Использование понятий однородности при проведении дополнительных испытаний электронной компонентной базы космического применения

В процессе развития космической индустрии сроки активного существования (САС) космических аппаратов (КА) неуклонно увеличиваются. Если в 80-х годах прошлого века САС КА составлял 3–5 лет, то современные КА должны обеспечивать бесперебойное выполнение своих задач в течение 10–15 лет.

При этом современный КА содержит порядка 100–200 тысяч электронных компонентов. С учетом того, что бортовая аппаратура КА при его

эксплуатации не подлежит ремонту, очевидно, что к электронной компонентной базе (ЭКБ) космического применения предъявляются исключительно высокие требования по надежности [1; 2]. В связи с этим совершенствование методологий повышения надежности ЭКБ космического применения имеет первостепенное значение для дальнейшего развития космической отрасли [3].

1.    Дополнительные испытания ЭКБ в испытательных технических центрах

В современной России комплектование КА ЭКБ космического применения имеет определен-

ную специфику. В США, Японии, Китае и странах Европейского Союза организовано специализированное производство электронных компонентов для космической отрасли (категория качества «Space»), превосходящих по качеству компоненты для других отраслей.

В Советском Союзе при его централизованной экономике, к сожалению, такое производство не было создано. В современной России создание специализированных производств ЭКБ космического применения оказалось неразрешимой задачей. Объем потребления ЭКБ космической от- ²¹⁰ раслью России составляет не более 2 % от общего объема производства этих изделий [4]. Для создания специализированного производства электронных компонентов категории «Space» требуются значительные инвестиции и большой объем организационно-технических мероприятий, что в условиях рыночной экономики отечественные предприятия электронной промышленности не могут себе позволить.

Исходя из этих реалий, космическая отрасль в России задачу комплектования аппаратуры КА электронными компонентами требуемого качества вынуждена решать самостоятельно. Это привело к созданию в рамках Государственной корпорации «Роскосмос» испытательных технических центров (ИТЦ), специализирующихся на выполнении данной задачи [5; 6]. Функция ИТЦ состоит в том, чтобы из партий ЭКБ общего военного применения отобрать нужное количество элементов, удовлетворяющих жестким требованиям космической отрасли.

В настоящее время, с учетом накопленного опыта, методология формирования партий ЭКБ космического применения, в общих чертах, выглядит следующим образом [7].

Для формирования партии ЭКБ космического применения в ИТЦ проводятся дополнительные испытания (ДИ) ЭКБ общего военного применения, в том числе ЭКБ повышенной надежности («ОС», «ОСМ», «Н»). Количество элементов поступившей на испытания партии ЭКБ всегда превышает количество элементов, необходимых для применения в аппаратуре.

ДИ состоят из трех видов испытаний:

• а)    неразрушающие или дополнительные отбраковочные испытания (ДОИ) для 100 % ЭКБ поступившей партии;

• б)    выборочный разрушающий физический анализ (РФА);

• в)    испытания на радиационную стойкость.

ДОИ – это не наносящие вреда элементам испытания, позволяющие выбрать лучшие в смысле надежности образцы. Для обеспечения максимального качества ДОИ подвергаются все (без исключения) электронные компоненты космического применения.

Том 4

ДОИ состоят из двух групп операций:

• а)    контроль технологии изготовления неразрушающими методами;

• б)    параметрический анализ.

Контроль технологии изготовления неразрушающими методами включает в себя:

• •    контроль наличия посторонних частиц в подкорпусном пространстве элементов ЭКБ;

• •    контроль герметичности корпуса элементов ЭКБ.

Параметрический анализ – это контроль, основанный на измерениях электрических параметров ЭКБ. Параметрический анализ включает в себя:

• •    контроль электрических параметров ЭКБ по ужесточенным нормам;

• •    электротермотренировка (ЭТТ) ЭКБ с контролем электрических параметров по ужесточенным нормам до и после ЭТТ;

• •    расчет дрейфа электрических параметров ЭКБ в процессе ЭТТ и контроль величины этого дрейфа;

• •    диагностические испытания (контроль вольт-амперных характеристик, побитовых токов, m -характеристик, токов потребления по шинам питания в момент переключения и пр.).

По результатам проведения ДОИ вся ЭКБ делится на три группы:

• а)    группа элементов ЭКБ, годных для космического применения;

• б)    группа бракованных элементов ЭКБ;

• в)    группа потенциально ненадежных элементов ЭКБ.

Группу годных для космического применения элементов ЭКБ составляют элементы, прошедшие ДОИ без замечаний.

В группу бракованных элементов ЭКБ входят элементы, для которых значения электрических параметров выходят за пределы границ, указанных в технических условиях (ТУ) на данный тип ЭКБ.

Группу потенциально ненадежных элементов ЭКБ составляют элементы, электрические параметры которых соответствуют ТУ, но не выполнившие какие-либо дополнительные требования в процессе ДОИ.

РФА – испытания, которые необходимы для оценки качества изготовления ЭКБ, но приводящие к разрушению испытуемых элементов. Соответственно, испытания такого рода могут проводиться только над специально сформированными тестовыми выборками с последующим распространением результатов испытаний на всю партию ЭКБ.

РФА содержит следующие операции:

• •    контроль содержания паров воды и анализ газов в подкорпусном пространстве ЭКБ;

• •    плазмохимическое травление и вскрытие пластмассовых корпусов;

• •    энергодисперсионный микроанализ поверхности кристаллов и различных загрязнений;

• •    внутренний визуальный осмотр с помощью растровой электронной микроскопии;

• •    контроль прочности внутренних соединений, испытания на сдвиг кристалла;

• •    контроль прочности крепления внешних выводов;

• •    контроль качества ЭКБ с использованием рентгеновского оборудования.

2.    Применение понятий однородности партий ЭКБ при проведении ДИ

В случае необходимости подтверждения характеристик радиационной стойкости ЭКБ проводятся испытания на радиационную стойкость на специально сформированной для этих целей тестовой выборке ЭКБ с последующим распространением результатов испытаний на всю партию. Проведение такого рода испытаний - задача, требующая специализации. Поэтому, как правило, большинство ИТЦ проводит эти работы в организациях, имеющих соответствующую компетенцию.

Формирование тестовых выборок для РФА и радиационных испытаний производится случайным образом. По результатам проведения РФА и радиационных испытаний принимается окончательное решение о судьбе партии ЭКБ. Если эти испытания дали положительный результат, то элементы, прошедшие ДОИ без замечаний, составляют партию ЭКБ, годную для космического применения. В случае отрицательных результатов вся партия ЭКБ признается негодной для космического применения.

Следует отметить, что приведенная выше методология ДИ является плодом многолетней творческой работы и хорошо зарекомендовала себя на практике. С другой стороны, к ней нельзя относиться как к чему-то окончательному и неизменному. Нужно ее дальнейшее совершенствование с учетом последних достижений в методологии испытаний и аппаратной части испытательного оборудования.

Применение понятий однородности партий ЭКБ является путем к дальнейшему усовершенствованию методологии ДИ.

Суть предложений состоит в следующем. В существующей методологии ДИ параметрический анализ носит персонифицированный характер, то есть осуществляется анализ электрических параметров испытываемых элементов с целью определения характеристик конкретного элемента. Вместе с тем, вся совокупность измерений параметров элементов партии ЭКБ несет в себе обобщенную информацию о свойствах партии в целом.

Очевидно, что эту обобщенную информацию можно и, главное, нужно использовать для повышения качества ДИ. И вот почему. За последнее десятилетие функциональная сложность, например, интегральных схем (ИС) возрасла в разы и даже в десятки раз. А это означает, что объем обрабатываемой информации одним корпусом ИС также существенно повысился, а значит, в приборах стало меньше ИС и это привело к повышению требований к надежности каждого корпуса. Следовательно, контроль качества ИС должен быть усилен.

Одной из обобщенных характеристик партии ЭКБ является такая характеристика как однородность. При этом можно выделить два различных понятия однородности.

Первое понятие. Назовем его однородностью первого рода , как возможность разбиения партии ЭКБ на группы (кластеры) элементов, близких друг к другу по своим характеристикам и при этом далеких по характеристикам от элементов других групп.

Второе понятие. Соответственно, назовем его однородностью второго рода , как меру сходства характеристик элементов внутри группы, обладающей однородностью первого рода.

Предположим, по результатам анализа измерений электрических параметров партия ЭКБ делится на ярко выраженные однородные (первого рода) группы. Очевидно, этот факт является отражением глубинных свойств, присущих данной партии: вариации в используемом сырье и примененной технологии изготовления, разные условия транспортировки и хранения и т. д.

Обладать этой информацией полезно. Полезно, в первую очередь, при формировании тестовой выборки для проведения РФА и испытаний на радиационную стойкость, так как, очевидно, что для уверенного распространения результатов на всю партию ЭКБ в тестовую выборку должны попасть представители всех выделенных однородных групп. Как было отмечено выше, в существующей технологии ДИ формирование тестовых выборок осуществляется случайным образом.

Это, в какой-то степени, оправдано в том случае, если партия попадает на испытания напрямую от завода-изготовителя с его гарантией, что вся она является частью одной технологической партии.

Но, во-первых, как говорится, доверяй, но проверяй. Во-вторых, в условиях рыночной экономики поставки ЭКБ зачастую производятся через посредников (квалифицированных поставщиков), при этом судьба поставленной партии может быть весьма туманной. При поставке же партии ЭКБ импортного производства проверка ее на однородность просто необходима.

Таким образом, осознанное формирование тестовых выборок для проведения РФА и радиа-

ционных испытаний на базе полученной информации об однородности партии ЭКБ, бесспорно, повысит уверенность в правильности интерпретации результатов анализов.

Информация об однородности второго рода испытываемой партии ЭКБ, в свою очередь, полезна при отбраковке сомнительных по качеству элементов.

Пусть по результатам измерения электрических параметров определено, что партия ЭКБ составляет одну однородную группу (обладает качеством однородности первого рода) или раз- 21 ² бивается на несколько групп. Далее каждая группа анализируется на однородность второго рода, оценивая меру сходства характеристик элементов внутри группы. Этот анализ нужен для выявления так называемых элементов-выбросов. Элементы-выбросы - это элементы, значительно отличающиеся по своим характеристикам от большинства элементов группы.

Элементы-выбросы, судя по всему, обладают определенными дефектами, выделяющими их среди других элементов. Эти дефекты, конечно, могут быть «безвредными». Но, в то же самое время, с довольно большой вероятностью, эти дефекты в процессе эксплуатации (а это 10-15 лет) могут привести к преждевременному отказу элемента. Отсюда вывод - элементы-выбросы целесообразно отнести в группу потенциально ненадежных элементов и не допустить их попадание в аппаратуру КА.

Очевидно, что определение однородности и элементов-выбросов на практике усложняется наличием шумовых и температурных составляющих при замерах электрических параметров. Для уменьшения этого влияния желательно использовать максимально возможное количество измерений. В процессе проведения ДИ, как правило, происходит от двух до четырех измерений, так что наиболее достоверный результат возможен после последнего измерения.

К сожалению, при организации ДИ приходится учитывать целый комплекс разноплановых факторов. Один из таких факторов - продолжительность проведения ДИ. Как это ни парадоксально, но с учетом всех проблем, возникающих в процессе ДИ, именно соблюдение сроков поставки испытанных партий ЭКБ является наибольшей проблемой для любого ИТЦ. Поэтому ДИ производятся с максимальным уплотнением графика испытания, в связи с чем, ДОИ, РФА и испытания на радиационную стойкость стараются проводить параллельно. В связи с этим, непозволительной роскошью является откладывание формирования тестовых выборок для РФА и радиационных испытаний на завершающий этап ДИ.

Разумным компромиссом является вариант формирования тестовых выборок после первого

Том 4 измерения электрических параметров в процессе ДИ. При этом даже ошибочное или неточное деление партии элементов на группы не выглядит катастрофично, так как в этом случае вариант формирования тестовой выборки ничем не хуже варианта случайного формирования, как это делается по существующей методике.

Определение же элементов-выбросов без ущерба для общего времени ДИ можно проводить в конце ДИ с учетом всей полученной в процессе ДИ информации.

Для практического применения понятий однородности партий ЭКБ в процессе ДИ специалистами АО «ИТЦ – НПО ПМ» (г. Железногорск) совместно с учеными СибГУ (г. Красноярск) разработана математическая база и комплекс алгоритмов формирования однородных групп [8-10]. В процессе фундаментальных исследований были определены основные необходимые понятия и алгоритмы:

• •    введены математические понятия однородности (1-го и 2-го рода);

• •    определены алгоритмы нормирования исходных данных;

• •    определены критерии качественного деления партии элементов на однородные группы;

• •    определены критерии формирования элементов-выбросов;

• •    введены понятия и определены критерии значимых отличий между однородными группами, а также между элементами-выбросами и однородными группами, которым они принадлежат.

3.    Примеры применения понятий однородности в процессе ДИ

Осуществлена отработка алгоритмов на архивной базе данных ДИ, проведенных в АО «ИТЦ – НПО ПМ». В настоящее время в АО «ИТЦ – НПО ПМ» идет процесс внедрения алгоритмов формирования однородных групп в методологию ДИ.

Для иллюстрации применения понятий однородности в процессе ДИ приведем наиболее типичные примеры из архивной базы данных АО «ИТЦ – НПО ПМ».

Пример 1.

На ДИ в АО «ИТЦ - НПО ПМ» в соответствии с заявкой поступила партия интегральных схем (ИС) 1594ИР35Т: код партии - 184/679, дата изготовления - 1846 (46-я неделя 2018-го года), количество элементов в партии - 75. Период проведения ДИ: 27.09.2019-18.10.2019. Для проведения РФА случайным образом были отобраны три элемента партии, остальным элементам партии присвоены номера от 1 до 72. В процессе ДИ осуществлены четыре контрольных измерения элек- трических параметров: два – до ЭТТ, два – после ЭТТ. В процессе ДОИ три элемента партии с номерами 22, 42 и 69 были определены как потенциально ненадежные – по превышению значений ужесточенных норм, остальные 69 элементов признаны годными для космического применения. Так как по результатам РФА замечаний к технологии изготовления партии элементов нет, то результаты ДИ являются окончательными.

Применим разработанные алгоритмы определения однородности партии ЭКБ к полученным результатам. Для данного вида ИС для определения однородности используются значения 146-ти электрических параметров. Таким образом, каждому элементу партии ИС 1594ИР35Т по результатам измерения электрических параметров соответствует точка в 146-мерном пространстве.

Представить такое пространство довольно сложно, даже имея феноменальное воображе- ние. Для визуализации результатов измерений используется математический прием – метод многомерного шкалирования (ММШ), позволяющий любое n-мерное пространство с минимальным искажением отобразить на плоскости.

На рис. 1 а -1 г с использованием ММШ представлены результаты измерения электрических параметров в процессе ДИ.

В соответствии с предложенной методикой произведем определение однородности (первого рода) партии ИС 1594ИР35Т по результатам первого измерения электрических параметров в процессе ДОИ. Получим результат: рассмативаемая ²¹³ партия однородна. Визуализация результатов всех измерений (рис. 1 а -1 г ) подтверждает правильность этого вывода.

Формирование тестовой выборки для РФА.

В соответствии с предложенным подходом тестовая выборка для проведения РФА должна формироваться по результатам 1-го измерения

Рис. 1 а . ИС 1594ИР35Т. Результаты 1-го измерения электрических параметров до ЭТТ

Рис. 1 б . ИС 1594ИР35Т. Результаты 2-го измерения электрических параметров до ЭТТ

Рис. 1 в . ИС 1594ИР35Т. Результаты 1-го измерения электрических параметров после ЭТТ

Рис. 1 г . ИС 1594ИР35Т. Результаты 2-го измерения электрических параметров после ЭТТ

Kl/IE