基于應(yīng)用背景的電子元器件結(jié)構(gòu)分析研究

仇沈，張哲瑞，楊佳寧

（1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

元器件對(duì)裝備的性能、壽命和可靠性起著決定性作用，且元器件也是裝備失效的薄弱環(huán)節(jié)，元器件越發(fā)成為象征國家軍工實(shí)力的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)資源。由于元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝和材料直接決定元器件的固有可靠性，其中包含有許多重要的可靠性信息，若存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、工藝控制缺陷等問題，導(dǎo)致元器件的固有可靠性下降，將在使用階段在經(jīng)濟(jì)或進(jìn)度上造成重大損失，若在選用這些元器件前詳細(xì)地了解其結(jié)構(gòu)和工藝缺陷，可一定程度上減小或避免由元器件可靠性問題帶來的損失。結(jié)構(gòu)分析（Construction Analysis，CA）作為元器件可靠性評(píng)估的分析方法，通過非破壞性和破壞性試驗(yàn)對(duì)元器件的內(nèi)部設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝和材料進(jìn)行剖析來確定元器件本身是否存在潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)的因素、可靠性問題、工藝缺陷和信息安全隱患等。結(jié)構(gòu)分析不僅直接鎖定元器件“不好用”的原因，還指導(dǎo)元器件生產(chǎn)研制單位進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

1 結(jié)構(gòu)分析的可靠性機(jī)理

結(jié)構(gòu)分析是一種應(yīng)用背景下完全基于應(yīng)用需求的正向剖析分析技術(shù)。結(jié)構(gòu)分析與破壞性物理分析(DPA，Destructive Physical Analysis) 的不同點(diǎn)在于DPA是對(duì)已知設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝和材料的條件下進(jìn)行的符合性和一致性考核，而結(jié)構(gòu)分析一般針對(duì)新型的元器件、或某特定條件下無使用經(jīng)驗(yàn)的元器件的可靠性分析與評(píng)估。結(jié)構(gòu)分析通過拆分結(jié)構(gòu)單元獲取元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝和材料要素，針對(duì)結(jié)構(gòu)要素采用一系列非破壞性試驗(yàn)和破壞性試驗(yàn)手段對(duì)元器件進(jìn)行早期的固有可靠性狀況、工藝質(zhì)量和潛在的失效機(jī)制摸底分析，從而評(píng)判元器件的固有可靠性及工程應(yīng)用要求下的適應(yīng)性。結(jié)構(gòu)分析本質(zhì)上是從微觀的角度闡明與元器件的內(nèi)部物理、化學(xué)過程和在各種應(yīng)力下可能引發(fā)失效的機(jī)理，為改進(jìn)元器件質(zhì)量和提高元器件的可靠性提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)元器件的固有可靠性和使用可靠性開展分析是結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)涵。

2 結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證流程

結(jié)構(gòu)分析流程可分解為五大環(huán)節(jié)和三小項(xiàng)，五大環(huán)節(jié)包括整體需求分析、結(jié)構(gòu)分析方案、結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)實(shí)施、結(jié)構(gòu)判別與評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)分析結(jié)論；以及制定方案時(shí)應(yīng)進(jìn)行的3 個(gè)步驟：結(jié)構(gòu)單元分解、結(jié)構(gòu)要素識(shí)別和試驗(yàn)方法確認(rèn)。

2.1 整體需求分析

在結(jié)構(gòu)分析的相關(guān)試驗(yàn)前需了解元器件的背景信息。元器件研制的背景信息，通常包括元器件的基礎(chǔ)信息（如元器件名稱、型號(hào)、批次號(hào)、質(zhì)量等級(jí)等）、應(yīng)用信息（應(yīng)用型號(hào)、所屬設(shè)備、設(shè)備實(shí)際工作溫度、主要承受的應(yīng)力、故障及歸零情況等）、狀態(tài)信息（研制階段、產(chǎn)品成熟度、質(zhì)量控制狀態(tài)等）。對(duì)調(diào)研的背景信息做整體需求分析后，提取元器件自身的薄弱環(huán)節(jié)及使用中承受的主要應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)分析方案制定的輸入。元器件的可靠性由內(nèi)外因共同作用決定，元器件的固有可靠性與元器件的功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和材料選材息息相關(guān)，是元器件的內(nèi)在基因；外因是元器件研制預(yù)定的應(yīng)用環(huán)境條件，外因表現(xiàn)為在應(yīng)用過程中外部應(yīng)力對(duì)元器件造成的侵蝕，外因通過內(nèi)因起作用而最終表現(xiàn)為元器件的失效。

2.2 結(jié)構(gòu)分析方案制定

與DPA 需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各檢測(cè)項(xiàng)開展試驗(yàn)有所不同，結(jié)構(gòu)分析還需關(guān)注材料成分、物理結(jié)構(gòu)、禁限用工藝和材料等方面的情況。制定結(jié)構(gòu)分析方案的過程中，對(duì)元器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元分解，從分解的結(jié)構(gòu)單元中識(shí)別結(jié)構(gòu)要素。并針對(duì)識(shí)別出的結(jié)構(gòu)要素選擇結(jié)構(gòu)分析所需的試驗(yàn)方法，并對(duì)接整體需求設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)流程，形成可執(zhí)行的結(jié)構(gòu)分析方案。方案制定須遵循科學(xué)性、合理性和可操作性的原則，重點(diǎn)檢查元器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和薄弱環(huán)節(jié)，驗(yàn)證元器件在不同環(huán)境中應(yīng)用的適應(yīng)程度和耐受能力。

2.3 結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)實(shí)施

在試驗(yàn)實(shí)施前，應(yīng)確認(rèn)試驗(yàn)大綱中的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)設(shè)置的順序。試驗(yàn)過程中，應(yīng)先確認(rèn)試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備、備試樣品和試驗(yàn)環(huán)境均符合試驗(yàn)大綱相關(guān)技術(shù)要求。在實(shí)施的過程中，應(yīng)結(jié)合結(jié)結(jié)構(gòu)單元和要素采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并詳實(shí)、完整將數(shù)據(jù)記錄下來。

2.4 結(jié)構(gòu)判別與評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)結(jié)束后，需要結(jié)合驗(yàn)證目的和應(yīng)用條件進(jìn)行判別與評(píng)價(jià)。按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、用戶要求和相關(guān)規(guī)范判別備試樣品是否存在禁限用結(jié)構(gòu)、工藝和材料，如果存在禁用項(xiàng)，則應(yīng)一票否決此元器件在裝備上的應(yīng)用；如果存在限用項(xiàng)，則需結(jié)合用戶需要及應(yīng)力環(huán)境對(duì)限用項(xiàng)進(jìn)行判別，如不能滿足用戶要求則應(yīng)明確給出否定評(píng)價(jià)，如與用戶要求不沖突則應(yīng)給出使用的條件、環(huán)境和注意事項(xiàng)。除此之外，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)單元和要素的試驗(yàn)結(jié)論采集結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)，總結(jié)同類元器件的失效案例提煉常見失效機(jī)理為依據(jù)評(píng)判備試元器件是否存在相同的結(jié)構(gòu)問題，以及對(duì)存在設(shè)計(jì)漏洞或潛在威脅的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)；同時(shí)，結(jié)合調(diào)研得到的元器件生產(chǎn)工藝水平與實(shí)際工藝實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)材料的選擇是否合理，對(duì)裝聯(lián)性和可裝配性進(jìn)行分析。

2.5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)論

結(jié)構(gòu)分析的結(jié)論具有一定的開放性，不同于DPA 檢驗(yàn)結(jié)論為合格、通過、不通過等，結(jié)構(gòu)分析的結(jié)論需總結(jié)備試樣品的禁限用情況、具體的結(jié)構(gòu)單元和要素的分析情況以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力、工藝掌握成熟度和材料的匹配性評(píng)價(jià)給出結(jié)構(gòu)分析結(jié)論，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)還可對(duì)產(chǎn)品提出有針對(duì)性的改進(jìn)意見和建議，從而使研制廠家優(yōu)化元器件的固有可靠性來確保產(chǎn)品的使用可靠性。

3 結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證方案

用戶的應(yīng)用要求是結(jié)構(gòu)分析的目的，不同的試驗(yàn)?zāi)康漠a(chǎn)生不同的驗(yàn)證側(cè)重點(diǎn)決定了結(jié)構(gòu)分析方案內(nèi)容的制定，結(jié)構(gòu)分析工作的核心是結(jié)構(gòu)分析方案的編制。結(jié)構(gòu)單元分解是對(duì)元器件的整體結(jié)構(gòu)按照用戶要求、功能性能、結(jié)構(gòu)特征、物理單元逐層進(jìn)行樹狀圖分解，一般分為三級(jí)。按照功能和結(jié)構(gòu)將元器件按拆分成不可開分解的最小單元，元器件結(jié)構(gòu)單元分析示意圖如圖2 所示。將元器件按照功能和結(jié)構(gòu)單元分出第一層后，再逐個(gè)單元向下細(xì)分至不可分解為止。原則上結(jié)構(gòu)分析須分解到物理結(jié)構(gòu)的最小承載單元、工藝和材料的的最小界限，但也需要結(jié)合實(shí)際用戶需求及公認(rèn)的典型結(jié)構(gòu)單元分解，不可純粹為了分解而分解。

結(jié)構(gòu)要素是最小單元表征的功能性能的本質(zhì)特征，各個(gè)結(jié)構(gòu)單元可識(shí)別出多方面的結(jié)構(gòu)要素，識(shí)別出的要素作為可靠性因素為具體試驗(yàn)的設(shè)置提供依據(jù)。識(shí)別出的結(jié)構(gòu)要素應(yīng)采用表格形式呈現(xiàn)，結(jié)構(gòu)要素組成和分析試驗(yàn)方法示例如表1 所示。

表1 元器件結(jié)構(gòu)要素組成和分析試驗(yàn)方法

最后，綜合識(shí)別出的結(jié)構(gòu)分析要素設(shè)置對(duì)應(yīng)的分析試驗(yàn)，確保試驗(yàn)可以全面覆蓋結(jié)構(gòu)要素反映的可靠性屬性。分析試驗(yàn)選定后，按照試驗(yàn)邏輯將試驗(yàn)重新排序。將試驗(yàn)項(xiàng)目合并同類相并細(xì)化試驗(yàn)分析內(nèi)容，還應(yīng)按試驗(yàn)項(xiàng)目的應(yīng)力影響關(guān)系和樣品數(shù)量進(jìn)行綜合統(tǒng)籌，按照非破壞性試驗(yàn)在前，破壞性試驗(yàn)在后的順序制定試驗(yàn)流程，結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)矩陣表如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)矩陣表

4 結(jié)語

元器件結(jié)構(gòu)分析是在長期研制和應(yīng)用過程中總結(jié)出來的一套行之有效的質(zhì)量控制手段，通過驗(yàn)證得到的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以支撐元器件的研發(fā)和改型，從應(yīng)用的角度入手獲取工藝和材料的失配提高元器件的質(zhì)量可靠性，減少批產(chǎn)中的質(zhì)量問題和應(yīng)用中的環(huán)境適應(yīng)性問題，有利于保障裝備順利通過試驗(yàn)及列裝。結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括整體需求分析、結(jié)構(gòu)分析方案制定、結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)實(shí)施、結(jié)構(gòu)判別評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)分析結(jié)論，其中方案制定依賴于結(jié)構(gòu)單元分解、結(jié)構(gòu)要素識(shí)別和試驗(yàn)方法確認(rèn)。結(jié)構(gòu)分析結(jié)論應(yīng)包含對(duì)與研制方的改進(jìn)意見和對(duì)使用方的使用意見，給研制方的改進(jìn)建議應(yīng)切實(shí)可行，給使用方的意見應(yīng)便于使用理解。