電路國產(chǎn)化可靠性管理

胡劍書，劉 銳，唐萬軍

(1.空軍駐重慶氣壓機械廠軍事代表室，重慶 400060;

2.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060)

自20世紀90年代以來，電子系統(tǒng)向高性能、高可靠和小型化發(fā)展方向快速發(fā)展，電子系統(tǒng)性能總體提升過程中，受國內電子元器件行業(yè)整體制造水平的限制，曾大比例地選用了從國外進口的集成電路，其中以高性能專用電路、大規(guī)模集成電路和混合集成電路為主，通常是性能遠高于國內同類產(chǎn)品的高性能數(shù)據(jù)轉換電路、大功率電機驅動控制電路和電源模塊。

為了控制風險，避免受制于人，同時促進國內集成電路制造水平的快速提升，掌握核心設計技術和制造技術，國家提出了國產(chǎn)化率的控制要求，并對某些領域的重要設備、系統(tǒng)，特別是軍用武器系統(tǒng)，明確規(guī)定了國產(chǎn)化率指標。為了滿足以選用國產(chǎn)電路為基礎的總體設計需求，國家組織不定期定向發(fā)布工程需求背景明確的國產(chǎn)化元器件需求清單，并從政策和經(jīng)費上大力支持國內集成電路制造單位開展國產(chǎn)化項目研制。國產(chǎn)化項目既屬于新品研制，但相對一般的新品研制又有其特點，通常不但要求在性能上能代替國外對應型號，還要求質量可靠性滿足具體型號工程的總體要求。

可靠性作為產(chǎn)品質量特性的一個重要屬性，與產(chǎn)品設計、制造及使用過程密切相關。根據(jù)統(tǒng)計資料，影響可靠性的因素中40%與設計有關、30%與元件及材料有關，因此，加強研發(fā)過程的可靠性管理對于提高產(chǎn)品的固有可靠性顯得極為重要。

本文將根據(jù)一般新產(chǎn)品研發(fā)的立項論證、方案設計、樣品研制和設計定型4個階段，結合國產(chǎn)化項目的自身特點，介紹各階段的可靠性工作主要內容和管理控制要點。

1 立項階段

確定可靠性設計指標是項目立項階段的重要工作。為了保證可靠性指標確定的合理性，一般應從以下幾方面的開展工作。

1.1 信息收集

組織設計單位開展國產(chǎn)化項目市場和技術調研工作，收集與國產(chǎn)化產(chǎn)品可靠性相關的信息，通常應包括:

1)國外對應型號產(chǎn)品質量等級，可靠性指標;

2)對應型號在國內應用存在的主要失效模式或失效機理;

3)國外產(chǎn)品采用的設計技術、工藝技術與研制單位技術能力差異性，是否屬于新技術、新工藝;

4)產(chǎn)品在壽命周期內的應力狀況(環(huán)境條件和應力條件);

5)其他制約研制的條件(如研制周期要求，成本控制要求等)。

1.2 用戶需求分析

通過研制任務書、合同以及調研等方式，詳細了解用戶對國產(chǎn)化產(chǎn)品性能、特征及可靠性的要求和期望，包括國產(chǎn)化產(chǎn)品與國外對應產(chǎn)品的替換方式(如完全pin-pin互換、性能互換或功能替代)、用戶以往使用國外對應型號產(chǎn)品存在的問題等，并對用戶的要求進行總結與量化轉換，確定產(chǎn)品的具體可靠性要求，用產(chǎn)品質量等級、工作溫度范圍、產(chǎn)品的使用環(huán)境(如低氣壓、電磁、輻照等)、ESD等級、使用壽命、貯存壽命、任務可靠度等參數(shù)表征。

另外，要特別關注用戶對環(huán)境適應性的要求以及用戶明示必須避免的失效模式。

1.3 指標確定

在前述信息收集和用戶需求分析的基礎上，可確定國產(chǎn)化產(chǎn)品的可靠性指標，可靠性指標一般可按以下4個方面進行分類:

1)產(chǎn)品參數(shù)穩(wěn)定性指標

即時間、溫度等因素對主要性能參數(shù)的影響特性，如時漂、溫漂等，通常用Δ參數(shù)、溫度系數(shù)表示，通常該項指標會與國外對應型號保持一致。

2)產(chǎn)品所能適應的環(huán)境應力

產(chǎn)品所能適應的環(huán)境通常指工作溫度范圍、機械應力、氣候應力和電磁(輻射)環(huán)境等，通常情況下用戶會給出明示的環(huán)境試驗項目及條件;對于用戶未量化環(huán)境應力的情況，可以先查閱環(huán)境劃分及環(huán)境試驗相關標準，再與用戶協(xié)商確定。

對于通用型國產(chǎn)化產(chǎn)品，其應用可能覆蓋地面、航空、艦船等多領域，確定產(chǎn)品的環(huán)境適用能力時應進行綜合考慮。

3)失效率、平均壽命或質量等級

根據(jù)產(chǎn)品自身特性差異，可以采用失效率、壽命或質量等級中的一項或多項來表征產(chǎn)品的主要可靠性特性，可由用戶通常直接給出量化要求，用戶未要求的應參照國外對應型號產(chǎn)品可靠性指標確定。在立項階段確定該類指標時，應根據(jù)產(chǎn)品專業(yè)總規(guī)范、行業(yè)現(xiàn)狀及研制單位現(xiàn)有能力，充分論證滿足用戶要求的可行性。

4)必須消除或控制的失效模式或機理

充分統(tǒng)計和分析解國外對應型號產(chǎn)品在以往整機系統(tǒng)中使用時出現(xiàn)過的失效模式、失效機理，是國產(chǎn)化項目可靠性工程中的一項重要內容，也是制定國產(chǎn)化產(chǎn)品可靠性技術評估方案的重要依據(jù)。應重點關注國外對應型號產(chǎn)品的主要失效模式，并結合用戶的實際使用，確定哪些是國產(chǎn)化過程中必須消除或控制的失效模式。

1.4 管理重點

本階段可靠性管理的重點是保證指標確定的合理性、完整性，在確定指標時要充分考慮約束條件(如國外對應產(chǎn)品可靠性水平、研制單位技術能力、研制經(jīng)費和周期限制等)的影響以及與性能指標的協(xié)調性;避免可靠性指標要求過低、過高或不明確;要注意指標的量化和檢測方式并與用戶溝通達成一致。

2 方案設計階段

方案設計階段，應根據(jù)國外對應產(chǎn)品技術信息，國內歷史使用狀況，用戶期望的替換方式和可靠性要求，結合研制單位技術能力，開展技術方案設計和可靠性設計工作。而本階段可靠性工作的重點是技術方案設計和評審。

2.1 可靠性方案設計

可靠性方案設計包括了2個方面的內容，一是可靠性方案設計，二是可靠性驗證設計。

1)可靠性方案設計

可靠性設計是為滿足可靠性指標而開展的工作，它是產(chǎn)品設計的重要組成部分。

可靠性作為產(chǎn)品的一項基本特性，其設計必須貫穿于產(chǎn)品設計的各個方面和全過程，在滿足基本功能的同時，全面地考慮影響可靠性的各種因素，可靠性方案設計最終在產(chǎn)品設計方案中體現(xiàn)。

對于立項階段已確定的可靠性指標應在方案設計時進行分解、分配，讓每一個可靠性指標均在設計方案中得到落實、體現(xiàn)。為了最大限度地消除或控制產(chǎn)品在壽命周期內的可能失效模式，應針對失效機理針對性地開展設計;應在充分分析、總結國外產(chǎn)品技術途徑的情況下，結合研制單位的技術能力，制定自己的設計方案，鼓勵設計人員采用先進的設計原理、可靠性技術及成熟的新材料、新結構和新工藝;在滿足預定功能、性能和可靠性的情況下，盡可能簡化產(chǎn)品結構，避免復雜結構帶來的可靠性問題。

2)可靠性驗證設計

開展可靠性驗證的目的是驗證產(chǎn)品是否已獲得預定的可靠性而開展的工作，可用來證明產(chǎn)品與設計要求的符合性，也可用來尋找設計薄弱環(huán)節(jié)。可靠性驗證方案的確定與可靠性指標、設計方案及設計方法有關，其輸出應是一組或多組針對產(chǎn)品的試驗方案，如機械應力試驗、氣候應力試驗、電磁環(huán)境試驗及其組合。

2.2 可靠性方案評審

可靠性方案評審可以與方案評審同時進行，也可以進行專題評審，主要是評審設計方案的合理性、理論上滿足設計輸入的程度和驗證方案的有效性。原則上只有所有設計輸入要求均能得到滿足的方案才是一個合格的方案，但實際上受進度、經(jīng)費等約束條件限制，通常都存在少量的不確定指標成為方案評審遺留項，評審時應重點評審遺留項的風險，對遺留項必須要有具體的實施方案(包括專項試驗方案)、后續(xù)進度安排和出現(xiàn)預期外結果時的應對措施。

2.3 管理重點

方案設計階段可靠性管理主要內容為檢查GJB450中規(guī)定的300系列可靠性工作項目執(zhí)行情況，包括可靠性指標分配/分解、可靠性設計技術應用、可靠性設計準則(包括元器件選用指南)的制定與執(zhí)行、可靠性分析等內容。

為提高管理有效性和效率，可制定可靠性工作及可靠性設計情況檢查表，逐項檢查工作執(zhí)行情況及相應技術要點，避免工作遺漏和技術疏忽，同時檢查表中可有效體現(xiàn)同類產(chǎn)品成功的設計經(jīng)驗和失敗教訓。

3 樣品研制

樣品研制階段的主要工作是對設計方案進行物理實現(xiàn)，并驗證樣品的實際性能是否滿足設計輸入的要求，是否滿足用戶使用要求。本階段的可靠性工作主要包括樣品研制試驗與分析、用戶試用和改進。

3.1 樣品研制試驗與分析

按已通過評審的設計方案研制樣品，對樣品進行功能、電性能和可靠性驗證，可靠性驗證應嚴格執(zhí)行方案設計評審時確定的驗證技術方案。原則上可靠性驗證應在功能、性能已滿足設計輸入要求的樣品上進行，當可靠性驗證結果不滿足設計輸入要求(可靠性指標)時，應進行必要的技術分析或進一步的驗證，找到可靠性薄弱環(huán)節(jié)或影響可靠性的主要因素，并根據(jù)分析結果修正原來的設計方案(必要時，修正后的設計方案應重新評審)。

按修正后的設計方案重新研制樣品，重新進行功能、電性能和可靠性驗證，直到全面滿足設計輸入要求。

為降低用戶要求轉換風險，應將自我評價已滿足設計輸入要求的樣品送用戶試用，在工程樣機上驗證電特性和可靠性滿足實際使用情況，并評價與國外產(chǎn)品的互換性。

3.2 方案改進

如果試用不滿足要求或用戶提出新的要求(經(jīng)評審后可以接收的)，應根據(jù)用戶意見修改設計方案(包括驗證方案)，重新研制樣品，重新驗證，重新送樣試用，遵循“方案設計—樣品研制—驗證(試用)—分析—改進—重新設計”的循環(huán)，直到滿足要求。

3.3 管理重點

樣品研制階段可靠性管理的重點是研制試驗管理和應用工程驗證跟蹤?？煽啃则炞C試驗應嚴格執(zhí)行方案評審時確定的驗證方案，并對試驗結果進行分析，特別關注用戶工程驗證方案是否能同時驗證樣品電性能與國外產(chǎn)品的可替換性和可靠性滿足工程要求。當用戶工程驗證方案不完善時，應進行必要的補充驗證試驗或風險評估。

4 設計定型階段

產(chǎn)品設計定型階段的可靠性工作項目主要是可靠性鑒定試驗，可靠性鑒定試驗一般要求在第三方進行，通常情況下應按GJB899《可靠性鑒定與驗收試驗》或其他有關標準規(guī)定的要求和方法進行可靠性鑒定試驗。研制方應根據(jù)相關標準要求及產(chǎn)品的特點、壽命剖面和任務界面，制定可靠性鑒定試驗方案(包括試驗機理、試驗模型、試驗項目、試驗判據(jù)和試驗數(shù)據(jù)處理等)，通過評審并獲得用戶方認可。

本階段的可靠性管理重點是組織制定合理的可靠性鑒定試驗方案并獲得各方認可。

5 結束語

按新產(chǎn)品研發(fā)的立項論證、方案設計、樣品研制和設計定型4個主要階段，結合國產(chǎn)化項目的自身特點，依次分析了各階段的可靠性工作流程、主要內容及管理控制重點，有利于設計人員正確開展可靠性工作，有利于可靠性管理人員有效控制可靠性工作質量。

［1］ 陳穎，康銳.高可靠元器件的使用環(huán)境、試驗條件和失效機理［J］.可靠性物理與失效分析技術，2007，25(6):23－30.

［2］ 朱旭光.越大規(guī)模集成電路可靠性評估綜述［J］.計算機工程應用技術，2012，8(1):204 －206.

［3］ 劉寧致，丁國強.加強航空裝備可靠性管理探討［J］.質量與可靠性，2010，150(6):47 －50.

［4］ 祝貞鳳，孫江河.電子產(chǎn)品研發(fā)過程中電子元器件的可靠性管理［J］.電子元器件應用，2010，12(10):90 －96.

［5］ 黃云，恩云飛，楊丹.混合電路存貯可靠性及評價方法［J］.微電子學，2007，37(2):173 －176.

［6］ 周浩，陳立翔，李吉浩.國產(chǎn)化微波元器件應用驗證的方法及應用［J］.雷達技術，2012，34(1):58 －59.

(責任編輯楊繼森)