MEMS 元器件組件級多質量特性一體化探討

汪瑩，劉小方，茶正忠，寇璽，侯夢婷，張克劍

火箭軍工程大學，陜西西安 710000

0 引言

隨著智能化發展，對MEMS 裝備的要求也越來越高，傳統的產品質量觀念已經不適用于當前航天高端裝備高通用化、高可靠性的質量要求。現代質量觀強調的“全質量特性”也成為當前MEMS 裝備研發生產需要重點關注的問題。元器件組件是MEMS 裝備高穩定性的運行基礎，因此討論MEMS 裝備元器件組級多質量特性一體化，為提高我國MEMS 裝備質量水平提供理論和技術支撐。

本文首先從需求出發，利用多領域專家的知識經驗和廣泛獲取的信息資源，針對某一種或一類材料特定的應用需求，結合產品應用場景、元器件組件結構特征以及功能性能及通用質量特性需求，通過元器件材料在特定任務背景下失效物理行為探究元器件組件級故障模式分析，構建MEMS 裝備元器件組件級多質量特性一體化分析。

1 MEMS 裝備元器件組件級多質量特性一體化分析需求

MEMS 裝備元器件組件級質量是保持MEMS 裝備運轉穩定可靠的重要前提。元器件組件作為MEMS裝備的基本組成，其質量直接影響整個元器件組件級電子產品的性能。優質的元器件組件可以確保MEMS裝備產品在設計要求的電壓范圍、頻率范圍和溫度范圍內正常工作，提供穩定準確的功能性能。低質量的元器件組件容易引起系統故障、性能降低和失效，導致產品維修和更換頻繁，而高質量的元器件能夠提高產品的可靠性，減少系統故障和維修次數。另外元器件的質量問題可能導致電路短路、過熱、電擊等安全隱患，甚至引發燃爆等危險情況，影響操作人員安全[1]。

因此，MEMS 裝備元器件組件級多質量特性在MEMS 裝備全壽命、全過程一體化分析的重要性不容忽視，這是解決裝備設計與使用“兩張皮”的基礎問題，也是源頭路線。

2 復雜MEMS 裝備元器件組件級結構特征

電子元器件和組件是復雜MEMS 裝備元器件組件級部件的基本組成部分，通過元器件或組件組合，把先進的電子功能與機械的、光學的或其他的功能相結合，形成綜合集成子系統。其本質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量和性能，而元器件的性能和可靠性等質量特性又依賴于所使用的原材料的質量。

MEMS 裝備元器件組件之間的交互作用是通過數據和信號流動來完成的。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雜MEMS裝備的元器件組件級功能結構[2]。但元器件組件級元器件組件功能特性較為單一，只承擔基本功能和特性，例如開關、放大、傳感、通信等功能。目前MEMS 裝備電子元器件按性能分類如圖1 所示。組件通常指的是電子裝備中的某個功能板塊，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量特性描述

在分析MEMS 裝備元器件組件級通用質量特性時，可參照《GJB—299A 電子裝備可靠性預計手冊》、《GJB—450 裝備研制與生產的可靠性通用大綱》、《GJB368 裝備維修性通用規范》等相關標準文件，按照規定的定量、定性要求以及工作項目開展“六性”的分析與評估工作。

由于MEMS 裝備是多源異構的復雜系統，MEMS裝備元器件組件級是系統內的底層級別，這一級別的通用質量特性不能直接用標準內規定的“六性”來直接表示。通過探究，可發現MEMS 裝備元器件組件級元器件組件原材料是MEMS 裝備元器件組件級基本功能及賴以實現的基礎，與產品的性能、可靠性、壽命、成本等密切相關，其性能、可靠性、可維護性、服役安全性、電磁兼容性、經濟性等參數對整個系統性能及壽命周期費用等的影響極大[3]。

因此，可以借助分析元器件組件的材料相關功能特性來對MEMS 裝備元器件組件級元器件組件的通用質量特性進行探析，最后確定MEMS 裝備元器件組件級以功能性能為主的通用質量特性為：組件可靠性、材料一致性、工藝適用性、環境適應性、服役安全性、組件健壯性、批次穩定性。其組成結構如圖2 所示。

4 MEMS 裝備元器件組件缺陷分析

針對329 例MEMS 元器件常見失效分析統計，結果表明，器件本身缺陷主要包括9 大類，其中，材料匹配缺陷24 例，多余物20 例，封裝結構和材料缺陷92 例，腐蝕48 例，光刻擴散缺陷23 例，焊接缺陷24例，機械損傷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。根據圖3 分析，材料的缺陷占比最大。可見材料缺陷或不合格品是元器件失效的常見原因之一，也是重要原因。

5 材料失效機理

分析材料在使用過程中發生失效的原因，元器件部件，例如金屬、聚合物、陶瓷等可能會受到力學、熱學、化學以及環境等因素的不利影響[4]，導致材料本身的性質發生改變，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關鍵方面：

（1）材料選擇：選擇不適合的材料可能導致元器件在特定工作條件下容易出現失效，因此，在設計和選擇元器件材料時，需要考慮應用環境、工作溫度范圍、電子性能要求等多個因素；

（2）材料相容性：如果元器件中使用了多種不相容的材料，可能會引發材料相互作用、化學反應或電位差，導致失效，材料相容性的不良選擇可能會導致腐蝕、氧化、電遷移等問題，因此，在元器件設計中，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時間使用過程中，由于環境因素影響或內部化學/物理變化而引起的性能退化。老化可能導致材料的電學、熱學或機械性能發生變化，并最終導致元器件失效。對于具有長壽命要求的元器件，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原因之一，這些缺陷可能是由于材料制造過程中的瑕疵、材料污染、材料強度不均勻或其他生產質量問題導致的，因此，在制造和供應元器件時，需要嚴格控制材料的質量，以減少缺陷和不合格品的出現[5]；

（5）材料應力和熱應力：材料的應力和熱應力可能是導致元器件失效的主要原因之一，可能會產生機械應力、熱膨脹差或熱循環引起的熱應力，這些應力可能導致材料疲勞、裂紋、變形等問題，因此，在元器件設計和工藝中，需要考慮應力和熱應力的影響，并選擇合適的材料來減少應力相關的失效潛在問題。

參照《國軍標GJB5264—2003 系列材料質量標準》及以上對于MEMS 裝備元器件組件級元器件組件失效機理分析可以發現，MEMS 元器件組件級應優先選擇技術性能、質量等級、使用條件等滿足MEMS 裝備元器件組件優質材料，才能同時滿足擁有先進技術MEMS 裝備元器件組件級高性能及高可靠性、材料一致性、工藝適用性、環境適應性、服役安全性、組件健壯性的相應需求。

6 基于最優質量功能材料的元器件組件篩選試驗

根據《國軍標GJB 7243—2011 軍用電子元器件篩選技術要求（標準）》，為了確保MEMS 裝備元器件全質量特性符合MEMS 裝備特殊服役任務及場景，首先就要篩選質量過關的電子元器件組件。根據前文分析，選擇最優質量功能材料元器件組件篩選試驗目的是通過試驗檢驗備選材料在器件使用過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、耐腐蝕特性等幾個方面的特性，兼顧成本與效果的同時，結合材料的失效機理對元器件組件進行失效分析，從而找出對元器件組件的組件可靠性、材料一致性、工藝適用性、環境適應性、服役安全性、組件健壯性通用性能指標[6]。

表1 為元器件篩選部分內容。在進行篩選試驗時，應分別設計應用驗證內容，根據服役應用場景設置相符合的試驗條件、相關參數，確保驗證內容全面覆蓋材料質量問題、工藝性問題、環境適應性問題、安全性問題以及組件應用健壯性問題，最后明確關鍵質量特性指標，設計驗證計算方法，從而使篩選最優質量材料構成的元器件組件能夠符合國家軍用標準。

表1 元器件篩選部分內容

7 基于材料篩選試驗的MEMS 元器件組件級多質量特性一體化分析指標設計路線

在MEMS 元器件組件級制造過程中，材料并非直接用于制造元器件和組件，而是需要經過一系列的工序進行轉化。加工過程對最終的材料制品質量有著重要的影響。加工表面可能會出現諸如毛刺、粗糙、溝槽和裂紋等缺陷，這可能導致材料表面的完整性不佳。此外，加工過程中還可能面臨酸洗、鹽霧環境等因素，這些因素容易引起金屬材料的腐蝕，從而為后續的使用埋下潛在隱患。因此，選擇和篩選優越性能元器件是在方案論證階段元器件組件的質量穩健性的基礎和保證，更是實現元器件組件級方案論證階段多質量特性一體化的重要途徑。

選擇最優質量材料元器件組件篩選試驗目的是通過試驗檢驗備選材料在器件使用過程中的質量穩定表現，同時結合材料的失效機理對元器件組件進行失效分析，從而找出元器件組件級各特性之間的關系，依據前文分析，建立篩選試驗指標體系，實現功能性能為主的通用特性一體化。

指標體系的建立要從元器件組件級應用場景、全面考慮元器件組件設計與生產要素的需求出發，兼顧多質量一體化分析的全過程全面性與重點問題分析。首先，通過材料失效分析確定元器件組件級方案論證階段的關鍵功能性能；而后，結合服役任務剖面和服役壽命剖面，將完善的穩健性能拓展至元器件組件的質量一致性、穩定性，到構件（含縮比件、工藝件、隨爐件、標準樣件）的環境適應性、服役安全性和工藝適用性，以及組件健壯性，進而構成多層次、多指標的MEMS 元器件組件級多質量一體化分析體系，從而實現MEMS 元器件組件級多質量特性一體化分析。

7.1 基于組件性能設計元器件組件健壯性分析

分析元器件的基本性能對組件功能性能的影響特點，分析同批次元器件在惡劣環境下的抗干擾、抗振動、抗溫度變化等方面的功能性能穩定性，所用材料是否達標，從而分析材料一致性，而后將組件健壯性設置為二級指標，將材料的結構性能特性、功能性能特性、力學性能特性設計為三級指標。

7.2 基于服役安全性設計元器件組件可靠性分析

首先對篩選試驗進行需求分析，通過MEMS 裝備元器件組件級的服役場景及其在各種服役場景可能對元器件組件的功能性能產生的影響，通過元器件組件失效故障找出元器件組件在貯存和發射可能帶來的爆炸、腐蝕、核輻射等次生安全問題，將固有可靠性和使用可靠性設計為二級指標，將爆炸危險性能和有毒有害性能等設計為三級指標[7]。

7.3 基于工藝適用性設計質量一致性分析

在MEMS 裝備元器件組件級全過程及初始階段分析工藝的可用性，從篩選材料出發，分析元器件生產工藝、組件加工工藝、裝配工藝過程及其中影響元器件組件功能性能的關鍵因素及關鍵技術點，并拓展分析至不同批次元器件組件級元器件組件是否能達到質量一致性。將質量一致性設為二級指標，工藝匹配特性、尺寸匹配特性、三溫特性等設計為三級指標。

7.4 基于環境適應性的批次穩定性分析

MEMS 裝備運輸環境、貯存環境、發射環境等服役環境將對MEMS 裝備元器件組件級元器件組件的功能性能及其他質量特性產生影響，通過材料的失效分析確定元器件組件測試與驗證不同批次同型號元器件在各種環境下各項性能指標的穩定性。因此，將批次穩定性設為二級指標，將耐極溫、鹽霧等環境適應性、耐輻射性等設計為三級指標。

根據上述思路建立MEMS 元器件組件級多質量體系一體化指標設計路線，如圖4 所示。此指標體系通過量化統計計算的形式，將海量質量信息合理分析處理，將元器件組件級功能性能為主的通用特性進行一體化考慮，從而達到元器件組件級方案論證階段多質量一體化分析。

8 多質量特性一體化分析綜合評價

元器件組件多質量特性一體化分析是一個從定性到定量的分析過程，其最終目的就是解決MEMS“好用”“管用”的問題，設計與使用“兩張皮”的問題。對一體化分析的判據不能僅僅局限于是否達到國家軍用標準，更是要達到“人-機”交互的最好融合，是系統工程思維的實際運用。

對以上一體化分析的驗證，必須對各個指標參數進行分析，考慮元器件組件在不同的服役環境下的性能變化，驗證這一層面的問題其實質就是個多目標規劃的問題，將基于材料篩選試驗測試所得的各種參數進行量化分析，采用熵權法等算法模型確立指標權重，最后對多質量一體化這個多目標規劃問題求解。

9 結束語

多質量特性一體化分析不僅僅是在裝備研制前提出的問題，根據“高質量”發展的原則，多質量特性一體化必須貫穿裝備的全壽命、全過程，才能更好地解決設計與使用“兩張皮”的問題。但裝備多質量一體化僅僅停留在初步理論階段，沒有相應的嚴格標準，本文就元器件組件級的多質量一體化分析提出了相應解決辦法，為下一步工作中考慮裝備系統級多質量特性一體化分析打好基礎。