级的元器件选用原则
选用原则
器件类型
国产元器件
进口元器件半导体集成
选择B-1及以上质量等电路
选择B1及以上质量等级
级
半导体分立晶体管和二极管选择B1
晶体管和二极管选择
器件及以上质量等级，电子管
选择A2及以上质量等级JANTX及以上质量等级
电阻器和电
位器选择A2及以上质量等级
选择P及以上质量等级
纸介、铝电解电容器选择
电容器
A2及以上质量等级，其余选择P及以上质量等级选择B1及以上质量等级
变压器选择军用级，线感性元件选择B1及以上质量等级
圈选择P及以上质量等级
机电式继电器选择P及继电器选择A2及以上质量等级以上质量等级，固体和延时继电器选择军用级开关选择B1及以上质量等级选择军用级电连接器选择A2及以上质量等级选择军用级磁性器件
选择A及以上质量等级
选择军用级石英谐振器选择A2及以上质量等级选择军用级滤波器
选择A及以上质量等级
选择军用级
86
环境技术/Environmental Technology
其目的是补充一次筛选的不足，进一步提高元器件的批质量。
航空电子产品元器件因其高可靠性用的要求，二次筛选的基本要求较一般电子产品元器件更高，主要有：
１）所有装机元器件都应进行二次筛选，不具备筛选能力或条件的，应随高一级别模块进行环境应力筛选；
２）筛选项目应是非破坏性的，筛选过程不能给元器件带来损伤；
３）筛选应力不应超过元器件的极限，一般按相关元器件规范、标准或元器件数据手册相关规定进行；
４）二次筛选不应机械复制一次筛选的项目和应力，应对元器件进行有针对性的筛选，不得遗漏对激发元器件失效有明确作用的筛选项目，也不应增加对激发元器件失效无用的项目。
５）筛选不合格的元器件不允许装机使用。
元器件筛选项目的安排不仅影响筛选的时间和经济
成本，还有可能影响筛选项目对受筛元器件潜在故障的激发和检出效果。元器件筛选项目先后次序的安排原则是：
１）能筛选出失效概率大的失效模式的项目先做；２）当一种失效模式可以与其它失效模式产生关联时，应将能筛选出次失效模式的筛选项目放在前面；
３）使用不同项目对同一失效模式进行筛选时，首先考虑失效概率的分布，容易触发失效的筛选项目先做；
４）考虑经济性，便宜的先做；５）考虑时间性，时间长的后做；
６）测试顺序的安排是后面的参数能够检查元器件经前面参数测试后可能产生的变化［４］。
评价二次筛选结果的重要量化技术是批允许不合格率（Ｐｅｒｃｅｎｔ Ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ Ａｌｌｏｗａｂｌｅ，ＰＤＡ）。ＰＤＡ的值是经过某一步筛选项目后，受筛元器件缺陷率Ｐ的上限值。对某些筛选项目，其ＰＤＡ值应符合相关协议要求；如无相关协议要求，则应符合ＧＪＢ ７２４３－２０１１对该筛选项目的ＰＤＡ要求；ＧＪＢ ７２４３－２０１１没有要求的，一般ＰＤＡ应控制在１０ ％。除非另有规定，否则对有ＰＤＡ要求的筛选项目
应１００％进行。当筛选不合格品的百分比超过ＰＤＡ，筛选的元器件应作为批不合格品而被整批拒收。若无其他规定，对于未经ＰＤＡ控制的元器件，筛选合格品即可正常使用。
１．２．５ ＤＰＡ
破坏性物理分析（Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ，ＤＰＡ）是为验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范的要求，对元器件样品进行解剖，以及解剖前后进行一系列检验和分析的全过程，其全过程流程如图３所示。
考虑到其高可靠性要求和寿命要求，航空电子产品应进行的ＤＰＡ的元器件的范围包括：
１）关键、重要或新研元器件；２）质量等级低于规定要求的元器件；３）未按规定进行筛选的元器件；４）超过规定储存期限的元器件。
ＤＰＡ的抽样可以使随机抽样，也可以选择最能暴露缺陷的元器件，样品数量按ＧＪＢ ４０２７Ａ－２００６的规定设置，如元器件数量很少、元器件价格很昂贵，可以适当
图1 浴盆曲线
图2 各种环境筛选应力的有效性统计
T
echnicalColumn
技术专栏
进行调整。
根据ＧＪＢ ４０２７Ａ－２００６的规定，ＤＰＡ主要工作项目有外部目检、射线检查、超声波检测等１８个项目，根据元器件的不同特点和使用环境选择不同的ＤＰＡ项目。一般地，以鉴定为目的的ＤＰＡ应严格遵守ＧＪＢ ４０２７Ａ－２００６的规定进行试验不允许剪裁试验项目，以质量复验为目的的ＤＰＡ项目允许进行试验剪裁［６］。
ＤＰＡ是一种能够有效发现元器件缺陷和潜在缺陷的手段，对防止有不合格的元器件批次装机航空装备，提高航空电子产品元器件的批质量具有重要意义。一些筛选不能发现的缺陷通过ＤＰＡ可以容易地发现，例如元器件壳体内部的水汽随着时间推移会造成触电腐蚀，这种缺陷在二次筛选中几乎无法发现，然而ＤＰＡ中的水汽含量试验却能轻易发现。
１．２．６ 失效分析
失效分析的主要任务是使用电、物理、化学等手段对失效元器件进行分析以确定其失效模式、失效机理，推断其失效原因。失效分析的一般流程如图４所示。
失效分析确定的失效机理和性质可以为研制单位提
图3 DPA工作流程
２０１９年０４月／ Ａｐｒｉｌ ２０１９
87
技术专栏
T
echnicalColumn
供关于元器件固有可靠性的信息，从而支撑元器件选择准则的制定。某产品研制单位发现某批次单片集成电路在装机后出现输出管脚无信号，经失效分析发现失效模式是键合丝断裂如图５所示，失效原因是器件本身工艺不合格，研制单位据此制定出“不宜选用此型号集成电路，若不得不选用，应加强到货检验试验”的元器件选择准则。
图4 失效分析流程
图5 失效分析案例（键合丝断裂）
88
环境技术/Environmental Technology
２ 航空电子产品元器件选择建议
目前航空电子产品元器件的选用存在设计和可靠性“两层皮”的现象：一方面设计师系统往往关注产品功能的实现而忽略所选用的元器件的性能和可靠性是否达到要求，在元器件选用和试验方面随意性较大；另一方面质量师系统不能针对产品的设计特点和任务需求提出可以直接落实的元器件选用要求，鉴定和外场发现的失效只能进行事后总结，不能从设计阶段指导本产品的可靠性工作。
为了在元器件选用环节解决设计和可靠性“两层皮”现象，从航空电子产品研制单位的角度，建议采取以下措施：
１）应将可靠性正向设计在研制早期融入产品设计中设计师系统和质量师系统应协同合作，综合产品需求、可靠性要求、优选目录、元器件质量等级等要素，制定切实可行的元器件选择准则，在产品的设计早期进行宣贯，在产品设计制造全过程中予以监督检查。建立元器件选择准则数据库平台，紧跟产品功能性能要求及元器件发展动态，对数据库平台进行维护和更新。
２）应规范元器件二次筛选和ＤＰＡ
应保证二次筛选和ＤＰＡ对象覆盖范围全面、试验
项目无遗漏无多余、试验应力符合规范要求、记录报告齐全，应保证ＤＰＡ样品抽样符合规范要求，应在筛选环节中落实ＰＤＡ技术，未经二次筛选的元器件应随高一级模块进行环境应力筛选。对ＤＰＡ不合格和二次筛选不符合ＰＤＡ要求的元器件进行批拒收，对二次筛选不合格的元器件不予装机。
３）应加强元器件的失效分析
对试验和外场发生失效的不能确定失效模式和失效机理的元器件进行失效分析，基于分析结果对失效产品进行改进和补偿，优化元器件选用、完善元器件选择准则。
３ 结语
元器件选择是保障航空电子产品可靠性的前提性和
（下转93页）
试验。在加速可靠性试验中，加速因子［８］：
A＝λtest/λuse
此处：
λuse—实际使用环境条件下的失效率；λtest—加速试验环境条件下的失效率；
Ａ—产品的加速因子。
显然，加速因子和环境折合系数虽然表述上有区别，但实质上的内涵是一致的。
根据ＧＪＢ ８９９Ａ－２００９对装备进行可靠性鉴定时，对于不同的海军电子装备来说，一般均有其固定的试验剖面，每种试验剖面代表了一种典型的使用环境。并且，海军电子装备的试验剖面可根据ＧＪＢ ２９９Ｃ－２００９中元器件的环境系数来区分其严酷程度，比如半导体单片集成电路在舰船普通舱内环境的环境系数为１０，在舰船舱外环境的环境系数为１４，说明舰船舱外环境相对于舰船良好舱内环境严酷了１．４倍。因此，这里可以将实际安装在舰船舱内的电子装备，按照舱外设备的试验剖面进行可靠性试验；并利用本文提出的环境折合系数，将装备在严酷环境下进行的可靠性试验时间，折合到其实际使用的良好环境下的试验时间。
本文提出的环境折合系数确定方法，主要是利用ＧＪＢ ２９９Ｃ－２００６，原理简单明了，可解释性强，计算简单便捷。目前，环境折合系数已在海军多型装备的可靠性指标验证中推广应用，得到用户的认可。但在实际使用中，对研制单位的可靠性预计工作以及元器件信息的收集工作提出了更高的要求，只有加强这方面的工作，才可尽量保证环境折合系数的准确性。同时，本文提出的利用环境折合系数进行加速可靠性试验的理念，对于降低装备可靠性鉴定试验的成本也提供了一种思路。
参考文献：
[1]赵婉,温玉全.可靠性评估领域中环境因子的研究进展[J].电子产品可靠性与环境试验, 2005（02）.
T
echnicalColumn
技术专栏
[2]扈延光,王志敏,闫蓓.可靠性评估中环境因子的一种工程确定方法[J].科学技术与工程, 2005（08）.
[3]马铖.某大型电子系统可靠性指标验证方法[J], 电子产品可靠性与环境试验, 2017（02）.
[4] HJB 54-1993,武器系统及设备可靠性评定要求和方法[S].[5] GJB/Z 299C-2006,电子设备可靠性预计手册[S].
[6]康锐,石荣德,等.型号可靠性维修性保障性技术规范（第2册）[M].北京：国防工业出版社, 2010,10.
[7] GJB 899A-2009,可靠性鉴定和验收试验[S]. [8] GB/T 34986-2017,产品加速试验方法[S].
作者简介：
鲁雪峰，工学硕士，工程师，主要研究方向为可靠性试验及评价、环境试验等。
（上接88页）
基础性工作，也是一项包含设计、可靠性、试验和管理的综合性工程。航空电子产品的研制单位应从产品设计初期入手，全面地进行元器件的合理选择并做好信息和数据的收集、传递、整理工作。
参考文献：
[1]付桂翠. 电子元器件使用可靠性保证[M]. 北京：国防工业出版社，2011.
[2]吴毅民. 航空电子产品制造过程的质量风险及应对措施[J]. 航空电子技术，2018（9）：52-56.
[3]黄姣英，高成. 元器件质量与可靠性工程基础[M]. 北京：国防工业出版社，2018.
[4]朱瑜. 元器件筛选先后次序的决定原则[J]. 电子工程师，2008（3）：9-11.
[5]邹炜. 浅谈武器装备电子元器件筛选[J]. 微电机，2016（5）：95-97.
[6]余振醒. 军用元器件使用质量保证指南[M]. 北京：航空工业出版社，2003.
作者简介：
刘海天（1990.6-），男，河北涿州人，硕士，助理工程师，研究方向为电子产品可靠性分析与评价。
徐文正（1982.5-），男，山东淄博人，硕士，高级工程师，研究方向为机载产品通用质量特性。
２０１９年０４月／ Ａｐｒｉｌ ２０１９
93
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容