在PID 建设中不断改进过程控制有效性的建议

宁永成， 宁成娟

（1. 中国空间技术研究院, 北京 100094；2. 西安太乙电子有限公司, 陕西 西安 710075）

0 引言

航天五院自2006 年引入ESCC 的基础标准ESCC No.22700 《PID 要求和指南》[1]中的过程确认文件（PID: Process Identification Document） 概念, 到2009 年选取典型的厂家和元器件推行建设后, 对维持宇航型号用国产成熟元器件厂家和品种质量的稳定起到了一定的作用, 但效果无法量化表示, 其宏观表现出来的质量问题减少和产品技术状态一致性稳定的效果, 还不能说就是PID建设的功劳, 因为CAST 采购规范新增的10 项基本过程控制要求发挥了很大的作用, 过程控制要求包括: 生产线认证和资格维持、 鉴定、 设计要求、 禁用工艺、 结构分析、 生产控制、 承制方外协控制、 信息交换与失效报警要求和外购原材料控制要求, 以及可追溯性要求。

在ESCC No.22700 标准的第三部分中, 明确地指出PID 的目的是为生产认证合格的电子元器件建立一个准确的基准（这个基准应包含元件的结构、 用于制造的材料、 制造工艺和控制、 制造过程中和制造完成后所应进行的全部检验和试验）, 使客户能够控制该元件的制造, 保证将来由制造厂家提供的元件等同于原来授予鉴定批准的产品[1]。 PID, 顾名思义是对生产过程进行确认的文件。

目前国内厂家在PID 建设中, 仅用文件对鉴定、 设计定型后的材料、 工艺和检测等要求予以了固化, 但执行PID 起到的效果缺乏量化数据表征, 其实质是对产品全寿命周期的过程量化控制还有待提高, 实施过程的量化控制才是保证产品满足基准、 保证产品状态一致性的重要手段之一,因此在PID 建设中应强调对过程的控制, 形成的文件叫过程控制文件 （PCD: Process Control Document） 更为合适（其实叫什么是形式, 这并不重要, 重要的是内容）。

1 过程与过程控制

1.1 过程的定义

GIB 9001B-2009 附录D 中, 对过程的定义为: 将输入转化为输出的相互关联或相互作用的一组活动。 并注明, 一个过程的输入通常是其他过程的输出； 组织为了增值通常对过程进行策划并使其在受控条件下进行； 对形成的产品是否合格不易或不能经济地进行验证的过程, 通常称之为“特殊过程”。

对于元器件的制造, 其过程或其子过程可能是完全透明的, 即过程简单、 机理清楚, 可以通过机理分析方法建立其数学模型, 也称之为理论建模, 以实施过程的解释、 判断和预见； 但大部分元器件生产过程复杂, 建立他们的数学模型不是一件容易的事。 基于统计数据的建模是以观测、实验或测量的方法得到的隐含原始信息的数据为对象, 运用统计方法或统计思维规则分析和归纳出来的数据之间的结构, 运行相依性及发展变化规律。 如果只关心过程的外特性, 则可以把过程看成“黑箱”, 如图1 所示。 根据“黑箱” 所表现出来的输入输出信息, 通过外在的各种适当特性值的选取和分析, 建立与“黑箱” 特性等价的过程外特性模型, 以达到建模的目的。 建模的最终目的是为了对过程进行控制, 使过程产出满足设定期望。

1.2 元器件的过程控制

元器件的高可靠性是生产出来的, 而不是靠生产后的试验保证出来的[2]。 要稳定地生产出高可靠性的元器件, 必须采取完备的过程控制措施。过程控制的定义一般为: 为确保生产过程处于受控状态, 对直接或间接影响产品质量的生产、 安装和服务过程所采取的作业技术和生产过程的分析、 诊断和监控。

生产制造的过程控制, 包括元器件的制造,是基于生产成本和市场生存而自发采取的措施。军用及宇航元器件更加强调过程控制, 其是基于应用的可靠性需求。

电子元器件质量保证的美军标体系, 经历数次改版, 不断地吸纳先进的工业质量控制理念和方法, 已经从产品生产完的事后检验转变为注重产品的设计、 工艺过程控制。 先后提出了统计过程控制（SPC: Statistical Process Control）、 过程控制系统 （Process Control System） 和过程中控制（in-process control） 等原则要求, 但未给出具体的实施要求。 ESA/SCC 标准体系提出特殊的过程中控制（Special In-process Controls） 和PID 要求。

其中, 目前国内航天五院推行的PID 要求,其强调的是以文件的形式建立一个精确的基准,其要求可以总结为: “全过程用文件确认, 细节充满全过程, 细节细到不可再分, 定量定到全部细节[3]”。 其强调的是生产全过程的细化和量化,要求的是对生产输入条件的控制, 并未对“过程”输出数据对过程控制的作用予以明确的要求。

PID 的过程控制理念, 如同“七专技术协议标准”, 强调的是对输入, 即可能影响到过程产出结果的各种因素的控制, 但如果缺乏对过程监控和输出结果的数据分析、 诊断, 首先, 控制效果缺乏量化数据表征； 其次, 没有数据信息的反馈回路, 其过程控制可以视为开环控制, 而开环控制的缺点就是抗干扰能力差, 一旦输入条件受到干扰, 就会导致输出不受控。

2 过程控制实施的建议

2.1 目前主要的过程控制方式

当前国内宇航用元器件的质量过程控制可用一个简易的流程模型表示, 如图2 所示。 元器件的生产流程可简单地描述为这样一个过程: 对规定的原材料, 工作人员使用机器设备, 在特定的环境条件下采用一定的工艺方法, 经过生产流程的物理和化学变化, 设置一些节点进行质量检测,最终交付合格产品。

在这个过程中, 我们也对各个方面进行控制,主要体现在对原材料的入厂检验、 人员的资质、设备计量和检定、 工艺文件、 环境控制和一些关键工序（子过程） 测量等要求上。 这种过程控制,还没有主动、 有意识地形成过程结果的反馈控制,产品好不好还是通过筛选和检验来确定, 以满足产品规范为目的。

2.2 建议的过程控制方式

在元器件生产过程中增加各个过程结果和用户应用结果的反馈, 就可形成如图3 所示的质量保证的基本过程控制系统。 型号使用过程出现元器件固有质量问题, 要求生产厂家进行归零, 是目前用户反馈的主要形式。 生产过程的反馈控制,是一个复查的事情, 首要的是掌握器件每个子过程环节的特性, 确定其特性值或范围, 才能采用相适应的控制方法, 比如SPC, 实时SPC 能在第一时间发现异常波动, 从而快速地采取应对措施[4]。

a） 特性

是指产品/过程所具有的内在特征, 一般体现为大小、 尺寸、 外观、 性能、 功能和寿命等。

b） 特性值

给特性赋予的值（可以是定性的, 如外观、颜色和纹理等； 也可以是定量的, 如长度值、 宽度值和强度值等）。 单用于精确的质量过程控制,应选取定量的特性值（质量特征参数） 进行质量监控。

3 过程控制建模的思考

宇航元器件的过程控制建模, 目标围绕的是质量, 再提出SPC 后就开展SPC 模型的研究,Chicken 等人于2009 年提出了基于似然比率检验法的单一外形SPC 模型[5]。 本文提出了要素法、过程法和时间法3 种建模方法供讨论。

3.1 要素法

目前集团公司对元器件生产厂的供方评价,主要采取的就是要素评价法。 对经过一系列过程输出元器件的质量, 质量控制要素分人、 机、 料、法、 环、 测, 分别用符号Qr、 Qj、 Ql、 Qf、 Qh、 Qc表示, 进行质量评价赋值, 并确定各自的权系数,Q 表示最终质量得分。 因为六大质量要素中, Qc一般是有量化数据支撑的, 同时也是对Qr、 Qj、Ql、 Qf、 Qh其他5 个要素作用有效性的监控, 所以其权重系数一般较高。 基于6 要素的质量数学模型可表征为如下:

其中, λ 为由λr、 λj、 λl、 λf、 λh、 λc依次构成的对角矩阵, 且||λ||=1 （即向量λ 的模为1）,即:

式（1） 和式（2） 表达的质量模型, 仅是一个时候的静态的评价模型, 其与用户依据GJB/Z 299 或MIL-HDBK-217 《电子设备可靠性预计手册》, 按照元器件质量等级、 封装形式来预计元器件失效率一样, 是一种经验模型。

以半导体器件为例, 其生产过程可以简单地划分为芯片（设计） 加工、 组装/封装、 筛选检验。当然每个过程都是可以再不断地往下细分子过程的, 直到不可再分为止。

对每个过程可以采用选取控制要素或对象进行质量控制, 建立的质量模型如下所示:

Qx是x 子过程的质量分数, 由i 个元素组成的列向量, 其大小与选择的控制要素或对象有关,可以仍然是人、 机、 料、 法、 环、 测或其中的部分, 也可以是关注的产品某个组成部分或工序过程质量特征参数。 其中, 将最后一个质量因子Qi定义为上一过程的质量贡献分量, 这样最后一个过程输出时, 可将前级的所有过程对质量的贡献考虑进去。

3.2 过程法

过程法的思想是按照产品的生产过程, 选取离散的时间点, 建立模型, 再对模型进行验证,确定模型参数, 实时在线监控产品的质量。

考虑到每个工序对质量的贡献可能不一样,按照生产过程选取节点, 进行质量控制, 建立的数学模型可以用式（4） 表示:

式（4） 中: Qt——某时刻第一个工序的质量参数；

λn——n 阶对角矩阵, 且1 范数为1 （模为1）。

3.3 时间法

时间法的本质是对子过程及工序控制的时序迭代控制, 选取过程的关键节点（子过程）、 确定质量特征参数进行一致性控制, 包含过程迭代和反馈, 进而达到质量控制的目的。

针对某一具体的工程, 选取变量（可以是单变量, 也可以是多变量, 模型函数形式不变） 的质量控制模型如式（5） 所示:

式（5） 中: t——产品过程的某个时间点；

xt——t 时间可控的输入变量；

yt——输出, 是输入的函数；

αt、 βt——随机变量, 可能随时间而变化；

εt——过程噪声。

应用式（5） 的过程控制模型, 首先应基于试产数据或经验建立αt和βt的估计值, 设分别为at-1、bt-1, 则式（5） 的预测方程为:

预测方程用于同一过程下个产出输入的调整,不断地迭代, 使得输出尽可能地接近于一个目标值, 进而达到控制质量的目的。

4 结束语

PID 不是过程控制的终结而只是开始, 从输入条件的确定, 逐步增加过程中的监测, 过程结果的分析、 判断和反馈控制, 进而达到及时有效的产品质量一致性的量化控制。 过程控制需要加强各类元器件的过程控制模型研究, 积极指导元器件生产过程的分析, 诊断和监控过程控制的实施。