MEMS 元器件组件级多质量特性一体化探讨

汪莹，刘小方，茶正忠，寇玺，侯梦婷，张克剑

火箭军工程大学，陕西西安 710000

0 引言

随着智能化发展，对MEMS 装备的要求也越来越高，传统的产品质量观念已经不适用于当前航天高端装备高通用化、高可靠性的质量要求。现代质量观强调的“全质量特性”也成为当前MEMS 装备研发生产需要重点关注的问题。元器件组件是MEMS 装备高稳定性的运行基础，因此讨论MEMS 装备元器件组级多质量特性一体化，为提高我国MEMS 装备质量水平提供理论和技术支撑。

本文首先从需求出发，利用多领域专家的知识经验和广泛获取的信息资源，针对某一种或一类材料特定的应用需求，结合产品应用场景、元器件组件结构特征以及功能性能及通用质量特性需求，通过元器件材料在特定任务背景下失效物理行为探究元器件组件级故障模式分析，构建MEMS 装备元器件组件级多质量特性一体化分析。

1 MEMS 装备元器件组件级多质量特性一体化分析需求

MEMS 装备元器件组件级质量是保持MEMS 装备运转稳定可靠的重要前提。元器件组件作为MEMS装备的基本组成，其质量直接影响整个元器件组件级电子产品的性能。优质的元器件组件可以确保MEMS装备产品在设计要求的电压范围、频率范围和温度范围内正常工作，提供稳定准确的功能性能。低质量的元器件组件容易引起系统故障、性能降低和失效，导致产品维修和更换频繁，而高质量的元器件能够提高产品的可靠性，减少系统故障和维修次数。另外元器件的质量问题可能导致电路短路、过热、电击等安全隐患，甚至引发燃爆等危险情况，影响操作人员安全[1]。

因此，MEMS 装备元器件组件级多质量特性在MEMS 装备全寿命、全过程一体化分析的重要性不容忽视，这是解决装备设计与使用“两张皮”的基础问题，也是源头路线。

2 复杂MEMS 装备元器件组件级结构特征

电子元器件和组件是复杂MEMS 装备元器件组件级部件的基本组成部分，通过元器件或组件组合，把先进的电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结合，形成综合集成子系统。其本质是按照一定的连接方式，将各种功能的电子元器件焊接在具有机械固定和电气连接功能的印制电路板上，完成特定功能的元器件组件。元器件组件的性能和功能取决于所使用的元器件的质量和性能，而元器件的性能和可靠性等质量特性又依赖于所使用的原材料的质量。

MEMS 装备元器件组件之间的交互作用是通过数据和信号流动来完成的。不同的元器件组件有着不同的性能特性，在相互耦合的作用下形成了复杂MEMS装备的元器件组件级功能结构[2]。但元器件组件级元器件组件功能特性较为单一，只承担基本功能和特性，例如开关、放大、传感、通信等功能。目前MEMS 装备电子元器件按性能分类如图1 所示。组件通常指的是电子装备中的某个功能板块，例如传感器的电源板块和接口面板等。

3 MEMS 装备元器件组件多质量特性描述

在分析MEMS 装备元器件组件级通用质量特性时，可参照《GJB—299A 电子装备可靠性预计手册》、《GJB—450 装备研制与生产的可靠性通用大纲》、《GJB368 装备维修性通用规范》等相关标准文件，按照规定的定量、定性要求以及工作项目开展“六性”的分析与评估工作。

由于MEMS 装备是多源异构的复杂系统，MEMS装备元器件组件级是系统内的底层级别，这一级别的通用质量特性不能直接用标准内规定的“六性”来直接表示。通过探究，可发现MEMS 装备元器件组件级元器件组件原材料是MEMS 装备元器件组件级基本功能及赖以实现的基础，与产品的性能、可靠性、寿命、成本等密切相关，其性能、可靠性、可维护性、服役安全性、电磁兼容性、经济性等参数对整个系统性能及寿命周期费用等的影响极大[3]。

因此，可以借助分析元器件组件的材料相关功能特性来对MEMS 装备元器件组件级元器件组件的通用质量特性进行探析，最后确定MEMS 装备元器件组件级以功能性能为主的通用质量特性为：组件可靠性、材料一致性、工艺适用性、环境适应性、服役安全性、组件健壮性、批次稳定性。其组成结构如图2 所示。

4 MEMS 装备元器件组件缺陷分析

针对329 例MEMS 元器件常见失效分析统计，结果表明，器件本身缺陷主要包括9 大类，其中，材料匹配缺陷24 例，多余物20 例，封装结构和材料缺陷92 例，腐蚀48 例，光刻扩散缺陷23 例，焊接缺陷24例，机械损伤35 例，沾污14 例，粘片缺陷50 例，各种缺陷所占比例如图3 所示。根据图3 分析，材料的缺陷占比最大。可见材料缺陷或不合格品是元器件失效的常见原因之一，也是重要原因。

5 材料失效机理

分析材料在使用过程中发生失效的原因，元器件部件，例如金属、聚合物、陶瓷等可能会受到力学、热学、化学以及环境等因素的不利影响[4]，导致材料本身的性质发生改变，从而引起元器件失效。以下材料失效是在元器件失效分析中的几个关键方面：

（1）材料选择：选择不适合的材料可能导致元器件在特定工作条件下容易出现失效，因此，在设计和选择元器件材料时，需要考虑应用环境、工作温度范围、电子性能要求等多个因素；

（2）材料相容性：如果元器件中使用了多种不相容的材料，可能会引发材料相互作用、化学反应或电位差，导致失效，材料相容性的不良选择可能会导致腐蚀、氧化、电迁移等问题，因此，在元器件设计中，需要确保选用的材料之间相容性良好；

（3）材料老化：材料老化是指材料在长时间使用过程中，由于环境因素影响或内部化学/物理变化而引起的性能退化。老化可能导致材料的电学、热学或机械性能发生变化，并最终导致元器件失效。对于具有长寿命要求的元器件，需要选择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见原因之一，这些缺陷可能是由于材料制造过程中的瑕疵、材料污染、材料强度不均匀或其他生产质量问题导致的，因此，在制造和供应元器件时，需要严格控制材料的质量，以减少缺陷和不合格品的出现[5]；

（5）材料应力和热应力：材料的应力和热应力可能是导致元器件失效的主要原因之一，可能会产生机械应力、热膨胀差或热循环引起的热应力，这些应力可能导致材料疲劳、裂纹、变形等问题，因此，在元器件设计和工艺中，需要考虑应力和热应力的影响，并选择合适的材料来减少应力相关的失效潜在问题。

参照《国军标GJB5264—2003 系列材料质量标准》及以上对于MEMS 装备元器件组件级元器件组件失效机理分析可以发现，MEMS 元器件组件级应优先选择技术性能、质量等级、使用条件等满足MEMS 装备元器件组件优质材料，才能同时满足拥有先进技术MEMS 装备元器件组件级高性能及高可靠性、材料一致性、工艺适用性、环境适应性、服役安全性、组件健壮性的相应需求。

6 基于最优质量功能材料的元器件组件筛选试验

根据《国军标GJB 7243—2011 军用电子元器件筛选技术要求（标准）》，为了确保MEMS 装备元器件全质量特性符合MEMS 装备特殊服役任务及场景，首先就要筛选质量过关的电子元器件组件。根据前文分析，选择最优质量功能材料元器件组件筛选试验目的是通过试验检验备选材料在器件使用过程中的性能和承载特性、抗污染特性、耐高低温特性、抗核辐射特性、防静电特性、耐腐蚀特性等几个方面的特性，兼顾成本与效果的同时，结合材料的失效机理对元器件组件进行失效分析，从而找出对元器件组件的组件可靠性、材料一致性、工艺适用性、环境适应性、服役安全性、组件健壮性通用性能指标[6]。

表1 为元器件筛选部分内容。在进行筛选试验时，应分别设计应用验证内容，根据服役应用场景设置相符合的试验条件、相关参数，确保验证内容全面覆盖材料质量问题、工艺性问题、环境适应性问题、安全性问题以及组件应用健壮性问题，最后明确关键质量特性指标，设计验证计算方法，从而使筛选最优质量材料构成的元器件组件能够符合国家军用标准。

表1 元器件筛选部分内容

7 基于材料筛选试验的MEMS 元器件组件级多质量特性一体化分析指标设计路线

在MEMS 元器件组件级制造过程中，材料并非直接用于制造元器件和组件，而是需要经过一系列的工序进行转化。加工过程对最终的材料制品质量有着重要的影响。加工表面可能会出现诸如毛刺、粗糙、沟槽和裂纹等缺陷，这可能导致材料表面的完整性不佳。此外，加工过程中还可能面临酸洗、盐雾环境等因素，这些因素容易引起金属材料的腐蚀，从而为后续的使用埋下潜在隐患。因此，选择和筛选优越性能元器件是在方案论证阶段元器件组件的质量稳健性的基础和保证，更是实现元器件组件级方案论证阶段多质量特性一体化的重要途径。

选择最优质量材料元器件组件筛选试验目的是通过试验检验备选材料在器件使用过程中的质量稳定表现，同时结合材料的失效机理对元器件组件进行失效分析，从而找出元器件组件级各特性之间的关系，依据前文分析，建立筛选试验指标体系，实现功能性能为主的通用特性一体化。

指标体系的建立要从元器件组件级应用场景、全面考虑元器件组件设计与生产要素的需求出发，兼顾多质量一体化分析的全过程全面性与重点问题分析。首先，通过材料失效分析确定元器件组件级方案论证阶段的关键功能性能；而后，结合服役任务剖面和服役寿命剖面，将完善的稳健性能拓展至元器件组件的质量一致性、稳定性，到构件（含缩比件、工艺件、随炉件、标准样件）的环境适应性、服役安全性和工艺适用性，以及组件健壮性，进而构成多层次、多指标的MEMS 元器件组件级多质量一体化分析体系，从而实现MEMS 元器件组件级多质量特性一体化分析。

7.1 基于组件性能设计元器件组件健壮性分析

分析元器件的基本性能对组件功能性能的影响特点，分析同批次元器件在恶劣环境下的抗干扰、抗振动、抗温度变化等方面的功能性能稳定性，所用材料是否达标，从而分析材料一致性，而后将组件健壮性设置为二级指标，将材料的结构性能特性、功能性能特性、力学性能特性设计为三级指标。

7.2 基于服役安全性设计元器件组件可靠性分析

首先对筛选试验进行需求分析，通过MEMS 装备元器件组件级的服役场景及其在各种服役场景可能对元器件组件的功能性能产生的影响，通过元器件组件失效故障找出元器件组件在贮存和发射可能带来的爆炸、腐蚀、核辐射等次生安全问题，将固有可靠性和使用可靠性设计为二级指标，将爆炸危险性能和有毒有害性能等设计为三级指标[7]。

7.3 基于工艺适用性设计质量一致性分析

在MEMS 装备元器件组件级全过程及初始阶段分析工艺的可用性，从筛选材料出发，分析元器件生产工艺、组件加工工艺、装配工艺过程及其中影响元器件组件功能性能的关键因素及关键技术点，并拓展分析至不同批次元器件组件级元器件组件是否能达到质量一致性。将质量一致性设为二级指标，工艺匹配特性、尺寸匹配特性、三温特性等设计为三级指标。

7.4 基于环境适应性的批次稳定性分析

MEMS 装备运输环境、贮存环境、发射环境等服役环境将对MEMS 装备元器件组件级元器件组件的功能性能及其他质量特性产生影响，通过材料的失效分析确定元器件组件测试与验证不同批次同型号元器件在各种环境下各项性能指标的稳定性。因此，将批次稳定性设为二级指标，将耐极温、盐雾等环境适应性、耐辐射性等设计为三级指标。

根据上述思路建立MEMS 元器件组件级多质量体系一体化指标设计路线，如图4 所示。此指标体系通过量化统计计算的形式，将海量质量信息合理分析处理，将元器件组件级功能性能为主的通用特性进行一体化考虑，从而达到元器件组件级方案论证阶段多质量一体化分析。

8 多质量特性一体化分析综合评价

元器件组件多质量特性一体化分析是一个从定性到定量的分析过程，其最终目的就是解决MEMS“好用”“管用”的问题，设计与使用“两张皮”的问题。对一体化分析的判据不能仅仅局限于是否达到国家军用标准，更是要达到“人-机”交互的最好融合，是系统工程思维的实际运用。

对以上一体化分析的验证，必须对各个指标参数进行分析，考虑元器件组件在不同的服役环境下的性能变化，验证这一层面的问题其实质就是个多目标规划的问题，将基于材料筛选试验测试所得的各种参数进行量化分析，采用熵权法等算法模型确立指标权重，最后对多质量一体化这个多目标规划问题求解。

9 结束语

多质量特性一体化分析不仅仅是在装备研制前提出的问题，根据“高质量”发展的原则，多质量特性一体化必须贯穿装备的全寿命、全过程，才能更好地解决设计与使用“两张皮”的问题。但装备多质量一体化仅仅停留在初步理论阶段，没有相应的严格标准，本文就元器件组件级的多质量一体化分析提出了相应解决办法，为下一步工作中考虑装备系统级多质量特性一体化分析打好基础。