國產(chǎn)工業(yè)級元器件在裝備中的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)及質(zhì)量管理模式探討

中圖分類號：TN60 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0158-04

1，2，1，1（1.，貴陽550025；2.電子科技大學(xué)，）

Abstract:Judgingfromtheprotractedandlarge-scaleconfrontationbetweenRussiaandUkraine，itisnecesarytodevelp low-costequipment.Using matureindusrial-gradecomponentsisoneof theefectivemeanstoreduceequipmentcosts.Although mycountrysindustrial-gradeelectroniccomponentsindustryisdevelopingrapidlytheoverallqualitylevelstillagsbehindthe matureindustrial-gradecomponentsanddomesticmiliarygradecomponentsintheUnitedStatesandEurope.Thereareproblems suchasunstabletechnicalstatus，insuficientqualitycontrol，andhighfailurerisk.Therearestilllargerisksinlarge-scale applicationofequipment.Corespondingguaranteemeasuresnedtobetakenintheaspectsofsourcesearch，selection， verification and screening to achieve reliable application.

Keywords: domestic industrial-grade component; equipment; quality control; low cost; application risk

電子元器件作為電子系統(tǒng)的基本組成單元，是功能和性能實(shí)現(xiàn)的物理載體，是裝備高性能和高可靠的重要保障，也是影響裝備成本的主要因素。通過一系列標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范制造、檢驗(yàn)、篩選過程，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，按照不同執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，得到不同質(zhì)量等級的元器件[-2]。不同質(zhì)量等級元器件由于原材料、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量管理方式不同，價(jià)格差異較大，國軍標(biāo)的元器件價(jià)格通常比工業(yè)級元器件高出一個(gè)數(shù)量級，使用工業(yè)級元器件可以有效降低裝備成本。由于國產(chǎn)工業(yè)級元器件存在技術(shù)狀態(tài)不固定、質(zhì)量控制不足、失效風(fēng)險(xiǎn)較高等問題，現(xiàn)階段無法大規(guī)模上裝應(yīng)用。因此，對國產(chǎn)工業(yè)級元器件上裝應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，針對性制定工業(yè)級元器件質(zhì)量保證措施是非常有必要的。

1國產(chǎn)工業(yè)級元器件質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)研

本文對國內(nèi)數(shù)十家工業(yè)級元器件生產(chǎn)企業(yè)的資質(zhì)、產(chǎn)品生產(chǎn)制造、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品價(jià)格和售后服務(wù)等方面進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研結(jié)果如下。

1.1 企業(yè)資質(zhì)

絕大部分生產(chǎn)企業(yè)建立了GB/T19001或ISO9001質(zhì)量體系，部分軍民融合型企業(yè)具備武器裝備科研生產(chǎn)許可證、GJB9001質(zhì)量體系，部分汽車元器件生產(chǎn)企業(yè)具有IATF16949和IS026262標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.2產(chǎn)品生產(chǎn)制造

在設(shè)計(jì)方面，工業(yè)級元器件在實(shí)現(xiàn)相同功能情況下，追求性價(jià)比，設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，另外為了滿足市場對元器件指標(biāo)不同需求，會(huì)頻繁更改設(shè)計(jì)狀態(tài)。在材料方面，工業(yè)級元器件為追求低成本，選用塑料封裝、銅絲鍵合、純錫涂覆和導(dǎo)電膠粘接等，使用這些原材料可靠性會(huì)大打折扣。在結(jié)構(gòu)方面，工業(yè)級元器件整體布局更加緊密，芯片布線線寬更小，芯片結(jié)構(gòu)上特殊的保護(hù)層較少，結(jié)構(gòu)可靠性較低。在工藝方面，工業(yè)級元器件一般選用先進(jìn)制程工藝。在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，不斷引入先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)，例如高精度的光刻技術(shù)、封裝技術(shù)等。

1.3 產(chǎn)品質(zhì)量

工業(yè)級元器件設(shè)計(jì)時(shí)，開展了設(shè)計(jì)仿真，并考慮芯片流片后的可測試性。流片后，進(jìn)行晶圓級測試，剔除不合格品。芯片劃片封裝后，進(jìn)行三溫測試，驗(yàn)證在不同溫度條件下的功能及性能，并根據(jù)用戶使用要求開展部分環(huán)境試驗(yàn)4。產(chǎn)品批量出貨后，通過自動(dòng)化測試剔除不合格品，產(chǎn)品質(zhì)量具有一定穩(wěn)定性和一致性。

1.4產(chǎn)品價(jià)格

工業(yè)級元器件采用塑料封裝，生產(chǎn)過程開展的檢驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)較少，價(jià)格是軍用電子元器件的十分

之一左右。

1.5 售后服務(wù)

部分軍民融合型元器件生產(chǎn)企業(yè)有意愿與武器裝備生產(chǎn)企業(yè)直接開展合作。但產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量問題后，一般只配合開展質(zhì)量問題的分析，不負(fù)責(zé)歸零等后續(xù)事宜。

2國產(chǎn)工業(yè)級元器件與軍用元器件對比分析

國產(chǎn)工業(yè)級元器件與軍用元器件在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝、材料、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量管理體系和產(chǎn)品封裝測試等方面存在諸多差異，具體見表1。

3國產(chǎn)工業(yè)級元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析

國產(chǎn)工業(yè)級元器件上裝應(yīng)用主要存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

3.1設(shè)計(jì)可靠性不高

軍用元器件由于可靠性要求更高，芯片會(huì)設(shè)計(jì)一些特殊的保護(hù)結(jié)構(gòu)，芯片的布局布線會(huì)注重可靠性。

例如考慮到單位面積電流密度限制，軍用芯片設(shè)計(jì)的芯片面積會(huì)更大。而對比軍用元器件，國產(chǎn)工業(yè)級元器件主要考慮經(jīng)濟(jì)性和功能性及先進(jìn)性，芯片整體布局更加緊密，芯片布線線寬更小，保護(hù)電路和隔離結(jié)構(gòu)考慮較少，這也導(dǎo)致了工業(yè)級元器件長期使用穩(wěn)定性和壽命較差。

3.2生產(chǎn)過程不可追溯

大部分國產(chǎn)工業(yè)級元器件采用代工模式，在商業(yè)線上生產(chǎn)，流片和封裝過程大多不可追溯，造成質(zhì)量和可靠性數(shù)據(jù)無法有效獲取。另外，工業(yè)級元器件的供應(yīng)還存在諸多不可控因素，如原材料供應(yīng)受限、產(chǎn)能不可控、生產(chǎn)資質(zhì)受限等。這些問題可能導(dǎo)致元器件的供應(yīng)中斷，對裝備的生產(chǎn)和維護(hù)產(chǎn)生不利影響。

3.3制造工藝及材料特性存在風(fēng)險(xiǎn)

國產(chǎn)工業(yè)級元器件為降低成本，多采用銅線鍵合，銅線相較于金絲更易氧化，在氣氛環(huán)境的作用下，會(huì)造成銅線和焊盤的腐蝕。另外，銅的熱膨脹系數(shù)較高，在溫度循環(huán)過程中，銅鍵合線頸部位存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。為滿足環(huán)保要求，工業(yè)級元器件多采用純錫鍍層，純錫在低重力或失重條件下容易產(chǎn)生錫須，錫須會(huì)引發(fā)短路或電弧放電，引發(fā)電路故障。為降低成本，工業(yè)級元器件多采用樹脂聚合物作為包封材料，該材料具有吸潮特性，存放時(shí)容易吸收空氣中水分子造成元器件失效，回流焊接時(shí)易產(chǎn)生“爆米花效應(yīng)”。另外，樹脂聚合物材料中的有害雜質(zhì)污染會(huì)引起芯片腐蝕、裂紋、脫層和電性能退化，從而影響元器件的可靠性。

3.4技術(shù)狀態(tài)變化頻繁

新材料、新工藝的應(yīng)用，使得元器件在體積、重量、性能等方面得到了持續(xù)提升，用戶對元器件性能、可靠性、成本等方面的要求不斷提高，元器件生產(chǎn)企業(yè)要不斷研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品來滿足市場需求，原材料價(jià)格的波動(dòng)、供應(yīng)鏈的不穩(wěn)定、行業(yè)內(nèi)部競爭等諸多因素都會(huì)影響工業(yè)級元器件技術(shù)狀態(tài)變化。技術(shù)狀態(tài)變化較頻繁，不利于裝備質(zhì)量管理

3.5缺乏統(tǒng)一的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)工藝等方面會(huì)存在較大差異，導(dǎo)致其使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較多，如JEDEC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)GB/T4589等。目前，國產(chǎn)工業(yè)級元器件還沒有相對統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，這給工業(yè)級元器件選型和使用帶來困擾。在實(shí)際應(yīng)用中，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力對不同廠家的元器件進(jìn)行對比和篩選，以確保其符合裝備的要求。

3.6產(chǎn)品穩(wěn)定性與可靠性不高

盡管國產(chǎn)工業(yè)級元器件的質(zhì)量總體在不斷提升，但在一些復(fù)雜和惡劣的應(yīng)用環(huán)境下，部分產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性還較差。比如，在高溫、高壓、高濕度等極端環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)性能下降、失效等問題；在一些對精度、溫度穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性等要求較高的應(yīng)用場景中，會(huì)出現(xiàn)性能波動(dòng)，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

4國產(chǎn)工業(yè)級元器件應(yīng)用質(zhì)量管理建議

針對上述風(fēng)險(xiǎn)，為了提升國產(chǎn)工業(yè)級元器件上裝應(yīng)用可靠性，提出如下質(zhì)量管理措施

針對國產(chǎn)工業(yè)級元器件設(shè)計(jì)可靠性不高的問題，采用元器件選用差異化控制的管理方式。在開展冗余設(shè)計(jì)、充分降額，確保其使用可靠性的前提下，根據(jù)裝備的戰(zhàn)技指標(biāo)、研制周期、目標(biāo)價(jià)格等差異化需求選擇合適指標(biāo)的元器件。針對不同應(yīng)用環(huán)境、不同壽命期限，不同設(shè)備關(guān)鍵度和不同熱力學(xué)安裝部位等選用不同質(zhì)量等級的元器件。非關(guān)鍵設(shè)備或部件根據(jù)需要可選用國產(chǎn)工業(yè)級元器件5。

針對生產(chǎn)過程不可追溯的問題，建立如圖1所示的國產(chǎn)工業(yè)級元器件質(zhì)保流程。主要由首次選用評價(jià)、應(yīng)用驗(yàn)證、篩選和技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控等技術(shù)手段構(gòu)成。選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)選具備完整成熟工藝線的廠家。采購時(shí)，要求廠家提供關(guān)鍵工序測試數(shù)據(jù)及質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告。使用時(shí)，開展選用評價(jià)、應(yīng)用驗(yàn)證、篩選、破壞性物理分析和失效分析等。

針對制造工藝及材料特性存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過建立標(biāo)準(zhǔn)化工藝操作程序來進(jìn)行質(zhì)量控制。對現(xiàn)有生產(chǎn)流程進(jìn)行全面梳理，詳細(xì)規(guī)定每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的操作步驟、工藝參數(shù)和質(zhì)量要求。定期收集和分析工藝數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）技術(shù)，識別工藝過程中的變化趨勢。通過控制圖(如均值-極差控制圖、均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖等)來監(jiān)控工藝的穩(wěn)定性。加強(qiáng)對原材料的檢驗(yàn)，除了常規(guī)的化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試外，還要進(jìn)行無損檢測，如超聲檢測、射線檢測等，以確保原材料質(zhì)量。

針對技術(shù)狀態(tài)變化頻繁的問題，強(qiáng)化國產(chǎn)工業(yè)級元器件技術(shù)狀態(tài)管理。逐批開展破壞性物理分析（DPA），依托信息化系統(tǒng)建立工業(yè)級元器件電性能包絡(luò)信息庫、工藝/版圖庫，用于后續(xù)工業(yè)級元器件技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控。逐批對元器件的版圖、材料、工藝一致性進(jìn)行分析判斷，若發(fā)生變化時(shí)，聯(lián)系廠家進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)。技術(shù)狀態(tài)確實(shí)發(fā)生變化時(shí)，重新開展選用評價(jià)。定期對國產(chǎn)工業(yè)級元器件進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測與評估，確保其質(zhì)量與性能的穩(wěn)定。

針對缺乏統(tǒng)一的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題，通過優(yōu)選符合AEC-Q標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級元器件和符合國家標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級元器件的方式來降低應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。針對不滿足以上標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品，可根據(jù)裝備不同部位應(yīng)用可靠性要求，在元器件生產(chǎn)階段已開展的篩選基礎(chǔ)上，依據(jù)AEC-Q標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行補(bǔ)充篩選試驗(yàn)，篩選出可用產(chǎn)品。

針對產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性不高的問題，建立國產(chǎn)工業(yè)級元器件首次選用評價(jià)與驗(yàn)證機(jī)制。首次上裝應(yīng)用的國產(chǎn)工業(yè)級元器件主要從元器件自主可控程度、固有可靠性、指標(biāo)裕度等方面開展評價(jià)。針對工業(yè)級元器件溫度擴(kuò)展性、壽命、缺陷激發(fā)條件等開展分析，識別其在裝備任務(wù)剖面下的可靠性短板；按最小化試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)應(yīng)力強(qiáng)度，對工業(yè)級元器件的結(jié)構(gòu)、材料、工藝和核心指標(biāo)進(jìn)行全面分析，必要時(shí)開展溫度拓展驗(yàn)證試驗(yàn)，摸清工業(yè)級器件可靠性邊界。對工業(yè)級元器件不同階段、不同批次的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性和穩(wěn)定分析，無法滿足使用要求時(shí)及時(shí)預(yù)警。對裝備環(huán)境應(yīng)力篩選項(xiàng)目進(jìn)行剪裁或?qū)Y選條件進(jìn)行調(diào)整，對多個(gè)批次不出質(zhì)量問題的產(chǎn)品，可考慮抽樣進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選[6-7]。

5結(jié)束語

目前，我國工業(yè)級元器件質(zhì)量水平有了較大提高，甚至一些工業(yè)級元器件技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)行列。部分裝備生產(chǎn)企業(yè)結(jié)合軍民融合發(fā)展思路，開始探索工業(yè)級元器件應(yīng)用于武器裝備的生產(chǎn)，以解決裝備成本控制的需求。但部分國產(chǎn)工業(yè)級元器件還存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、質(zhì)量參差不齊、穩(wěn)定性差等問題，大規(guī)模應(yīng)用于裝備還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用過程中需要加強(qiáng)質(zhì)量管控。

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