真正坚固耐用且久经考验的可靠性

作者：IVAN STRAZNICKY，AARON FRANK

所有用于恶劣国防和航空航天环境的商用现货 （COTS） 硬件供应商都坚持认为他们的产品既可靠又坚固。但是，如果没有一致的比较基线，系统集成商几乎不可能客观地确认一种 COTS 产品是否比另一种产品更可靠。VITA 47 标准为系统集成商提供了这样的基准，因为它是美国国家标准协会 （ANSI） 标准。

ANSI/VITA 47 于 2005 年推出，为用于移动防御和航空航天应用的插入式 COTS 硬件定义了一套严格的环境、设计和施工、安全和质量要求。VITA 47 为系统集成商提供了一个通用标准，他们可以使用该标准来确保他们正在评估的 COTS 模块提供所需的功能，并满足环境和耐用性要求。

VITA 47 标准概述了以下环境因素的要求：

温度，包括工作温度、非工作温度和高水平的重复热循环

冲击和振动，包括操作条件和工作台处理

湿度、海拔和快速减压

真菌和耐腐蚀性

VITA 47 还包括以下设计、构造、安全和质量要求：

工艺，包括焊接到 IPC 3 类、保形涂层符合 IPC B 类以及印刷线路板 （PWB） 制造符合 IPC 3 类

安全性，包括避免危险或受限材料的材料限制、符合 EN（欧洲标准）或 UL（美国和加拿大标准）规范的可燃性以及毒性限制

质量符合 ISO 9001 标准

VITA 47 标准中定义的要求分为类内的级别，每个级别的测试要求越来越严格。要求其嵌入式系统在极端条件下发挥最佳性能的系统集成商应寻求已通过 VITA 47 标准中最高级别 COTS 产品。

寻求长期可靠性

通过 VITA 47 标准中最高水平的 COTS 产品已被证明可以满足最具挑战性的环境要求，包括工作温度、非工作温度和温度循环。对于流行的传导冷却形式，VITA 47 级别定义为 ECC1 至 ECC4（表 1）。

表 1：用于传导冷却模块的 VITA 47 测试配置文件。

对于需要评估 COTS 产品长期可靠性的系统集成商来说，温度（热）循环测试尤为重要。即便如此，虽然有证据表明给定的 COTS 产品已经过 VITA 47 ECC4 级别的测试并通过，但系统集成商可以对产品的长期可靠性充满信心，但它并不一定能提供预期寿命的指示。确定电子产品预期寿命的最佳方法之一是为产品开发“寿命概况”，然后根据 VITA 47 热循环要求评估该曲线的含义。

寿命概况估计电子设备可能经历的各种环境场景的循环次数 - 例如，炎热天数，寒冷天数和地面操作天数。对于机载系统，当平台从地面过渡到高海拔环境并再次返回时，考虑温度范围也很重要。然后，可以将循环总数转换为具有相应循环次数和极端温度的加速热循环测试。

例如，一项对 11 个国防项目的温度循环要求的调查显示，电子设备每年必须承受 -55 ºC 至 +105 ºC 的平均 23 次循环。VITA 47 C4 测试要严格得多：它要求电子设备能够在 -55 ºC 至 +105 ºC 的 500 次循环后保持性能。这意味着，在这种情况下，VITA 47 ECC4 热循环要求代表了恶劣环境中平均防御计划大约 21.7 年的使用寿命。

超越 VITA 47

虽然 VITA 47 标准是评估产品耐用性和可靠性的重要衡量标准，但即使是最苛刻的热循环测试也无法提供最终的可靠性证明。理想的方法是将 VITA 47 测试与一套全面的可靠性分析、测试和程序相结合，这些分析、测试和程序是在设计、构建和测试 COTS 产品获得的知识过程中开发的。

最佳实践规定，公司应在其标准生产模块上运行 VITA 47 测试，验证是否符合 VITA 47 冲击、振动和工作温度要求，作为标准认证流程的一部分。这种合规性测试涉及将设备推向VITA 47期望的最坏情况。

事实证明，VITA 47 是发现提供最高级别耐用性和久经考验的长期可靠性的新方法的关键工具之一。例如，测试过程和研究工作导致发现无铅焊接组件与锡铅焊接组件一样可靠，如果不是更可靠的话。此外，还发现无铅焊料可能在未来为提高可靠性提供机会。使用锡铅技术时，较小的焊球和较低的组件支座高度往往会降低热循环可靠性。使用无铅焊料，较小的焊点实际上可以提高可靠性。通过测试和研究获得的这些知识使组件能够持续小型化，同时提高功能密度，而不会对可靠性产生负面影响。

另一个例子是PWB互连可靠性的改进。并非所有 PWB 都是平等的：PWB 越复杂，电路板上的互连就越小。互连越小，它们就越容易断裂。PWB设计人员和制造商必须了解电子设备在恶劣条件下随时间推移的行为背后的物理原理，以确保互连不会打开或破裂。

通过研究最低级别的故障物理场，COTS 供应商可以了解如何设计、分析、测试和制造具有高度可靠互连的 PWB，即使在极其复杂的高密度互连设计中也是如此。

可靠性测试的结果揭示了如何在PWB上最好地实现微孔。有关互连密度和互连可靠性之间权衡的详细了解使 COTS 供应商能够以超越其他供应商通常提供的方式优化电路板上的微孔密度和可靠性。

此外，将 VITA 47 测试与详细的调试和深入的根本原因分析相结合，使设计人员能够在故障对现场造成后果之前识别并消除故障。捕获和纠正在嵌入式系统中部署之前可能不会暴露的设计缺陷是广泛分析和测试的重要优势。

寻找高级可靠性测试

评估用于国防和航空航天系统的 COTS 产品的系统集成商应仔细研究每个供应商的可靠性设计、分析和测试程序。只有投入大量资源、专业知识和时间来了解故障的物理特性并将由此产生的知识系统地整合到其产品中的供应商才能提供始终如一的可靠性。VITA 47 标准为系统集成商提供了一个基线，通过该基线可以客观地比较来自不同供应商的 COTS 产品的可靠性。通过VITA 47标准最高级别的产品可在最极端的环境中提供最高级别的可靠性。

审核编辑：郭婷