航天可靠性默默奉献的“五所人”

——回忆20年前“长三乙火箭”首次发射失败一段难忘的失效分析经历

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作者:何小琦


    我是一名普通的基层科研工作者,在中国电子产品可靠性与环境实验室研究所(工信部电子第五研究所)工作了35年,从工程师到研究员,三十多年的科研工作,亲身经历了许多重大工程元器件的失效分析和可靠性攻关,也亲身感受到每次攻关后的喜悦和作为“五所人”的自豪。
    同时我也是一名电子学会资深会员,1987年广东省电子学会颁发的中国科学技术协会会员证、2001年中国电子学会高级会员证和电子元件分会委员聘书,记载了我在科协的大家庭中,与会员同伴们携手共进,度过的三十年。回想起来,老前辈们的教导,同事们的携手奋进,依然历历在目。
    作为“五所人”,我和我的同事们,在多年的工作中经历和参与了许多国家工程元器件失效分析和可靠性攻关。其中,留下最深刻印象并一直激励我们的,是20年前我国“长三乙火箭”首次商业发射失败的失效分析工作。今天,借中国科学技术协会成立60周年之际,让我们一起分享这一难忘的经历,向艰辛付出的航天人致敬,为默默奉献的“五所人”点赞。
    1996年2月15日,我国新研制的长三乙运载火箭首次商业发射,点火起飞后约2秒,火箭飞行姿态出现异常,火箭偏离发射方向,22秒后坠地爆炸,撞到离发射架不到2公里的山坡上,星箭俱损。
    长三乙火箭发射失败后,航天专家紧急查找失败原因,通过大量遥感数据核查和多次平台实物仿真机复现试验,怀疑点集中在火箭随动系统的一个专用模块上。为进一步证实故障原因和失效定位,航天专家和元器件专家们,专程到电子五所重点实验室,与五所失效分析技术人员一起,共同对同批次专用模块试验后的失效模式进行分析和定位。
    由于高可靠要求和高密度集成,长三乙火箭专用模块内功率管采用金属丝直接键合工艺。但是,这种直接键合,使两种不同的金属焊在一起,其界面特有的退化模式,在高冲击环境下极易造成金属丝缺陷,一旦金属丝连接断开,专用模块无电流输出,将导致长三乙火箭惯性基准发生变化,向控制系统错发纠偏信号,使火箭偏离正常方向。
    首次发射失败的长三乙火箭专用模块,金属丝连接是否存在退化和脱开?事关重大!航天专家们把问题的焦点都集中在专用模块和金属丝上。
    当时,电子五所为满足国家质量战略发展要求,建立了国内领先的电子产品检测和试验条件,我们的重点实验室,作为元器件可靠性物理基础研究部门,建立了国际先进的集成电路分析和微缺陷检测平台,搭建了国内首个分辨率达微米级的显微红外热像探测系统,形成一套先进的解决工程故障问题的元器件失效分析技术。我就是这一显微红外热像探测系统应用研究的课题负责人。
    为了高质量完成这次重大失效分析任务,电子五所重点实验室成立了以老专家郑廷珪为技术负责人的长三乙火箭专用模块失效分析团队,带领五所失效分析人员与航天专家、元器件专家一起,在五所实验室从白天到晚上,瞄准专用模块,从模块开封、电性能检测、微观缺陷探测到最后失效定位,大家紧密配合,紧张有序细致开展分析工作,连续奋战了一周。
    只见郑老师亲自操刀,拿着专用模块,透过显微镜小心翼翼地剖开打磨后的模块封盖,反复观察模块内部所有元器件和精细的互连结构,不放过任何一个可疑环节。在现场专家们急切的目光下,郑老师缓慢移动着的模块忽然停了下来,只见他反复观察模块中一个功率管的金属丝,发现金属丝连接点疑似脱开,这表明模块的金属丝连接点很可能发生了退化,甚至可能脱开,但是由于电路互连的冗余设计,无法通过模块功能测试判断金属丝是否开路,而显微镜中的这条金属丝,即使图像放大了很多倍,仍无法清晰判断,必须另想办法,做进一步的无损分析,拿到直接的证据。
    这时,如何准确提取金属丝的连接状态,让专用模块内部的原始状态,在不被触碰和破坏的条件下,准确判断金属丝是否脱开,就成为这次失效分析中最关键的环节。
    能否通过非接触的显微热像探测,判断金属丝是否正常导通?作为重点实验室显微热像探测系统课题组的负责人,我与课题组的同事们,凭着对微电路热性能研究的扎实基础,对搭建的探测系统的信心,提出了专用模块显微热像探测方案,现场专家组采纳了我们的建议,决定通过微区温度探测识别金属丝状态。
    接过郑老师递过来的专用模块,我小心翼翼地将它放置在显微热像探测台上。面对这种大功率模块,先前的课题研究经验告诉自己,要准确获得大功率模块的微观温度分布,关键要解决发射率校准和消除微区热像失真两个问题。我首先选择了课题研发的一种高导热材料夹具,固定专用模块,最大限度消除被测模块与探测台之间的界面热阻,稳定了空载模块的温度,同时,在现场同事的配合下,针对专用模块加电前后热膨胀微变形带来的热像失真问题,采用双温探测法进行发射率校准,50帧快速探测求平均的方法,有效控制了专用模块热像失真问题,准确校准了发射率。
    分析现场,我和同事相互配合,认真而熟练地对专用模块进行微区温度探测,因为这是自己主持承担的“九五”预研课题,亲手搭建的国内第一个高分辨率显微红外热像温度探测与分析系统,在这关键时刻就要发挥作用了,我和课题组的同事们即兴奋又紧张。
    此时,探测现场鸦雀无声,气氛有些紧张,大家的目光都紧盯着热像显示屏,一番校准和功率加载后,清晰的专用模块显微温度图终于出来了,“这根金属丝开路了,开路点在这”,面对显示屏幕上模块电路的温度图,我果断地做出判断。显然,与正常电路相比,这根温度异常的金属丝,没有电流通过,呈开路状态温度明显偏低,而清晰的温度图像表明,开路点就发生在专家们一直怀疑但又无法最终确定的这个连接点上,这一探测结果令现场的专家们非常兴奋,终于拿到了证实长三乙发射失败原因的一个重要证据。
    竟然是一根比头发丝还要细的金属丝连接线脱开,导致长三乙火箭发射失败。这个惨痛教训和失败原因,多年后人们才从2015年科学出版社出版的《中国工程院院士传记 陆元九传》和2016年中央电视台播出的《解密西昌》报道中,了解到当年发射失败的原因和故障分析所经历的细致过程。
    20年过去了,中国航天事业经历了这次惨痛教训后,航天产品要求更加严慎细实,严抓质量确保元器件可靠性,成为航天工程常抓不懈的基本要求。今天的中国航天质量水平不断提升,运载火箭发射成功率大大提高,已成功迈进神州飞船、天宫一号、登月工程、北斗导航等航天工程的快速发展轨道。
    同样,今天的电子五所作为可靠性技术研究的国内先锋不断成长,五所重点实验室已成为行业可靠性基础研究的中流砥柱,为我国航天可靠性发展,为实现我国关键元器件自主可控和高质量提升做出了卓有成效的贡献。中国电子学会可靠性分会更是凝聚“五所人”和可靠性专业人才的技术平台,继续传承和发扬老一辈科技工作者勇于攻坚克难、为国朴质奉献的优良传统。
    中国科学技术协会是国家推动科学技术进步的重要力量,不断激励我们自强不息追求科学、探索真理。今天,在中国科协成立六十周年之际,我作为科协大家庭的一员感到由衷自豪,为国家科技不断强盛而骄傲,让我们与全国的可靠性科技工作者们一道,团结协作、锐意进取,在科研道路上创造更多更辉煌的成就。
    谢谢大家!