基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)方法的多芯片模塊技術(shù)評價(jià)研究

呂旭波，黃姣英，高　成，王香芬

（北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京100191）

基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)方法的多芯片模塊技術(shù)評價(jià)研究

呂旭波，黃姣英，高成，王香芬

（北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京100191）

在技術(shù)成熟度的評價(jià)過程中，現(xiàn)有的TRL（技術(shù)成熟度等級(jí)）評價(jià)方法、TRIZ（發(fā)現(xiàn)并解決問題的理論）評價(jià)法以及性能預(yù)測法均存在有效數(shù)據(jù)缺乏和評價(jià)結(jié)果不夠精確等不足。采用了基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的方法，探索技術(shù)成熟度的評價(jià)方法及實(shí)施流程。研究技術(shù)指標(biāo)的構(gòu)建方法，結(jié)合logistic regression（邏輯回歸）技術(shù)，構(gòu)建技術(shù)發(fā)展模型，以保證數(shù)據(jù)的有效性和擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對二維、三維及系統(tǒng)級(jí)多芯片模塊3種技術(shù)，開展方法的應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明，基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)方法的多芯片模塊技術(shù)的評價(jià)結(jié)果能合理地解釋實(shí)際情況下技術(shù)的發(fā)展程度，驗(yàn)證了文章提出方法的可行性。

技術(shù)成熟度；技術(shù)成熟度等級(jí)評價(jià)；文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)方法；邏輯回歸；多芯片模塊

1　引言

技術(shù)成熟度是指技術(shù)發(fā)展的完備程度，通常表明某項(xiàng)技術(shù)在開發(fā)過程中達(dá)到一般可用性的程度水平［1］。技術(shù)成熟度是衡量技術(shù)能力的一個(gè)要素，企業(yè)尤其是軍工企業(yè)對技術(shù)成熟度的準(zhǔn)確評價(jià)，有利于規(guī)范產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造流程，有利于識(shí)別與控制風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有的技術(shù)成熟度評價(jià)方法有美國宇航局提出的TRL（技術(shù)成熟度等級(jí)）評價(jià)方法，前蘇聯(lián)發(fā)明家提出的基于TRIZ（發(fā)現(xiàn)并解決問題理論）的評價(jià)方法，以及基于技術(shù)某項(xiàng)性能水平的評價(jià)方法等。

美國宇航局于20世紀(jì)九十年代提出TRL方法用于航天領(lǐng)域的技術(shù)成熟度評價(jià)，之后在美國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)得到初步應(yīng)用［2］。TRL是一種比較系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它按照技術(shù)的發(fā)展過程將技術(shù)成熟度分成九級(jí)，當(dāng)技術(shù)成熟度到達(dá)第七級(jí)，是技術(shù)轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用的合適技術(shù)等級(jí)。美國軍方曾于2000年使用TRL方法對聯(lián)合作戰(zhàn)飛機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行評價(jià)，取得了良好的效果。但是該方法通常用于軍工領(lǐng)域的大型復(fù)雜裝備的評價(jià)，評價(jià)環(huán)節(jié)過多，需要耗費(fèi)大量人力物力。

前蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altshuller提出了TRIZ理論，即“發(fā)現(xiàn)并解決問題理論”［3］，該理論提出使用產(chǎn)品性能、專利等級(jí)、專利數(shù)量和獲利能力4個(gè)指標(biāo)，根據(jù)4個(gè)指標(biāo)與技術(shù)發(fā)展過程之間的關(guān)系，對技術(shù)成熟度進(jìn)行預(yù)測。TRIZ理論曾被用于液晶顯示技術(shù)成熟度的預(yù)測［4］。該方法的局限性在于很多產(chǎn)品或技術(shù)的性能指標(biāo)與獲利能力難以準(zhǔn)確表示，數(shù)據(jù)也不易獲取。

基于技術(shù)某項(xiàng)性能的技術(shù)成熟度評價(jià)方法，是結(jié)合時(shí)間序列和技術(shù)發(fā)展曲線，針對技術(shù)的某項(xiàng)性能的發(fā)展趨勢進(jìn)行擬合分析，再由此推算技術(shù)的成熟度［5］。但是技術(shù)通常有多個(gè)指標(biāo)，對某一指標(biāo)的發(fā)展趨勢判斷并不能準(zhǔn)確表明技術(shù)的整體成熟度，而且數(shù)學(xué)模型的選取對預(yù)測精度有很大影響。

技術(shù)成熟度評價(jià)過程中，缺少有效的數(shù)據(jù)作為技術(shù)發(fā)展預(yù)測的依據(jù)是一大難點(diǎn)。A.L.Porter率先提出了用期刊論文數(shù)與工作會(huì)議論文數(shù)之比作為技術(shù)發(fā)展的量值，并構(gòu)建了相關(guān)的發(fā)展趨勢模型，以此來確定技術(shù)的成熟度狀況［6］。運(yùn)用文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)量的模型迅速得到研究人員的關(guān)注，研究主要集中在文獻(xiàn)計(jì)量的參數(shù)提取以及評價(jià)模型在實(shí)際中的應(yīng)用。

多芯片模塊技術(shù)（MCM）是為滿足高密度高速率的VLSIC和VHSIC芯片對封裝密度的需求而出現(xiàn)的，該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展使得小型化、多功能、高可靠和高性能的器件層出不窮。早期的芯片組裝技術(shù)是2D技術(shù)［7］，該技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已日趨成熟。隨著系統(tǒng)對芯片尺寸、性能、可靠性的要求越來越高，3D技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［8］，該技術(shù)可以使芯片的組裝效率進(jìn)一步大幅度提升。目前該技術(shù)已經(jīng)在航空航天、軍事和大型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。同時(shí)，MCM技術(shù)的發(fā)展也為系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）奠定了基礎(chǔ)［9］。系統(tǒng)級(jí)封裝將一個(gè)系統(tǒng)或分系統(tǒng)組裝在一個(gè)封裝內(nèi)，該技術(shù)的發(fā)展極大推進(jìn)了元器件向小型化、高性能、低成本的方向發(fā)展。

為了更好地對多芯片模塊技術(shù)的技術(shù)成熟度進(jìn)行分析和預(yù)測，同時(shí)避免TRL法、TRIZ法、性能預(yù)測法等方法存在的不足，本文提出了基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的方法對技術(shù)成熟度進(jìn)行評價(jià)，并由此對元器件領(lǐng)域的多芯片模塊技術(shù)進(jìn)行技術(shù)成熟度判斷。

2　基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)方法的技術(shù)成熟度評價(jià)

文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)法也叫做文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是以文獻(xiàn)體系和文獻(xiàn)計(jì)量特征為研究對象，采用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等計(jì)量研究方法，研究文獻(xiàn)情報(bào)的分布、數(shù)量、變化規(guī)律，并進(jìn)而探討科學(xué)技術(shù)的某些特征和規(guī)律的方法。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的分析數(shù)據(jù)取自各種不同的數(shù)據(jù)源，通過使用不同的指標(biāo)分析信息，然后從數(shù)據(jù)源中挖掘有用的信息。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展通常以論文專利的形式為載體保存，因此就可以利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的思想統(tǒng)計(jì)過去到現(xiàn)在某個(gè)時(shí)間段的文獻(xiàn)專利數(shù)據(jù)來對技術(shù)成熟度進(jìn)行判斷。

以某一技術(shù)為主題檢索到的數(shù)據(jù)并不能直接反映當(dāng)前該技術(shù)的發(fā)展水平，需加入一個(gè)控制參數(shù)α以調(diào)整該技術(shù)在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)上的滯后性［10］。α的取值范圍為［0，10］，單位為年。α是一個(gè)與保密程度相關(guān)的系數(shù)，保密程度越高α越大，保密程度越低α越小。除了保密程度外，中外技術(shù)的差距也會(huì)影響到某項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的成熟度評價(jià)。

基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)模型的技術(shù)成熟度評價(jià)方法主要分為以下幾個(gè)步驟：

（1）確定文獻(xiàn)檢索語句以及滯后系數(shù)。

（2）查詢并統(tǒng)計(jì)自相關(guān)文獻(xiàn)首次出現(xiàn)年份起，每一年的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量。

（3）確定合適的擬合模型，用于擬合歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

（4）依據(jù)選定的擬合模型，歸一化定量計(jì)算技術(shù)成熟度。

通過對技術(shù)發(fā)展指標(biāo)的提取和處理，結(jié)合特定的數(shù)學(xué)模型可構(gòu)建技術(shù)發(fā)展模型。根據(jù)國際半導(dǎo)體組織的IC封裝的生命周期圖，一項(xiàng)封裝技術(shù)的生命軌跡是遠(yuǎn)山形。由于本文討論的3種封裝技術(shù)并未淘汰，因此其發(fā)展軌跡的上升期隨著時(shí)間、資金等各項(xiàng)資源的投入呈現(xiàn)類似S曲線狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用比較廣泛的S曲線有對稱型的Logisitic曲線和非對稱型的Gompertz曲線。當(dāng)研究對象的發(fā)展只和已生長量有關(guān)時(shí)，多使用Gompertz曲線；而當(dāng)研究對象的發(fā)展同時(shí)受到已生長量和待生長量雙重影響時(shí)，多使用Logistic曲線。

3　案例應(yīng)用

針對二維、三維和系統(tǒng)級(jí)多芯片模塊技術(shù)，基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)方法依次對其技術(shù)成熟度進(jìn)行判斷。

3.1確定文獻(xiàn)檢索語句

采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)對2D-MCM技術(shù)、3D-MCM技術(shù)、SIP技術(shù)進(jìn)行技術(shù)成熟度分析，分別從SCI數(shù)據(jù)庫、EI數(shù)據(jù)庫和專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫對不同的芯片組裝技術(shù)進(jìn)行檢索。檢索語句如表1所示。

表1　技術(shù)及相對應(yīng)檢索語句

3.2文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

由于專利型文獻(xiàn)的分布多是在國內(nèi)范圍，而且每年的數(shù)量相對較少，對整體數(shù)據(jù)的影響可以忽略，因此文獻(xiàn)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)以論文文獻(xiàn)為主。

3D-MCM技術(shù)檢索的最終數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示。起始年份為1986年，終止年份為2014年，為方便計(jì)算，均把起始年份設(shè)為1，之后的年份以此類推。

圖1　3D-MCM技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量散點(diǎn)圖

圖2　3D-MCM技術(shù)文獻(xiàn)累積數(shù)量散點(diǎn)圖

2D-MCM技術(shù)檢索的最終數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。起始年份為1969年，終止年份為2014年。

圖3　2D-MCM技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量散點(diǎn)圖

圖4　2D-MCM技術(shù)文獻(xiàn)累積數(shù)量散點(diǎn)圖

SIP技術(shù)檢索的最終數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建模

在本文中，設(shè)技術(shù)的技術(shù)成熟度增長模型為：

其中，y為該技術(shù)的實(shí)際文獻(xiàn)累計(jì)數(shù)量，t為量化后的時(shí)間，a為待估計(jì)的最大文獻(xiàn)出版數(shù)量，k為回歸系數(shù)，t0為曲線的拐點(diǎn)。依據(jù)統(tǒng)計(jì)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過最小二乘法估計(jì)，可獲得參數(shù)a、k、t0值。

判定擬合結(jié)果的好壞可采用決定系數(shù)R2作為判斷依據(jù)：

其中SSR=SST-SSE，SST為方差，SSR為回歸平方和，SSE為殘差平方和。

R2越接近于1，說明擬合的效果越好，通常當(dāng)R2＞0.95時(shí)，表明擬合所得的函數(shù)圖形能夠描述數(shù)據(jù)的發(fā)展特征。

3.43種多芯片模塊技術(shù)的擬合結(jié)果圖討論

考慮到國內(nèi)工藝技術(shù)發(fā)展的滯后性，需要選定一個(gè)滯后系數(shù)，單位為年，表明當(dāng)前年份的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量實(shí)際只能代表年前的技術(shù)成熟度，由于滯后系數(shù)難以準(zhǔn)確確定，故在本文中將值取為5和10，分別進(jìn)行計(jì)算。

選用logistic函數(shù)對3D-MCM、 2D-MCM、SIP技術(shù)的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)量進(jìn)行最小二乘法擬合。

表2　SIP技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量列表

對3D-MCM技術(shù)得到各相關(guān)參數(shù)的估計(jì)值為：a=349，k=0.246，t0=21.16。其中決定系數(shù)R2=0.9976＞0.95，曲線擬合良好，散點(diǎn)圖與擬合趨勢如圖1所示。

圖5　3D-MCM散點(diǎn)圖與擬合趨勢

當(dāng)滯后系數(shù)為5時(shí)，令t=2010-1985=25，代入公式（1）可得，表征3D-MCM技術(shù)在2015年成熟度的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量y=251。

當(dāng)滯后系數(shù)為10時(shí)，令t=2005-1985=20，代入公式（1）可得，表征3D-MCM技術(shù)在2015年成熟度的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量y=150。

圖示中橫軸表示經(jīng)過統(tǒng)一量化后的時(shí)間，縱軸表示累積文獻(xiàn)數(shù)量，由圖中可看出3D-MCM技術(shù)自1986年開始的十多年間發(fā)展較為緩慢，然后發(fā)展速度逐漸加快，到t0=21.16即2007年左右發(fā)展速度達(dá)到最快，之后又逐漸減慢，但還未到最后的平緩期，2014年之后還有一定的發(fā)展空間，預(yù)計(jì)最大的文獻(xiàn)累積數(shù)量會(huì)達(dá)到a=349。

對2D-MCM技術(shù)得到各相關(guān)參數(shù)的估計(jì)值為a=2812，k=0.263，t0=31.18。其中決定系數(shù)R2=0.9949＞0.95。曲線擬合良好，散點(diǎn)圖與擬合趨勢如圖6所示。

圖6　2D-MCM散點(diǎn)圖與擬合趨勢

當(dāng)滯后系數(shù)為5，令t=2010-1968=42代入公式（1）可得，表征2D-MCM技術(shù)在2015年成熟度的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量y=2658。

當(dāng)滯后系數(shù)為10，令t=2005-1968=37代入公式（1）可得，表征2D-MCM技術(shù)在2015年成熟度的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量y=2311。

圖示中橫軸表示經(jīng)過統(tǒng)一量化后的時(shí)間，縱軸表示累積文獻(xiàn)數(shù)量，由圖中可看出2D-MCM技術(shù)自1969年開始的二十多年間發(fā)展較為緩慢，然后發(fā)展速度逐漸加快，到t0=31.18即2000年左右發(fā)展速度達(dá)到最快，之后又逐漸減慢趨于成熟，預(yù)計(jì)最大的文獻(xiàn)累積數(shù)量會(huì)達(dá)到a=2 812。

對SIP技術(shù)得到各相關(guān)參數(shù)的估計(jì)值為a=2 438，k=0.462，t0=9.55。其中決定系數(shù)R2=0.995 9＞0.95，曲線擬合良好，散點(diǎn)圖與擬合趨勢如圖7所示。

圖7　SIP技術(shù)散點(diǎn)圖與擬合趨勢

當(dāng)滯后系數(shù)為5，令t=2010-1999=11代入公式（1）可得，表征SIP技術(shù)在2015年成熟度的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量y=1612。

當(dāng)滯后系數(shù)為10，令t=2005-1999=6代入公式（1）可得，表征SIP技術(shù)在2015年成熟度的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)量y=396。

圖示中橫軸表示經(jīng)過統(tǒng)一量化后的時(shí)間，縱軸表示累積文獻(xiàn)數(shù)量，由圖中可看出2D-MCM技術(shù)自2000年開始的5年間發(fā)展較為緩慢，然后發(fā)展速度逐漸加快，到t0=9.55即2009年左右發(fā)展速度達(dá)到最快，至今發(fā)展速度并未有明顯減緩，2014年之后還有極大發(fā)展空間，預(yù)計(jì)最大的文獻(xiàn)累積數(shù)量會(huì)達(dá)到a=2 438。

3.5歸一化定量求解技術(shù)成熟度

技術(shù)成熟度的歸一化求解公式為：

其中T（t）代表對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)t的技術(shù)成熟度指數(shù)，y（t-α）代表α年前的文獻(xiàn)數(shù)量，a代表最大待估計(jì)文獻(xiàn)數(shù)量。

根據(jù)公式（2），當(dāng)滯后系數(shù)α取5時(shí)，分別對3DMCM技術(shù)、2D-MCM技術(shù)、SIP技術(shù)進(jìn)行成熟度計(jì)算，可求得T3D-MCM=0.72，T2D-MCM=0.95，TSIP=0.66。T2D-MCM＞T3D-MCM＞TSIP。

當(dāng)滯后系數(shù)α取10時(shí)，分別對3D-MCM技術(shù)、2D-MCM技術(shù)、SIP技術(shù)進(jìn)行成熟度計(jì)算，可求得T3D-MCM=0.43，T2D-MCM=0.82，TSIP=0.16。T2D-MCM＞T3D-MCM＞TSIP。

從上述結(jié)果可知，當(dāng)取兩組不同的滯后系數(shù)時(shí)，多芯片組件技術(shù)的技術(shù)成熟度由高到低均分別為2D-MCM技術(shù)、3D-MCM技術(shù)和SIP技術(shù)。

計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際中技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)的2D-MCM技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用，3D-MCM技術(shù)經(jīng)過近些年的研究，也取得了一定的進(jìn)展，而SIP技術(shù)的研究還需要積極地推進(jìn)與應(yīng)用［11］。由此可以看出，基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)模型，采用logistic模型對于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測以及對于技術(shù)成熟度的判斷結(jié)果是可以被接受的。

4　結(jié)論

本文完成了基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)模型的技術(shù)成熟度評價(jià)建模研究，通過統(tǒng)計(jì)的方式收集能有效反映技術(shù)發(fā)展變化信息的文獻(xiàn)，并對文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模分析，采用Logisitic回歸模型，得出了文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)展擬合曲線，選取不同的滯后系數(shù)，并由此計(jì)算出3種多芯片模塊技術(shù)的成熟度并加以比較，較合理地表征出現(xiàn)實(shí)情況下3種技術(shù)的成熟程度，由此證實(shí)了基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)模型在技術(shù)成熟度評價(jià)過程中具有一定的可用性。

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Evaluation Research of Chip Assembly Technology Based on Statistical Methods of Literature

LV Xubo，HUANG Jiaoying，GAO Cheng，WANG Xiangfen
（School of Reliability and Systems Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

In the evaluation process of technology maturity，the common problems of existing TRL evaluation method，TRIZ theory based evaluation and the performance prediction methodare lacking of valid data and the imprecision of evaluation results.A method based on literature statistical was proposed in this paper to explore the technology maturity and implementation process.Meanwhile the construction method of technical indicators was studied combined with logistic regression technique to build technological development model in order to ensure the validity and accuracy of data fitting results.For three chip assembly technologies called 2D-MCM （Two dimensional Multi-Chip Module），3D-MCM （Three dimensional Multi-Chip Module）and SIP（System-in-Package），the application research of methods was proposed. The results indicate that the chip assembly technology evaluation consequence based on statistical method is consistent with the actual situation and the feasibility of the proposed method of the article is verified.

technology maturity；TRL evaluation；literature statistical method；logistic regression；chip assembly

TN305.94

A

1681-1070（2016）05-00018-05

2016-1-26

呂旭波（1992—），男，山東棗莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樵骷煽啃栽u價(jià)。