為了在日益顯著的軍事及航空領(lǐng)域分食，電子制造業(yè)者目前正在積極努力，制造高可靠、高質(zhì)量的無源元件，滿足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的需求。除了需要滿足一些簡單的技術(shù)標準外，軍用無源元件還必須符合苛刻的軍事標準和控制文件的要求。

無源元件

術(shù)語“無源(passives)”包含了很多有關(guān)元件設(shè)計方面的技術(shù)，如電容器、電阻器、線路保護器，以及與ESR、ESL、EMI和ESD等要求有關(guān)的參數(shù)。此外，無源元件還面臨著在提高功能的同時，必須不斷降低成本和縮小外形尺寸等方面的壓力。

在軍事和航空領(lǐng)域，無源元件也是所有電子產(chǎn)品的基本需求。如同消費電子中的情況一樣，線路保護裝置對高可信度設(shè)計來說是至關(guān)重要的，一些軍事設(shè)施經(jīng)常會采用大量的電容器。打開軍事及航空設(shè)備，就會發(fā)現(xiàn)用量最多的是各種不同類型的電容器：多層陶瓷電容器(MLCC)、鉭電解電容器和玻璃電容器。

MLCC

由于采用符合MIL-Spec標準的陶瓷材料，多層陶瓷電容器(MLCC)具有出色的ESR性能、應(yīng)對電源的能力和噪音過濾等。MIL-Spec陶瓷具有廣泛的測試保證和可信度。表面安裝型鉭電容器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)可靠性受以下因素的影響：電壓降低(voltage derating)、紋波電流和電壓環(huán)境、最大操作溫度和線路阻抗等。

鉭電容器結(jié)構(gòu)堅固，不存在機械磨損，因此已經(jīng)在軍事領(lǐng)域使用了很長一段歷史。目前，鉭電容器技術(shù)一直處于不斷演變之中，功率負荷在不斷提高，尺寸在不斷縮小，容量在不斷的增大。

在軍事和航空領(lǐng)域，設(shè)計師應(yīng)該選擇通過ISO9001認證供應(yīng)商，以保證所選產(chǎn)品支持所有必須的軍事規(guī)范，因為只有這些產(chǎn)品，才擁有全部工藝控制文件和產(chǎn)品可追溯性(traceability)。

玻璃電容器

在電容器行業(yè)，以玻璃作為電介質(zhì)的電容器能夠為終端用戶提供最高等級的性能和可靠性。玻璃電容器在結(jié)構(gòu)上只有三部分：玻璃電介質(zhì)和外殼、鋁電極、電線端子。按照軍用標準的要求，必須對每個電容器的容量值和偏差、額定電壓和密封性能進行100%的檢查。就電容器本身來說，嚴格質(zhì)量控制、簡單的設(shè)計、使用高等級的原材料這三點對軍事和航空應(yīng)用是至關(guān)重要的。

傳統(tǒng)上講，玻璃電容器一直用于軍事領(lǐng)域，最近幾年的一些新設(shè)計已經(jīng)出現(xiàn)在航空和要求高性能的商業(yè)用途。玻璃電容器的應(yīng)用涉及整個電子線路，成功案例包括各種各樣的有人、無人駕駛的太空飛船。近來，玻璃電容器在軍事和航空工業(yè)的應(yīng)用開始升溫。

軍用標準和規(guī)范

根據(jù)行業(yè)特點，軍事和航空工業(yè)用元件只能是最好質(zhì)量和最高可靠度的。這些元件一定要符合相當嚴格的軍事工業(yè)標準，而軍用標準的等級則遠遠超過了消費產(chǎn)品的要求。

舉例來說，按照軍用陶瓷電容器規(guī)范的要求，假設(shè)置信度等級為90%，對于每1,000小時的服務(wù)，合格的FRL范圍應(yīng)該是1.0-0.001%/1000小時。按照這樣的預(yù)期，就需要制定相當苛刻的元件設(shè)計和測試條款，以保證如此的性能等級。這意謂著，在已經(jīng)建立的所有可靠性應(yīng)用中，軍用級別的產(chǎn)品能夠為各類應(yīng)用提供顯著的附加值。

但是，元件的可信度等級高不僅僅上述好處，它們還包括其他重要因素，例如完整的產(chǎn)品和測試文件、完整的可追溯性(traceability)、絕對控制和穩(wěn)定的供應(yīng)，因此，MIL方案是所有“關(guān)鍵任務(wù)(mission-critical)”類項目的重要考慮。

所有用于電子和電氣元器件的MIL文件均可以通過“軍事規(guī)范和標準(Military Specification and Standards)”進行詳細解釋。其中，獨立陶瓷電容器的性能規(guī)范涵蓋高可靠性ER和非ER器件，具體測試方法由MIL-STD-202標準進行定義。這些標準用于對采購活動進行標準化，以及按照軍用QPL，對相關(guān)物品和服務(wù)的可靠性進行認定。

這些標準的建立和維護權(quán)歸位于Columbus OH的權(quán)威機構(gòu)——美國國防采購中心(Defense Supply Center)所有。建立這些標準的目的是為軍事操作設(shè)立一套必須的獨特性能要求，形成一個獨立于商業(yè)設(shè)計和市場的體系。

電容器的可靠性測試方法
 
一些無源元件制造業(yè)者按照MIL-Spec，對所有元器件進行100%的測試。對于商業(yè)用途的電容器，100%測試通常只限于標準電氣和物理叁數(shù)的測試，但是樣品可能是隨機抽取的。典型的壽命測試結(jié)果必須形成數(shù)據(jù)庫，以便查證所測試產(chǎn)品的性能連續(xù)性。

相反，MIL-Spec電容器除了必須接受100%的參數(shù)測試外，還必須對專用測試環(huán)境進行100%的預(yù)處理，其中包括“老化試驗(burn-in)”。老化試驗要求將每個獨立電容器置于溫度/電壓負荷條件下保持更長一段時間，以監(jiān)測電容器的性能。大部份情形下，如果電容器或電子器件即將失效，它將會在使用的早期表現(xiàn)出來，典型情況是使用后的幾個小時之內(nèi)。

對于很多無源元件來說，老化和過應(yīng)力試驗是最重要的，這意謂著從產(chǎn)品中剔除可能存在早期失效隱患的個別產(chǎn)品。舉例來說，鉭片式電容器具有可靠的性能特性，符合韋伯(Weibull)開口浴缸曲線。按照統(tǒng)計原理，Weibull測試通常在監(jiān)測40小時的老化試驗后，測量曲線的外形，最后得出可信度等級。對於動態(tài)環(huán)境，可以使用浪涌測試方法。

分批測試

一旦早期壽命失效產(chǎn)品被剔除，接下來就是按照最適宜的失效可信度水平進行分批測試。試驗應(yīng)該按照專用規(guī)范的要求(典型值為0.1-0.01%/1,000小時，置信度為90%)進行，否則進行降級試驗。

由於廣泛的時間和對于每一個分批的測試要求不同，供應(yīng)一批符合MIL-Spec的電容器的成本遠遠高于同等批量的商業(yè)級器件的成本。然而，這些費用還應(yīng)該加上該器件的所有制造階段的整批產(chǎn)品的可溯性(traceability)的維護費用，以及測試文件的驗證。

一致性測試

對于每一個批，須抽取一定百分比的樣品接受額外的破壞性測試。同時，每一批電容器還必須接受一組測試，其中包括從溫度特性到擊穿電壓和物理結(jié)構(gòu)等，以檢查待測電容器每一方面的性能。在整個指定的溫度和操作電壓范圍內(nèi)，這一連串的測試保證了每個獨立批號的電容器能夠在所有要求的環(huán)境可靠的運行。

如此測試的好處遠遠超越了個別零件的表現(xiàn)。MIL-PRF標準的發(fā)展趨勢是將批接收試驗標準也包含在里面。舉例來說，用于陶瓷器件的MIL-PRF-123標準要求，不僅每個被檢定的元件要符合規(guī)范的要求和預(yù)先進行環(huán)境處理，而且整批產(chǎn)品的特性也能夠達到所提供的能力標準，否則，整個批將被拒收。

驗證和可追溯性方面的要求，也能夠在工廠層面或整個賦予特權(quán)的分銷商范圍內(nèi)，使供應(yīng)鏈得到連續(xù)的驗證。

MIL標準發(fā)展趨勢

軍用規(guī)范的發(fā)展趨勢是生成一系列的性能標準，其中包括批級別(lot-level)的選擇和對個別元件進行測試而生成的有關(guān)特性數(shù)據(jù)。

就標準陶瓷電容器而言，帶引線類產(chǎn)品的通用標準是MIL-PRF-123(以及用于徑向、軸向和模塊化DIP包裝的MIL-PRF-39014標準)。

對於玻璃電容器，通用標準為MIL-PRF-11272。玻璃電容器是一個獨特、極其穩(wěn)定和富有彈性的技術(shù)產(chǎn)品，主要用于高溫、航天和各種電磁脈沖（electromagnetic pulse）防護方面的應(yīng)用。

然而，所有這些規(guī)范均可以由MIL-PRF-123所取代。MIL-PRF-123可以將產(chǎn)品從ER指定，提高到Hi-Rel層面，用于航天級的供應(yīng)商資格認定。

同樣，MLCC和高頻微波器件(MIL-PRF-55681)可以通過MIL-PRF-123進行質(zhì)量合格認定，而高壓芯片和開關(guān)電源電容器目前采國防供應(yīng)中心(DSCC)制定的草案87106和88011進行驗收，供應(yīng)商可以按照MIL-PRF-49470規(guī)范規(guī)定的性能等級進行供貨。

對于符合MIL-PRF-55365標準的片式鉭電容器，所有產(chǎn)品只能按照Wiebull曲線規(guī)定的可靠性等級進行驗收，以替代早期的指數(shù)式可信度分級標準，其中，前者具有較高的加速度過應(yīng)力環(huán)境，可以保證90%以上置信度的可靠性，后者定義的置信度只有60%。片式鉭電容器也符合采用MIL-PRF-55365標準規(guī)定的大電容量、低ESR要求，如CWR19和CWR29系列。

按照MIL-PRF-23269要求的可靠性等級進行交付的玻璃電容器，符合M和S類失效率等級，能夠抵抗極端的高、低溫度沖擊，以及長期暴露在輻射性環(huán)境下。在經(jīng)過總共108 rad(H20)的試驗之後，玻璃電容器的容值只有較小的改變，僅僅±0.5%，而介質(zhì)損耗因素的改變只有8%。除此之外，玻璃電容器可以在快速的中子流環(huán)境中工作，并且元件叁數(shù)變化很小或甚至沒有降格。由于這些出色的電氣特性，玻璃電容器非常適合在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，例如噴氣式引擎監(jiān)視、雷達系統(tǒng)、航天火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和航空電子系統(tǒng)等。

雖然這些初現(xiàn)的標準具有廣泛的適合性，但是依然存在許多至關(guān)重要的項目、輔助測試計劃和一些專用電氣化設(shè)計需要進行專門的配置。因此，對于一些特定的客戶和項目，可以制訂和采用一些最接近現(xiàn)有標準的源控制文件。這需要供應(yīng)商在資格基礎(chǔ)、設(shè)計和制造靈活性、設(shè)備等方面具有廣泛的經(jīng)驗，以便能夠繼續(xù)保持和提供強大應(yīng)用支持的能力。

COTS

COTS是commercial off of the shelf的縮寫，意思是商業(yè)現(xiàn)貨。該標準制訂于1994年，最初動機是基于最好的商業(yè)經(jīng)驗(six-S) 和“更快、更省、更好”的理念，為軍用采購商提供廉價、符合MIL規(guī)范的零部件。從嚴格意義上講，COTS是以純商業(yè)形式出現(xiàn)的，但是隨著時間的推移，該定義的內(nèi)涵發(fā)生了改變，已經(jīng)成了基于商業(yè)條款的“堅固耐用產(chǎn)品”的代名詞。目前，一個比較好的術(shù)語已經(jīng)出現(xiàn)，它就是“COTS-plus”，這里的“plus”是指各種額外的制造商專用設(shè)計或測試計劃，它們能夠增強產(chǎn)品的使用壽命或環(huán)境性能。

因為并非所有需要電容器的軍事應(yīng)用都必須采用符合MIL-spec規(guī)范的電容器，這種COTS-plus產(chǎn)品可以為依然需要某些等級可靠性的特定應(yīng)用提供一個橋梁。雖然COTS-plus產(chǎn)品不能夠提供與MIL-Spec器件一樣出色的可靠性，它們通常在很多非關(guān)鍵任務(wù)(non-mission critical)的應(yīng)用中完成很多要求，如非現(xiàn)場類應(yīng)用中的無線電發(fā)射機和計算機等。

該方法能夠在降低整體費用的情況下，保持在某些關(guān)鍵方面的可靠性等級。COTS-plus方案具有明顯的好處，它可以應(yīng)用于更寬的產(chǎn)品范圍和一些即將出現(xiàn)的技術(shù)，這些技術(shù)已經(jīng)超出了QPL的范圍。COTS-plus的典型應(yīng)用例子體現(xiàn)在安全通信和數(shù)據(jù)處理市場。

COTS-plus

然而，要使COTS-plus穩(wěn)健實施并不是一個簡單程序可以解決的，需要各個領(lǐng)域業(yè)者的共同努力。雖然政府官員已經(jīng)被授權(quán)采用更堅固的器件，COTS-plus產(chǎn)品依然需要進行嚴厲的測試。供應(yīng)商一定要對使用這些器件的產(chǎn)品進行測試和驗證，以保證它們在苛刻的環(huán)境下使用時具有適當?shù)男阅埽皇潜仨殱M足一定的軍用規(guī)范要求。然而，很多軍事領(lǐng)域的設(shè)計師和買家仍然可以從MIL-spec元器件那里得到實惠。

超越COTS

目前，人們對軍事領(lǐng)域使用純粹商業(yè)化元件的發(fā)展趨勢較為關(guān)注。此類趨勢的一個例子就是在電子組裝中使用標準零件，然後再驗證最終產(chǎn)品是否滿足相關(guān)MIL標準的要求。這樣做的問題是，一旦投入使用，電容器一般將被減載(derated)使用，沒有機會測試其最高可靠性的機會。因此，在將電容器集成到系統(tǒng)之前，選擇正確的電容器可靠性等級是相當重要的。

從目前的市場趨勢來看，由於需要進行嚴格的測試，以及供應(yīng)環(huán)節(jié)的不確定性，軍事設(shè)計師在使用純粹商業(yè)產(chǎn)品方面已經(jīng)開始變得越來越猶豫，并開始采用COTS-plus產(chǎn)品，或者返回來使用符合MIL-Spec的產(chǎn)品，這在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用方面顯得特別突出。

最后一個問題是，從用戶的角度考慮，應(yīng)該順應(yīng)工業(yè)界推行“無鉛焊”的潮流，對于電容器類產(chǎn)品，最終產(chǎn)品應(yīng)該是100%的錫制品。很多商用電子產(chǎn)品在幾年前就已經(jīng)采用無鉛制造技術(shù)，如陶瓷片式電容器和片式電阻器。2004年，其它SMT類元器件將會完全轉(zhuǎn)入無鉛制造行列，例如片式鉭電容器和片式可變電阻器。

值得一提的是，如果需要將Pb保留在其應(yīng)用中的話，MIL用戶應(yīng)該與其供應(yīng)商進行協(xié)商，指定相應(yīng)的商用零件的特殊要求。

結(jié)論

在關(guān)鍵任務(wù)方面的苛刻軍事環(huán)境下，需要高可靠和長壽命的產(chǎn)品。由於具有出色的置信度和電氣特性，陶瓷電容器、鉭電容器和玻璃電容器為MIL-spec電子產(chǎn)品的設(shè)計提供了一系列選擇。同樣，MIL標準也在不斷提升之中。

今天，越來越少的供應(yīng)商愿意，或擁有生產(chǎn)MIL-Spec陶瓷電容器所必須的技術(shù)能力。然而，軍事應(yīng)用必須采用任務(wù)關(guān)鍵型零件，以保證其任務(wù)能夠成功，保證他們的軍事設(shè)備能夠高可靠地運行。盡管目前的市場起伏不定，但是這些因素的組合，將會保證符合MIL-Spec的無源電子元器件的需求穩(wěn)定地增長！

作者簡介： 
Chris C. Reynolds
AVX Corporation產(chǎn)品應(yīng)用部經(jīng)理，高級工程師
進一步信息，請訪問http://www.avx.com。