航空電子系統(tǒng)和堅(jiān)固耐用的 COTS 組件

從手動(dòng)飛行控制轉(zhuǎn)向電傳操縱飛機(jī)給航空電子系統(tǒng)中商用現(xiàn)貨 (COTS) 組件的使用帶來了壓力。隨著這些組件具有更多的飛行功能，故障的可能性正在增加。減輕這些故障機(jī)制對于這些系統(tǒng)的進(jìn)步至關(guān)重要。單憑 COTS 能否應(yīng)對挑戰(zhàn)？或者是否有一個(gè)衍生的 COTS 產(chǎn)品可以利用關(guān)鍵特性來揭穿失??？增強(qiáng)型產(chǎn)品 (EP) 形式的加固型 COTS 就是這種衍生產(chǎn)品。本文詳細(xì)闡述了 EP 的細(xì)節(jié)以及它對高可靠性航空電子系統(tǒng)的意義。 ?

首先，讓我們定義一些 COTS 組件中的常見故障機(jī)制。隨著最近黃金和化合物（例如鎳鈀金）價(jià)格的上漲，許多 COTS 供應(yīng)商正在轉(zhuǎn)向銅鍵合線以降低成本。銅的可靠性尚未在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用、惡劣環(huán)境或需要長期休眠存儲（10 至 20 年）的應(yīng)用中得到證實(shí)。這是第三方/政府監(jiān)管實(shí)體（如航空航天公司和國防后勤局 (DLA)）的共同研究課題。這些實(shí)體監(jiān)管的 MIL-PRF-38535 確實(shí)指定了銅用于鍵合線；但是，DLA 資格要求從未定義過，DLA 也不允許用于 Q 類（軍用）或 V 類（太空）產(chǎn)品中的銅。在 COTS 和汽車產(chǎn)品 (Q100) 中改用銅可能會帶來壽命和可靠性問題。為了根據(jù) MIL-PRF-38535 對航空電子應(yīng)用進(jìn)行加固，需要使用金鍵合線或鎳鈀金。

COTS 的另一個(gè)失效機(jī)制來自在引線框架涂層中使用純錫 (Sn)。從歷史上看，鉛 (Pb) 一直是引線框架表面處理的主要元素，因?yàn)樗梢愿叨瓤煽康剡B接到 PCB 焊盤。然而，鉛會帶來許多與健康相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。這導(dǎo)致在 COTS 材料組（無鉛）中用錫代替鉛。但是，當(dāng)錫受到很大的應(yīng)力時(shí)，它會結(jié)晶并產(chǎn)生卷須，從而導(dǎo)致電短路。圖 1 （參見： http: //nepp.nasa.gov/whisker/）說明了由錫產(chǎn)生的卷須“晶須”的生長，它延伸穿過引線框架中的兩個(gè)相鄰引腳，導(dǎo)致短路。

圖 1：由引線框架形成的錫“晶須”（卷須生長）。資料來源：NASA EEE 零件和包裝。

COTS 轉(zhuǎn)向錫的意圖在這里沒有受到挑戰(zhàn)。由于許多航空電子系統(tǒng)會承受很大的應(yīng)力，因此應(yīng)重新考慮使用錫。如果處理得當(dāng)，鉛基材料可以消除器件必須用于高應(yīng)力應(yīng)用時(shí)發(fā)生此類短路的風(fēng)險(xiǎn)。對于堅(jiān)固耐用的 COTS 應(yīng)用，似乎必須使用鉛，除非有其他答案。 ?

另一種失效機(jī)制發(fā)生在航空電子系統(tǒng)中塑料部件的鑒定過程中。用于鑒定塑料部件的全部方法超出了本文的范圍。在溫度循環(huán)和壓力測試期間，可能會發(fā)生分層或從芯片連接到組件封裝內(nèi)部的芯片提升。某些模塑化合物和芯片連接材料更容易分層，通常這些材料更便宜，但它們通常用于 COTS 組件。對于加固的 COTS 組件，應(yīng)考慮通過構(gòu)建粗糙的引線框架、改進(jìn)的芯片連接和更好的模塑料（所有這些都是專有的并且通常更昂貴）來降低分層風(fēng)險(xiǎn)。 ?

航空電子系統(tǒng)的另一個(gè)動(dòng)態(tài)是組件的長期使用或休眠存儲。高度加速的壓力測試 (HAST) 可以揭示這些使用情況下的故障機(jī)制。此壓力測試的說明可在 JEDEC 網(wǎng)站上找到。通常，所有組件都通過 HAST 認(rèn)證。但是，對于 COTS 組件，HAST 認(rèn)證的時(shí)間通常較短（例如，96 小時(shí)）。對于堅(jiān)固耐用的 COTS，強(qiáng)烈建議進(jìn)行 250 小時(shí)的 HAST 測試。 ?

一旦一個(gè)部件符合航空電子系統(tǒng)的要求，就必須考慮制造的長期一致性。在新的半導(dǎo)體制造廠或組裝和測試 (A/T) 現(xiàn)場從原始基線流程制造組件可能會導(dǎo)致原始鑒定未預(yù)測到的失敗風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)要求重新鑒定。組件的材料集也是如此。任何制造或材料的變化都會產(chǎn)生許多無法解釋的變量。

如果需要更改，組件供應(yīng)商必須發(fā)出產(chǎn)品更改通知 (PCN) 以允許在認(rèn)為必要時(shí)對組件進(jìn)行重新認(rèn)證。這種一致性和 PCN 給組件帶來了額外的成本。A/T 站點(diǎn)和材料組也是如此。與“基線控制”的一致性相比，COTS 流量可變性如圖 2 所示。堅(jiān)固耐用的 COTS 組件必須使用單一基線。

圖 2：商業(yè)與受控基線增強(qiáng)產(chǎn)品 (EP) 流程。

在某些程序中，所有組件都需要標(biāo)準(zhǔn)微電路圖 (SMD)。真正的 COTS 組件不提供此類圖紙，因此需要設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建內(nèi)部規(guī)范。DLA 發(fā)布了供應(yīng)商識別圖 (VID)，其中包含組件供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表和修訂版。然后，航空電子設(shè)備設(shè)計(jì)師擁有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)零件編號，無需在內(nèi)部創(chuàng)建圖紙。所有 VID 組件都可以在 DLA 的網(wǎng)站（國防后勤局）上找到。

德州儀器 (TI) 的增強(qiáng)型產(chǎn)品利用了 TI 商業(yè)產(chǎn)品組合的深度，同時(shí)為真正堅(jiān)固耐用的 COTS 產(chǎn)品提供了上述增強(qiáng)功能。這些產(chǎn)品均提供 VID 繪圖以加快文檔編制和采購流程（TI 增強(qiáng)型產(chǎn)品）。

審核編輯 黃昊宇