专家观点|宇航EEE元器件的规范体系（6）

观点来源：大国重器专家组成员张伟

欢迎更多专家和同仁加入我们分享您的观点。

这个系列来自于已故的德国元器件专家Rudolf Theis博士，他是德国TESAT公司元器件部的首任部长，也是ESCC体系的奠基人之一。他对中国非常友好，在70多岁高龄的时候，还亲自到中国元器件生产厂指导质量改进工作，并最终促成了中国宇航元器件（钽电容）向欧空局项目的第一单出口。也为CAST元器件规范体系的建立提出了很多中肯的意见。2010年，他曾经应邀来到北京，给国内的顶尖的元器件专家做过一个系统的讲座，讲述世界范围内宇航EEE元器件的标准的历史和现实情况。

我与老先生素未谋面，但机缘巧合之中，得到了老先生的一份讲义。此后多年，这份讲义一直为我学习和理解宇航元器件相关知识提供了认知框架。某种意义上，老先生是我成长路上的一位“传灯人”。今天，我想把一直珍藏的讲义，拿出来分享。在汪洋的信息中，正本清源。也希望可以点亮更多爱智求真的同行从业者。

再一次向老先生表达我的敬意！

前面五篇完整讲了从无到有建设一个高可靠元器件规范体系需要考虑的各种要素:

随后的几篇将会介绍世界范围内出现过的规范体系和它们的发展历程，分别包括：

美军标MIL体系

NASA元器件规范体系

ESCC元器件规范体系

ECSS规范体系

JAXA规范体系

CECC规范体系

各种企业内部规范体系

ESA PSS规范体系

美军标MIL体系

1 概述

MIL规范体系是一个巨大的系统，不仅仅涵盖EEE元器件，还规定了美国军事组织所需的其他材料，设备，服务等；
对于EEE元器件，体系中几乎规定了所有类别和大量元器件类型；
经过60年的发展，该体系已经达到今天的现有规模，并且被公认为是全球领先的体系。
该体系涵盖了多个不同的质量等级，因此不仅适用于宇航元器件，还适用于军事应用中的EEE元器件的所有其他需求。
与其他专门的宇航元器件体系相比，MIL体系具有很大的优势：基础设施成本不必仅由宇航元器件承担，而是在体系中涉及的所有元器件之间分担；
美国以外的制造商也可以在MIL规格体系内获得鉴定资格（一些欧洲制造商是MIL体系鉴定合格的EEE元器件制造商）。
用户使用MIL规范体系时，是免费的。
与其他规范体系（例如ESCC）相比，MIL规范体系并没有那么协调一致（在不同的总规范中，对同一问题可能定义了不同的要求）。

2 历史

政府电子产品的标准化可以追溯到美国海军开发的最初的MIL-E-1真空管规范；
在1950年代，发生了从真空管到晶体管和二极管的过渡。美国海军相应的制定了MIL-S-19500；
随着集成电路数量的增加，1968年制定了MIL-STD-883，1969年又制定了MIL-M-38510。
在MIL-STD-883和MIL-M-38510之外，其他新规范的需求也出现了，比如：用于生产线认证程序的MIL-STD-976和MIL-STD-1772。
1991年在MIL-M-38510规范中引入了QML方法来鉴定制造商定义的技术流程，规范已更改为MIL-I-38510。
为了反映出采办改革：“不要告诉制造商如何制造零件，而只是告诉他们您需要零件如何执行”（性能规范）的宗旨，1996年MIL-PRF-38535取代了Mil-I-38510。

3 组织

对新MIL规范和现有MIL规范的更新或修改，在DSCC发布之前，必须由以下小组讨论并同意：

4 体系的结构

军用规范（MIL Specification）“描述产品的物理和/或操作特性”；
军用标准（MIL Standards）“详细说明用于制造产品的过程和材料”；
军用手册（Handbook）是汇编信息和/或指南的主要来源。

目前，DSCC针对EEE元器件已经发布了如下数量的文件，分别是规范：

32份军用手册

最著名的手册是：MIL-HDBK-217（EEE部件的故障率计算）。该文件在1996年的采办改革期间被废止，但今天仍在多个航天项目中使用。

36份军用标准，最著名的标准是：

MIL-STD-202，电子和电气元器件的测试方法，
MIL-STD-750，半导体器件的测试方法，
MIL-STD-883，微电路测试方法标准，

112份性能（通用）规范，最常见的规范是：

MIL-PRF-19500，半导体器件，（153页）
MIL-PRF-38534，混合微电路，（96页）
MIL-PRF-35535，集成电路（微电路）制造（177页）
MIL-PRF-xxxxx，无源组件

91份军用标准通用规范：

MIL-M-38510，微电路
MIL-X-xxxxx，无源元件

数千份斜线表（详细规范）和SMD（制造商编写的微电路详细规范，5962-YYYY）。
此外，还有一些用于系统运行的内部文件，这些文件不能免费评估，例如：MIL-STD-961共有111页，涵盖了制定国防规格的格式和内容要求。

5 基础标准

MIL-STD-202

这个标准建立了测试电子和电气元器件的统一方法，包括用于确定对自然因素和周围环境条件的抵抗力的基本环境测试，以及物理和电气测试。
该标准主要适用于电容器，电阻器，开关，继电器，变压器，电感器等。
描述的测试方法准备用于以下目的：

指定可获得的合适条件，使测试结果等于实际条件，并获得测试结果的可重复性。
用一种标准描述：

（1）在电气元器件规范中出现的所有具有相似特征的测试方法，
（2）适用于多种规格的测试方法，以及
（3）公认的极端环境，特别是温度，大气压力

在适用的情况下，针对环境，物理和电气测试所述的测试方法也应适用于未经批准的军用规范，军用表形式标准，规范表或图纸所涵盖的元器件。

测试分为三类：测试方法从101到199（含），涵盖环境测试；编号从201到299的方法，涵盖物理特性测试；编号从301到399（含）的方法，涵盖了电气特性测试。
在每个类中，测试方法按照引入本标准的顺序进行编号。
供规范编写者参考：需要强调测试应遵循一定顺序的原理，即在元器件进行耐湿性测试之前要对其进行机械和热应力处理。
在这三个组和子组的任何一个中，顺序是首选的，但不是强制性的。
建议在所有新规范中以及在可行的情况下对现有规范进行修订时都应遵循此顺序
对于全密封部件，不需要进行耐湿性测试时，可以使用高敏感性的密封试验代替耐湿试验。
MIL-STD-202的测试方法已在MIL体系之外的许多其他规范系统中引用。

MIL-STD-750

按照MIL-STD-202的定义，这个标准具有相同的适用性，不同之处在于该测试和方法可用于晶体管，二极管，稳压器，整流器，隧道二极管和其他相关部件。也就是说，本标准仅适用于半导体器件。
以下MIL-STD-750测试被归类为破坏性测试：

以下MIL-STD-750测试被归类为非破坏性测试：

MIL-STD-883

测试方法：

1000系列：环境测试；
2000系列：机械测试；
3000系列：电气测试（数字）；
4000系列：电气测试（线性）；
5000系列：测试流程

TM5004：筛选流程，定义了两个质量等级（分类）：B级（军用）& S级（宇航）；
TM5005：鉴定和质量一致性流程，定义了5个测试组：A, B, C, D, E

6 总规范/通用规范

“旧规范”的编号通常是MIL-M-XXXX, MIL-C-XXXX，有些元器件家族还在使用“旧规范”；“新规范”的编号通常是MIL-PRF-XXXX

"PRF”="Performance” (性能规范)，反映采办改革的要求：“不要告诉制造商如何制造器件，只要告诉他们你需要什么样的器件性能”；
采购改革使元器件管理从QPL转变为QML

MIL-PRF-38535 “集成电路（微电路）生产通用规范”，替代了MIL-M-38510

定义了M, N, T, Q, V五个等级（也被称作 QML-N, -M, -T, -Q, -V）引用了MIL-STD-883的测试方法；
Q和V是两个最常用的等级：QML Q相当于旧规范的B级（军用），QML V相当于旧规范的S级（宇航）；Q和V级器件，相比于B和S级器件在测试方面进行了优化，比如减少测试项目，降低成本等等；能够做到这些是因为多年积累的生产和测试数据，并且得到了DSCC的批准。这也是QPL转变为QML的主要动力。
M级：未经DSCC鉴定和认证，而是由制造商“自行按照883B标准认证”，再经由DSCC批准审核的。不能进行测试优化，所有“883B级测试必须执行。

MIL-PRF-19500 “半导体器件通用规范”，替代了MIL-S-19500

定义了JAN, JANTX, JANTXV, JANJ, JANS五个等级，引用MIL-STD-750的测试方法；
JANTXV（军用）和JANS（宇航）是两个最常用的等级

7 详细规范

从属于通用规范（总规范）：

集成电路：斜线表MIL-M-38510/XXX或者SMD（Standard Microcircuit Drawing, 标准微电路图纸）5962-YYYY;
分立器件：MIL-PRF-19500/XXX
无源器件：MIL-PRF-ZZZZZ/XXX

规定参数和功能限值，RHA（Radiation Hardness Assurance, 辐照加固保证）等级，测试条件，封装尺寸等；
SMD的一个例子：器件90C32, NSC生产的，5962-95834 01 Q FA

上面的01，在详细规范中解释为：DS90C32，是NSC生产的；如果变成02就是UT54LVDS032, 就是Aeroflex UTMC生产的产品了

上面的Q，表示等级是Q，具体要求需要参照对应的通用规范（总规范）MIL-PRF-38535

8 质量等级

总体而言：

集成电路和分立器件：基于筛选等级

无源器件：基于可靠性性能（“Established Reliability，建立的可靠性”, ER）

可靠性值建立在为失效率等级（Failure Rate Levels, FRL）而进行的寿命试验的基础上，采用：
a. 根据MIL-STD-690，每1000小时1.0％至每1000小时0.001％。以60％的置信度建立FR等级，并保持在10％的生产者风险（指数分布）；
b. 每1000小时1.0％至每1000小时0.001％, 以90％的置信度（威布尔分布）
最常用的等级：威布尔FRL的C级和D级，指数分布的R级和S级

9 QPL与QML

从QPL到QML

QPL：Qualified Part List 旧规范体系基于器件鉴定；
QML：Qualified Manufacturer List

新规范体系（1991年开始）是过程导向的，允许制造商对整条生产线进行鉴定；
TRB体系（Technical Review Board)：周期性数据审查和流程变更最终管理（设计、技术、筛选、QCI等）
首个QML器件是集成电路，采用SMD规范，由生产厂编写；
主要的QML：

QML-19500
QML-31032
QML-38534
QML-38535

主要的变化：给鉴定和认证合格的制造商更大的弹性，从MIL-STD-XXX测试方法定义的基线进行测试优化。

10 鉴定合格制造商清单（QML）与性能规范

概述

1991年，为了将规格鉴定更改为生产线鉴定（QML），MIL-M-38510转变到MIL-I-38510，并在1996年增加了性能规格要求，因此最终变成了MIL-PRF- 38535规范，QML和性能规范。
MIL-PRF-38535是一种性能规范，意味着它是描述性的，不是说明性的，大多数附录提供的是准则，而不是真正的要求。
该规范使器件制造商可以灵活地基于统计数据减少非增值测试。
对于采购的元器件，很难知道哪个测试已被取消。
该规范旨在记录最佳商业实践。
最初，仅允许先前通过QPL（MIL-I-38510）认证的供应商过渡到MIL-PRF-38535。后来改变了，并允许MIL-STD-883供应商过渡。
为了处理QML和性能规范问题，必须在制造商设置技术审查委员会（TRB）

Technical Review Board (TRB)

TRB职责: 制造商定义自己的TRB结构。TRB的目的是评估提议的产品/过程更改对可靠性以及形式，装配和功能的影响。TRB负责产品质量规划，并由QM计划覆盖以引入新产品，并维护QML线。将负责管理TRB的书面程序，应按照程序中的规定进行维护和更新。
TRB的组织结构: 制造商的TRB将确保在设备设计，技术开发，晶圆制造，组装，测试，生产和质量保证的代表之间建立并保持沟通。TRB旨在成为跨职能的技术小组。制造商应将其TRB联系人的姓名和电话号码提交给鉴定机构。TRB的成员应具有做出决定的责任和权力以及执行这些决定的资源。
QM计划: 任何制造商的QML系统的核心都是QM计划。QM计划定义了制造商如何设置QML，认证了哪些过程以及生产QML认证设备要遵循的程序。TRB职责制造商定义自己的TRB结构。TRB的目的是评估提议的产品/过程更改对可靠性以及形式，装配和功能的影响。TRB负责产品质量规划，并由QM计划涵盖以引入新产品并维护QML线。负责TRB运作的书面程序应按照程序中的规定进行维护和更新。
TRB具体职责定义如下：

TRB将保持有关QML技术和产品状态的鉴定更新活动。
TRB将拥有一套评估和监控其产品质量和可靠性的方法。
TRB应设定可衡量的质量目标，并监控其在实现这些目标方面的进度。
由TRB定义产品/技术系列。
TRB负责控制所有认证的技术系列。
适用时，制造商可以拥有多个TRB。
TRB控制军用产品设计变更，材料变更和过程变更的所有方面。TRB监视所有合同服务的绩效。
TRB将批准每个过程的所有过程流程图，故障模式影响分析（FMEA）和控制计划。TRB确定需要哪些测试或验证来证明提议的设计和构造更改。
TRB决定应使用哪些设备（比如：最坏情况）来鉴定新技术系列。
TRB还将解决关键人员变更对质量管理体系的影响。
TRB应保留记录并提供给合格机构审查要求TRB定期向合格机构报告QML技术和产品的状态。

11 混合电路

MIL-PRF-38534定义了混合集成电路，多芯片模块（MCM）和类似器件的一般要求。
本规范提供了五个质量保证等级：Class K, H, G, E, D，最常用的是K和H；
辐射加固保证（RHA）器件必须满足指定级别M = 3 Krad到H = 1000Krad的附加性能要求。
必须对半导体芯片，无源元件，基板和封装等进行元件评估，以验证采购的材料和管芯是否符合其指定的特性。

12 裸芯片

MIL规范系统还涵盖了半导体芯片的标准化和鉴定。
定义了两个质量等级JANKC和JANHC：JANKC适用于宇航应用，而JANHC适用于标准军事应用。
JANHC资格仅授予具有MIL-PRF-19500认证设施的制造商，JANKC资格仅授予经过MIL-PRF-19500认证的制造JANS产品的制造商。

13 辐照问题

在MIL规范系统中，“辐射”主题得到了很好的涵盖。与辐射有关的三种不同的性能（通用）规范，要求进行辐射批验证测试，并且在体系内，针对此主题发布了许多MIL-HDBK和测试程序。

MIL-HDBK（用于辐射）

MIL-HDBK-814：微电路和半导体器件的电离剂量和中子加固保证准则，
MIL-HDBK-815：剂量率加固保证指南（剂量率辐射对半导体电子器件的影响的限制），
MIL-HDBK-816：制定辐射加固保证器件规范的指南，
MIL-HDBK-817：系统开发辐射加固保证，

MIL-STD-750（辐射测试方法）

1017 中子辐射，
1019 稳态总剂量辐照，
1080 单粒子烧毁和单粒子栅穿测试，
3478 功率晶体管电剂量率测试方法，

MIL-STD-883（辐射测试方法）

1017 中子辐射，
1019 电离辐射（总剂量）测试程序，
1020 剂量率引起的闩锁测试程序，
1021 数字微电路剂量率翻转测试
1023 线性微电路的剂量率响应，

此外，在通用规范中，还引用了联邦辐射规范，例如：

ASTM F1192-半导体器件重离子辐照引起的单粒子现象测量的标准指南。
ASTM F1892-半导体器件电离辐射（总剂量）效应测试的标准指南。

ASTM =美国测试材料协会（ASTM）

混合集成电路的辐照问题

MIL-PRF-38534的附录G覆盖了混合集成电路和多芯片模块的辐照问题；
由制造商或制造商与第三方来源的RHA领域的专家共同确定在适用环境中确定辐射加固的验证方法。
由于混合集成和MCM技术以及RHA环境的类型多种多样，因此制造商之间的验证方法可能会有很大差异。
有可能在单个元件（半导体芯片）的水平上或在整个混合电路上考虑辐射要求。

作者简介：张伟，无锡海瑞航天信息科技有限公司总经理，高可靠元器件从业者，原航天五院进口元器件采购处副处长，原德国TESAT-SPACECOM中国业务代表

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