美国防部SD-18《电子元器件要求与应用指南》解读

美国防部SD-18《电子元器件要求
与应用指南》解读
■ 张玉芹 闫美存
（中国电子技术标准化研究院）
摘 要：美国国防部一直非常重视电子元器件的研究和应用，为提高军用和商用元器件在军事环境中的质量可靠性与应用可靠性，形成了SD-18《电子元器件要求和应用指南》。

本文介绍了SD-18的发展历程，全面解读了SD-18的主要内容，并提出了指南对我国军用电子元器件领域标准化工作的若干意义。

关键词：标准化工作指南，电子元器件要求与应用，发展历程，解读
DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2020.12.030
Interpretation of U.S. Department of Defense SD-18, Parts Requirements
and Application Guide
ZHANG Yu-qin YAN Mei-cun
（China Electronics Standardization Institute）
Abstract: The U.S. Department of Defense (DoD) has always attached great importance to the research and application of electronic parts, in order to improve the quality reliability and application reliability of military and commercial parts in the military environment, SD-18, Parts Requirements and Application Guide, has been formed. This paper introduces the development process of SD-18, comprehensively interprets the main contents of the guide, and proposes a number of implications for the standardization work in the field of military electronic parts in our country.
Keywords: standardization work guide, parts requirements and application, development process, interpretation
标准评析
1 引 言
美国军用标准化体系是目前国际上发展得较为完善的标准化体系，囊括了政策文件、基础标准、产品规范和指导性文件等多种类型文件。

为了更好地贯彻相关标准化政策，美国国防部在制定政策文件的同时制定了美国国防部标准化政策指南SD系列文件。

SD系列文件由国防部标准化局亲自负责编写发布，就美国军用标准化工作的任务分工指南、合格鉴定管理条例、标准化工作等全局性问题给出指导，是美国国防部标准化工作体系的重要组成部分，对美军的电子元器件管理体系起到了支撑作用，是实现电子元器件标准化的重要工具，也是了解美国军用标准化工作极有价值的资料[1-2]。

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美国国防部标准化工作指南SD系列文件目前有26个文件，包括《SD-1 标准化任务分工指南》《SD-2 民用项目和非研制项目采购手册》等[2]。

在SD系列文件中，美国国防部针对军用电子元器件质量与可靠性要求、应用可靠性进行了大量研究，并形成了美国国防部标准化工作指南SD-18《电子元器件要求和应用指南》（以下简称“指南”），该文件对美国军用标准化工作的若干带全局性问题具有重要的指导意义[3-5]。

2 发展历程
通过掌握指南的发展历程，可全面了解美国防部对于美国军用电子元器件要求和应用的发展思路及发展趋势。

2.1 历史发展
由于美国在上世纪90年代发生了代购制改革，以致后来出现了许多采购方面的变化，如商用电子元器件在军事装备用的应用占比提高等。

为此，美国防部制定了SD-18《军用电子元器件要求和应用指南》，该指南为在军事环境中选择和使用的军用和商用部件提供了指导，同时也为项目经理、系统项目办公室和原始设备制造商提供了电子元器件获取指南。

SD-18最初是由NAVSEA海军海上系统司令部在1991年3月发布的TE000-AB-GTP-010“海军电子设备零件降额要求及应用手册(Parts Derating Requirements and Application Manual for Navy Electronic Equipment)”进化而来，并在此基础上，增加了国国防部1995年7月发布的MIL-HDBK-179A“微电路采集手册(Microcircuit Acquisition Handbook)”(现已被SD-18替代)中的内容。

2000年后为响应美国国防部的无纸化文档政策，SD-18改为了基于Web的网络资源文件，是无纸化文档方法的一部分，采用网络实时更新模式，仅对有内容更改的部分进行替换，未有内容更改的部分保留原版。

网址的变化以NOTICE的形式发布，其中最新的SD-18网址于 2015年11月17日在NOTICE 4上发布，用以取代2010年11月9日NOTICE 3发布的网址。

2.2 版本对比
在指南发展与更新的过程中，我国一直密切跟踪，了解其发展动态，并先后发布了2个版本的《美国军用电子元器件要求和应用指南》，分别为2003版与2012版。

从内容上来讲，这两个版本间有较多的内容更新与技术发展，具体对比如下：
与2003版相比，2012版《美国军用电子元器件要求和应用指南》新增了12份研究报告，约有15万余字的研究内容，包括《微电子机械系统》《军用装备使用商用电子元器件》《航空航天鉴定合格集成电路和分立器件》《抗辐射隔离技术》等报告。

新增内容均为电子元器件领域的热点技术和热点问题，对我们了解国外相关领域最新动态具有指导意义，对我国军用电子元器件技术要求有借鉴价值，同时，也能为我国在军用电子元器件领域采用民品的体制机制建设方面提供借鉴。

与2012版相比，目前WEB形式的SD-18在结构上做出了相应的调整，将各类电子元器件的具体要求分为了两个部分，第一部分为产品（Products），包含微电路、MCM&混合集成电路&SoC、光电子器件、半导体分立器件、连接器、电阻器和电容器；第二部分为产品档案（Product Archive），包含热敏电阻器、磁性元件、继电器、晶体和开关，WEB版对这5类产品进行了归档。

在内容上将片上系统SoC的技术、封装、失效机理和失效模式、可靠性、设计和材料、生产线评定和质量、电子元器件评价及操作和存储保护等选用指南并入到了“MCM&混合集成电路”章节中，更新为“MCM&混合集成电路&SoC”。

3 主要内容
3.1 基本要求
指南中的电子元器件要求应是贯穿工作说明的
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合同、电子元器件规范或提出具体等级的质量、可靠性或降额的合同流程的一部分。

当合同中有要求时，美国国防部及其系统承包商依据工程要求采用这些指南支持军事系统用元器件的选择、设计、采购和评定[6]。

3.1.1 环境类别
指南对电子元器件应用的环境类别进行了归纳和简化，定义了受控环境、正常环境和严酷环境三种环境类别，具体要求见表1。

表1 环境类别分类
美国军用电子元器件选定的过程如图1所示。

图1 元器件选定流程图
具体选定流程为：
1）在三个环境类别中选择一个与应用环境要
求最接近的类别。

2）按所要求的应用条件和环境类别选择元器件。

3）根据所选择的元器件在环境类别（温度极限、振动、压力、潮湿等）、电特性以及可靠性上均满足应用，元器件即可选定。

4）如果根据制造商规范所选择的元器件不符合应用，则应根据应用要求对不符合进行评定。

5）鉴定表示对制造商所制造的元器件及其过程控制的选择确认。

3.2 电子元器件要求与应用
指南最核心的部分就是从技术、封装、失效机理和失效模式、可靠性、设计和材料、生产线评定和质量、电子元器件评价及操作和存储保护等多方面分别对12类电子元器件应用的基本要求进行了规定，基本覆盖了所有主要类别的电子元器件。

下面以半导体分立器件为例，详细介绍指南中关于器件设计与选用的要求。

3.2.1 封装
用于确定和选择电子元器件的封装。

设计时，应首先选择QML-19500列出的制造商、MIL-HDBK-6100或JEDEC-95中器件的封装。

3.2.2 失效机理和失效模式
介绍半导体分立器件常见的失效机理和失效模式，适用于选择和设计半导体分立器件。

以硅半导体分立器件为例，常见的失效机理及相应的试验和监控措施见表2。

表2 硅半导体分立器件常见失效机理及监控
3.2.3 可靠性
叙述了指南基本要求中确定的性能、时间和工作条件等要素有关的可靠性问题，据此确定半导体分立器件的可靠性要求。

失效率：应参照MIL-HDBK-217《电子设备可靠性预计手册》的2号通告确定半导体分立器件失效率。

特性：当使用非军用器件时，应注意对它们的材料、结构和耐久性进行分析。

为了保证满意的工作性能，至少应选用QML-19500所列制造商生产的JANTX级器件。

寿命：指南按环境类别将器件寿命分为5年、10年或20年，半导体分立器件的降额部分推荐的降额考虑了器件的质量等级和使用环境，只有列入QML-19500的器件是按5年到20年的寿命设计的。

工作条件：军用(列入QML)器件是按承受军事应用的恶劣环境条件而设计的，而非军用器件是为更好的环境应力水平而设计的。

为降低风险，建议对非军用器件和/或制造商进行评价。

3.2.4 降额
对不同器件类型的半导体分立器件分别列出了降额的参数以及不同质量水平和环境类别的降额要求，用于选择、设计半导体分立器件以及对其进行降额。

以硅基场效应晶体管为例，其降额要求见表3。

描述与半导体分立器件特性有重要关系的一些问题，用于半导体分立器件的设计和选择。

例如，除特殊设计的器件外，管壳、底座或法兰盘的外表面应有涂覆，并不得有任何凹坑和空洞；不得用纯玻璃进行芯片安装；器件的外部零件应使用不会生霉菌的材料；键合区应金属化并适合键合；内部表面应具有在气密封装内防止进一步退化的能力等要求。

3.2.6 生产线评定和质量
描述半导体分立器件的质量等级要求，用于确定器件的最低质量水平以及评定生产线。

半导体分立器件制造商应有经批准的质量体系。

生产线至少应通过QML-19500和ISO-9000认证。

气密封装的军用半导体分立器件有五个质量等级，可靠性从最低到最高分别为JAN、JANTX、JANTXV、JANFS和JANS。

未封装器件有两个质量等级：JANHC级器件供一般军用，JANKC级器件供空间应用。

这些器件及制造商列于QML-19500。

当预期半导体器件将用于严酷环境时，要求最低应使用QML-19500 JANTX级器件。

对正常环境最低应使用通过QS-9000认证的汽车级器件、通过ISO-9000认证的工业级器件或QML-19500中低于JANTX级的器件。

非军用消费级器件应遵守其相应应用和环境的质量与可靠性等级。

非军用器件制造商，至少应通过ISO-9000认证。

3.2.7 元器件评价
本节描述半导体分立器件的鉴定和监控要求，用于半导体分立器件的鉴定或监控。

试验条件和方法：试验采用MIL-STD-750或等效的JESD22试验方法，也可采用不会降低任何要求的方法和电路替代。

省略或简化试验：如果器件制造商选择省略或简化某项试验或不进行100%筛选，而代之以过程监控或SPC，承制方虽然可以不进行某项试验或不进行100%筛选，但仍应对产品性能、质量和可靠性方面的要求负责。

如果与适用的可靠性要求等效或一致，则器件的可靠性大纲可代替全部或任一项筛
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选或一致性检验。

终点电测量：测量和记录适用（如要求变化量）的终点电测量。

用接收数代替试验前终点失效。

除另有规定外，执行96h前终点测量。

返工：已密封器件的返工仅限于重新清洗、重新打印以矫正标志缺陷、引线校直、重新电镀或引线的重新浸锡，重新电镀后器件应通过MIL-PRF-19500和MIL-STD-750规定的A2分组和密封的100%筛选。

晶片的返工限于进一步腐蚀以达到规范要求；光刻胶的去除和再涂覆；进一步加工以继续或完成未完成的加工；去除和再淀积非结区的钝化层或背面金属化。

芯片：用于正常或严酷环境的芯片，应符合QML-19500的JANHC级的最低要求。

器件监控：用于正常和恶劣环境的器件应进行一致性检验或等效的监控。

非军用器件应符合MIL-PRF-19500和/或最低的适用要求。

推荐采用过程监控以减少试验和筛选。

制造商的过程应符合或超过MIL-PRF-19500的A、B和C组试验的要求。

器件的鉴定：当设计和/或鉴定的半导体分立器件用于正常或恶劣环境时，最低应采用MIL-PRF-19500的JANTX等级。

用于正常环境的塑封半导体分立器件的鉴定要求见表4。

3.2.8 操作和储存保护
介绍半导体分立器件的操作和保护要求。

大部分半导体器件是牢固而稳定的，但仍需考虑ESD、塑封器件、瞬变过程、引线弯曲、焊接、涂覆等问题，如：ESD敏感度为1级的器件在使用前应存放在干燥的氮气环境中；塑封器件应有相应的分级标识，参照JEP-A-113；当被试器件因承受高温试验（如高温反偏或老练）使引线颜色变暗时，试验前应清洁处理引线；在插入印制电路板之前对轴向引线二极管的引线进行弯曲时，不应太靠近管体以致引线的弯曲部分达到甚至进入管体；对二极管的最高焊接温度和最长焊接时间，通常在最高260℃下的焊接时间不应超过10s等要求。

3.3 研究报告
指南中还发布了若干项研究报告，均为针对热
点技术与发展趋势开展的详细介绍与研究。

截至目前，指南共发布了技术资料8篇：《抗辐射隔离技术》《航空航天鉴定合格集成电路和分立器件使用导则》《抗辐射加固》《电应力降额分析》《电子设备供应链无铅过渡管理》《静电放电分析》《断档报告》《问题元器件及相关材料和工艺》；国防报告5篇：《激光损伤行间转移电荷耦合器件的失效分析》《故障判断与隔离》《商用微电路最佳实践报告》《军用装备使用COTS无源元件指南》《高加速应力试验评估报告》《元器件鉴定要求的寿命周期环境特性》；技术论文6篇：热评定》《发展中的技术（微电子器件及材料）》《试验方法》《无铅焊料》《喷雾冷却》《微型电子机械系统》。

4 研究意义
指南介绍了美国当前电子元器件的研究和应用水平，指导美国国防部及其承包商如何协调地选择元器件，从而达到使用可靠的要求和最低的付出成本，同时，指南对电子元器件的发展趋势也提供了详细的信息和资料，因此，对指南的研究具有如下十分重要的意义：
● 指南可为我国研究美国军用标准体系提供十分有价值的资料；
● 指南发布的技术资料、技术论文与国防报告，对了解国外相关领域最新动态具有指导意义；
● 可展现美国军用电子元器件的研究热点、发展趋势，并以此指导国内军用电子元器件发展构思；
● 对从事军用电子元器件研制、生产、使用和管理的相关人员及工程技术人员具有重要参考价值；
● 对我国军用电子元器件研制、生产能力布局调整具有重要的启迪作用；
● 对从事军用电子元器件研制、生产、使用和管理的相关干部及工程技术人员具有重要指导作用与实用价值；
● 对我国军用电子元器件研制、生产能力的布局及支撑保障标准化工作的有效运行具有重要的参考和启示作用；
● 可在我国军用电子元器件标准制定与应用过程中起到技术支撑作用；
● 可在完善我国军用电子元器件领域采用民品的制机制方面带来借鉴。

5 结 语
电子元器件是现代武器装备的基础，先进国家无不把电子元器件的研发、生产和应用放在重要地位，美国就是其中的突出代表，美国国防部一直非常重视电子元器件的研究和应用。

本文介绍了指南的发展历程，对全文内容进行了解读，并举例说明，同时，提出了指南对我军用电子元器件领域标准化发展的重要意义。

参考文献
[1] Defense Standardization Program：DoD Instruction 4120.24 [S]．
[2] Parts Management Plan：DI-SDMP-81748 [S]．
[3] Standardization Directory：SD-1 [S]．
[4] Parts Management Guide：SD-19 [S]．
[5] Parts Requirements and Application Guide：SD-18 [S]．
[6] 梁箭．美国军用电子元器件要求和应用指南(第二版)[M].北京: 国防工业出版社，2012：1-4．
作者简介
张玉芹，高级工程师，主要从事电子元器件标准化研究。

闫美存，工程师，主要从事功率半导体器件标准化研究。

张玉芹，闫美存：美国防部SD-18《电子元器件要求与应用指南》解读。