李劍燾，孫明，張海明，寧永成，蔣承志

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

1 引言

傳統(tǒng)的軍用、宇航元器件質(zhì)量評價和等級劃分主要是根據(jù)可靠性試驗的試驗種類、應(yīng)力等級和器件特性來確定的[1-3]，這種評價方式可以定性判斷產(chǎn)品是否滿足宇航等應(yīng)用的可靠性要求，但并沒有對元器件的批次產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行定量分析，也不能反映產(chǎn)品在不同批次間的質(zhì)量波動趨勢。隨著我國宇航產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星型號對元器件參數(shù)的精密程度、批次內(nèi)和生產(chǎn)批次間一致性及質(zhì)量穩(wěn)定性的要求日益提高，因此需要一種方法來定量表征產(chǎn)品的綜合質(zhì)量水平，提高國產(chǎn)元器件的過程控制能力及成品質(zhì)量受控程度。

本文提出了一種基于過程控制能力和參數(shù)分布能力的元器件質(zhì)量水平評價方法，以實現(xiàn)對連續(xù)量產(chǎn)元器件的定量質(zhì)量水平評估和分析；同時結(jié)合數(shù)據(jù)分析識別生產(chǎn)制造的薄弱環(huán)節(jié)，可針對性地采取更加嚴(yán)格的控制方法，通過數(shù)據(jù)模型，提早識別并剔除質(zhì)量風(fēng)險偏大的產(chǎn)品。

2 生產(chǎn)批質(zhì)量水平評價基本原理

生產(chǎn)批質(zhì)量水平評價的基本原理為：首先通過成品檢驗和參數(shù)一致性控制，排除產(chǎn)品的重大質(zhì)量隱患；在此基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的質(zhì)量水平分解為能夠反映產(chǎn)品質(zhì)量特性的若干關(guān)鍵指標(biāo)，主要包括過程控制、產(chǎn)品參數(shù)分布能力等，其中，過程控制由關(guān)鍵工序合格率、工序能力指數(shù)（CPK）等指標(biāo)表征，產(chǎn)品參數(shù)分布能力由產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性（參數(shù)時空分布特性）表征；最后，通過數(shù)據(jù)處理和綜合分析得出產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)，表征產(chǎn)品批次質(zhì)量水平。

元器件參數(shù)時空分布特性如圖1 所示，產(chǎn)品的參數(shù)分布在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變化，原本處在參數(shù)分布邊緣的器件有更大的概率逐漸退化為超差甚至失效器件。產(chǎn)品的一致性（本征分布）和穩(wěn)定性（應(yīng)力下變化）與產(chǎn)品質(zhì)量水平有密切的關(guān)系[3-5]。

圖1 元器件參數(shù)時空分布特性

元器件質(zhì)量波動來源如圖2 所示。元器件質(zhì)量波動主要來自生產(chǎn)制造過程中的隨機(jī)波動和異常波動[3,6-8]。其中，隨機(jī)波動來自產(chǎn)品設(shè)計水平和生產(chǎn)線工藝水平波動，反映在產(chǎn)品特性參數(shù)上為本征分布，即產(chǎn)品正常生產(chǎn)狀態(tài)下所具備的分散性，這種分散性會降低元器件參數(shù)的精密度，影響單機(jī)產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。而異常波動來源于原材料異常、工藝過程控制異常等，異常波動可能導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問題。元器件質(zhì)量水平評價的主要工作為：在對產(chǎn)品特性參數(shù)異常波動進(jìn)行識別和控制的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品的本征特性和分布特性進(jìn)行評價。

圖2 元器件質(zhì)量波動來源

3 基本指標(biāo)確定方法

3.1 關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)的選擇

過程控制和產(chǎn)品參數(shù)分布能力指標(biāo)的確定基于產(chǎn)品關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)，因此先要確定這2 項內(nèi)容。選擇關(guān)鍵工序的原則為：（1）選擇影響元器件質(zhì)量水平的關(guān)鍵生產(chǎn)工序；（2）選擇易發(fā)生質(zhì)量問題的生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)；（3）選擇工序合格率波動較大的工序。

選擇關(guān)鍵參數(shù)的基本方法為：分析參數(shù)波動與產(chǎn)品質(zhì)量、功能、工藝和失效模式之間的相關(guān)性，選擇能夠表征元器件質(zhì)量和功能特性的參數(shù)作為進(jìn)行一致性控制的候選參數(shù)；對初步選定的候選參數(shù)進(jìn)行測量系統(tǒng)分析，排除無法滿足R&R 精密度要求（大于30%）的參數(shù)，最終確定產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)。對一些常見元器件關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)的選擇建議如表1 所示。

表1 6 類典型元器件的關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)選擇建議

3.2 過程控制能力的確定

過程控制能力指標(biāo)可通過積累產(chǎn)品關(guān)鍵生產(chǎn)工序的合格率或工序能力指數(shù)獲得，其中工序能力指數(shù)需轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的合格率。

3.3 參數(shù)分布能力的確定

產(chǎn)品參數(shù)分布能力指標(biāo)需要通過參數(shù)一致性分析獲得。其基本過程包括分布判斷和轉(zhuǎn)換、離群值的識別和剔除、產(chǎn)品分布關(guān)鍵參數(shù)的指標(biāo)分析。同時，對具有相關(guān)性的參數(shù)，還應(yīng)當(dāng)基于相關(guān)性進(jìn)行指標(biāo)分析。確定參數(shù)分布能力的步驟包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、關(guān)鍵指標(biāo)分析等。在確定過程控制能力和參數(shù)分布能力之后，即可進(jìn)行元器件質(zhì)量水平評價。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

首先需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和生產(chǎn)及試驗流程確定采集數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，對于參數(shù)退化與產(chǎn)品失效有較強(qiáng)相關(guān)性的元器件，應(yīng)對其在壽命實驗前后，包括篩選和質(zhì)量一致性（QCI）考核試驗的參數(shù)分布變化進(jìn)行評估。對于參數(shù)退化與產(chǎn)品失效無關(guān)的元器件，以及對參數(shù)退化不敏感的元器件可不進(jìn)行參數(shù)分布變化評估。常用元器件的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)如表2 所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

完成數(shù)據(jù)采集后，需對原始測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和處理。將不規(guī)則的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，同時檢查、排除、糾正數(shù)據(jù)中的缺省項、錯誤值，使數(shù)據(jù)達(dá)到可用于分析的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，需要對參數(shù)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和轉(zhuǎn)換，對于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行分布轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[6-10]給出了具體的參數(shù)優(yōu)化及分析方法。

3.3.3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

對于不同種類的元器件，可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選擇元器件產(chǎn)品參數(shù)分布能力指數(shù)、離群率和試驗前后變化率、批次間波動趨勢等幾個指標(biāo)進(jìn)行一致性評價。

參數(shù)分布能力指數(shù)（Kd）反映產(chǎn)品參數(shù)相對于設(shè)計范圍的離散性和準(zhǔn)確性。其計算方法如式（1）所示：

其中，μ 為該參數(shù)均值，σ為該參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，TU為標(biāo)稱值上限，TL為標(biāo)稱值下限。(TU-TL)/（6σ）表征參數(shù)的離散性，{1-|μ-(TU-TL)/2|/[(TU-TL)/2]}表征參數(shù)均值相對設(shè)計范圍的偏離度。

由于不同參數(shù)的規(guī)格限與參數(shù)實際分布有非常大的差距，在實際使用中，部分參數(shù)的能力指數(shù)計算結(jié)果并不能完全反映產(chǎn)品的質(zhì)量水平，在這種情況下，可以使用參數(shù)精度（ACC）來代替參數(shù)能力指數(shù)進(jìn)行評估：

其中，α 為參數(shù)基準(zhǔn)值（無基準(zhǔn)值時使用歷史批次的平均值）。相應(yīng)地，3σ/μ 表征參數(shù)的離散性，(μ-α)/α 表征參數(shù)均值相對設(shè)計范圍的偏離度。

批次內(nèi)離群率R=nf/ntotal，n 為關(guān)鍵工序，ntotal為關(guān)鍵工序總數(shù)，f 表示某參數(shù)篩選后參數(shù)離群和篩選前后變化率離群，文獻(xiàn)[9-12]給出了參數(shù)離群的識別方法。

試驗選前后變化率（C）考察該參數(shù)在承制方篩選試驗前后批次內(nèi)分布的整體變化趨勢，包括參數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的變化程度，如式（3）所示：

其中，m 為敏感參數(shù)的數(shù)量，μBi、μAi分別為試驗前后敏感參數(shù)的均值，σBi、σAi分別為試驗前后敏感參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

批次間一致性指標(biāo)包括控制限和波動趨勢，在本文中的作用為排除批次質(zhì)量隱患風(fēng)險，參考文獻(xiàn)[12]給出了具體計算和識別方法。

4 元器件質(zhì)量水平評價方法

在完成基本指標(biāo)提取后，即可通過計算元器件過程控制和產(chǎn)品參數(shù)分布能力指標(biāo)及后端應(yīng)用失效因子來綜合評價產(chǎn)品的批次質(zhì)量水平。根據(jù)評價結(jié)果，識別并分析造成某項產(chǎn)品質(zhì)量水平指標(biāo)較低的原因（產(chǎn)品設(shè)計、工藝控制），以及一致性水平較低所帶來的風(fēng)險。

式（4）為本文所提出的元器件質(zhì)量水平評價方法表達(dá)式，不同類型的器件可以參考表2 并根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)對表達(dá)式細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。

其中，Q 為綜合質(zhì)量指數(shù)，A 為調(diào)整系數(shù)（常數(shù)），Pf是根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用數(shù)據(jù)得到的后端失效系數(shù)（取值范圍0～1），πMa、πpa分別為產(chǎn)品過程控制和參數(shù)分布能力指標(biāo)。

其中，Pi為第i 個過程合格率，Ppmi為第i 個過程能力指數(shù)所對應(yīng)的不合格率，CS為敏感參數(shù)的篩選試驗前后分布變化，CQCI為敏感參數(shù)的QCI 壽命試驗前后分布變化，Z1、Z2為變化率的權(quán)重系數(shù)，兩者取值范圍為0～1。在篩選試驗前后變化率較?。ㄐ∮?%）時，可不用考察QCI 壽命試驗前后變化率。

5 案例及分析

5.1 產(chǎn)品基本信息

選擇某低壓差線性穩(wěn)壓器作為質(zhì)量水平評價對象，其最高工作電壓為26 V，最大輸出電流為1.5 A，輸出電壓可調(diào)，穩(wěn)態(tài)總劑量輻射能力為100 krad（Si），主要包括啟動電路、電壓基準(zhǔn)電路、誤差放大器電路、反饋電路、保護(hù)電路和輸出調(diào)整管等部分。

5.2 參數(shù)選擇

5.2.1 產(chǎn)品參數(shù)

對器件進(jìn)行全參數(shù)測量系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)器件在基準(zhǔn)電壓VREF、100 mA 下的輸入輸出壓差VDO、線性調(diào)整率L 和輸出電流限制ILIMIT的R&R 精密度小于30%的條件下，滿足進(jìn)行一致性分析的要求。

選擇100 mA 下的VDO、L 和ILIMIT作為關(guān)鍵參數(shù)。L按照±3σ 進(jìn)行控制，VDO和ILIMIT按+3σ 進(jìn)行控制。100 mA下的VDO和Ilimit參數(shù)反映了線性穩(wěn)壓器的帶負(fù)載能力，L 反映了不同輸入條件下的輸出穩(wěn)定能力。

5.2.2 關(guān)鍵工序

對產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵工序分析，選擇外延、基區(qū)擴(kuò)散和鍵合工藝作為產(chǎn)品的關(guān)鍵工序。

5.3 數(shù)據(jù)采集和處理

該產(chǎn)品由自動測試臺測試且有記錄帶編號，因此可以使用老煉前后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合質(zhì)量水平評價。提取測試記錄后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和轉(zhuǎn)換，并代入式（6）進(jìn)行參數(shù)能力評估。同時，提取產(chǎn)品的關(guān)鍵工序，即外延、基區(qū)擴(kuò)散和鍵合工藝的過程合格率，代入式（5）作為過程能力指標(biāo)的輸入。

5.4 綜合質(zhì)量評價

按照第4 節(jié)中的評價方法對15 個批次的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量水平評價，部分產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差變化率未超過5%，因此不需將質(zhì)量一致性壽命試驗前后的變化率納入考察項目。對輸出結(jié)果反饋和項目權(quán)重進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：調(diào)整系數(shù)設(shè)為100，后端失效系數(shù)為1（無失效記錄），變化率權(quán)重系數(shù)Z1設(shè)為0.25，Z2設(shè)為0.5。評價結(jié)果如表3 所示，第一批產(chǎn)品的綜合質(zhì)量指數(shù)較低，接近批次間一致性控制限[12]，其原因是該批次為系列的首批投產(chǎn)產(chǎn)品，生產(chǎn)時的工藝條件尚未完全成熟，關(guān)鍵過程中的產(chǎn)品剔除率較高。圖3 為該型號線性穩(wěn)壓器的綜合質(zhì)量指數(shù)變化趨勢，可以看出批次綜合質(zhì)量指數(shù)呈逐漸上升的趨勢。

表3 某線性穩(wěn)壓器批次質(zhì)量水平評價結(jié)果

圖3 某線性穩(wěn)壓器的綜合質(zhì)量指數(shù)變化趨勢

5.5 在軌器件評價和驗證情況

使用本文所提出的方法對表1 中的6 類某衛(wèi)星系統(tǒng)用新型關(guān)鍵器件共56 批33 823 只產(chǎn)品，進(jìn)行了質(zhì)量水平評價，對各類型的評價結(jié)果取平均（各類別權(quán)重相同），并按生產(chǎn)時間順序繪制如圖4 所示的質(zhì)量指數(shù)總體變化趨勢，可以看出國產(chǎn)新型關(guān)鍵元器件的平均質(zhì)量水平在近10 年呈現(xiàn)波動上升趨勢。

圖4 6 類關(guān)鍵元器件質(zhì)量指數(shù)總體變化趨勢

圖5 為6 類關(guān)鍵元器件各項指標(biāo)的平均提升幅度圖。其中，穩(wěn)定性包括各項試驗前后變化率，一致性主要受參數(shù)精度影響，成品率代表過程控制能力。產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)的提升主要來源于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及質(zhì)量控制技術(shù)的有效應(yīng)用。

圖5 6 類關(guān)鍵元器件各項指標(biāo)平均提升幅度

截至2021 年12 月，各種器件的在軌無故障工作時間，如表4 所示?？梢钥闯?，多數(shù)國產(chǎn)新型關(guān)鍵元器件的全部在軌無故障總工作時間達(dá)到幾百萬小時以上，證明產(chǎn)品具備較高的質(zhì)量水平。

表4 衛(wèi)星用國產(chǎn)新型關(guān)鍵器件在軌無故障工作時間

6 結(jié)論

本文通過研究典型元器件的關(guān)鍵工序控制能力和產(chǎn)品性能參數(shù)一致性水平，分析可采集參數(shù)，研究數(shù)據(jù)采集和處理方法，提出了一種基于過程控制和參數(shù)分布能力指標(biāo)的元器件質(zhì)量水平評價方法。通過對典型產(chǎn)品的應(yīng)用實踐，建立了元器件生產(chǎn)批次綜合質(zhì)量指數(shù)、參數(shù)分布能力指標(biāo)等概念和統(tǒng)計方法。經(jīng)過較為廣泛的數(shù)據(jù)采集和驗證，該方法可以有效表征產(chǎn)品生產(chǎn)批質(zhì)量水平。本文所提出方法的作用和意義在于：（1）可對已供貨產(chǎn)品按生產(chǎn)批次進(jìn)行質(zhì)量水平定量評估和分析，以確定產(chǎn)品的綜合質(zhì)量水平變化趨勢，為供應(yīng)商管理及風(fēng)險評估提供依據(jù)；（2）結(jié)合數(shù)據(jù)分析，可對后續(xù)生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)參考和模型，采取更加嚴(yán)格的控制方法；（3）可確定產(chǎn)品質(zhì)量水平基線，引導(dǎo)生產(chǎn)廠家提高批次生產(chǎn)質(zhì)量控制水平，提早識別質(zhì)量控制薄弱環(huán)節(jié)和質(zhì)量風(fēng)險偏大的產(chǎn)品。