基于文献统计方法的多芯片模块技术评价研究

吕旭波，黄姣英，高　成，王香芬

（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191）

基于文献统计方法的多芯片模块技术评价研究

吕旭波，黄姣英，高成，王香芬

（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191）

在技术成熟度的评价过程中，现有的TRL（技术成熟度等级）评价方法、TRIZ（发现并解决问题的理论）评价法以及性能预测法均存在有效数据缺乏和评价结果不够精确等不足。采用了基于文献统计的方法，探索技术成熟度的评价方法及实施流程。研究技术指标的构建方法，结合logistic regression（逻辑回归）技术，构建技术发展模型，以保证数据的有效性和拟合结果的准确性。针对二维、三维及系统级多芯片模块3种技术，开展方法的应用研究。研究结果表明，基于文献统计方法的多芯片模块技术的评价结果能合理地解释实际情况下技术的发展程度，验证了文章提出方法的可行性。

技术成熟度；技术成熟度等级评价；文献统计方法；逻辑回归；多芯片模块

1　引言

技术成熟度是指技术发展的完备程度，通常表明某项技术在开发过程中达到一般可用性的程度水平［1］。技术成熟度是衡量技术能力的一个要素，企业尤其是军工企业对技术成熟度的准确评价，有利于规范产品的设计和制造流程，有利于识别与控制风险。

现有的技术成熟度评价方法有美国宇航局提出的TRL（技术成熟度等级）评价方法，前苏联发明家提出的基于TRIZ（发现并解决问题理论）的评价方法，以及基于技术某项性能水平的评价方法等。

美国宇航局于20世纪九十年代提出TRL方法用于航天领域的技术成熟度评价，之后在美国科学技术协会得到初步应用［2］。TRL是一种比较系统的技术成熟度评价标准，它按照技术的发展过程将技术成熟度分成九级，当技术成熟度到达第七级，是技术转入工程应用的合适技术等级。美国军方曾于2000年使用TRL方法对联合作战飞机项目进行评价，取得了良好的效果。但是该方法通常用于军工领域的大型复杂装备的评价，评价环节过多，需要耗费大量人力物力。

前苏联发明家G.S.Altshuller提出了TRIZ理论，即“发现并解决问题理论”［3］，该理论提出使用产品性能、专利等级、专利数量和获利能力4个指标，根据4个指标与技术发展过程之间的关系，对技术成熟度进行预测。TRIZ理论曾被用于液晶显示技术成熟度的预测［4］。该方法的局限性在于很多产品或技术的性能指标与获利能力难以准确表示，数据也不易获取。

基于技术某项性能的技术成熟度评价方法，是结合时间序列和技术发展曲线，针对技术的某项性能的发展趋势进行拟合分析，再由此推算技术的成熟度［5］。但是技术通常有多个指标，对某一指标的发展趋势判断并不能准确表明技术的整体成熟度，而且数学模型的选取对预测精度有很大影响。

技术成熟度评价过程中，缺少有效的数据作为技术发展预测的依据是一大难点。A.L.Porter率先提出了用期刊论文数与工作会议论文数之比作为技术发展的量值，并构建了相关的发展趋势模型，以此来确定技术的成熟度状况［6］。运用文献统计数量的模型迅速得到研究人员的关注，研究主要集中在文献计量的参数提取以及评价模型在实际中的应用。

多芯片模块技术（MCM）是为满足高密度高速率的VLSIC和VHSIC芯片对封装密度的需求而出现的，该技术的应用和发展使得小型化、多功能、高可靠和高性能的器件层出不穷。早期的芯片组装技术是2D技术［7］，该技术发展到现在已日趋成熟。随着系统对芯片尺寸、性能、可靠性的要求越来越高，3D技术应运而生［8］，该技术可以使芯片的组装效率进一步大幅度提升。目前该技术已经在航空航天、军事和大型计算机领域获得应用。同时，MCM技术的发展也为系统级封装（SIP）奠定了基础［9］。系统级封装将一个系统或分系统组装在一个封装内，该技术的发展极大推进了元器件向小型化、高性能、低成本的方向发展。

为了更好地对多芯片模块技术的技术成熟度进行分析和预测，同时避免TRL法、TRIZ法、性能预测法等方法存在的不足，本文提出了基于文献统计的方法对技术成熟度进行评价，并由此对元器件领域的多芯片模块技术进行技术成熟度判断。

2　基于文献统计方法的技术成熟度评价

文献统计法也叫做文献计量学方法。文献计量学是以文献体系和文献计量特征为研究对象，采用数学、统计学等计量研究方法，研究文献情报的分布、数量、变化规律，并进而探讨科学技术的某些特征和规律的方法。文献计量学的分析数据取自各种不同的数据源，通过使用不同的指标分析信息，然后从数据源中挖掘有用的信息。

科学技术的发展通常以论文专利的形式为载体保存，因此就可以利用文献计量学的思想统计过去到现在某个时间段的文献专利数据来对技术成熟度进行判断。

以某一技术为主题检索到的数据并不能直接反映当前该技术的发展水平，需加入一个控制参数α以调整该技术在文献数据上的滞后性［10］。α的取值范围为［0，10］，单位为年。α是一个与保密程度相关的系数，保密程度越高α越大，保密程度越低α越小。除了保密程度外，中外技术的差距也会影响到某项技术在国内的成熟度评价。

基于文献统计模型的技术成熟度评价方法主要分为以下几个步骤：

（1）确定文献检索语句以及滞后系数。

（2）查询并统计自相关文献首次出现年份起，每一年的相关文献数量。

（3）确定合适的拟合模型，用于拟合历史文献数据。

（4）依据选定的拟合模型，归一化定量计算技术成熟度。

通过对技术发展指标的提取和处理，结合特定的数学模型可构建技术发展模型。根据国际半导体组织的IC封装的生命周期图，一项封装技术的生命轨迹是远山形。由于本文讨论的3种封装技术并未淘汰，因此其发展轨迹的上升期随着时间、资金等各项资源的投入呈现类似S曲线状态。研究发现应用比较广泛的S曲线有对称型的Logisitic曲线和非对称型的Gompertz曲线。当研究对象的发展只和已生长量有关时，多使用Gompertz曲线；而当研究对象的发展同时受到已生长量和待生长量双重影响时，多使用Logistic曲线。

3　案例应用

针对二维、三维和系统级多芯片模块技术，基于文献统计方法依次对其技术成熟度进行判断。

3.1确定文献检索语句

采用文献计量学对2D-MCM技术、3D-MCM技术、SIP技术进行技术成熟度分析，分别从SCI数据库、EI数据库和专利文献数据库对不同的芯片组装技术进行检索。检索语句如表1所示。

表1　技术及相对应检索语句

3.2文献数量统计

由于专利型文献的分布多是在国内范围，而且每年的数量相对较少，对整体数据的影响可以忽略，因此文献的数量统计以论文文献为主。

3D-MCM技术检索的最终数据如图1、图2所示。起始年份为1986年，终止年份为2014年，为方便计算，均把起始年份设为1，之后的年份以此类推。

图1　3D-MCM技术文献数量散点图

图2　3D-MCM技术文献累积数量散点图

2D-MCM技术检索的最终数据如图3、图4所示。起始年份为1969年，终止年份为2014年。

图3　2D-MCM技术文献数量散点图

图4　2D-MCM技术文献累积数量散点图

SIP技术检索的最终数据如表2所示。

3.3基于文献统计数据建模

在本文中，设技术的技术成熟度增长模型为：

其中，y为该技术的实际文献累计数量，t为量化后的时间，a为待估计的最大文献出版数量，k为回归系数，t0为曲线的拐点。依据统计的文献数据，通过最小二乘法估计，可获得参数a、k、t0值。

判定拟合结果的好坏可采用决定系数R2作为判断依据：

其中SSR=SST-SSE，SST为方差，SSR为回归平方和，SSE为残差平方和。

R2越接近于1，说明拟合的效果越好，通常当R2＞0.95时，表明拟合所得的函数图形能够描述数据的发展特征。

3.43种多芯片模块技术的拟合结果图讨论

考虑到国内工艺技术发展的滞后性，需要选定一个滞后系数，单位为年，表明当前年份的文献统计量实际只能代表年前的技术成熟度，由于滞后系数难以准确确定，故在本文中将值取为5和10，分别进行计算。

选用logistic函数对3D-MCM、 2D-MCM、SIP技术的文献统计数量进行最小二乘法拟合。

表2　SIP技术文献数量列表

对3D-MCM技术得到各相关参数的估计值为：a=349，k=0.246，t0=21.16。其中决定系数R2=0.9976＞0.95，曲线拟合良好，散点图与拟合趋势如图1所示。

图5　3D-MCM散点图与拟合趋势

当滞后系数为5时，令t=2010-1985=25，代入公式（1）可得，表征3D-MCM技术在2015年成熟度的文献统计量y=251。

当滞后系数为10时，令t=2005-1985=20，代入公式（1）可得，表征3D-MCM技术在2015年成熟度的文献统计量y=150。

图示中横轴表示经过统一量化后的时间，纵轴表示累积文献数量，由图中可看出3D-MCM技术自1986年开始的十多年间发展较为缓慢，然后发展速度逐渐加快，到t0=21.16即2007年左右发展速度达到最快，之后又逐渐减慢，但还未到最后的平缓期，2014年之后还有一定的发展空间，预计最大的文献累积数量会达到a=349。

对2D-MCM技术得到各相关参数的估计值为a=2812，k=0.263，t0=31.18。其中决定系数R2=0.9949＞0.95。曲线拟合良好，散点图与拟合趋势如图6所示。

图6　2D-MCM散点图与拟合趋势

当滞后系数为5，令t=2010-1968=42代入公式（1）可得，表征2D-MCM技术在2015年成熟度的文献统计量y=2658。

当滞后系数为10，令t=2005-1968=37代入公式（1）可得，表征2D-MCM技术在2015年成熟度的文献统计量y=2311。

图示中横轴表示经过统一量化后的时间，纵轴表示累积文献数量，由图中可看出2D-MCM技术自1969年开始的二十多年间发展较为缓慢，然后发展速度逐渐加快，到t0=31.18即2000年左右发展速度达到最快，之后又逐渐减慢趋于成熟，预计最大的文献累积数量会达到a=2 812。

对SIP技术得到各相关参数的估计值为a=2 438，k=0.462，t0=9.55。其中决定系数R2=0.995 9＞0.95，曲线拟合良好，散点图与拟合趋势如图7所示。

图7　SIP技术散点图与拟合趋势

当滞后系数为5，令t=2010-1999=11代入公式（1）可得，表征SIP技术在2015年成熟度的文献统计量y=1612。

当滞后系数为10，令t=2005-1999=6代入公式（1）可得，表征SIP技术在2015年成熟度的文献统计量y=396。

图示中横轴表示经过统一量化后的时间，纵轴表示累积文献数量，由图中可看出2D-MCM技术自2000年开始的5年间发展较为缓慢，然后发展速度逐渐加快，到t0=9.55即2009年左右发展速度达到最快，至今发展速度并未有明显减缓，2014年之后还有极大发展空间，预计最大的文献累积数量会达到a=2 438。

3.5归一化定量求解技术成熟度

技术成熟度的归一化求解公式为：

其中T（t）代表对应时间点t的技术成熟度指数，y（t-α）代表α年前的文献数量，a代表最大待估计文献数量。

根据公式（2），当滞后系数α取5时，分别对3DMCM技术、2D-MCM技术、SIP技术进行成熟度计算，可求得T3D-MCM=0.72，T2D-MCM=0.95，TSIP=0.66。T2D-MCM＞T3D-MCM＞TSIP。

当滞后系数α取10时，分别对3D-MCM技术、2D-MCM技术、SIP技术进行成熟度计算，可求得T3D-MCM=0.43，T2D-MCM=0.82，TSIP=0.16。T2D-MCM＞T3D-MCM＞TSIP。

从上述结果可知，当取两组不同的滞后系数时，多芯片组件技术的技术成熟度由高到低均分别为2D-MCM技术、3D-MCM技术和SIP技术。

计算结果符合实际中技术的发展趋势。目前，国内的2D-MCM技术已得到广泛的应用，3D-MCM技术经过近些年的研究，也取得了一定的进展，而SIP技术的研究还需要积极地推进与应用［11］。由此可以看出，基于文献统计模型，采用logistic模型对于文献数据的预测以及对于技术成熟度的判断结果是可以被接受的。

4　结论

本文完成了基于文献统计模型的技术成熟度评价建模研究，通过统计的方式收集能有效反映技术发展变化信息的文献，并对文献数据进行了建模分析，采用Logisitic回归模型，得出了文献数据的发展拟合曲线，选取不同的滞后系数，并由此计算出3种多芯片模块技术的成熟度并加以比较，较合理地表征出现实情况下3种技术的成熟程度，由此证实了基于文献统计模型在技术成熟度评价过程中具有一定的可用性。

［1］安茂春，王志健.国外技术成熟度评价方法及其应用［J］.评价与管理，2008（02）:1-3.

［2］GAO.BestPractices:Better Management of Technology Development Can Improve Weapon System Outcomes［C］. GAO，1999.

［3］Barnard S C.The theory of inventive problem solving［J］. Progress in Design，IEE Colloquium，1996，5/1-5/4.

［4］李志广，檀润华.基于TRIZ理论的液晶显示技术成熟度预测［J］.液晶与显示，2012（06）.

［5］S Sottong.E-Book technology:Waiting for the“False Pretender”［J］.Information Technology and Libraries，2001，20（2）:72-80.

［6］Alan L Porter.Forecasting and Management of Technology ［C］.Energy Planning Policy&Economy，1991.

［7］A lqbal，M Swaminathan，M Nealon，A Omer.Design tradeoffsamongMCM-C，MCM-DandMCM-D/C technologies［J］.IEEE Transaction on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，PartB:Advanced Packaging，1994，17:22-29.

［8］S P Larcombe，P A Ivey，N L Seed.Electronic systems in dense three-dimensional packages［J］.Electronics Letters，1995，31:786-788.

［9］Van den Crommenacker.The system-in-package approach ［J］.Communications Engineer，2003，1:24-25.

［10］杨良选.技术成熟度多维评估模型研究［C］.国防科技大学，2011.

［11］李振亚，赵钰.混合集成电路技术发展与展望［J］.中国电子科学研究院学报，2009，4（2）:119-124.

Evaluation Research of Chip Assembly Technology Based on Statistical Methods of Literature

LV Xubo，HUANG Jiaoying，GAO Cheng，WANG Xiangfen
（School of Reliability and Systems Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

In the evaluation process of technology maturity，the common problems of existing TRL evaluation method，TRIZ theory based evaluation and the performance prediction methodare lacking of valid data and the imprecision of evaluation results.A method based on literature statistical was proposed in this paper to explore the technology maturity and implementation process.Meanwhile the construction method of technical indicators was studied combined with logistic regression technique to build technological development model in order to ensure the validity and accuracy of data fitting results.For three chip assembly technologies called 2D-MCM （Two dimensional Multi-Chip Module），3D-MCM （Three dimensional Multi-Chip Module）and SIP（System-in-Package），the application research of methods was proposed. The results indicate that the chip assembly technology evaluation consequence based on statistical method is consistent with the actual situation and the feasibility of the proposed method of the article is verified.

technology maturity；TRL evaluation；literature statistical method；logistic regression；chip assembly

TN305.94

A

1681-1070（2016）05-00018-05

2016-1-26

吕旭波（1992—），男，山东枣庄人，硕士研究生，主要研究方向为元器件可靠性评价。