航空电子系统和坚固耐用的 COTS 组件

从手动飞行控制转向电传操纵飞机给航空电子系统中商用现货 (COTS) 组件的使用带来了压力。随着这些组件具有更多的飞行功能，故障的可能性正在增加。减轻这些故障机制对于这些系统的进步至关重要。单凭 COTS 能否应对挑战？或者是否有一个衍生的 COTS 产品可以利用关键特性来揭穿失败？增强型产品 (EP) 形式的加固型 COTS 就是这种衍生产品。本文详细阐述了 EP 的细节以及它对高可靠性航空电子系统的意义。  

首先，让我们定义一些 COTS 组件中的常见故障机制。随着最近黄金和化合物（例如镍钯金）价格的上涨，许多 COTS 供应商正在转向铜键合线以降低成本。铜的可靠性尚未在关键任务应用、恶劣环境或需要长期休眠存储（10 至 20 年）的应用中得到证实。这是第三方/政府监管实体（如航空航天公司和国防后勤局 (DLA)）的共同研究课题。这些实体监管的 MIL-PRF-38535 确实指定了铜用于键合线；但是，DLA 资格要求从未定义过，DLA 也不允许用于 Q 类（军用）或 V 类（太空）产品中的铜。在 COTS 和汽车产品 (Q100) 中改用铜可能会带来寿命和可靠性问题。为了根据 MIL-PRF-38535 对航空电子应用进行加固，需要使用金键合线或镍钯金。

COTS 的另一个失效机制来自在引线框架涂层中使用纯锡 (Sn)。从历史上看，铅 (Pb) 一直是引线框架表面处理的主要元素，因为它可以高度可靠地连接到 PCB 焊盘。然而，铅会带来许多与健康相关的风险。这导致在 COTS 材料组（无铅）中用锡代替铅。但是，当锡受到很大的应力时，它会结晶并产生卷须，从而导致电短路。图 1 （参见： http: //nepp.nasa.gov/whisker/）说明了由锡产生的卷须“晶须”的生长，它延伸穿过引线框架中的两个相邻引脚，导致短路。

图 1：由引线框架形成的锡“晶须”（卷须生长）。资料来源：NASA EEE 零件和包装。

COTS 转向锡的意图在这里没有受到挑战。由于许多航空电子系统会承受很大的应力，因此应重新考虑使用锡。如果处理得当，铅基材料可以消除器件必须用于高应力应用时发生此类短路的风险。对于坚固耐用的 COTS 应用，似乎必须使用铅，除非有其他答案。  

另一种失效机制发生在航空电子系统中塑料部件的鉴定过程中。用于鉴定塑料部件的全部方法超出了本文的范围。在温度循环和压力测试期间，可能会发生分层或从芯片连接到组件封装内部的芯片提升。某些模塑化合物和芯片连接材料更容易分层，通常这些材料更便宜，但它们通常用于 COTS 组件。对于加固的 COTS 组件，应考虑通过构建粗糙的引线框架、改进的芯片连接和更好的模塑料（所有这些都是专有的并且通常更昂贵）来降低分层风险。  

航空电子系统的另一个动态是组件的长期使用或休眠存储。高度加速的压力测试 (HAST) 可以揭示这些使用情况下的故障机制。此压力测试的说明可在 JEDEC 网站上找到。通常，所有组件都通过 HAST 认证。但是，对于 COTS 组件，HAST 认证的时间通常较短（例如，96 小时）。对于坚固耐用的 COTS，强烈建议进行 250 小时的 HAST 测试。  

一旦一个部件符合航空电子系统的要求，就必须考虑制造的长期一致性。在新的半导体制造厂或组装和测试 (A/T) 现场从原始基线流程制造组件可能会导致原始鉴定未预测到的失败风险，因此应要求重新鉴定。组件的材料集也是如此。任何制造或材料的变化都会产生许多无法解释的变量。

如果需要更改，组件供应商必须发出产品更改通知 (PCN) 以允许在认为必要时对组件进行重新认证。这种一致性和 PCN 给组件带来了额外的成本。A/T 站点和材料组也是如此。与“基线控制”的一致性相比，COTS 流量可变性如图 2 所示。坚固耐用的 COTS 组件必须使用单一基线。

图 2：商业与受控基线增强产品 (EP) 流程。

在某些程序中，所有组件都需要标准微电路图 (SMD)。真正的 COTS 组件不提供此类图纸，因此需要设计人员创建内部规范。DLA 发布了供应商识别图 (VID)，其中包含组件供应商的数据表和修订版。然后，航空电子设备设计师拥有行业标准零件编号，无需在内部创建图纸。所有 VID 组件都可以在 DLA 的网站（国防后勤局）上找到。

德州仪器 (TI) 的增强型产品利用了 TI 商业产品组合的深度，同时为真正坚固耐用的 COTS 产品提供了上述增强功能。这些产品均提供 VID 绘图以加快文档编制和采购流程（TI 增强型产品）。

审核编辑 黄昊宇