基于应用背景的电子元器件结构分析研究

仇沈，张哲瑞，杨佳宁

（1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.中国航空综合技术研究所，北京 100028）

元器件对装备的性能、寿命和可靠性起着决定性作用，且元器件也是装备失效的薄弱环节，元器件越发成为象征国家军工实力的战略性基础资源。由于元器件的设计、结构、工艺和材料直接决定元器件的固有可靠性，其中包含有许多重要的可靠性信息，若存在结构设计不合理、工艺控制缺陷等问题，导致元器件的固有可靠性下降，将在使用阶段在经济或进度上造成重大损失，若在选用这些元器件前详细地了解其结构和工艺缺陷，可一定程度上减小或避免由元器件可靠性问题带来的损失。结构分析（Construction Analysis，CA）作为元器件可靠性评估的分析方法，通过非破坏性和破坏性试验对元器件的内部设计、结构、工艺和材料进行剖析来确定元器件本身是否存在潜在的失效风险的因素、可靠性问题、工艺缺陷和信息安全隐患等。结构分析不仅直接锁定元器件“不好用”的原因，还指导元器件生产研制单位进行技术改进。

1 结构分析的可靠性机理

结构分析是一种应用背景下完全基于应用需求的正向剖析分析技术。结构分析与破坏性物理分析(DPA，Destructive Physical Analysis) 的不同点在于DPA是对已知设计、结构、工艺和材料的条件下进行的符合性和一致性考核，而结构分析一般针对新型的元器件、或某特定条件下无使用经验的元器件的可靠性分析与评估。结构分析通过拆分结构单元获取元器件的设计、结构、工艺和材料要素，针对结构要素采用一系列非破坏性试验和破坏性试验手段对元器件进行早期的固有可靠性状况、工艺质量和潜在的失效机制摸底分析，从而评判元器件的固有可靠性及工程应用要求下的适应性。结构分析本质上是从微观的角度阐明与元器件的内部物理、化学过程和在各种应力下可能引发失效的机理，为改进元器件质量和提高元器件的可靠性提供科学依据。针对元器件的固有可靠性和使用可靠性开展分析是结构分析的内涵。

2 结构分析验证流程

结构分析流程可分解为五大环节和三小项，五大环节包括整体需求分析、结构分析方案、结构分析试验实施、结构判别与评价和结构分析结论；以及制定方案时应进行的3 个步骤：结构单元分解、结构要素识别和试验方法确认。

2.1 整体需求分析

在结构分析的相关试验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础信息（如元器件名称、型号、批次号、质量等级等）、应用信息（应用型号、所属设备、设备实际工作温度、主要承受的应力、故障及归零情况等）、状态信息（研制阶段、产品成熟度、质量控制状态等）。对调研的背景信息做整体需求分析后，提取元器件自身的薄弱环节及使用中承受的主要应力作为结构分析方案制定的输入。元器件的可靠性由内外因共同作用决定，元器件的固有可靠性与元器件的功能设计、结构设计、加工工艺和材料选材息息相关，是元器件的内在基因；外因是元器件研制预定的应用环境条件，外因表现为在应用过程中外部应力对元器件造成的侵蚀，外因通过内因起作用而最终表现为元器件的失效。

2.2 结构分析方案制定

与DPA 需按照相关标准对各检测项开展试验有所不同，结构分析还需关注材料成分、物理结构、禁限用工艺和材料等方面的情况。制定结构分析方案的过程中，对元器件结构进行结构单元分解，从分解的结构单元中识别结构要素。并针对识别出的结构要素选择结构分析所需的试验方法，并对接整体需求设计合理的试验流程，形成可执行的结构分析方案。方案制定须遵循科学性、合理性和可操作性的原则，重点检查元器件的关键结构和薄弱环节，验证元器件在不同环境中应用的适应程度和耐受能力。

2.3 结构分析试验实施

在试验实施前，应确认试验大纲中的试验项目和试验设置的顺序。试验过程中，应先确认试验人员、试验设备、备试样品和试验环境均符合试验大纲相关技术要求。在实施的过程中，应结合结结构单元和要素采集试验数据，并详实、完整将数据记录下来。

2.4 结构判别与评价

结构分析试验结束后，需要结合验证目的和应用条件进行判别与评价。按设计标准、用户要求和相关规范判别备试样品是否存在禁限用结构、工艺和材料，如果存在禁用项，则应一票否决此元器件在装备上的应用；如果存在限用项，则需结合用户需要及应力环境对限用项进行判别，如不能满足用户要求则应明确给出否定评价，如与用户要求不冲突则应给出使用的条件、环境和注意事项。除此之外，需要根据结构单元和要素的试验结论采集结果对结构设计进行合理性评价，总结同类元器件的失效案例提炼常见失效机理为依据评判备试元器件是否存在相同的结构问题，以及对存在设计漏洞或潜在威胁的电路结构进行评价；同时，结合调研得到的元器件生产工艺水平与实际工艺实现方式进行对比分析，评价材料的选择是否合理，对装联性和可装配性进行分析。

2.5 结构分析结论

结构分析的结论具有一定的开放性，不同于DPA 检验结论为合格、通过、不通过等，结构分析的结论需总结备试样品的禁限用情况、具体的结构单元和要素的分析情况以及对产品设计能力、工艺掌握成熟度和材料的匹配性评价给出结构分析结论，验证机构还可对产品提出有针对性的改进意见和建议，从而使研制厂家优化元器件的固有可靠性来确保产品的使用可靠性。

3 结构分析验证方案

用户的应用要求是结构分析的目的，不同的试验目的产生不同的验证侧重点决定了结构分析方案内容的制定，结构分析工作的核心是结构分析方案的编制。结构单元分解是对元器件的整体结构按照用户要求、功能性能、结构特征、物理单元逐层进行树状图分解，一般分为三级。按照功能和结构将元器件按拆分成不可开分解的最小单元，元器件结构单元分析示意图如图2 所示。将元器件按照功能和结构单元分出第一层后，再逐个单元向下细分至不可分解为止。原则上结构分析须分解到物理结构的最小承载单元、工艺和材料的的最小界限，但也需要结合实际用户需求及公认的典型结构单元分解，不可纯粹为了分解而分解。

结构要素是最小单元表征的功能性能的本质特征，各个结构单元可识别出多方面的结构要素，识别出的要素作为可靠性因素为具体试验的设置提供依据。识别出的结构要素应采用表格形式呈现，结构要素组成和分析试验方法示例如表1 所示。

表1 元器件结构要素组成和分析试验方法

最后，综合识别出的结构分析要素设置对应的分析试验，确保试验可以全面覆盖结构要素反映的可靠性属性。分析试验选定后，按照试验逻辑将试验重新排序。将试验项目合并同类相并细化试验分析内容，还应按试验项目的应力影响关系和样品数量进行综合统筹，按照非破坏性试验在前，破坏性试验在后的顺序制定试验流程，结构分析试验矩阵表如表2 所示。

表2 结构分析试验矩阵表

4 结语

元器件结构分析是在长期研制和应用过程中总结出来的一套行之有效的质量控制手段，通过验证得到的结构数据可以支撑元器件的研发和改型，从应用的角度入手获取工艺和材料的失配提高元器件的质量可靠性，减少批产中的质量问题和应用中的环境适应性问题，有利于保障装备顺利通过试验及列装。结构分析的关键环节包括整体需求分析、结构分析方案制定、结构分析试验实施、结构判别评价和结构分析结论，其中方案制定依赖于结构单元分解、结构要素识别和试验方法确认。结构分析结论应包含对与研制方的改进意见和对使用方的使用意见，给研制方的改进建议应切实可行，给使用方的意见应便于使用理解。