基于應用背景的電子元器件結構分析研究

仇沈，張哲瑞，楊佳寧

（1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

元器件對裝備的性能、壽命和可靠性起著決定性作用，且元器件也是裝備失效的薄弱環節，元器件越發成為象征國家軍工實力的戰略性基礎資源。由于元器件的設計、結構、工藝和材料直接決定元器件的固有可靠性，其中包含有許多重要的可靠性信息，若存在結構設計不合理、工藝控制缺陷等問題，導致元器件的固有可靠性下降，將在使用階段在經濟或進度上造成重大損失，若在選用這些元器件前詳細地了解其結構和工藝缺陷，可一定程度上減小或避免由元器件可靠性問題帶來的損失。結構分析（Construction Analysis，CA）作為元器件可靠性評估的分析方法，通過非破壞性和破壞性試驗對元器件的內部設計、結構、工藝和材料進行剖析來確定元器件本身是否存在潛在的失效風險的因素、可靠性問題、工藝缺陷和信息安全隱患等。結構分析不僅直接鎖定元器件“不好用”的原因，還指導元器件生產研制單位進行技術改進。

1 結構分析的可靠性機理

結構分析是一種應用背景下完全基于應用需求的正向剖析分析技術。結構分析與破壞性物理分析(DPA，Destructive Physical Analysis) 的不同點在于DPA是對已知設計、結構、工藝和材料的條件下進行的符合性和一致性考核，而結構分析一般針對新型的元器件、或某特定條件下無使用經驗的元器件的可靠性分析與評估。結構分析通過拆分結構單元獲取元器件的設計、結構、工藝和材料要素，針對結構要素采用一系列非破壞性試驗和破壞性試驗手段對元器件進行早期的固有可靠性狀況、工藝質量和潛在的失效機制摸底分析，從而評判元器件的固有可靠性及工程應用要求下的適應性。結構分析本質上是從微觀的角度闡明與元器件的內部物理、化學過程和在各種應力下可能引發失效的機理，為改進元器件質量和提高元器件的可靠性提供科學依據。針對元器件的固有可靠性和使用可靠性開展分析是結構分析的內涵。

2 結構分析驗證流程

結構分析流程可分解為五大環節和三小項，五大環節包括整體需求分析、結構分析方案、結構分析試驗實施、結構判別與評價和結構分析結論；以及制定方案時應進行的3 個步驟：結構單元分解、結構要素識別和試驗方法確認。

2.1 整體需求分析

在結構分析的相關試驗前需了解元器件的背景信息。元器件研制的背景信息，通常包括元器件的基礎信息（如元器件名稱、型號、批次號、質量等級等）、應用信息（應用型號、所屬設備、設備實際工作溫度、主要承受的應力、故障及歸零情況等）、狀態信息（研制階段、產品成熟度、質量控制狀態等）。對調研的背景信息做整體需求分析后，提取元器件自身的薄弱環節及使用中承受的主要應力作為結構分析方案制定的輸入。元器件的可靠性由內外因共同作用決定，元器件的固有可靠性與元器件的功能設計、結構設計、加工工藝和材料選材息息相關，是元器件的內在基因；外因是元器件研制預定的應用環境條件，外因表現為在應用過程中外部應力對元器件造成的侵蝕，外因通過內因起作用而最終表現為元器件的失效。

2.2 結構分析方案制定

與DPA 需按照相關標準對各檢測項開展試驗有所不同，結構分析還需關注材料成分、物理結構、禁限用工藝和材料等方面的情況。制定結構分析方案的過程中，對元器件結構進行結構單元分解，從分解的結構單元中識別結構要素。并針對識別出的結構要素選擇結構分析所需的試驗方法，并對接整體需求設計合理的試驗流程，形成可執行的結構分析方案。方案制定須遵循科學性、合理性和可操作性的原則，重點檢查元器件的關鍵結構和薄弱環節，驗證元器件在不同環境中應用的適應程度和耐受能力。

2.3 結構分析試驗實施

在試驗實施前，應確認試驗大綱中的試驗項目和試驗設置的順序。試驗過程中，應先確認試驗人員、試驗設備、備試樣品和試驗環境均符合試驗大綱相關技術要求。在實施的過程中，應結合結結構單元和要素采集試驗數據，并詳實、完整將數據記錄下來。

2.4 結構判別與評價

結構分析試驗結束后，需要結合驗證目的和應用條件進行判別與評價。按設計標準、用戶要求和相關規范判別備試樣品是否存在禁限用結構、工藝和材料，如果存在禁用項，則應一票否決此元器件在裝備上的應用；如果存在限用項，則需結合用戶需要及應力環境對限用項進行判別，如不能滿足用戶要求則應明確給出否定評價，如與用戶要求不沖突則應給出使用的條件、環境和注意事項。除此之外，需要根據結構單元和要素的試驗結論采集結果對結構設計進行合理性評價，總結同類元器件的失效案例提煉常見失效機理為依據評判備試元器件是否存在相同的結構問題，以及對存在設計漏洞或潛在威脅的電路結構進行評價；同時，結合調研得到的元器件生產工藝水平與實際工藝實現方式進行對比分析，評價材料的選擇是否合理，對裝聯性和可裝配性進行分析。

2.5 結構分析結論

結構分析的結論具有一定的開放性，不同于DPA 檢驗結論為合格、通過、不通過等，結構分析的結論需總結備試樣品的禁限用情況、具體的結構單元和要素的分析情況以及對產品設計能力、工藝掌握成熟度和材料的匹配性評價給出結構分析結論，驗證機構還可對產品提出有針對性的改進意見和建議，從而使研制廠家優化元器件的固有可靠性來確保產品的使用可靠性。

3 結構分析驗證方案

用戶的應用要求是結構分析的目的，不同的試驗目的產生不同的驗證側重點決定了結構分析方案內容的制定，結構分析工作的核心是結構分析方案的編制。結構單元分解是對元器件的整體結構按照用戶要求、功能性能、結構特征、物理單元逐層進行樹狀圖分解，一般分為三級。按照功能和結構將元器件按拆分成不可開分解的最小單元，元器件結構單元分析示意圖如圖2 所示。將元器件按照功能和結構單元分出第一層后，再逐個單元向下細分至不可分解為止。原則上結構分析須分解到物理結構的最小承載單元、工藝和材料的的最小界限，但也需要結合實際用戶需求及公認的典型結構單元分解，不可純粹為了分解而分解。

結構要素是最小單元表征的功能性能的本質特征，各個結構單元可識別出多方面的結構要素，識別出的要素作為可靠性因素為具體試驗的設置提供依據。識別出的結構要素應采用表格形式呈現，結構要素組成和分析試驗方法示例如表1 所示。

表1 元器件結構要素組成和分析試驗方法

最后，綜合識別出的結構分析要素設置對應的分析試驗，確保試驗可以全面覆蓋結構要素反映的可靠性屬性。分析試驗選定后，按照試驗邏輯將試驗重新排序。將試驗項目合并同類相并細化試驗分析內容，還應按試驗項目的應力影響關系和樣品數量進行綜合統籌，按照非破壞性試驗在前，破壞性試驗在后的順序制定試驗流程，結構分析試驗矩陣表如表2 所示。

表2 結構分析試驗矩陣表

4 結語

元器件結構分析是在長期研制和應用過程中總結出來的一套行之有效的質量控制手段，通過驗證得到的結構數據可以支撐元器件的研發和改型，從應用的角度入手獲取工藝和材料的失配提高元器件的質量可靠性，減少批產中的質量問題和應用中的環境適應性問題，有利于保障裝備順利通過試驗及列裝。結構分析的關鍵環節包括整體需求分析、結構分析方案制定、結構分析試驗實施、結構判別評價和結構分析結論，其中方案制定依賴于結構單元分解、結構要素識別和試驗方法確認。結構分析結論應包含對與研制方的改進意見和對使用方的使用意見，給研制方的改進建議應切實可行，給使用方的意見應便于使用理解。