提高某國產(chǎn)化電子設(shè)備可靠性的方法

黃 菊， 譚晟吉， 袁 強(qiáng)， 李彥平

（中國兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所， 四川 綿陽 621000）

0 引言

目前在航空、航天、船舶、兵器、電子、核工業(yè)等各種武器裝備和軍事設(shè)備中廣泛應(yīng)用以集成電路為代表的各種電子元器件的計(jì)算機(jī)、電力、金融、通信等電子設(shè)備[1]。目前我國大部分高端集成電路從日本、美國、歐洲等國家進(jìn)口。 據(jù)中國海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年我國芯片的進(jìn)口金額為3040 億美元，較去年同期減少80 億美元，同比下降2.6%。2020 年7 月我國半導(dǎo)體器件進(jìn)口量為482.8 億個(gè)，同比增長12.7%， 進(jìn)口金額為2069 百萬美元， 同比增長23.3%，2020 年8 月我國半導(dǎo)體器件進(jìn)口量為481 億個(gè)，同比增長12%，進(jìn)口金額為1991.6 百萬美元，同比增長18.6%。 2020 年8 月前我國半導(dǎo)體器件進(jìn)口量不斷增長。引用“中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃和企業(yè)戰(zhàn)略咨詢報(bào)告”國外壟斷高端電子元器件會(huì)面臨停產(chǎn)斷檔、 限制出口與禁運(yùn)、存在安全隱患以及假冒偽劣等問題，嚴(yán)重影響和制約我國國民經(jīng)濟(jì)和武器裝備的發(fā)展，甚至危及國家安全。國家層面出臺(tái)了電子元器件行業(yè)， 各個(gè)地方政府也是大力支持本土電子元器件的行業(yè)發(fā)展，憑借政策支持、資金投入，積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和人才儲(chǔ)備，拉近與國外的差距，逐步占據(jù)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略高地。

LC 領(lǐng)域國內(nèi)企業(yè)開始發(fā)力進(jìn)入市場， 尤其是在國家大力推進(jìn)“智能制造2025”的大背景下，行業(yè)增速一直保持在20%以上，國內(nèi)企業(yè)的市場份額也在逐步增加。 看好國內(nèi)企業(yè)在滲透率提升和進(jìn)口替代國外企業(yè)雙重機(jī)遇下的發(fā)展?jié)摿Α?芯片國產(chǎn)化是中國制造崛起之匙，國產(chǎn)設(shè)備迎來了歷史機(jī)遇，目前處于快速發(fā)展階段，器件的可靠性還存在問題，需采取相應(yīng)的手段提高設(shè)備的可靠性。

1 國產(chǎn)電子設(shè)備可靠性增長的現(xiàn)實(shí)意義

電子設(shè)備的基礎(chǔ)是電子元器件， 提高電子元器件的可靠性即可提高設(shè)備的可靠性。 國產(chǎn)電子元器件可解決我國電子設(shè)備尤其是軍用電子設(shè)備選用進(jìn)口電子元器件面臨的多種問題，主要包括設(shè)備的性能指標(biāo)、質(zhì)量與可靠性水平以及供貨保障能力。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)代武器系統(tǒng)和民用設(shè)備具有電子化、自動(dòng)化、智能化的特點(diǎn)。 電子設(shè)備系統(tǒng)越復(fù)雜，其可靠性問題就越尖銳[2]。 “引用電子元器件可靠性增長的分析技術(shù)”目前國產(chǎn)電子元器件處于剛起步的階段，元器件的可靠程度低，可能由不可靠產(chǎn)品引起的巨大經(jīng)濟(jì)損失、戰(zhàn)爭教訓(xùn)使可靠性工程的重要性越發(fā)明顯。 目前國防對武器裝備性能和可靠性的要求提高到一個(gè)前所未有的高度，航空、航天都在進(jìn)行可靠性增長工程，如果元器件的可靠性沒有相應(yīng)地跟著增長，航空、航天等領(lǐng)域產(chǎn)品的可靠性增長必將受到極大的影響。電子元器件作為電子設(shè)備和電子系統(tǒng)的基本組成單元其可靠性得到了高度重視，因此，電子元器件的可靠性技術(shù)也顯得越來越重要。

在可靠性增長中， 通過失效試驗(yàn)與分析→控制失效模式→提高產(chǎn)品的可靠性是最主要的方法， 但失效分析是事后分析，實(shí)現(xiàn)可靠性增長的周期較長、費(fèi)用很高。 通過故障模式、失效機(jī)理、失效原因以及影響設(shè)備的可靠性因素進(jìn)行分析及試驗(yàn)，從而采取可靠性增長的設(shè)計(jì)措施。

為了提高電子設(shè)備的可靠性需進(jìn)行可靠性增長，通過逐步改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的缺陷，不斷提高產(chǎn)品可靠性的過程。需要明確產(chǎn)品可靠性管理階段的劃分、 可靠性增長方法等內(nèi)容。產(chǎn)品的全壽命周期階段分為工程研制階段、 設(shè)計(jì)定型階段、生產(chǎn)定型階段。 提高電子設(shè)備可靠性的方法包含可靠性分析、可靠性增長試驗(yàn)等。

2 可靠性分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

可靠性分析工作之前需要明確分析的電子設(shè)備的功能與結(jié)構(gòu)組成， 明確設(shè)備故障的故障判據(jù)，盡量采用定量描述，少用定性的描述，是可靠性工程的基礎(chǔ)。

可靠性分析工作之前需進(jìn)行數(shù)據(jù)收集， 收集電子設(shè)備全壽命周期的失效信息， 包括設(shè)備在生產(chǎn)、 測試、FMEA、試驗(yàn)及現(xiàn)場使用等過程中各組成單元（含元器件）所有可能出現(xiàn)的故障模式、故障原因、影響分析。

電子設(shè)備的常見的故障模式包含功能喪失、 功能降低、間歇性故障、非預(yù)期的功能。故障原因是造成故障模式的原因，一般分為開路、短路、參數(shù)漂移。 故障原因是由某些物理、化學(xué)等失效機(jī)理造成的，如疲勞、溫度過高、機(jī)械應(yīng)力等。 針對測試、試驗(yàn)中出故障的元器件，可采用DPA的方法進(jìn)行故障分析，DPA 是元器件故障分析的有效的手段，根據(jù)DPA 結(jié)果明確故障模式及故障原因的分析。

2.2 故障模式及影響分析

故障模式及影響分析又稱FMEA， 是提高設(shè)備可靠性的重要方法。在電子設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)過程中，通過對電子設(shè)備各組成單元的各種可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行故障模式與對系統(tǒng)影響進(jìn)行分析， 進(jìn)而提出改進(jìn)措施的一種分析方法。

在不同的階段可實(shí)施不同程度的FMEA， 在方案階段一般進(jìn)行功能FMEA，在工程研制階段進(jìn)行硬件FMEA與工藝FMEA，本文著重于功能和硬件FMEA 進(jìn)行說明。FMEA 工作要點(diǎn)包含：明確產(chǎn)品的功能、故障模式、故障原因、產(chǎn)品功能故障的判據(jù)確認(rèn)及影響后果、改善措施。

本文中某型國產(chǎn)電子設(shè)備的功能為某車載系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，使用千兆以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)的控制，如果千兆以太網(wǎng)出現(xiàn)故障則會(huì)造成系統(tǒng)故障。 以某型國產(chǎn)電子設(shè)備的功能FMEA 為例進(jìn)行說明，故障模式、故障原因及影響分析見表1。

表1 某型國產(chǎn)電子設(shè)備的功能FMEA 表

3 可靠性增長試驗(yàn)

可靠性增長是貫穿于電子設(shè)備壽命周期內(nèi)， 為達(dá)到逐步改正產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝缺陷、 提高產(chǎn)品可靠性而進(jìn)行的“試驗(yàn)、故障分析、改進(jìn)”[3]。在電子設(shè)備研制階段可以通過可靠性增長摸底試驗(yàn)及可靠性增長試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠性增長。 可靠性摸底試驗(yàn)的受試產(chǎn)品需具備產(chǎn)品規(guī)范要求的功能和性能，在設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)與布局及工藝等方面能基本反映將來生產(chǎn)的產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)。 在試驗(yàn)前需經(jīng)過全面的功能、性能試驗(yàn)，以確認(rèn)產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)滿足可靠性增長摸底試驗(yàn)的要求。 同時(shí)應(yīng)通過環(huán)境應(yīng)力篩選，同批次產(chǎn)品完成規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)， 通?？煽啃栽鲩L摸底試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間取100～200 小時(shí)較為合適， 也可取該產(chǎn)品MTBF 設(shè)計(jì)定型最低可接受值的10%～20%。 可靠性增長試驗(yàn)與摸底試驗(yàn)相比，試驗(yàn)階段不一致，可靠性增長試驗(yàn)一般在工程研制后期，在鑒定試驗(yàn)之前?？煽啃栽鲩L試驗(yàn)取決于選擇的可靠性模型，工程經(jīng)驗(yàn)及對產(chǎn)品的可靠性要求，一般取產(chǎn)品MTBF 目標(biāo)值的5～25 倍。同時(shí)也可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)加大可靠性增長的應(yīng)力， 但需注意的是應(yīng)力在不破壞產(chǎn)品且不會(huì)引起與實(shí)際使用時(shí)不相符的故障前提。

可靠性增長試驗(yàn)需要模擬產(chǎn)品實(shí)際的使用條件制定試驗(yàn)剖面，包括環(huán)境條件、工作條件和使用維護(hù)條件。 其中環(huán)境條件及其隨時(shí)間變化的情況應(yīng)能反應(yīng)受試產(chǎn)品現(xiàn)場使用和任務(wù)環(huán)境的特征，選用模擬現(xiàn)場的綜合環(huán)境條件。綜合環(huán)境條件實(shí)施時(shí)，先確定一個(gè)綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，該試驗(yàn)剖面一般由溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力構(gòu)成。

已知某型國產(chǎn)電子設(shè)備的任務(wù)剖面和壽命剖面共同確定試驗(yàn)剖面，試驗(yàn)剖面含溫度、濕度、振動(dòng)的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力。采用可靠性增長模擬試驗(yàn)進(jìn)行可靠性增長，試驗(yàn)的時(shí)間選取200 小時(shí)。

本文中某型國產(chǎn)電子設(shè)備在可靠性增長摸底試驗(yàn)過程中出現(xiàn)高溫工作時(shí)， 出現(xiàn)設(shè)備意外關(guān)機(jī)且恢復(fù)環(huán)境溫度為室溫后重啟設(shè)備，設(shè)備啟動(dòng)正常的故障。需針對該故障進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠性增長。經(jīng)過故障檢測分析手段，得到某國產(chǎn)電源芯片長期工作在高溫環(huán)境下，器件溫升較大可能會(huì)導(dǎo)致器件失效，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。

結(jié)合可靠性分析與可靠性增長試驗(yàn)， 可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性增長。其中可靠性設(shè)計(jì)是事前措施，而可靠性增長是時(shí)候試驗(yàn)評(píng)估。 可靠性增長試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題通過可靠性分析可以反饋到設(shè)計(jì)中，為其提供指導(dǎo)，兩者是提高產(chǎn)品可靠性的重要環(huán)節(jié)[4]。 為了解決該故障，后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)在PCB 設(shè)計(jì)中增大熱焊盤的面積，加大該芯片在PCB 上的熱量， 同時(shí)可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對該器件增加專用的散熱手段，最終使得設(shè)備可靠性提高，能以高概率通過可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)，提高裝備的費(fèi)效比。

4 結(jié)論

電子設(shè)備可靠性增長的核心在于元器件的可靠性，要有效的控制或消除設(shè)備的失效， 需要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備準(zhǔn)確的失效分析，采用有效的可靠性增長失效，并實(shí)現(xiàn)全生命周期失效數(shù)據(jù)的收集， 才能針對電子設(shè)備的特點(diǎn)采取有效。 本文從元器件級(jí)到設(shè)備級(jí)進(jìn)行全壽命周期內(nèi)故障信息收集、FMEA、 可靠性增長試驗(yàn)的工作， 通過詳細(xì)的測試、分析、試驗(yàn)得到設(shè)備可能出現(xiàn)的失效模式、失效原因及影響程度，從而提出有效的可靠性增長措施，提高產(chǎn)品的可靠性。