宇航用COTS器件質(zhì)量保證要求-編制說明

1、宇航用 COTS 器件質(zhì)量保證要求編制說明中國空間技術(shù)研究院2020 年4月1宇航用 COTS器件質(zhì)量保證要求一、工作簡況（包括任務來源、協(xié)作單位、主要工作過程、國家標準主要起草人及其所做的工作等）1.1任務來源根據(jù)國標委發(fā) 201929號文件國家標準化管理委員會關(guān)于下達2019 年第三批推薦性國家標準計劃的通知要求，由中國空間技術(shù)研究院（以下簡稱“航天五院”）負責開展國家標準宇航用 COTS器件質(zhì)量保證要求的制定工作，項目計劃號為20201647-T-469，項目周期為 2 年。1.2各階段工作過程2020 年 X 月 XX 日收到國標委下達的標準編制計劃。組織成立編制組， 開展標準編制工作

2、， 先后調(diào)研和查閱了相關(guān)標準和資料，于 2020年 4 月完成初稿。二、國家標準編制原則和確定國家標準主要內(nèi)容（如技術(shù)指標、參數(shù)、公式、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等）的論據(jù)2.1編制原則2.1.1統(tǒng)一性：各類管理和技術(shù)標準規(guī)范中的內(nèi)容與本規(guī)范內(nèi)容要求一致。2.1.2先進性：在充分借鑒同類基礎(chǔ)規(guī)范的基礎(chǔ)上，充分考慮到國內(nèi)元器件標準的特點，制定了本規(guī)范的內(nèi)容和框架，具體內(nèi)容充分參考了新編制完成的各類標準規(guī)范?？刹僮餍裕阂?guī)范的內(nèi)容在型號用元器件質(zhì)量保證工程任務中已經(jīng)被廣泛使用，可操作性強。2.2標準的主要內(nèi)容確定的依據(jù)調(diào)研情況國內(nèi)外宇航用 COTS 器件質(zhì)量保證技術(shù)發(fā)展隨著航天技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展

3、， 特別是科學探測、 遙感測繪、通訊轉(zhuǎn)播、減災救災、新技術(shù)驗證等民用、 商業(yè)航天項目越來越多， 單機的高性能、 低成本和短周期設計成為必然趨勢，各國均已經(jīng)以不同的形式成功應用了大量的商用器件， 并開展了相關(guān)選用、 質(zhì)量保證技術(shù)研究，1、美國研究現(xiàn)狀以 NASA 為代表的美國在對商用器件應用的嘗試，一致走在世界前列。表1 是其下2屬的 GSFC 和 MSFC 對 COTS 器件的應用策略。表 1 NASA 下屬機構(gòu)對COTS 器件應用策略機構(gòu)COTS 應用策略器件在使用上將質(zhì)量等級分為3 級，不同的器件具有不同的特性和應用戈達德空間飛環(huán)境。倘若對特定應用的器件在熱、力學、輻射方面進行徹底的評估后

4、，行中心（ GSFC） 確認其可以滿足任務需求的情況下，NASA 哥達德航天中心允許在航天器中使用 COTS 器件。MSFC 在使用上將器件分為4 個級別， 不同等級對器件具有不同的可靠馬歇爾空間飛性要求。 MSFC-STD-3012A明確了在 4 級器件中包含 COTS 器件，在沒有棄權(quán)聲明書的情況下禁止在應用等級為1 級的條件下選用 COTS 器行中心（ MSFC）件。并且在附件中規(guī)定了不同等級下COTS 器件的選擇、 篩選、鑒定和降額要求。近年來， NASA NEPP 一直致力于商用器件宇航應用方法及尋找合適的宇航應用器件的研究工作， 研究范圍包含汽車電子、 手機等各行業(yè)領(lǐng)域的先進器件，

5、 同時也在致力于新實驗方法、 使用指南的研究。 2017 年 6 月，NASA NEPP 電子技術(shù)年會中一個重要議題就是研究使用 非軍用或 非宇航 級元器件 的風險（ Risk Mitigation Using Non-Military or Non-Space Grade Products），但其具體內(nèi)容沒有公開發(fā)布。 受限于經(jīng)費限制， 研究集中于：混合信號器件、功率器件、光學器件、傳感器、嵌入式FPGA 等方面。2014 起，Navy Crane、AFSMC 兩家機構(gòu)合作開展了汽車電子元器件用于宇航的可靠性評價，其評價采用： 1）采購樣品，按照廠家承諾性能和參數(shù)進行評價；2）進行老煉和壽命

6、試驗評價可靠性。其評價結(jié)果將有助于汽車級器件的宇航應用。美國 政府電子 和信息技術(shù)聯(lián)合會發(fā)布 的GEIA-STD-0002 （ Aerospace QualifiedElectronic Component(AQEC) Requirements）中， GEIA-STD-0002-1 內(nèi)容是關(guān)于AQEC對 COTS 器件最低保證要求，質(zhì)量保證的主要試驗技術(shù)要求執(zhí)行美國汽車電子行業(yè)標準AEC-Q100（集成電路） 和 AEC-Q101（半導體器件）。經(jīng)過保證的 COTS 器件使用壽命目標至少 5 年（首選 10 年）。SAE 在 2015 年發(fā)布的 ANSI/GEIA 933-BCOTS 生產(chǎn)線管

7、理要求中指出，盡管先進商用器件有一整套質(zhì)量管理體制，但仍有不受控制的因素存在。 根據(jù)商用器件的特點建立了生產(chǎn)線管理要求，包含環(huán)境應力、降額、老化、可靠性、鑒定、技術(shù)狀態(tài)控制、假貨避免、停產(chǎn)管理等16 個方面的，作為工廠原有質(zhì)量體系的重要補充。需要考慮的因素包含：生產(chǎn)廠生產(chǎn)線情況、 宇航機構(gòu)認證情況、 生產(chǎn)制造水平、 主要產(chǎn)品系列、 國外高可靠領(lǐng)域使用情況和產(chǎn)品數(shù)據(jù)公開性等；歷史供貨情況； 持續(xù)供貨能力等； 建立制造商質(zhì)量評定、 COTS 元器件供應商名錄、元器件選用目錄等。3Space X認為采用 AQEC 的 ANSI/GEIA-STD-0002-1 標準或汽車電子協(xié)會元器件技術(shù)委員會（ A

8、EC）的 AEC-Q100 標準進行質(zhì)量保證的商用器件，與美軍標MIL-PRF-38535的質(zhì)量保證過程非常相似， 能夠滿足其具體航天任務的高可靠性要求，因此優(yōu)先選用該等級的產(chǎn)品。 另外，Space X通過選擇適當?shù)钠骷椭圃焐?，按照專用?成批次采購的模式，解決器件性能一致性和可信性問題，確保商用塑封器件的整體質(zhì)量水平穩(wěn)定可靠。2、歐洲研究現(xiàn)狀ECSS-Q-ST-60C 結(jié)合元器件應用環(huán)境分為了三個不同的等級。項目管理者需要根據(jù)工程的目標及其技術(shù)要求、 預算、允許風險和進度等方面的綜合因素來決定合理使用一種或幾種等級的元器件。標準給出的質(zhì)量保證要求包含：a 元器件項目管理b 元器件選用、評估

9、和批準c 采購d 操作和貯存e 元器件質(zhì)量保證f 專用元器件g 文件要求。德國航天航空中心（ DLR）2003 年發(fā)布了 DLR-RF-PS-006商用 EEE 元器件空間應用通用要求（ General Requirement for the Use of Commercial EEE Parts in SpaceApplications），明確了商用器件的空間應用可行性和需要采取的質(zhì)量保證要求。德國宇航局制定了相應的COTS 器件標準， DLR-RF-PS-004 規(guī)定了商用器件的風險分析。對于COTS 器件供應商的選擇，德國宇航局也有明確的要求，制定了對COTS 器件供應商的評價關(guān)鍵要素。

10、3、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)關(guān)于商用器件空間應用的研究起步較晚，但是由于面臨航天電子系統(tǒng)的技術(shù)指標提升迫切需求和國外元器件新技術(shù)嚴格禁運的嚴峻形勢，以及降低航天產(chǎn)品成本、 加快航天器研制進度的需求， 商用器件空間應用的意義重大。近年來，航天五院、 航天八院、中科院、中電集團等多家院所和部分高校都對商用器件的可靠性和空間應用的質(zhì)量保證要求進行了大量研究。國內(nèi)宇航型號對商用半導體器件的選用主要分為兩種情況。（1）型號中使用的一些高4性能高技術(shù)指標的先進器件國內(nèi)外市場上無軍品供貨，只能選擇工業(yè)級或商業(yè)級民用器件。如空間站用千兆 、萬兆以太網(wǎng)光 收發(fā)一體組件 中選用的半導體 激光器驅(qū)動芯片GN1157，其傳輸

11、速率可達 11.3Gb/s；以及 Everspin 公司生產(chǎn)的工業(yè)級 toggle MRAM ，目前也大量應用于宇航。 此類器件亦需根據(jù)其特殊的工作原理、 生產(chǎn)制造工藝及可靠性隱患制定針對性的升級篩選方案進行篩選， 從而保證其可靠性。（ 2）在商業(yè)航天快速發(fā)展的大背景下，低成本衛(wèi)星將 COTS 大量應用于小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星等低成本宇航型號。QJA 104-2013航天用進口元器件選擇控制要求將 COTS 器件歸于低等級元器件，給出了論證、 評估、批準、質(zhì)量保證的管理要求， 元器件質(zhì)量保證技術(shù)機構(gòu)依據(jù)質(zhì)量保證方案對低等級進口元器件開展升級試驗、篩選等質(zhì)量保證工作。航天五院制定了院標 低于規(guī)定等級元

12、器件質(zhì)量保證要求 ，具有 30 多年宇航元器件質(zhì)量保證經(jīng)驗， 含東三、東四平臺、 遙感平臺、載人航天等多個國家重點高難度宇航型號的元器件質(zhì)量保證工作。 大量商用器件在軌均無失效。 在十二五、 十三五期間， 完成了大量商用器件、低成本航天器相關(guān)國家級預研工作。與德國TESAT、俄羅斯 IRZ 公司分別建立了聯(lián)合試驗室，在COTS 器件保證方面與國外先進試驗室接軌。產(chǎn)品保證的基本內(nèi)容調(diào)研的貨架產(chǎn)品保證的相關(guān)標準，可以借鑒用于編制宇航用COTS 器件質(zhì)量保證要求。ISO 21350，Space systems - Off-the-shelf item utilization 指出空間項目經(jīng)常面臨使用

13、COTS，這些項目能夠縮短周期，更快的引進新技術(shù)和降低采購成本。貨架產(chǎn)品項目的使用與傳統(tǒng)的管理和工程實踐不同，在理解相關(guān)風險的基礎(chǔ)上， 系統(tǒng)構(gòu)建保證要求。 內(nèi)容主要包含：設計評價、宇航環(huán)境分析、技術(shù)狀態(tài)控制、接收試驗、保障要求等。盡管這個標準明確指出了不包含元器件，它的思想仍值得我們借鑒。JEDEC JESD31D.01， General Requirements for Distributors of Commercial and MilitarySemiconductor Devices，面向的對象是商業(yè)和軍用器件分銷商，為建立了庫存、增值及加工、重新包裝半導體器件及芯片提供了要求。針對商

14、用器件分銷銷商， 具體要求包含以下幾個方面： 分銷商質(zhì)量體系、 文件及狀態(tài)管理、 包含測試和篩選的增值過程控制、質(zhì)量記錄及可追溯性、庫存及不合格品控制、產(chǎn)品退貨、計量校準、假貨識別及風險控制等。GB/T25000.51-2010/ISO/IEC25051： 2006 軟件工程軟件 產(chǎn)品質(zhì)量 要求與 評價(SQuaRE) 商業(yè)現(xiàn)貨 (COTS)軟件產(chǎn)品的質(zhì)量要求和測試細則針對 COTS 軟件產(chǎn)品，這種5軟件產(chǎn)品與其用戶文檔集一起預先包裝好出售。包裝中提供出的信息常常是制造商或營銷組織能與用戶交流的唯一手段。由于COTS 軟件產(chǎn)品可能要在各種環(huán)境中運行，并且用戶是在沒有機會與類似產(chǎn)品作性能比較就作

15、出選擇，供方需要一種方式以確保COTS 軟件產(chǎn)品給予用戶服務信用。 一些供方可能選擇第三方的評價或認證，以協(xié)助其提供這種信用。此外，當用戶要求確保避免業(yè)務或安全攸關(guān)的風險時，這種保證可能需要由用戶在采購后選用特定的技術(shù)來處置，包含：COTS 軟件產(chǎn)品的要求、測試文檔集要求、符合性評價細則。標準編制過程的主要考慮結(jié)合上述調(diào)研情況，分析本規(guī)范編制過程的主要考慮以下內(nèi)容。概念和內(nèi)涵本標準中縮略語 “COTS”用作形容詞， 指“商業(yè)現(xiàn)貨的”。國內(nèi)外相關(guān)標準中對COTS相關(guān)的概念和定義如下表?；臼且恢碌?，結(jié)合我國宇航用 COTS 器件的特點，定義為采用商用成熟技術(shù)，可不按軍用或宇航標準設計和制造的、

16、不受政府采購限制的現(xiàn)貨器件。名詞CommercialOff-The-Shelf(OTS)HardwareCommercial Components表 2 常見國內(nèi)外標準中COTS 相關(guān)定義來源定義（原文）A classification for an assembly, part, or design for which the item manufacturer or vendor establishes performance and quality standards pursuant toNASA-STD-8739.10market forces rather than by enfo

17、rceable compliance to a government or industry standard.MSFC-STD-3012Assembly, part, or design that is readily available for procurement, usually to catalog specifications, without the necessity of generating detail procurement specifications for the item.ECSS-Q-ST-60CPart neither designed, nor manu

18、factured with reference to military or space standards.ECSS-Q-60-13C定義內(nèi)容對于組件、元器件、設計，由生產(chǎn)廠或者供方根據(jù)市場建立的質(zhì)量和性能控制標準，而不是由政府或者工業(yè)標準控制。對于組件、元器件、設計，隨時可供采購，通常采用目錄規(guī)范，而沒有必要為該項目建立細化的采購規(guī)范。設計、生產(chǎn)不參考軍用和宇航標準的元器件off-the-shelf（ OTS）COTSassemblyexistingitem whichhas been developed foraISO 21350specific application and is i

19、ntended to be used in another application.An assembly developed by a supplier for multiplecustomers,whosedesignandconfigurationisEIA-933Bcontrolled by the supplier ors an indust ry specification.為某一具體應用開發(fā)的已存在項目用于其他的應用。由供方為多個客戶開發(fā)的生產(chǎn)線，其設計和狀態(tài)由供方或行業(yè)規(guī)范控制。COTS 軟件產(chǎn)品GB/T25000.51 2010由市場驅(qū)動的需要而定義的、通過商業(yè)方式提供的、其

20、適用性已經(jīng)得到各類商業(yè)/ISO/IEC25051:2006用戶證實的商業(yè)現(xiàn)貨軟件。6SAE EIA-933 從宇航、軍用設備用戶角度，認為商用生產(chǎn)線的設計、內(nèi)部元器件、材料、狀態(tài)控制、鑒定方法有兩種可能性， 一是受到用戶的部分控制和影響， 供應商對用戶反饋非常敏感， 并愿意根據(jù)反饋做出更改。 然而，這種反應只是一般的， 除非供應商認為它對產(chǎn)品的市場表現(xiàn)有利， 否則不太可能做出具體的改變。 二是用戶不太可能獲得公布的datasheet以外的任何資料；此外， datasheet和其它重要信息可以不經(jīng)通知而更改。因此，對宇航用戶來講，COTS 器件質(zhì)量保證關(guān)注的重點是：1 審查和理解所有已接收的 C

21、OTS 元器件的設計、內(nèi)部元器件、材料、狀態(tài)控制、鑒定方法，以及它們系統(tǒng)應用相關(guān)的能力；2 識別存在的風險；3 采用額外的行動降低 COTS 器件的性能與可靠性相關(guān)的風險。主要框架按照 GB/T 1.1 2009 的規(guī)則建立本標準的基本框架；（ 1）總的篇章結(jié)構(gòu)遵循范圍、引用文件、定義、一般要求、關(guān)鍵項目具體要求、附錄（示例）的編寫規(guī)律；（ 2）一般要求中要對 COTS 器件質(zhì)量保證工作的共性要求進行說明， 包括保證的方法、項目和要求，器件防護，失效分析，信息及數(shù)據(jù)庫管理等；（3）關(guān)鍵項目具體要求中要對 COTS 器件質(zhì)量保證工作開展的項目、涉及到的關(guān)鍵技術(shù)方法等進行說明和示例。主要技術(shù)內(nèi)容的

22、說明本標準的主要技術(shù)內(nèi)容是COTS 器件質(zhì)量保證工作關(guān)鍵項目具體要求。針對不同的應用場合， NASA NASA-STD-8739.10 、EEE-INST-002、MSFC-STD-3012指南將元器件分為不同的應用等級，并給出了不同等級元器件建議的應用任務周期，見表3。ECSS-Q-ST-60 給出了 3 個保證等級， 針對不同的等級， 從元器件控制大綱開始， 對涉及元器件的整個過程給出了要求。雖然NASA 、 ECSS 給出了不同應用等級對應的典型任務周期，但是僅是根據(jù)項目的風險進行了定性的判斷，沒有建立定量的對應關(guān)系。 而實際工作中，壽命并不是表征任務風險的唯一指征，需要進行任務需求分析

23、針對性判斷。因此，本標準在分析器件的基礎(chǔ)信息與任務需求差異的基礎(chǔ)上制定質(zhì)量保證方案。也可考慮針對壽命、軌道等宇航任務特征按照風險等級分級制定通用質(zhì)量保證方案。表 3 NASA 元器件應用等級與保證要求應用等級任務要求應開展的保證工作7應用等級1 級2 級3 級項目評估文檔篩選批接收試驗任務要求應開展的保證工作要求最高可靠性和最低風險的任務。應對其抗輻射能力進行審查，如果得不到有關(guān)這1 級應用等級項目的典型的任務周方面的信息，則需要對其進行抗輻射能力評估試期為 5 年或更長。驗。按照最高要求進行篩選、鑒定。將風險降低到低到中等水平的任務。應對其抗輻射能力進行審查，如果得不到有關(guān)這項目的典型的任務

24、周期為1到5年。方面的信息，則需要對其進行抗輻射能力評估試驗。按照 2 級要求進行篩選、鑒定。主要用在可以使用具有較高風險的應對其抗輻射能力進行審查，如果得不到有關(guān)這元器件的任務場合中。 典型的任務周方面的信息，則需要對其進行抗輻射能力評估試期為1到2年。驗。按照 3 級要求進行篩選、鑒定。表 4 歐洲低等級半導體器件的保證要求不同等級的保證要求區(qū)別1 級2 級3 級結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)分析；表征試驗；表征試驗；抗輻射能力HAST 試驗；HAST 試驗；評估。2000h， 125高溫壽命試驗；2000 小時， 125高溫壽命試驗；500 次溫度循環(huán)；500 次溫度循環(huán)；抗輻射能力評估?？馆?/p>

25、射能力評估。生產(chǎn)廠相關(guān)數(shù)據(jù)；可根據(jù)需求簡化?？筛鶕?jù)需求評估試驗；簡化。采購過程相關(guān)文件；批接收試驗數(shù)據(jù)；抗輻射能力評估、 RVT 。溫度循環(huán)；可根據(jù)需求簡化?？筛鶕?jù)需求初始電參數(shù)測試；簡化。PIND （適用時）；老煉試驗；三溫電參數(shù)測試；PDA 控制；密封性檢查（適用時）。結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)分析；可根據(jù)需求HAST 試驗；HAST 試驗；簡化。2000h、 125高溫壽命試驗；2000 小時、 125高溫壽命試驗；500 次溫度循環(huán)；500 次溫度循環(huán)；RVT 。RVT 。質(zhì)量保證方案和試驗分析工作項目參照NASA EEE-INST-002 和 ECSS-Q-ST-60-13 標準進行完善，提出了

26、編制針對性質(zhì)量保證方案過程中需要考慮的問題，質(zhì)量保證試驗工作項目的原則和具體指南內(nèi)容。8三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟論證，預期的經(jīng)濟效果3.1 驗證分析情況本標準中的需求分析和試驗分析方法采用相關(guān)單位長期應用累積數(shù)據(jù)進行了驗證， 并在驗證數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對其進行分析和優(yōu)化，采用的 COTS 器件已有大量具有成功飛行經(jīng)歷，進一步證實了流程、方法的有效性。3.2 可實施性分析質(zhì)量保證過程從了解器件狀態(tài)、 應用背景信息入手， 通過編制方案，確定了試驗程序、試驗方法和要求，并獲得了大量試驗數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)，指導COTS 器件在宇航型號中成功應用，證明具體實施過程可操作性強。四、采用國際標準及國外先進標準的程度，以及與國際、國外同類標準水平的對比情況根據(jù)目前調(diào)研結(jié)果，國內(nèi)目前沒有宇航用COTS 器件質(zhì)量保證方面的標準、規(guī)范。本規(guī)范綜合了各宇航型號中1000 余例 /年的 COTS 器件質(zhì)量保證工程實踐經(jīng)驗， 在具體實施流程、試驗分析方法方面