NASA在航天任務中推進應用COTS元器件的最新政策（完整演講稿）

編譯 | 中國科學院空間應用工程與技術中心 張澤明

COTS元器件

在航天項目上的需求和遇到的問題

大家早上好。感謝大家邀請我來發言。我叫蘇珊娜·道格拉斯，是 NASA 戈達德太空飛行中心的電子元器件經理，我同時還是 NASA 電子元器件與封裝項目（簡稱 NEPP）的副項目經理，協助該項目經理皮特·馬維克開展工作。今天，我很高興向大家介紹 NEPP 項目在過去一到兩年中，在推動 NASA 任務中采用商業COTS EEEE 元器件方面所做的一些主要工作。

EEEE 是“電氣、電子、機電、光電元器件”（Electrical, Electronic, Electromechanical, and Electro-optical）的縮寫，我們也將光電元器件納入其中。為什么我們要使用商規COTS元器件？NASA 在過去五年中經歷了許多項目延期，甚至有些被取消。而當前影響任務成功的最大障礙之一就是能否按時交付。自從新冠疫情后，我們的供應鏈受到了嚴重影響，使我們難以及時獲取傳統的宇航級或軍規級元器件。這極大地影響了項目進度，難以如期交付硬件。

我們最近與戈達德太空飛行中心和噴氣推進實驗室的工程師們進行了一項商業案例分析，研究這些延誤到底給 NASA 帶來了多大的成本。分析發現，NASA 因為項目延誤而增加的成本高達數億美元。

COTS 元器件供應更充足及時，但是當前在使用這些元器件時需要投入大量資源來進行篩選和輻射驗證，增加了項目風險。一旦測試失敗，不僅影響進度，還可能導致整個設計被迫推翻重來。結果是，大多數項目寧愿繼續使用傳統的、已有飛行經驗的器件，而不是嘗試新技術。即便某些新技術在小型、快速實施的 Class D 類任務中取得了成功，但由于缺乏簡單的技術路徑，仍無法應用于更高等級或載人任務。

一個影響我們所有項目的典型例子：每個組件都需要用到片式電容器，而我們通常使用的是軍規級或戈達德自定義合格的器件。這類電容的平均交貨周期高達 40 周，并沒有太多改善。相比之下，一款汽車級的同類電容卻可以輕松獲得，庫存充足，而且價格只是傳統空間器件的百分之一甚至更低。

COTS元器件推進目標

所以 NASA 正在采取行動，以實現更高效地使用商業COTS EEEE 元器件的目標：

01

更新標準。我們即將發布一些新標準，提供替代方法，支持這些 COTS 元器件在太空任務中的使用。我們特別在汽車級器件方面做了大量工作，稍后我會介紹。

02

建立一個合理的輻射加固保障（RHA）方案，依據不同任務的風險等級與所處環境設定。

03

必須在 NASA 內部發展能力，最大程度使用高可靠商規元器件。我們提出的解決方案就是“元器件評估與測試實驗室”（PEAL），未來將成為這方面的核心支撐能力。我稍后也會進一步介紹 PEAL 的具體作用。

COTS元器件最新標準成果

現在我們聚焦一下 NASA 在元器件標準方面的最新工作。

NASA 工程與安全中心（NESC）花了三年時間，制定了一套關于在 NASA 任務中使用商規COTS EEE 元器件的建議。這項研究得到了 NASA 各中心 EEE 元器件工程師的廣泛參與。研究的核心結論是：

當 NASA 任務需要使用商規COTS EEE 元器件時，最優路徑是采用“成熟的 COTS 元器件”（Established COTS Part）。這是 NESC 報告中提出的一個新術語，指的是由“業界領先制造商”（ILPM，Industry Leading Parts Manufacturer）生產的器件。

ILPM也是報告中新定義的術語，指的是那些采用統計過程控制、具備零缺陷框架、并持續進行可靠性監控的高產量制造商。這些措施能夠全面驗證器件的可靠性。

當使用 ILPM 生產的“成熟的 COTS 器件”時，只要它滿足你的任務應用需求，就幾乎不需要額外測試。

NEPP 的 ILPM Pathfinder 項目在過去兩年中對此做了大量工作。我們已經完成了一家制造商的評估，并即將完成對 ADI（Analog Devices）的評估。

不過需要指出的是：NESC 的研究并未涵蓋輻射問題。因此我們還需要一套專門的 RHA（輻射加固保障）標準，來構建一個完整的 COTS 使用保障體系。

最后，通過建設PEAL（Parts Evaluation and Assessment Laboratory）來推動 NASA 大規模實施 ILPM 認證并處理輻射問題的關鍵。

NEPP 官網上面新增了一個 ILPM 專區，提供了NASA 工程與安全中心NESC報告的鏈接，對“成熟的 COTS 器件”和 ILPM 的定義進行了說明。這里可以找到“成熟的 COTS 器件清單”的鏈接。

目前，這個清單上只有一個器件，但我們正與多家制造商合作，評估其產品是否符合該標準，并計劃陸續添加到列表中。

目前我們已經完成了 Susumu公司的評估。他們是我們認證的首家 ILPM，我們合作評估了其 RG 系列薄膜片式電阻器，并將其列入我們的“成熟COTS 器件”清單。

COTS評價方法框架

這頁 PPT 上展示了“成熟COTS 評價矩陣”（Criteria Matrix）。

矩陣列出了什么是 ILPM、什么是“成熟COTS 器件”，以及制造商是如何滿足這些標準的。雖然我們無法公開制造商提供給 NASA 的專有文件，但我們至少可以展示他們提交了哪些文檔，并說明他們達成了哪些具體的評價標準。

我們也在與其他制造商合作，推動他們的產品進入“成熟COTS 器件”清單。比如我們與 ADI（Analog Devices Inc.）的合作已有實質進展，我們去到了位于馬薩諸塞州威明頓的總部進行現場評估。

目前，我們正在就所有 ILPM 數據要求與 ADI 進行最后的溝通。他們已提供了大量關于其供應鏈和質量流程的文檔。我們主要聚焦于他們的汽車級產品（AEC-Q 系列），因為從首次會議上我們了解到，他們對這一系列產品的質量管理措施更加完善。

我們對其中三個具體產品進行了深入數據分析，包括其失效模式與影響分析（FMEA）和過程控制計劃（PCP）。他們還提供了這些產品的基于客戶反饋的DPPM數據。

我們也發現了一些實際問題，比如在產品壽命測試條件方面還存在空白，尤其是對于部分任務生命周期較長的項目。這些差距未來需要通過獨立測試來補足。

因此，我們正在制定一套流程，幫助我們以更高效率將更多 AEC-Q 產品納入“成熟COTS”列表中。我們目前還在與另外三家供應商合作，歡迎更多廠商加入。

NASA COTS應用政策標準

我們正在將從 ILPM Pathfinder 項目和 NESC COTS 評估中獲得的經驗教訓，納入 NASA 的元器件保障標準中。

我們即將啟動對NASA 標準 8739.10《EEE 元器件保障標準》的更新工作。但與此同時，我們很快就會發布兩項新標準：

• NASA 標準 8739.11《EEEE 元器件測試與降額標準》：目前已完成最新草案的修改，納入了從 ILPM 項目中學到的經驗，預計約一個月內發布；

• NASA 標準 8739.23《輻射加固保障流程標準（RHA）》：也將在大約一個月內發布。

8739.11 標準做了一個關鍵性的調整：

過去，不論是汽車級（AEC-Q）還是普通商規器件（commercial COTS），我們都將它們視為同類元件，都要求一定的篩選、批次驗收測試（LAT）或破壞性物理分析（DPA），根據任務的元器件保障等級（L1 為最高級）來決定測試要求。

但通過 ILPM Pathfinder，我們了解到：制造商在生產 AEC-Q 產品時，投入了更多的質量控制和可靠性保障措施。因此，我們現在采取“Use as it”的方式，讓這類產品可以不經額外測試就可用于任務，但前提是必須滿足你的任務環境（M）、應用場景（I）和使用壽命（L）。

汽車級元器件

在不同風險等級任務中的應用要求

我們制定了一個基本的標準框架，說明如何在不同保障等級的任務中，使用這些 COTS 元器件而不需要附加測試：

1. Level 3

（最低等級，適用于 Class C 任務）

• 使用“ILPM 認證的成熟COTS 器件”，或

• 項目團隊可參照 NASA 的 ILPM 要求，自行向制造商索取以下信息：

  ◆DPPM（每百萬件缺陷數）

  ◆FIT（失效率）

  ◆IATF 16949 認證（AEC-Q 產品所需質量認證）

  ◆Level 3 的 PPAP（產品性能批準流程）文檔或等效材料

  ◆零缺陷框架的證據（如 AECQ-004）

  ◆持續可靠性監控數據

• 產品還需是批量供貨（high volume）的，因為可靠性是建立在大批量+統計過程控制之上的。

2. Level 2

（中等級，適用于 Class B 任務）

• 同樣可使用 ILPM COTS 器件，或自行索取上述文檔；

• 但還需提供制造過程的Cpk 值趨勢（過程能力指數）或良品率趨勢，以展示其工藝穩定性。

3. Level 1

（最高等級，，適用于 Class A 任務）

• 推薦團隊親訪制造商，確保獲取所有必要文件；

• 并驗證這些資料與當前正在采購的具體產品相符，且是最新版本。

輻射加固保障計劃

如果要在 NASA 任務中使用商規 EEEE 元器件，這些器件必須能夠在其所處的輻射環境中正常工作。對于許多器件而言，這正是它們無法應用的“卡脖子”問題。

許多項目會選擇不用新器件，就是因為一旦使用，就必須進行輻射測試——而測試不僅昂貴，還不確定是否能通過。一旦測試失敗，對項目影響極大。

而元器件級別的輻射測試（Part-Level Radiation Testing）確實花費高昂，尤其對預算緊張的小型任務而言是一種負擔。

為了解決這個問題，我們制定了一份新的輻射加固流程標準。這項標準由 NASA 各中心的輻射專家共同參與編寫，內容包括：

• 創建一個任務輻射保障“分類體系”（taxonomy）；

• 該體系允許各個任務根據自身的風險等級（mission risk classification）來選擇適當的 RHA 策略；

• 同時，流程中還引入了風險管理機制，即當某個器件不完全符合選定的 RHA 分類標準時，項目可以通過系統級別的風險跟蹤手段，仍然可以有辦法去使用該器件，而不是一刀切地排除。

這個機制為項目提供了“彈性”和“可操作性”，不會因為一個器件沒做足測試而全盤否定。

單粒子效應風險分類管理

針對不同 RHA 分類（Taxonomies）在單粒子效應（Single Event Effects, SEE）方面的要求如下：

用 S1 到 S5 表示從最嚴格到最寬松的五個級別：

• S1 分類：要求最嚴格，必須進行器件級輻射測試；

• S2 分類：允許使用元器件級測試或電路級 / 板級測試來驗證器件輻射性能；

• S3–S5 分類：測試要求逐步放寬。

例如，一個項目若采用S2 分類，那么就不一定需要為每個器件單獨做 SEE 測試，而可以通過功能板級測試來滿足要求。

這個系統使得不同類型任務（如 CubeSat 和載人任務）可以根據自身風險接受程度與資源限制，靈活配置輻射測試策略。

下面是所有 RHA 分類標準的一個總結矩陣。

幾個要點：

• 每個任務根據其風險等級會被分配一個推薦的 RHA 分類（S1–S5）；

• 如果項目決定使用比推薦分類更寬松的等級（比如建議用 S2，結果選了 S3），那么就會觸發一個項目風險項（Programmatic Risk）；

• 此類風險會被上升到系統層面進行跟蹤與管控，確保采取了足夠的補償措施；

• 對于載人任務（Human-rated Missions），我們是強制要求使用 S1 或 S2 分類的；因為這類任務一旦失敗，后果可能是人員傷亡，因此不能接受輻射性能上的不確定性。

總的來說，這一標準的目標是在保障任務安全與降低成本之間尋找平衡。

元器件評估與測試實驗室

（PEAL）介紹

PEAL實驗室（或稱能力中心，Parts Evaluation and Assessment Laboratory）將是 NASA 內部推動商規高可靠器件廣泛應用的關鍵。

它的目標是

• 最大化使用高可靠商規器件（COTS）；

• 同時最小化任務風險；

• 建立一支具備器件技術和評估能力的專家隊伍。

PEAL 并不僅僅是一個測試場所，而是一種 NASA 內部跨部門、跨專業的聯合能力。

推動 PEAL 建設的最直接動力，來自于我們在 ILPM Pathfinder 項目中的一系列經驗教訓。

在實施 NESC 對 COTS 元器件使用建議的過程中，我們發現：

1

成功實施 ILPM 過程需要大量的專業知識；

• 比如對器件結構、制造工藝、失效模式的深刻理解；

• 要能在與制造商交流時，問出對的問題；

2

我們不能再用“像對待軍品器件那樣測試商規器件”的老方法；

• 我們現在知道，有些商規器件本身就具備高可靠性；

• 項目可以在無需額外測試的前提下直接使用，前提是制造商提供了充分的質量和可靠性文件；

3

然而，即使器件被列入“成熟COTS 清單”，項目仍需要判斷其是否完全滿足自身環境和壽命要求。

問題是，當前參與 ILPM 的專家往往是“兼職”，還承擔著其他主責工作。這嚴重限制了推廣進度。

因此，我們需要建立一個NASA 級別的專職團隊，來系統性地開展 ILPM 與商規器件應用的推廣和指導工作。

PEAL實驗室（Parts Evaluation and Assessment Laboratory）的核心是一個專門的專家團隊，這些專家的職責包括：

• 尋找并評估那些具備應用潛力的新元器件供應源（特別是用于當前 NASA 任務的關鍵技術）；

• 與制造商建立并維持關系，深入了解其產品的質量控制與可靠性措施；

• 針對商規元器件與任務需求之間的“差距”，制定有價值的附加測試方案，僅做必要測試，不做冗余驗證；

• 所有測試和分析的結果將被記錄在一個 NASA 級別的數據庫中，為任務設計人員提供查閱和參考；

• 這個數據庫將成為項目在設計新任務時的起點，使其能快速找到經過評估、已知性能的高質量元器件。

這里強調一下，PEAL 不只是一個實驗室，更是一個跨專業的專家團隊，成員包括：

• 元器件專家；

• 輻射專家；

• 失效分析專家；

• 測試工程師；

• 可靠性工程師等。

他們的工作將包括：

• 執行元器件測試；

• 開展新技術評估；

• 建立并管理制造商關系；

• 并將這些評估結果納入數據庫，形成優選器件清單（Preferred Parts List）；

這樣，NASA 各任務在設計初期就可以從中選用已知可靠、已知測試結果的元器件，而無需從零開始。

這將極大提升任務開發效率，同時減少成本和風險。

PPT24

需要說明的是，PEAL 目前還不是一個完全獲得資金支持的項目，但我們對其未來的發展充滿希望。

目前我們至少已從 NASA 科學任務理事會（Science Mission Directorate）那里獲得了一些啟動資金，用于今年（2025 財年）開展 PEAL 的初步測試任務。

本財年內，我們已開始對一批元器件進行可靠性與輻射測試。我們計劃在今年 8 月的 NASA 電子技術研討會上公布這些研究的初步結果。

PPT25

在我結束這次演講之前，如果不提及我們在 NEPP 項目以及整個 NASA 內部為培養員工所做的大量工作，那將是一大疏忽。為了讓 ILPM（基于信息的低測試采購方法）真正成功，我們確實需要教育我們的員工，讓他們了解如何使用這一系列新文件，以評估可在幾乎無需額外測試的前提下使用的器件的質量與可靠性。

在這一頁中，您可以看到我們在過去幾年“電子技術研討會”上提供的所有教程鏈接，您可以在閑暇時觀看這些內容。

我們還為 NASA 零部件工程師開設了一項培訓項目，這也是我們非常自豪的成果。這個項目的設計初衷，正是為了在零部件工程領域教育和培訓我們自己的工作人員。我們深知，理解半導體制造工藝是應用 ILPM 方法于微電路器件的關鍵所在，同時也是理解制造商如何建立器件可靠性基礎的重要前提。

因此，在我們與三所高校合作開發的培訓課程中，課程內容也覆蓋了這些關鍵領域。特別值得一提的是，佛羅里達大學現已提供了一個電子器件工程的結業證書課程。

如果您想了解更多信息，可以訪問 NEPP 網站或 JPL（噴氣推進實驗室）網站，在那里可以獲得關于該零部件工程學校的詳細介紹。

總結

總結一下，NASA 已經做了大量工作來推動 NESC（NASA 工程與安全中心）關于 ILPM 概念的實施，并努力建立我之前所展示的 COTS（商業現貨器件）成熟器件清單。

我們的建議是，只要某個器件符合任務環境、應用場景和壽命要求，那么這個清單上的器件可以在無需或只需極少額外測試的前提下直接使用。當然，針對功能關鍵性的不同，還可能需要進行額外的測試，但那將依據具體任務的風險態勢，以及由此決定的器件級驗證要求來定。

我們已經對相關的零部件保障標準進行了更新，這些標準即將發布，以支持 ILPM 的實施。同時，我們也持續開展員工培訓，讓他們掌握如何具體執行該流程。

此外，我們很快也會發布新的《輻射與防護保障流程標準》，從而使我們能夠采用一種更全面的方式，有效地在未來任務中引入和應用 COTS 器件。

最后，PEAL（Parts Engineering and Analysis Lab）團隊將是 NASA 成功實施 ILPM 流程的關鍵力量。他們將有能力有策略地篩選出滿足特定技術需求的器件，并將相關信息提供給各個任務團隊，為他們使用新技術器件提供良好的起點。

感謝大家的聆聽！

>End

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