MEMS 元器件組件級(jí)多質(zhì)量特性一體化探討

汪瑩，劉小方，茶正忠，寇璽，侯夢(mèng)婷，張克劍

火箭軍工程大學(xué)，陜西西安 710000

0 引言

隨著智能化發(fā)展，對(duì)MEMS 裝備的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量觀念已經(jīng)不適用于當(dāng)前航天高端裝備高通用化、高可靠性的質(zhì)量要求?，F(xiàn)代質(zhì)量觀強(qiáng)調(diào)的“全質(zhì)量特性”也成為當(dāng)前MEMS 裝備研發(fā)生產(chǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。元器件組件是MEMS 裝備高穩(wěn)定性的運(yùn)行基礎(chǔ)，因此討論MEMS 裝備元器件組級(jí)多質(zhì)量特性一體化，為提高我國(guó)MEMS 裝備質(zhì)量水平提供理論和技術(shù)支撐。

本文首先從需求出發(fā)，利用多領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)經(jīng)驗(yàn)和廣泛獲取的信息資源，針對(duì)某一種或一類(lèi)材料特定的應(yīng)用需求，結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景、元器件組件結(jié)構(gòu)特征以及功能性能及通用質(zhì)量特性需求，通過(guò)元器件材料在特定任務(wù)背景下失效物理行為探究元器件組件級(jí)故障模式分析，構(gòu)建MEMS 裝備元器件組件級(jí)多質(zhì)量特性一體化分析。

1 MEMS 裝備元器件組件級(jí)多質(zhì)量特性一體化分析需求

MEMS 裝備元器件組件級(jí)質(zhì)量是保持MEMS 裝備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠的重要前提。元器件組件作為MEMS裝備的基本組成，其質(zhì)量直接影響整個(gè)元器件組件級(jí)電子產(chǎn)品的性能。優(yōu)質(zhì)的元器件組件可以確保MEMS裝備產(chǎn)品在設(shè)計(jì)要求的電壓范圍、頻率范圍和溫度范圍內(nèi)正常工作，提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的功能性能。低質(zhì)量的元器件組件容易引起系統(tǒng)故障、性能降低和失效，導(dǎo)致產(chǎn)品維修和更換頻繁，而高質(zhì)量的元器件能夠提高產(chǎn)品的可靠性，減少系統(tǒng)故障和維修次數(shù)。另外元器件的質(zhì)量問(wèn)題可能導(dǎo)致電路短路、過(guò)熱、電擊等安全隱患，甚至引發(fā)燃爆等危險(xiǎn)情況，影響操作人員安全[1]。

因此，MEMS 裝備元器件組件級(jí)多質(zhì)量特性在MEMS 裝備全壽命、全過(guò)程一體化分析的重要性不容忽視，這是解決裝備設(shè)計(jì)與使用“兩張皮”的基礎(chǔ)問(wèn)題，也是源頭路線(xiàn)。

2 復(fù)雜MEMS 裝備元器件組件級(jí)結(jié)構(gòu)特征

電子元器件和組件是復(fù)雜MEMS 裝備元器件組件級(jí)部件的基本組成部分，通過(guò)元器件或組件組合，把先進(jìn)的電子功能與機(jī)械的、光學(xué)的或其他的功能相結(jié)合，形成綜合集成子系統(tǒng)。其本質(zhì)是按照一定的連接方式，將各種功能的電子元器件焊接在具有機(jī)械固定和電氣連接功能的印制電路板上，完成特定功能的元器件組件。元器件組件的性能和功能取決于所使用的元器件的質(zhì)量和性能，而元器件的性能和可靠性等質(zhì)量特性又依賴(lài)于所使用的原材料的質(zhì)量。

MEMS 裝備元器件組件之間的交互作用是通過(guò)數(shù)據(jù)和信號(hào)流動(dòng)來(lái)完成的。不同的元器件組件有著不同的性能特性，在相互耦合的作用下形成了復(fù)雜MEMS裝備的元器件組件級(jí)功能結(jié)構(gòu)[2]。但元器件組件級(jí)元器件組件功能特性較為單一，只承擔(dān)基本功能和特性，例如開(kāi)關(guān)、放大、傳感、通信等功能。目前MEMS 裝備電子元器件按性能分類(lèi)如圖1 所示。組件通常指的是電子裝備中的某個(gè)功能板塊，例如傳感器的電源板塊和接口面板等。

3 MEMS 裝備元器件組件多質(zhì)量特性描述

在分析MEMS 裝備元器件組件級(jí)通用質(zhì)量特性時(shí)，可參照《GJB—299A 電子裝備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》、《GJB—450 裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》、《GJB368 裝備維修性通用規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件，按照規(guī)定的定量、定性要求以及工作項(xiàng)目開(kāi)展“六性”的分析與評(píng)估工作。

由于MEMS 裝備是多源異構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，MEMS裝備元器件組件級(jí)是系統(tǒng)內(nèi)的底層級(jí)別，這一級(jí)別的通用質(zhì)量特性不能直接用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)規(guī)定的“六性”來(lái)直接表示。通過(guò)探究，可發(fā)現(xiàn)MEMS 裝備元器件組件級(jí)元器件組件原材料是MEMS 裝備元器件組件級(jí)基本功能及賴(lài)以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，與產(chǎn)品的性能、可靠性、壽命、成本等密切相關(guān)，其性能、可靠性、可維護(hù)性、服役安全性、電磁兼容性、經(jīng)濟(jì)性等參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能及壽命周期費(fèi)用等的影響極大[3]。

因此，可以借助分析元器件組件的材料相關(guān)功能特性來(lái)對(duì)MEMS 裝備元器件組件級(jí)元器件組件的通用質(zhì)量特性進(jìn)行探析，最后確定MEMS 裝備元器件組件級(jí)以功能性能為主的通用質(zhì)量特性為：組件可靠性、材料一致性、工藝適用性、環(huán)境適應(yīng)性、服役安全性、組件健壯性、批次穩(wěn)定性。其組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

4 MEMS 裝備元器件組件缺陷分析

針對(duì)329 例MEMS 元器件常見(jiàn)失效分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，器件本身缺陷主要包括9 大類(lèi)，其中，材料匹配缺陷24 例，多余物20 例，封裝結(jié)構(gòu)和材料缺陷92 例，腐蝕48 例，光刻擴(kuò)散缺陷23 例，焊接缺陷24例，機(jī)械損傷35 例，沾污14 例，粘片缺陷50 例，各種缺陷所占比例如圖3 所示。根據(jù)圖3 分析，材料的缺陷占比最大?？梢?jiàn)材料缺陷或不合格品是元器件失效的常見(jiàn)原因之一，也是重要原因。

5 材料失效機(jī)理

分析材料在使用過(guò)程中發(fā)生失效的原因，元器件部件，例如金屬、聚合物、陶瓷等可能會(huì)受到力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)以及環(huán)境等因素的不利影響[4]，導(dǎo)致材料本身的性質(zhì)發(fā)生改變，從而引起元器件失效。以下材料失效是在元器件失效分析中的幾個(gè)關(guān)鍵方面：

（1）材料選擇：選擇不適合的材料可能導(dǎo)致元器件在特定工作條件下容易出現(xiàn)失效，因此，在設(shè)計(jì)和選擇元器件材料時(shí)，需要考慮應(yīng)用環(huán)境、工作溫度范圍、電子性能要求等多個(gè)因素；

（2）材料相容性：如果元器件中使用了多種不相容的材料，可能會(huì)引發(fā)材料相互作用、化學(xué)反應(yīng)或電位差，導(dǎo)致失效，材料相容性的不良選擇可能會(huì)導(dǎo)致腐蝕、氧化、電遷移等問(wèn)題，因此，在元器件設(shè)計(jì)中，需要確保選用的材料之間相容性良好；

（3）材料老化：材料老化是指材料在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，由于環(huán)境因素影響或內(nèi)部化學(xué)/物理變化而引起的性能退化。老化可能導(dǎo)致材料的電學(xué)、熱學(xué)或機(jī)械性能發(fā)生變化，并最終導(dǎo)致元器件失效。對(duì)于具有長(zhǎng)壽命要求的元器件，需要選擇具有良好抗老化特性的材料；

（4）材料缺陷和不合格品：材料缺陷或不合格品是元器件失效的常見(jiàn)原因之一，這些缺陷可能是由于材料制造過(guò)程中的瑕疵、材料污染、材料強(qiáng)度不均勻或其他生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的，因此，在制造和供應(yīng)元器件時(shí)，需要嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量，以減少缺陷和不合格品的出現(xiàn)[5]；

（5）材料應(yīng)力和熱應(yīng)力：材料的應(yīng)力和熱應(yīng)力可能是導(dǎo)致元器件失效的主要原因之一，可能會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力、熱膨脹差或熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力，這些應(yīng)力可能導(dǎo)致材料疲勞、裂紋、變形等問(wèn)題，因此，在元器件設(shè)計(jì)和工藝中，需要考慮應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，并選擇合適的材料來(lái)減少應(yīng)力相關(guān)的失效潛在問(wèn)題。

參照《國(guó)軍標(biāo)GJB5264—2003 系列材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》及以上對(duì)于MEMS 裝備元器件組件級(jí)元器件組件失效機(jī)理分析可以發(fā)現(xiàn)，MEMS 元器件組件級(jí)應(yīng)優(yōu)先選擇技術(shù)性能、質(zhì)量等級(jí)、使用條件等滿(mǎn)足MEMS 裝備元器件組件優(yōu)質(zhì)材料，才能同時(shí)滿(mǎn)足擁有先進(jìn)技術(shù)MEMS 裝備元器件組件級(jí)高性能及高可靠性、材料一致性、工藝適用性、環(huán)境適應(yīng)性、服役安全性、組件健壯性的相應(yīng)需求。

6 基于最優(yōu)質(zhì)量功能材料的元器件組件篩選試驗(yàn)

根據(jù)《國(guó)軍標(biāo)GJB 7243—2011 軍用電子元器件篩選技術(shù)要求（標(biāo)準(zhǔn)）》，為了確保MEMS 裝備元器件全質(zhì)量特性符合MEMS 裝備特殊服役任務(wù)及場(chǎng)景，首先就要篩選質(zhì)量過(guò)關(guān)的電子元器件組件。根據(jù)前文分析，選擇最優(yōu)質(zhì)量功能材料元器件組件篩選試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)備選材料在器件使用過(guò)程中的性能和承載特性、抗污染特性、耐高低溫特性、抗核輻射特性、防靜電特性、耐腐蝕特性等幾個(gè)方面的特性，兼顧成本與效果的同時(shí)，結(jié)合材料的失效機(jī)理對(duì)元器件組件進(jìn)行失效分析，從而找出對(duì)元器件組件的組件可靠性、材料一致性、工藝適用性、環(huán)境適應(yīng)性、服役安全性、組件健壯性通用性能指標(biāo)[6]。

表1 為元器件篩選部分內(nèi)容。在進(jìn)行篩選試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)分別設(shè)計(jì)應(yīng)用驗(yàn)證內(nèi)容，根據(jù)服役應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置相符合的試驗(yàn)條件、相關(guān)參數(shù)，確保驗(yàn)證內(nèi)容全面覆蓋材料質(zhì)量問(wèn)題、工藝性問(wèn)題、環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題、安全性問(wèn)題以及組件應(yīng)用健壯性問(wèn)題，最后明確關(guān)鍵質(zhì)量特性指標(biāo)，設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)算方法，從而使篩選最優(yōu)質(zhì)量材料構(gòu)成的元器件組件能夠符合國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 元器件篩選部分內(nèi)容

7 基于材料篩選試驗(yàn)的MEMS 元器件組件級(jí)多質(zhì)量特性一體化分析指標(biāo)設(shè)計(jì)路線(xiàn)

在MEMS 元器件組件級(jí)制造過(guò)程中，材料并非直接用于制造元器件和組件，而是需要經(jīng)過(guò)一系列的工序進(jìn)行轉(zhuǎn)化。加工過(guò)程對(duì)最終的材料制品質(zhì)量有著重要的影響。加工表面可能會(huì)出現(xiàn)諸如毛刺、粗糙、溝槽和裂紋等缺陷，這可能導(dǎo)致材料表面的完整性不佳。此外，加工過(guò)程中還可能面臨酸洗、鹽霧環(huán)境等因素，這些因素容易引起金屬材料的腐蝕，從而為后續(xù)的使用埋下潛在隱患。因此，選擇和篩選優(yōu)越性能元器件是在方案論證階段元器件組件的質(zhì)量穩(wěn)健性的基礎(chǔ)和保證，更是實(shí)現(xiàn)元器件組件級(jí)方案論證階段多質(zhì)量特性一體化的重要途徑。

選擇最優(yōu)質(zhì)量材料元器件組件篩選試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)備選材料在器件使用過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定表現(xiàn)，同時(shí)結(jié)合材料的失效機(jī)理對(duì)元器件組件進(jìn)行失效分析，從而找出元器件組件級(jí)各特性之間的關(guān)系，依據(jù)前文分析，建立篩選試驗(yàn)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)功能性能為主的通用特性一體化。

指標(biāo)體系的建立要從元器件組件級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景、全面考慮元器件組件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)要素的需求出發(fā)，兼顧多質(zhì)量一體化分析的全過(guò)程全面性與重點(diǎn)問(wèn)題分析。首先，通過(guò)材料失效分析確定元器件組件級(jí)方案論證階段的關(guān)鍵功能性能；而后，結(jié)合服役任務(wù)剖面和服役壽命剖面，將完善的穩(wěn)健性能拓展至元器件組件的質(zhì)量一致性、穩(wěn)定性，到構(gòu)件（含縮比件、工藝件、隨爐件、標(biāo)準(zhǔn)樣件）的環(huán)境適應(yīng)性、服役安全性和工藝適用性，以及組件健壯性，進(jìn)而構(gòu)成多層次、多指標(biāo)的MEMS 元器件組件級(jí)多質(zhì)量一體化分析體系，從而實(shí)現(xiàn)MEMS 元器件組件級(jí)多質(zhì)量特性一體化分析。

7.1 基于組件性能設(shè)計(jì)元器件組件健壯性分析

分析元器件的基本性能對(duì)組件功能性能的影響特點(diǎn)，分析同批次元器件在惡劣環(huán)境下的抗干擾、抗振動(dòng)、抗溫度變化等方面的功能性能穩(wěn)定性，所用材料是否達(dá)標(biāo)，從而分析材料一致性，而后將組件健壯性設(shè)置為二級(jí)指標(biāo)，將材料的結(jié)構(gòu)性能特性、功能性能特性、力學(xué)性能特性設(shè)計(jì)為三級(jí)指標(biāo)。

7.2 基于服役安全性設(shè)計(jì)元器件組件可靠性分析

首先對(duì)篩選試驗(yàn)進(jìn)行需求分析，通過(guò)MEMS 裝備元器件組件級(jí)的服役場(chǎng)景及其在各種服役場(chǎng)景可能對(duì)元器件組件的功能性能產(chǎn)生的影響，通過(guò)元器件組件失效故障找出元器件組件在貯存和發(fā)射可能帶來(lái)的爆炸、腐蝕、核輻射等次生安全問(wèn)題，將固有可靠性和使用可靠性設(shè)計(jì)為二級(jí)指標(biāo)，將爆炸危險(xiǎn)性能和有毒有害性能等設(shè)計(jì)為三級(jí)指標(biāo)[7]。

7.3 基于工藝適用性設(shè)計(jì)質(zhì)量一致性分析

在MEMS 裝備元器件組件級(jí)全過(guò)程及初始階段分析工藝的可用性，從篩選材料出發(fā)，分析元器件生產(chǎn)工藝、組件加工工藝、裝配工藝過(guò)程及其中影響元器件組件功能性能的關(guān)鍵因素及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并拓展分析至不同批次元器件組件級(jí)元器件組件是否能達(dá)到質(zhì)量一致性。將質(zhì)量一致性設(shè)為二級(jí)指標(biāo)，工藝匹配特性、尺寸匹配特性、三溫特性等設(shè)計(jì)為三級(jí)指標(biāo)。

7.4 基于環(huán)境適應(yīng)性的批次穩(wěn)定性分析

MEMS 裝備運(yùn)輸環(huán)境、貯存環(huán)境、發(fā)射環(huán)境等服役環(huán)境將對(duì)MEMS 裝備元器件組件級(jí)元器件組件的功能性能及其他質(zhì)量特性產(chǎn)生影響，通過(guò)材料的失效分析確定元器件組件測(cè)試與驗(yàn)證不同批次同型號(hào)元器件在各種環(huán)境下各項(xiàng)性能指標(biāo)的穩(wěn)定性。因此，將批次穩(wěn)定性設(shè)為二級(jí)指標(biāo)，將耐極溫、鹽霧等環(huán)境適應(yīng)性、耐輻射性等設(shè)計(jì)為三級(jí)指標(biāo)。

根據(jù)上述思路建立MEMS 元器件組件級(jí)多質(zhì)量體系一體化指標(biāo)設(shè)計(jì)路線(xiàn)，如圖4 所示。此指標(biāo)體系通過(guò)量化統(tǒng)計(jì)計(jì)算的形式，將海量質(zhì)量信息合理分析處理，將元器件組件級(jí)功能性能為主的通用特性進(jìn)行一體化考慮，從而達(dá)到元器件組件級(jí)方案論證階段多質(zhì)量一體化分析。

8 多質(zhì)量特性一體化分析綜合評(píng)價(jià)

元器件組件多質(zhì)量特性一體化分析是一個(gè)從定性到定量的分析過(guò)程，其最終目的就是解決MEMS“好用”“管用”的問(wèn)題，設(shè)計(jì)與使用“兩張皮”的問(wèn)題。對(duì)一體化分析的判據(jù)不能僅僅局限于是否達(dá)到國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，更是要達(dá)到“人-機(jī)”交互的最好融合，是系統(tǒng)工程思維的實(shí)際運(yùn)用。

對(duì)以上一體化分析的驗(yàn)證，必須對(duì)各個(gè)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析，考慮元器件組件在不同的服役環(huán)境下的性能變化，驗(yàn)證這一層面的問(wèn)題其實(shí)質(zhì)就是個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃的問(wèn)題，將基于材料篩選試驗(yàn)測(cè)試所得的各種參數(shù)進(jìn)行量化分析，采用熵權(quán)法等算法模型確立指標(biāo)權(quán)重，最后對(duì)多質(zhì)量一體化這個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題求解。

9 結(jié)束語(yǔ)

多質(zhì)量特性一體化分析不僅僅是在裝備研制前提出的問(wèn)題，根據(jù)“高質(zhì)量”發(fā)展的原則，多質(zhì)量特性一體化必須貫穿裝備的全壽命、全過(guò)程，才能更好地解決設(shè)計(jì)與使用“兩張皮”的問(wèn)題。但裝備多質(zhì)量一體化僅僅停留在初步理論階段，沒(méi)有相應(yīng)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，本文就元器件組件級(jí)的多質(zhì)量一體化分析提出了相應(yīng)解決辦法，為下一步工作中考慮裝備系統(tǒng)級(jí)多質(zhì)量特性一體化分析打好基礎(chǔ)。