李劍燾，孫明，張海明，寧永成，蔣承志

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

1 引言

傳統(tǒng)的軍用、宇航元器件質(zhì)量評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分主要是根據(jù)可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)種類、應(yīng)力等級(jí)和器件特性來確定的[1-3]，這種評(píng)價(jià)方式可以定性判斷產(chǎn)品是否滿足宇航等應(yīng)用的可靠性要求，但并沒有對(duì)元器件的批次產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行定量分析，也不能反映產(chǎn)品在不同批次間的質(zhì)量波動(dòng)趨勢(shì)。隨著我國宇航產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星型號(hào)對(duì)元器件參數(shù)的精密程度、批次內(nèi)和生產(chǎn)批次間一致性及質(zhì)量穩(wěn)定性的要求日益提高，因此需要一種方法來定量表征產(chǎn)品的綜合質(zhì)量水平，提高國產(chǎn)元器件的過程控制能力及成品質(zhì)量受控程度。

本文提出了一種基于過程控制能力和參數(shù)分布能力的元器件質(zhì)量水平評(píng)價(jià)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)量產(chǎn)元器件的定量質(zhì)量水平評(píng)估和分析；同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)分析識(shí)別生產(chǎn)制造的薄弱環(huán)節(jié)，可針對(duì)性地采取更加嚴(yán)格的控制方法，通過數(shù)據(jù)模型，提早識(shí)別并剔除質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)偏大的產(chǎn)品。

2 生產(chǎn)批質(zhì)量水平評(píng)價(jià)基本原理

生產(chǎn)批質(zhì)量水平評(píng)價(jià)的基本原理為：首先通過成品檢驗(yàn)和參數(shù)一致性控制，排除產(chǎn)品的重大質(zhì)量隱患；在此基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的質(zhì)量水平分解為能夠反映產(chǎn)品質(zhì)量特性的若干關(guān)鍵指標(biāo)，主要包括過程控制、產(chǎn)品參數(shù)分布能力等，其中，過程控制由關(guān)鍵工序合格率、工序能力指數(shù)（CPK）等指標(biāo)表征，產(chǎn)品參數(shù)分布能力由產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性（參數(shù)時(shí)空分布特性）表征；最后，通過數(shù)據(jù)處理和綜合分析得出產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)，表征產(chǎn)品批次質(zhì)量水平。

元器件參數(shù)時(shí)空分布特性如圖1 所示，產(chǎn)品的參數(shù)分布在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變化，原本處在參數(shù)分布邊緣的器件有更大的概率逐漸退化為超差甚至失效器件。產(chǎn)品的一致性（本征分布）和穩(wěn)定性（應(yīng)力下變化）與產(chǎn)品質(zhì)量水平有密切的關(guān)系[3-5]。

圖1 元器件參數(shù)時(shí)空分布特性

元器件質(zhì)量波動(dòng)來源如圖2 所示。元器件質(zhì)量波動(dòng)主要來自生產(chǎn)制造過程中的隨機(jī)波動(dòng)和異常波動(dòng)[3,6-8]。其中，隨機(jī)波動(dòng)來自產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)線工藝水平波動(dòng)，反映在產(chǎn)品特性參數(shù)上為本征分布，即產(chǎn)品正常生產(chǎn)狀態(tài)下所具備的分散性，這種分散性會(huì)降低元器件參數(shù)的精密度，影響單機(jī)產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。而異常波動(dòng)來源于原材料異常、工藝過程控制異常等，異常波動(dòng)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問題。元器件質(zhì)量水平評(píng)價(jià)的主要工作為：在對(duì)產(chǎn)品特性參數(shù)異常波動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和控制的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品的本征特性和分布特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 元器件質(zhì)量波動(dòng)來源

3 基本指標(biāo)確定方法

3.1 關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)的選擇

過程控制和產(chǎn)品參數(shù)分布能力指標(biāo)的確定基于產(chǎn)品關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)，因此先要確定這2 項(xiàng)內(nèi)容。選擇關(guān)鍵工序的原則為：（1）選擇影響元器件質(zhì)量水平的關(guān)鍵生產(chǎn)工序；（2）選擇易發(fā)生質(zhì)量問題的生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)；（3）選擇工序合格率波動(dòng)較大的工序。

選擇關(guān)鍵參數(shù)的基本方法為：分析參數(shù)波動(dòng)與產(chǎn)品質(zhì)量、功能、工藝和失效模式之間的相關(guān)性，選擇能夠表征元器件質(zhì)量和功能特性的參數(shù)作為進(jìn)行一致性控制的候選參數(shù)；對(duì)初步選定的候選參數(shù)進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，排除無法滿足R&R 精密度要求（大于30%）的參數(shù)，最終確定產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)一些常見元器件關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)的選擇建議如表1 所示。

表1 6 類典型元器件的關(guān)鍵工序和敏感參數(shù)選擇建議

3.2 過程控制能力的確定

過程控制能力指標(biāo)可通過積累產(chǎn)品關(guān)鍵生產(chǎn)工序的合格率或工序能力指數(shù)獲得，其中工序能力指數(shù)需轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的合格率。

3.3 參數(shù)分布能力的確定

產(chǎn)品參數(shù)分布能力指標(biāo)需要通過參數(shù)一致性分析獲得。其基本過程包括分布判斷和轉(zhuǎn)換、離群值的識(shí)別和剔除、產(chǎn)品分布關(guān)鍵參數(shù)的指標(biāo)分析。同時(shí)，對(duì)具有相關(guān)性的參數(shù)，還應(yīng)當(dāng)基于相關(guān)性進(jìn)行指標(biāo)分析。確定參數(shù)分布能力的步驟包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、關(guān)鍵指標(biāo)分析等。在確定過程控制能力和參數(shù)分布能力之后，即可進(jìn)行元器件質(zhì)量水平評(píng)價(jià)。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

首先需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和生產(chǎn)及試驗(yàn)流程確定采集數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，對(duì)于參數(shù)退化與產(chǎn)品失效有較強(qiáng)相關(guān)性的元器件，應(yīng)對(duì)其在壽命實(shí)驗(yàn)前后，包括篩選和質(zhì)量一致性（QCI）考核試驗(yàn)的參數(shù)分布變化進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于參數(shù)退化與產(chǎn)品失效無關(guān)的元器件，以及對(duì)參數(shù)退化不敏感的元器件可不進(jìn)行參數(shù)分布變化評(píng)估。常用元器件的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)如表2 所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

完成數(shù)據(jù)采集后，需對(duì)原始測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和處理。將不規(guī)則的測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，同時(shí)檢查、排除、糾正數(shù)據(jù)中的缺省項(xiàng)、錯(cuò)誤值，使數(shù)據(jù)達(dá)到可用于分析的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)參數(shù)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和轉(zhuǎn)換，對(duì)于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行分布轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[6-10]給出了具體的參數(shù)優(yōu)化及分析方法。

3.3.3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

對(duì)于不同種類的元器件，可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選擇元器件產(chǎn)品參數(shù)分布能力指數(shù)、離群率和試驗(yàn)前后變化率、批次間波動(dòng)趨勢(shì)等幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)。

參數(shù)分布能力指數(shù)（Kd）反映產(chǎn)品參數(shù)相對(duì)于設(shè)計(jì)范圍的離散性和準(zhǔn)確性。其計(jì)算方法如式（1）所示：

其中，μ 為該參數(shù)均值，σ為該參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，TU為標(biāo)稱值上限，TL為標(biāo)稱值下限。(TU-TL)/（6σ）表征參數(shù)的離散性，{1-|μ-(TU-TL)/2|/[(TU-TL)/2]}表征參數(shù)均值相對(duì)設(shè)計(jì)范圍的偏離度。

由于不同參數(shù)的規(guī)格限與參數(shù)實(shí)際分布有非常大的差距，在實(shí)際使用中，部分參數(shù)的能力指數(shù)計(jì)算結(jié)果并不能完全反映產(chǎn)品的質(zhì)量水平，在這種情況下，可以使用參數(shù)精度（ACC）來代替參數(shù)能力指數(shù)進(jìn)行評(píng)估：

其中，α 為參數(shù)基準(zhǔn)值（無基準(zhǔn)值時(shí)使用歷史批次的平均值）。相應(yīng)地，3σ/μ 表征參數(shù)的離散性，(μ-α)/α 表征參數(shù)均值相對(duì)設(shè)計(jì)范圍的偏離度。

批次內(nèi)離群率R=nf/ntotal，n 為關(guān)鍵工序，ntotal為關(guān)鍵工序總數(shù)，f 表示某參數(shù)篩選后參數(shù)離群和篩選前后變化率離群，文獻(xiàn)[9-12]給出了參數(shù)離群的識(shí)別方法。

試驗(yàn)選前后變化率（C）考察該參數(shù)在承制方篩選試驗(yàn)前后批次內(nèi)分布的整體變化趨勢(shì)，包括參數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的變化程度，如式（3）所示：

其中，m 為敏感參數(shù)的數(shù)量，μBi、μAi分別為試驗(yàn)前后敏感參數(shù)的均值，σBi、σAi分別為試驗(yàn)前后敏感參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

批次間一致性指標(biāo)包括控制限和波動(dòng)趨勢(shì)，在本文中的作用為排除批次質(zhì)量隱患風(fēng)險(xiǎn)，參考文獻(xiàn)[12]給出了具體計(jì)算和識(shí)別方法。

4 元器件質(zhì)量水平評(píng)價(jià)方法

在完成基本指標(biāo)提取后，即可通過計(jì)算元器件過程控制和產(chǎn)品參數(shù)分布能力指標(biāo)及后端應(yīng)用失效因子來綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品的批次質(zhì)量水平。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，識(shí)別并分析造成某項(xiàng)產(chǎn)品質(zhì)量水平指標(biāo)較低的原因（產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝控制），以及一致性水平較低所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

式（4）為本文所提出的元器件質(zhì)量水平評(píng)價(jià)方法表達(dá)式，不同類型的器件可以參考表2 并根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)表達(dá)式細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。

其中，Q 為綜合質(zhì)量指數(shù)，A 為調(diào)整系數(shù)（常數(shù)），Pf是根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用數(shù)據(jù)得到的后端失效系數(shù)（取值范圍0～1），πMa、πpa分別為產(chǎn)品過程控制和參數(shù)分布能力指標(biāo)。

其中，Pi為第i 個(gè)過程合格率，Ppmi為第i 個(gè)過程能力指數(shù)所對(duì)應(yīng)的不合格率，CS為敏感參數(shù)的篩選試驗(yàn)前后分布變化，CQCI為敏感參數(shù)的QCI 壽命試驗(yàn)前后分布變化，Z1、Z2為變化率的權(quán)重系數(shù)，兩者取值范圍為0～1。在篩選試驗(yàn)前后變化率較?。ㄐ∮?%）時(shí)，可不用考察QCI 壽命試驗(yàn)前后變化率。

5 案例及分析

5.1 產(chǎn)品基本信息

選擇某低壓差線性穩(wěn)壓器作為質(zhì)量水平評(píng)價(jià)對(duì)象，其最高工作電壓為26 V，最大輸出電流為1.5 A，輸出電壓可調(diào)，穩(wěn)態(tài)總劑量輻射能力為100 krad（Si），主要包括啟動(dòng)電路、電壓基準(zhǔn)電路、誤差放大器電路、反饋電路、保護(hù)電路和輸出調(diào)整管等部分。

5.2 參數(shù)選擇

5.2.1 產(chǎn)品參數(shù)

對(duì)器件進(jìn)行全參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)器件在基準(zhǔn)電壓VREF、100 mA 下的輸入輸出壓差VDO、線性調(diào)整率L 和輸出電流限制ILIMIT的R&R 精密度小于30%的條件下，滿足進(jìn)行一致性分析的要求。

選擇100 mA 下的VDO、L 和ILIMIT作為關(guān)鍵參數(shù)。L按照±3σ 進(jìn)行控制，VDO和ILIMIT按+3σ 進(jìn)行控制。100 mA下的VDO和Ilimit參數(shù)反映了線性穩(wěn)壓器的帶負(fù)載能力，L 反映了不同輸入條件下的輸出穩(wěn)定能力。

5.2.2 關(guān)鍵工序

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵工序分析，選擇外延、基區(qū)擴(kuò)散和鍵合工藝作為產(chǎn)品的關(guān)鍵工序。

5.3 數(shù)據(jù)采集和處理

該產(chǎn)品由自動(dòng)測(cè)試臺(tái)測(cè)試且有記錄帶編號(hào)，因此可以使用老煉前后的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合質(zhì)量水平評(píng)價(jià)。提取測(cè)試記錄后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和轉(zhuǎn)換，并代入式（6）進(jìn)行參數(shù)能力評(píng)估。同時(shí)，提取產(chǎn)品的關(guān)鍵工序，即外延、基區(qū)擴(kuò)散和鍵合工藝的過程合格率，代入式（5）作為過程能力指標(biāo)的輸入。

5.4 綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

按照第4 節(jié)中的評(píng)價(jià)方法對(duì)15 個(gè)批次的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量水平評(píng)價(jià)，部分產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差變化率未超過5%，因此不需將質(zhì)量一致性壽命試驗(yàn)前后的變化率納入考察項(xiàng)目。對(duì)輸出結(jié)果反饋和項(xiàng)目權(quán)重進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：調(diào)整系數(shù)設(shè)為100，后端失效系數(shù)為1（無失效記錄），變化率權(quán)重系數(shù)Z1設(shè)為0.25，Z2設(shè)為0.5。評(píng)價(jià)結(jié)果如表3 所示，第一批產(chǎn)品的綜合質(zhì)量指數(shù)較低，接近批次間一致性控制限[12]，其原因是該批次為系列的首批投產(chǎn)產(chǎn)品，生產(chǎn)時(shí)的工藝條件尚未完全成熟，關(guān)鍵過程中的產(chǎn)品剔除率較高。圖3 為該型號(hào)線性穩(wěn)壓器的綜合質(zhì)量指數(shù)變化趨勢(shì)，可以看出批次綜合質(zhì)量指數(shù)呈逐漸上升的趨勢(shì)。

表3 某線性穩(wěn)壓器批次質(zhì)量水平評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 某線性穩(wěn)壓器的綜合質(zhì)量指數(shù)變化趨勢(shì)

5.5 在軌器件評(píng)價(jià)和驗(yàn)證情況

使用本文所提出的方法對(duì)表1 中的6 類某衛(wèi)星系統(tǒng)用新型關(guān)鍵器件共56 批33 823 只產(chǎn)品，進(jìn)行了質(zhì)量水平評(píng)價(jià)，對(duì)各類型的評(píng)價(jià)結(jié)果取平均（各類別權(quán)重相同），并按生產(chǎn)時(shí)間順序繪制如圖4 所示的質(zhì)量指數(shù)總體變化趨勢(shì)，可以看出國產(chǎn)新型關(guān)鍵元器件的平均質(zhì)量水平在近10 年呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。

圖4 6 類關(guān)鍵元器件質(zhì)量指數(shù)總體變化趨勢(shì)

圖5 為6 類關(guān)鍵元器件各項(xiàng)指標(biāo)的平均提升幅度圖。其中，穩(wěn)定性包括各項(xiàng)試驗(yàn)前后變化率，一致性主要受參數(shù)精度影響，成品率代表過程控制能力。產(chǎn)品綜合質(zhì)量指數(shù)的提升主要來源于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及質(zhì)量控制技術(shù)的有效應(yīng)用。

圖5 6 類關(guān)鍵元器件各項(xiàng)指標(biāo)平均提升幅度

截至2021 年12 月，各種器件的在軌無故障工作時(shí)間，如表4 所示?？梢钥闯觯鄶?shù)國產(chǎn)新型關(guān)鍵元器件的全部在軌無故障總工作時(shí)間達(dá)到幾百萬小時(shí)以上，證明產(chǎn)品具備較高的質(zhì)量水平。

表4 衛(wèi)星用國產(chǎn)新型關(guān)鍵器件在軌無故障工作時(shí)間

6 結(jié)論

本文通過研究典型元器件的關(guān)鍵工序控制能力和產(chǎn)品性能參數(shù)一致性水平，分析可采集參數(shù)，研究數(shù)據(jù)采集和處理方法，提出了一種基于過程控制和參數(shù)分布能力指標(biāo)的元器件質(zhì)量水平評(píng)價(jià)方法。通過對(duì)典型產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)踐，建立了元器件生產(chǎn)批次綜合質(zhì)量指數(shù)、參數(shù)分布能力指標(biāo)等概念和統(tǒng)計(jì)方法。經(jīng)過較為廣泛的數(shù)據(jù)采集和驗(yàn)證，該方法可以有效表征產(chǎn)品生產(chǎn)批質(zhì)量水平。本文所提出方法的作用和意義在于：（1）可對(duì)已供貨產(chǎn)品按生產(chǎn)批次進(jìn)行質(zhì)量水平定量評(píng)估和分析，以確定產(chǎn)品的綜合質(zhì)量水平變化趨勢(shì)，為供應(yīng)商管理及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)；（2）結(jié)合數(shù)據(jù)分析，可對(duì)后續(xù)生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)參考和模型，采取更加嚴(yán)格的控制方法；（3）可確定產(chǎn)品質(zhì)量水平基線，引導(dǎo)生產(chǎn)廠家提高批次生產(chǎn)質(zhì)量控制水平，提早識(shí)別質(zhì)量控制薄弱環(huán)節(jié)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)偏大的產(chǎn)品。