高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)識(shí)別與表征技術(shù)

龔欣，李婷，孫佳佳，陳旭光，倪曉亮

（中國(guó)空間技術(shù)研究院電子元器件可靠性中心，北京 100094）

0 引言

目前國(guó)產(chǎn)元器件研制水平參差不齊，一方面對(duì)以往仿制元器件的基本設(shè)計(jì)理念等還缺乏深入思考，設(shè)計(jì)受限于當(dāng)前國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)材料、原材料等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)水平，另一方面對(duì)于全新的、國(guó)外沒(méi)有對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的自主研發(fā)新型元器件，沒(méi)有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)參照，存在設(shè)計(jì)水平低、試錯(cuò)代價(jià)大、迭代周期長(zhǎng)等問(wèn)題[1-3]，同時(shí)可靠性評(píng)價(jià)也缺乏權(quán)威性，而如果將目前已有的高可靠元器件的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別并提取出來(lái)，建立高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)相似性原理派生出新元器件的設(shè)計(jì)方案，就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)能夠充分利用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，使元器件設(shè)計(jì)工作變得輕松。

基于上述需求和思想，本文對(duì)高可靠元器件開展了特征結(jié)構(gòu)識(shí)別與表征技術(shù)的研究，找出了適合高可靠性元器件的特征結(jié)構(gòu)成組分類方法，并從結(jié)構(gòu)形似性角度出發(fā)，建立了作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)派生依據(jù)的高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，只需輸入新器件的類別和應(yīng)用領(lǐng)域或其他特殊需求，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行派生出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行迭代和優(yōu)化，便可以得到最終的設(shè)計(jì)方案。

1 高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)提取技術(shù)

對(duì)現(xiàn)有高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取是整個(gè)工作的基礎(chǔ)，特征結(jié)構(gòu)要素是什么，如何提取成為問(wèn)題的關(guān)鍵，本文首先從功能實(shí)現(xiàn)角度對(duì)高可靠元器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元分解，再在每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)上識(shí)別和提取代表其高可靠特性的特征結(jié)構(gòu)。

1.1 高可靠元器件結(jié)構(gòu)單元分解

結(jié)構(gòu)單元分解是對(duì)元器件的整體結(jié)構(gòu)按照功能單元和物理單元進(jìn)行二級(jí)或三級(jí)層次分解，獲得特征結(jié)構(gòu)要素.一般應(yīng)當(dāng)分解到元器件結(jié)構(gòu)的最小單元或功能的最小單元，以及工藝、材料的最小界限。

如圖1所示是以空封單片集成電路為例給出特征結(jié)構(gòu)單元分解圖。

圖1 空封單片集成電路結(jié)構(gòu)單元分解圖

1.2 高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)提取

針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)單元，從元器件功能性能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性兩大維度進(jìn)行高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)梳理和信息匯總，同時(shí)匯總禁用特征結(jié)構(gòu)信息、禁用原因、相應(yīng)失效案例及照片，還有限用特征結(jié)構(gòu)信息以及限用原因和措施等信息。表1以空封單片集成電路為例，給出特征結(jié)構(gòu)要素的識(shí)別和信息提取。

表1 空封單片集成電路特征結(jié)構(gòu)提取表

照此方法將各類別元器件高可靠特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，形成各類別元器件高可靠特征結(jié)構(gòu)及禁限用特征結(jié)構(gòu)。

2 元器件特征結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

在多年服務(wù)型號(hào)的過(guò)程中，產(chǎn)生并積累了豐富的關(guān)于元器件的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、材料、工藝等的數(shù)據(jù)信息，尤其是高可靠性元器件特征結(jié)構(gòu)信息以及禁限用特征結(jié)構(gòu)信息等非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，目前這些數(shù)據(jù)信息分散于各分析報(bào)告中，如結(jié)構(gòu)分析報(bào)告或失效分析報(bào)告中，無(wú)結(jié)構(gòu)化，無(wú)質(zhì)量管控，查找極為不方便，數(shù)據(jù)應(yīng)用成熟度不高，同時(shí)這些數(shù)據(jù)孤立存在，很難綜合應(yīng)用產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)價(jià)值。亟須將這些數(shù)據(jù)匯總、治理并有效利用起來(lái)，亟須建立基于大數(shù)據(jù)的高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)據(jù)價(jià)值為驅(qū)動(dòng)，采集更多數(shù)據(jù)，構(gòu)建元器件物理結(jié)構(gòu)信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有序存儲(chǔ)、有效質(zhì)量管控，同時(shí)規(guī)范數(shù)據(jù)應(yīng)用，不斷優(yōu)化平臺(tái)，形成數(shù)據(jù)應(yīng)用閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源價(jià)值最大化，效益最大化。

以結(jié)構(gòu)相似性為頂層原則，將元器件按照結(jié)構(gòu)類別進(jìn)行分類，對(duì)每類元器件進(jìn)行高可靠性元器件特征結(jié)構(gòu)、禁用特征結(jié)構(gòu)、限用特征結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)梳理和建設(shè)。

數(shù)據(jù)內(nèi)容：不僅包括高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)信息，還應(yīng)包括禁用特征結(jié)構(gòu)和限用特征結(jié)構(gòu)信息。

數(shù)據(jù)采集與整理：對(duì)于原有報(bào)告，通過(guò)人工梳理特征結(jié)構(gòu)要素，要素信息通過(guò)人工填寫，對(duì)于后續(xù)報(bào)告，按照結(jié)構(gòu)化特征結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行報(bào)告格式修改，實(shí)現(xiàn)特征結(jié)構(gòu)要素信息的機(jī)器自主采集。

數(shù)據(jù)類型：分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)又分為定性和定量?jī)煞N，分別對(duì)應(yīng)表1中“特征結(jié)構(gòu)要素是什么”和“特征結(jié)構(gòu)要素是多少”，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括：描述禁用特征結(jié)構(gòu)禁用原因的文檔、失效分析報(bào)告、失效現(xiàn)象及機(jī)理展示照片等等，通過(guò)對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行打標(biāo)簽、編序列號(hào)等手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。

大數(shù)據(jù)建模：大數(shù)據(jù)建模有兩種方式，一是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停L(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的判斷規(guī)則由專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，如本文1.2節(jié)所示，均是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)預(yù)先梳理出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停欢菙?shù)據(jù)模型，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的判斷規(guī)則是通過(guò)數(shù)據(jù)分析挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律得出來(lái)的。對(duì)于結(jié)構(gòu)可靠性量化判據(jù)指標(biāo)，基于大數(shù)據(jù)分析和挖掘的方法是更科學(xué)和快捷的建模方法。

擬通過(guò)平臺(tái)建設(shè)實(shí)現(xiàn)如下需求：

1）高可靠性元器件特征結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案集成和優(yōu)化。

2）基于結(jié)構(gòu)相似原理的元器件結(jié)構(gòu)可靠性判別依據(jù)派生。

3）基于大數(shù)據(jù)分析和挖掘的元器件結(jié)構(gòu)可靠性量化判據(jù)生成。

3 基于結(jié)構(gòu)相似性派生的高可靠元器件結(jié)構(gòu)特征描述方法

大數(shù)據(jù)技術(shù)通過(guò)把原來(lái)不相干的數(shù)據(jù)放在一起，通過(guò)關(guān)聯(lián)和交叉比對(duì)等手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值[4]。

通過(guò)決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)功能性能實(shí)現(xiàn)及環(huán)境適應(yīng)性等維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和聚合，通過(guò)結(jié)構(gòu)相似性原理，派生出新元器件的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也能基于相似結(jié)構(gòu)派生出新元器件結(jié)構(gòu)可靠性的判別依據(jù)和評(píng)價(jià)體系。關(guān)聯(lián)及比對(duì)關(guān)鍵詞包括：元器件類型、實(shí)現(xiàn)的功能性能、結(jié)構(gòu)要素、應(yīng)用領(lǐng)域等。

以下是基于相似結(jié)構(gòu)派生結(jié)構(gòu)可靠性量化判別依據(jù)的案例：

試驗(yàn)人員進(jìn)行具體連接器結(jié)構(gòu)可靠性分析，在檢查連接器剖面時(shí)，發(fā)現(xiàn)接觸件壓接位置的鍍層有斷裂和與基材分離的現(xiàn)象，存在鍍層剝落及發(fā)生腐蝕的可靠性隱患，測(cè)量鍍鎳層厚度為12-15μm。

試驗(yàn)人員將鍍層厚度輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)海量數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)各類別連接器接觸件的鍍鎳層厚度通常為2-4μm，那么量化判據(jù)定為2-4um，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鍍鎳層厚度超出該范圍時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)判別為風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)（如圖2、圖3所示）。

圖2 電連接器剖面形貌

圖3 接觸件后套筒與內(nèi)套筒壓接位置鍍層結(jié)構(gòu)剖面形貌

海量數(shù)據(jù)的分析和高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)描述給試驗(yàn)人員提供了非常及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，在鍍層厚度設(shè)計(jì)不當(dāng)還是鍍層工藝質(zhì)量不良導(dǎo)致鍍層斷裂和分離的技術(shù)判斷中起到了關(guān)鍵作用。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今時(shí)代正處于由信息技術(shù)（IT）向數(shù)據(jù)技術(shù)（DT）轉(zhuǎn)型的時(shí)代[5]，發(fā)現(xiàn)和重視數(shù)據(jù)價(jià)值，樹立數(shù)據(jù)思維是每個(gè)現(xiàn)代人亟需面對(duì)的。

高可靠性元器件特征結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息是元器件質(zhì)量保證單位非常寶貴的數(shù)據(jù)財(cái)富，本文從識(shí)別和表征高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)信息、建立高可靠元器件特征結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的角度試圖尋找一種高效利用這些數(shù)據(jù)財(cái)富的途徑和方法，希望給各位讀者有些借鑒。