電子元器件環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法研究

唐慶云，鄭南飛，張洪彬，汪凱蔚

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣州 510610）

引言

產(chǎn)品在使用期間會(huì)經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力的作用而發(fā)生性能劣化甚至故障，環(huán)境適應(yīng)性表示產(chǎn)品“抵抗”環(huán)境因素不被破壞的能力，是重要的質(zhì)量特性之一。電子元器件是電子產(chǎn)品和電子系統(tǒng)的基本組成單元，其環(huán)境適應(yīng)性的好壞對(duì)產(chǎn)品整體的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性具有較大的影響。因此，對(duì)電子元器件的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前電子元器件的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)主要思路是通過開展相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)比試驗(yàn)前后相關(guān)性能指標(biāo)是否達(dá)到失效判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的環(huán)境適應(yīng)性定性評(píng)價(jià)。范紅梅[1]等研究了宇航元器件的熱環(huán)境和適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，以FPGA器件在熱試驗(yàn)后的電性能測量結(jié)果、溫升和外觀為依據(jù)，判定其可適用于給定的熱環(huán)境；馬榮國[2]、王長成[3]等研究了衛(wèi)星電子設(shè)備的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，電子設(shè)備在力學(xué)試驗(yàn)前后相關(guān)檢測指標(biāo)正常穩(wěn)定，認(rèn)為其能夠滿足力學(xué)環(huán)境工程要求。上述研究的重點(diǎn)在于如何確定合適的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目和合理的失效判定準(zhǔn)則，以判定元器件能否適用于特定的環(huán)境，因而環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的結(jié)果也是定性的。然而，實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)還需要對(duì)元器件的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行定量的分析，近年來有學(xué)者開始了相關(guān)研究，如李永強(qiáng)[4]等以MIN板的預(yù)測壽命定量化評(píng)估環(huán)境適應(yīng)性。整體而言，在電子元器件環(huán)境適應(yīng)性定量評(píng)價(jià)方面相關(guān)研究相對(duì)較少，對(duì)元器件優(yōu)選等工程應(yīng)用支撐作用有限。

本文提出了一種關(guān)于電子元器件環(huán)境適應(yīng)性的定量評(píng)價(jià)方法，用于區(qū)分元器件環(huán)境適應(yīng)性的相對(duì)優(yōu)劣。首先構(gòu)建了多級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型，確定了兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；采用了層次分析法和變異系數(shù)法確定了指標(biāo)的權(quán)重[5-10]；指標(biāo)度量上充分考慮了元器件不同性能參數(shù)的特性和要求，進(jìn)行了量化評(píng)分。其次，結(jié)合5種元器件某環(huán)境下試驗(yàn)一定時(shí)間后相關(guān)性能指標(biāo)測試結(jié)果，給出了環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)案例。最后對(duì)元器件的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了展望。

1 多級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型

1.1 環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的內(nèi)涵

環(huán)境因素的長期作用勢必引起元器件功能性能的變化，這種變化體現(xiàn)了元器件對(duì)于特定環(huán)境的適應(yīng)性的強(qiáng)弱。集成電路等較復(fù)雜的元器件通常具有多個(gè)性能參數(shù)，在經(jīng)過一定年限的自然環(huán)境試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)后，不同的性能參數(shù)可能呈現(xiàn)出不同的變化特征，那么如何分析不同參數(shù)的變化及其與產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)聯(lián)是一個(gè)值得研究的問題。表征性能參數(shù)的變化以及性能變化對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的影響是進(jìn)行元器件環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的兩個(gè)不可或缺的維度。因此，本文應(yīng)從這兩個(gè)方面考察環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)問題。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

首先是環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)的建立。本文采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法構(gòu)建環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)的原則是首先在較低層次中進(jìn)行一級(jí)綜合評(píng)價(jià)，再進(jìn)行較高層次的二級(jí)綜合評(píng)價(jià)。即一級(jí)指標(biāo)表示為：

式中：

ui（i=1，2，…，n）是第一層指標(biāo)的第i個(gè)元素，且由第二層指標(biāo)的ni個(gè)子因素組成：

式中：

uij（i=1，2，…，n，j=1，2，…，ni）是第i個(gè)因素的第j個(gè)子因素。

1.3 指標(biāo)權(quán)重

不同指標(biāo)對(duì)于元器件環(huán)境適應(yīng)性的影響是不同的，因此應(yīng)當(dāng)賦予不同指標(biāo)相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重的確定是環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果有直接影響。

1.3.1 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

一級(jí)指標(biāo)權(quán)重記為B = (β1，β2，…，βn)，采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，由專家對(duì)一級(jí)指標(biāo)分別兩兩打分比較指標(biāo)的重要程度，并根據(jù)指標(biāo)間的相對(duì)重要程度構(gòu)建判斷矩陣。

式中：

pij—第i個(gè)指標(biāo)相對(duì)第j個(gè)指標(biāo)的影響大小，pii=1，pij=1/pji；

n—一級(jí)指標(biāo)數(shù)量。

打分可參考表1。

表1 指標(biāo)評(píng)分參考值

則第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重為：

1.3.2 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

本文采用主客觀相結(jié)合的方法確定二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。客觀權(quán)重方面，若不同個(gè)體某項(xiàng)指標(biāo)的差異越大，則該指標(biāo)的權(quán)重越大。為了考慮各指標(biāo)量綱不同的影響，采用變異系數(shù)法確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重。

式中：

Vi—第∑iV個(gè)i指標(biāo)的變異系數(shù)；

mi—第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)所屬的一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)的數(shù)量。

式中：

σi—第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；

主觀權(quán)重方面，采用層次分析法確定。對(duì)一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)，由專家進(jìn)行打分并構(gòu)件判斷矩陣，具體計(jì)算方法與一級(jí)指標(biāo)的確定方法相同。

最后，二級(jí)指標(biāo)權(quán)重由客觀權(quán)重和主觀權(quán)重兩個(gè)方面加權(quán)得到。本文引入偏好因子，二級(jí)指標(biāo)權(quán)重表示如下：

式中：

αi—二級(jí)指標(biāo)權(quán)重；

μ—偏好因子；

1.3.3 綜合指標(biāo)權(quán)重

綜合考慮一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重：

1.4 指標(biāo)度量

1.4.1 “越大越好”型指標(biāo)

對(duì)于要求大于（或不小于）某一特定值c的指標(biāo)，其指標(biāo)度量按下式計(jì)算：

式中：

xi—指標(biāo)的實(shí)測值；

xmax—各牌號(hào)中該指標(biāo)的測試最大值或相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定的最大值。

1.4.2 “越小越好”型指標(biāo)

對(duì)于要求小于（或不大于）某一特定值c的指標(biāo)，其指標(biāo)度量按下式計(jì)算：

式中：

xi—指標(biāo)的實(shí)測值；

xmin—各牌號(hào)中該指標(biāo)的測試最小值或相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定的最小值。

1.4.3 中間型指標(biāo)

中間型指標(biāo)要求指標(biāo)處于中間值x0的鄰域[x0-c1，x0+c2]內(nèi)，且越接近x0越好，其指標(biāo)度量按下式計(jì)算：

1.5 指標(biāo)評(píng)分

由于元器件各檢測參數(shù)之間存在較強(qiáng)的耦合，本文采用幾何加權(quán)平均法給元器件進(jìn)行綜合評(píng)分。評(píng)分方法如下：

式中：

M—打分幅值。

1.6 環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)

根據(jù)指標(biāo)評(píng)分，對(duì)不同元器件的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行排序，得分較高者的適應(yīng)性較好。

2 案例分析

根據(jù)本文的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，對(duì)5種集成電路樣品在某地試驗(yàn)相同時(shí)間后的環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

根據(jù)5種集成電路（編號(hào)IC1、IC2、IC3、IC4、IC1）的性能檢測參數(shù)，確定3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，分別是輸入特性B1，輸出特性B2，功能特性B3；各一級(jí)指標(biāo)下包含若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

2.2 指標(biāo)權(quán)重

2.2.1 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

采用專家打分確定一級(jí)指標(biāo)B1、B2、B3的判斷矩陣：

得到一級(jí)指標(biāo)權(quán)重：

2.2.2 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

2.2.2.1 客觀權(quán)重

對(duì)5種元器件的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，確定二級(jí)指標(biāo)客觀權(quán)重見表2。

2.2.2.2 主觀權(quán)重

對(duì)三個(gè)一級(jí)指標(biāo)下屬的二級(jí)指標(biāo)，采用專家打分構(gòu)建判定矩陣

得到各一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)主觀權(quán)重：

取偏好系數(shù)μ=0.5，得到二級(jí)指標(biāo)權(quán)重見表2。

2.2.3 綜合權(quán)重

根據(jù)公式（8）計(jì)算各指標(biāo)的綜合權(quán)重見表2。

表2 二級(jí)指標(biāo)客觀權(quán)重

2.3 指標(biāo)度量

對(duì)b11，屬于中間型指標(biāo)，允許的取值范圍是[-5，5]，采用公式（11）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是：

對(duì)b12，屬于中間型指標(biāo)，允許的取值范圍是[-1，1]，采用公式（11）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是：

對(duì)b21，屬于“越大越好”型指標(biāo)，技術(shù)文件要求最小值14，最大值取試驗(yàn)測試最大值14.35，采用公式（9）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是:

對(duì)b22，屬于“越小越好”型指標(biāo)，技術(shù)文件要求最大值3.6，最小值取試驗(yàn)測試最大值2.395，采用公式（10）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是:

對(duì)b31，屬于“越大越好”型指標(biāo)，技術(shù)文件要求最小值94，最大值取試驗(yàn)測試最大值116.4，采用公式（9）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是:

對(duì)b32，屬于“越大越好”型指標(biāo)，技術(shù)文件要求最小值70，最大值取試驗(yàn)測試最大值124.4，采用公式（9）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是:

對(duì)b33，屬于“越大越好”型指標(biāo)，技術(shù)文件要求最小值77，最大值取試驗(yàn)測試最大值114.7，采用公式（9）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的指標(biāo)度量分別是:

2.4 指標(biāo)評(píng)分

取打分幅值M=80，根據(jù)公式（12）和（13）計(jì)算IC1～I(xiàn)C5的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)分為:

2.5 評(píng)估結(jié)果分析

由此可見，上述5種元器件環(huán)境試驗(yàn)后的各項(xiàng)性能指標(biāo)均在技術(shù)要求規(guī)定的范圍之內(nèi)，意味著均通過了環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的考核，那么傳統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性定性評(píng)價(jià)方法在這種情形下將難以對(duì)不同元器件的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行有效的區(qū)分。利用文中提出的定量評(píng)價(jià)方法，可以進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同器件之間的差異，根據(jù)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果可知，IC3和IC5的環(huán)境適應(yīng)性較好，IC1和IC2次之，IC4的環(huán)境適應(yīng)性最差，即環(huán)境適應(yīng)性IC3＞IC5＞IC1＞IC2＞IC4。

2.6 偏好系數(shù)對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響

根據(jù)前述分析結(jié)果可知，偏好系數(shù)影響指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)而可能影響最終的畫家適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果。現(xiàn)根據(jù)案例中的數(shù)據(jù)，僅改變偏好系數(shù)的取值，計(jì)算出5種器件的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。可以看出，偏好因子在較大范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)不同產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性排序幾乎沒有影響，說明評(píng)價(jià)結(jié)果受主觀因素的影響較小，評(píng)價(jià)方法具有穩(wěn)健性。

表3 不同偏好因子取值對(duì)結(jié)果的影響

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

文中提出了一種環(huán)境適應(yīng)性多級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型，在評(píng)價(jià)指標(biāo)方面采用兩級(jí)指標(biāo)體系，采用層次分析法和變異系數(shù)法確定了各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，引入偏好因子確定了指標(biāo)的綜合權(quán)重；在指標(biāo)評(píng)分方面，根據(jù)不同的指標(biāo)類型確定了相應(yīng)的指標(biāo)度量和指標(biāo)評(píng)分方法。案例分析表明該方法可以對(duì)元器件的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)結(jié)果受偏好因子的主觀影響較小。

3.2 展望

從評(píng)價(jià)結(jié)果的角度環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法主要分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)，文中提出的定量評(píng)價(jià)方法為元器件的環(huán)境適應(yīng)性“優(yōu)中選優(yōu)”提供了一定的研究思路，也有助于不同元器件之間的橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造中的薄弱環(huán)節(jié)，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。