一種國(guó)產(chǎn)器件替代驗(yàn)證項(xiàng)目的確定方法

裴淳

（中國(guó)電子科學(xué)研究院, 北京 100041）

引言

器件是組成電子產(chǎn)品的最基本單元，是決定電子產(chǎn)品性能和功能的決定因素。由于我國(guó)電子行業(yè)起步較晚，國(guó)內(nèi)的電子產(chǎn)品中的大部分器件（尤其是集成電路等核心器件）均采購(gòu)自國(guó)外。到2018年，中國(guó)進(jìn)口芯片進(jìn)口額已經(jīng)高達(dá)2.06 萬(wàn)億元，超過(guò)石油成為了最大的進(jìn)口貨物。隨著國(guó)際環(huán)境的變化，自主可控的問(wèn)題日益突出，以“中興”“華為”等事件為契機(jī)，更多的國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠商為了保證供應(yīng)鏈的安全，開(kāi)始逐步尋求國(guó)產(chǎn)的器件來(lái)替代國(guó)外的器件。

出于節(jié)省設(shè)計(jì)成本的考慮，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者更愿意采用原位替換的方法將國(guó)外器件直接更換成國(guó)產(chǎn)器件，即在盡量保證電路設(shè)計(jì)基本不變的前提下直接實(shí)現(xiàn)器件的插拔替換。同時(shí)出于成本和市場(chǎng)的考慮，國(guó)內(nèi)器件生產(chǎn)廠家，也傾向于對(duì)標(biāo)國(guó)外器件開(kāi)展設(shè)計(jì)，因此其產(chǎn)品在各項(xiàng)參數(shù)方面與國(guó)外器件存在較大的相似性

相較于其他替換方法，原位替換雖然更加簡(jiǎn)潔高效，但卻可能會(huì)為電子產(chǎn)品引入不可控的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際中國(guó)產(chǎn)與國(guó)外器件在設(shè)計(jì)、工藝等方面存在著差異，進(jìn)而會(huì)反映到器件的功能和性能方面，最終將影響到整個(gè)電子產(chǎn)品運(yùn)行的安全穩(wěn)定。因此有必要通過(guò)替代驗(yàn)證，確定國(guó)內(nèi)外器件的差異，對(duì)于存在差異的方面采取有目的的改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終降低的替代風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)的很多單位和企業(yè)（尤其是航天領(lǐng)域）早就開(kāi)展了替代驗(yàn)證工作。然而由于缺少系統(tǒng)性的替代驗(yàn)證項(xiàng)目確定方法，替代驗(yàn)證項(xiàng)目的選取存在較大的主觀性，有時(shí)部分驗(yàn)證項(xiàng)目存在遺漏，有時(shí)又會(huì)面臨替代項(xiàng)目過(guò)多在有限的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)下無(wú)法取舍。

現(xiàn)有開(kāi)展替代驗(yàn)證最為充分、積累經(jīng)驗(yàn)最多的是航天領(lǐng)域，針對(duì)宇航元器件的應(yīng)用驗(yàn)證，已經(jīng)建立了完整的管理、分析、評(píng)價(jià)體系[1-6]。但上述研究成果僅適用于航天領(lǐng)域，不具有普遍的適用性。一方面國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域?qū)τ詈皆骷?shí)行五統(tǒng)一的原則，從元器件研制、生產(chǎn)、驗(yàn)收、檢驗(yàn)、使用都開(kāi)展了監(jiān)督和管理[7]，開(kāi)展的主要是應(yīng)用驗(yàn)證而替代驗(yàn)證，很多國(guó)產(chǎn)器件并不具有對(duì)應(yīng)國(guó)外器件型號(hào)，同時(shí)其他領(lǐng)域也可能無(wú)法達(dá)到同樣的管控力度和分析試驗(yàn)水平。例如，航天領(lǐng)域開(kāi)展了結(jié)構(gòu)分析等試驗(yàn)來(lái)判斷器件的固有可靠性，但這需要使用方對(duì)元器件的設(shè)計(jì)工藝有足夠的了解，同時(shí)具有充足的分析技術(shù)能力，這對(duì)于很多電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位很難實(shí)現(xiàn)，這些單位可能更多采用的仍是功能性能測(cè)試試驗(yàn)。另一方面，在確定替代驗(yàn)證項(xiàng)目方法時(shí)，現(xiàn)階段采用的仍是基于頭腦風(fēng)暴和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的確定方法[8]。這種方法存在一定的主觀性，難以避免地會(huì)出現(xiàn)遺漏和重復(fù)問(wèn)題。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文將給出一種基于知識(shí)挖掘和去耦分析的國(guó)產(chǎn)器件替代驗(yàn)證項(xiàng)目確定方法，幫助電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者快速確定替代驗(yàn)證開(kāi)展項(xiàng)目。

1 替代驗(yàn)證項(xiàng)目確定思路

1.1 資料收集

替代驗(yàn)證項(xiàng)目確定前需要開(kāi)展替代驗(yàn)證相關(guān)信息的收集。收集的資料至少包括3 大類(lèi)。第一類(lèi)是器件信息，包括國(guó)外和國(guó)產(chǎn)器件的功能性能、使用環(huán)境等，具體形式包括產(chǎn)品手冊(cè)、產(chǎn)品規(guī)范、質(zhì)量保證大綱、鑒定檢驗(yàn)信息等。第二類(lèi)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，包括待驗(yàn)證器件所在電路板或者更上一級(jí)的電子產(chǎn)品信息，具體形式包括功能設(shè)計(jì)方案、環(huán)境條件等。第三類(lèi)是以往使用或驗(yàn)證信息，包括國(guó)產(chǎn)器件以往的使用經(jīng)歷和驗(yàn)證經(jīng)歷，包括其他電子產(chǎn)品的元器件清單、驗(yàn)證試驗(yàn)報(bào)告等。

1.2 特性參數(shù)提取

考慮到國(guó)外器件產(chǎn)品手冊(cè)中的信息較為豐富，基本可以覆蓋設(shè)計(jì)中的全部要求項(xiàng)目，因此可以用產(chǎn)品手冊(cè)中涉及的特性參數(shù)作為初始全集。為方便后續(xù)的必要性分析、去耦分析和具體的試驗(yàn)的開(kāi)展，建議將特性參數(shù)分為多個(gè)層級(jí)。第一層級(jí)特性參數(shù)一般包括功能性能特性、邊界環(huán)境特性和可靠性特性。第二層級(jí)中功能性能參數(shù)包含功能特性、性能特性、輸入特性、輸出特性、精度特性等；邊界環(huán)境特性包括軟件接口特性、電氣接口特性、物理接口特性、工作環(huán)境特性等。

1.3 對(duì)比篩選

圖1 待驗(yàn)證特性參數(shù)的對(duì)比篩選流程圖

待驗(yàn)證特性參數(shù)的對(duì)比篩選流程如圖1 所示。在確定特性參數(shù)全集的基礎(chǔ)上，查閱國(guó)產(chǎn)電子器件產(chǎn)品資料，開(kāi)展第一輪篩選確定是否存在對(duì)應(yīng)的特性參數(shù)描述以及特性參數(shù)在數(shù)值或范圍上是否具有差異，將未提及或有差異的特性參數(shù)篩選出來(lái)作為初步待驗(yàn)證特性參數(shù)。其中差異包括兩個(gè)方面，一是在特性參數(shù)典型值數(shù)值或工作/協(xié)議方式上存在不同；二是指國(guó)產(chǎn)電子器件的特性參數(shù)在范圍上不相等且無(wú)法覆蓋國(guó)外電子器件的特性參數(shù)。在上述第一輪篩選后，利用電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求資料進(jìn)行第二輪篩選，確定與設(shè)計(jì)要求直接相關(guān)的特性參數(shù)。例如DSP 的最高浮點(diǎn)計(jì)算速度就直接決定了電路的運(yùn)算能力。對(duì)于與設(shè)計(jì)要求相關(guān)性的不明確的特性參數(shù)，可以通過(guò)必要性評(píng)估進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)分，將重要度高的驗(yàn)證特性參數(shù)也作為待驗(yàn)證特性參數(shù)。

1.4 必要性分析

部分特性參數(shù)與電路功能和性能的映射關(guān)系并不明確，這時(shí)就需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估二者之間的相關(guān)性，確定那些可能對(duì)電子產(chǎn)品影響較大的參數(shù)。一般可采用專(zhuān)家評(píng)分法，半定量的確定特性參數(shù)的影響程度，如可以成立包含電子產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)在內(nèi)的設(shè)計(jì)師專(zhuān)家組，每個(gè)專(zhuān)家對(duì)設(shè)計(jì)要求非直接相關(guān)的特性參數(shù)進(jìn)行打分（允許專(zhuān)家對(duì)不熟悉的特性參數(shù)棄權(quán)不打分）；打分項(xiàng)包括功能影響、接口影響、電路影響、結(jié)構(gòu)影響、軟件影響、電磁影響和可靠性影響；每項(xiàng)分?jǐn)?shù)均為1～10，其中1 分為影響最小，10 分為影響；對(duì)每一個(gè)特性參數(shù)計(jì)算平均分；當(dāng)特性參數(shù)的平均分超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，則認(rèn)為該特性參數(shù)也時(shí)待驗(yàn)證特性參數(shù)。

1.5 去耦分析

在獲得待驗(yàn)證特性參數(shù)后，則需要確定對(duì)應(yīng)的替代驗(yàn)證項(xiàng)目和驗(yàn)證級(jí)別?？梢岳闷骷漠a(chǎn)品手冊(cè)確定特性參數(shù)的測(cè)試方法，也可以參考相關(guān)的測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范確定試驗(yàn)項(xiàng)目。在確定驗(yàn)證項(xiàng)目后，還需要進(jìn)一步確定驗(yàn)證級(jí)別（一般可分為器件級(jí)、電路級(jí)和產(chǎn)品級(jí)）和驗(yàn)證所需的硬件和軟件條件。同時(shí)，部分待驗(yàn)證項(xiàng)目還可能存在重復(fù)或者可以合并的情況，針對(duì)這種情況應(yīng)開(kāi)展去耦分析?？梢酝ㄟ^(guò)相關(guān)矩陣的方法確定驗(yàn)證項(xiàng)目的相關(guān)性，重點(diǎn)合并那些測(cè)試電路、試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試/試驗(yàn)設(shè)備相似的驗(yàn)證項(xiàng)目。同時(shí)還要分析以往的使用環(huán)境和驗(yàn)證開(kāi)展情況，刪除那些已經(jīng)在使用中經(jīng)歷或者開(kāi)展過(guò)的驗(yàn)證項(xiàng)目。通過(guò)上述壓縮，確定最終需要開(kāi)展的替代驗(yàn)證項(xiàng)目。

2 案例應(yīng)用

2.1 案例簡(jiǎn)介

國(guó)產(chǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件GM4680 為例說(shuō)明替代驗(yàn)證項(xiàng)目的確定方法。GM4680 的生產(chǎn)廠家為成都振芯科技股份有限公司，可用作替代AD 公司的AD9680。在本案例中，將在信號(hào)接收機(jī)的接口模塊中使用上述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.2 替代驗(yàn)證項(xiàng)目確定過(guò)程

AD9680 的產(chǎn)品手冊(cè)[9]可以從AD 公司官網(wǎng)上直接下載，根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)內(nèi)容確定特性參數(shù)全集如表1 所示。對(duì)比國(guó)外和國(guó)產(chǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特性參數(shù)，電子器件特性參數(shù)提及和存在差距情況如表1 所示。表1 中“可覆蓋”表示國(guó)外和國(guó)產(chǎn)雖然參數(shù)容限范圍不同，但是國(guó)產(chǎn)器件特性參數(shù)可以覆蓋國(guó)外器件參數(shù)容限范圍。初步待驗(yàn)證特性參數(shù)如表1 所示。對(duì)初步待驗(yàn)證特性參數(shù)進(jìn)行第二次分類(lèi)篩選，篩選出與設(shè)計(jì)要求直接相關(guān)的特性參數(shù)。與設(shè)計(jì)要求非直接相關(guān)特性參數(shù)（表2中表示為“需要打分”）和第一部分需驗(yàn)證特性參數(shù)（表2 中表示為“需要驗(yàn)證”）如表2 所示。

成立負(fù)責(zé)功能設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師各一名的專(zhuān)家組，對(duì)所有的設(shè)計(jì)要求非直接相關(guān)的特性參數(shù)進(jìn)行打分評(píng)估必要性。最后選擇平均分大于或等于7 的特性參數(shù)為第二部分需驗(yàn)證特性參數(shù)。合并步驟四中的第一部分需驗(yàn)證特性參數(shù)和步驟五中的第二部分需驗(yàn)證特性參數(shù)，完整的需驗(yàn)證特性參數(shù)如表3 所示。查詢(xún)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合軟硬件試驗(yàn)條件，確定參數(shù)的測(cè)試方法、驗(yàn)證項(xiàng)目和驗(yàn)證級(jí)別名稱(chēng)如表3 所示?？梢钥吹讲糠痔匦詤?shù)的替代驗(yàn)證項(xiàng)目相同，所以予以合并開(kāi)展。

對(duì)初定替代驗(yàn)證項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的去耦分析，分析結(jié)果如表4 所示，其中數(shù)值從0～10，數(shù)值越高說(shuō)明替代驗(yàn)證項(xiàng)目的相關(guān)性越強(qiáng)?？梢钥吹皆鲆鏈y(cè)試、失調(diào)測(cè)試和高溫測(cè)試，三者存在較大相關(guān)性，實(shí)際中失調(diào)測(cè)試是常溫零輸入誤差測(cè)試、增益測(cè)試是常溫變輸入誤差測(cè)試、高溫測(cè)試是變溫輸入誤差測(cè)試，因此三者可以合并為溫度和輸入可調(diào)的精度測(cè)試。對(duì)合并后的替代驗(yàn)證項(xiàng)目再次進(jìn)行耦合分析，分析結(jié)果如表4 所示。

表1 第一次特性參數(shù)篩選表

表2 第二次特性參數(shù)篩選表

表3 完整的需驗(yàn)證的特性參數(shù)

表4 去耦分析結(jié)果

可以看出所有替代驗(yàn)證項(xiàng)目均相互獨(dú)立，最終確定的替代驗(yàn)證項(xiàng)目包括精度測(cè)試（器件級(jí)驗(yàn)證）、時(shí)序分析（板級(jí)驗(yàn)證）、電壓極限測(cè)試（器件級(jí)驗(yàn)證）和壽命測(cè)試（器件級(jí)驗(yàn)證）共4 項(xiàng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以替代驗(yàn)證器件的信息、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息中挖掘驗(yàn)證需求，通過(guò)對(duì)比篩選逐步確定出國(guó)內(nèi)外器件存在差異且對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)有影響的器件特性參數(shù)，通過(guò)驗(yàn)證項(xiàng)目的去藕分析，最給出了替代驗(yàn)證項(xiàng)目的確定方法，該方法具有較強(qiáng)的普適性和操作性。此外，在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)還可能會(huì)存在一些隱藏或者變動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，器件與器件之間、器件與軟件之間也可能存在不可預(yù)期的耦合影響關(guān)系，因此替代驗(yàn)證與設(shè)計(jì)改進(jìn)相似，也是一個(gè)動(dòng)態(tài)完善的過(guò)程。上述分析確定的替代驗(yàn)證項(xiàng)目可作為驗(yàn)證最低要求和規(guī)劃參考，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合遇到的具體問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上不斷補(bǔ)充完善，以盡可能地降低替代風(fēng)險(xiǎn)。