基于材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)改進(jìn)的產(chǎn)品壽命增長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工藝改進(jìn)領(lǐng)域和可靠性增長領(lǐng)域，具體涉及一種從已有工藝出發(fā)，通 過試驗設(shè)計和建模分析得到產(chǎn)品壽命增長方案的系統(tǒng)性的定量的流程方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 產(chǎn)品的可靠性和壽命增長一直是可靠性研宄領(lǐng)域的重要問題。對于許多航天類、 光電類的核心元器件而言，其壽命要求高、技術(shù)難度高、生產(chǎn)成本大、生產(chǎn)批量小，因此其在 可靠性和壽命增長的實現(xiàn)上具有很大難度。
[0003] 傳統(tǒng)的壽命增長是通過增長試驗暴露缺陷或故障，并通過故障歸零改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié) 來實現(xiàn)，這種增長方式往往需要經(jīng)歷較長的增長時間，對于長壽命核心元器件而言，矛盾尤 為突出。加之，此類產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)及壽命特性的改進(jìn)，大多依賴于工程人員的經(jīng)驗或借 鑒國外的生產(chǎn)工藝和材料配比方案，缺乏一種更為有效的增長技術(shù)途徑加以指導(dǎo)，使得壽 命的設(shè)計要求難以實現(xiàn)。
[0004] 目前，國內(nèi)外研宄者在基于材料配比和工藝的改進(jìn)來實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性增長方 面取得了 一些研宄成果。Pelikanova 等（參考文獻(xiàn)：Pelikanova B. I.，Konupka T.， The Influence of Technological Process on Properties and Reliability of Thick Film Layers. 27thInternational Spring Seminar on Electronics Technology， 2004:322-324)討論了清理焊縫的方式對厚膜電阻器可靠性的影響。Gorlov等（參考 文獻(xiàn)：Gorlov M. I. , Andreev A. V. , Anufriev L. P. , etc. , Technological Methods for Improving IC Reliability in Mass Production. Russian Microelectronics，2004， 33(2) :24-34)研宄了工藝和其他相關(guān)技術(shù)對集成電路裝置可靠性增長的影響。但目前的 分析多為針對特定產(chǎn)品的定性分析，缺乏一種系統(tǒng)性的基于材料配比和工藝參數(shù)改進(jìn)來實 現(xiàn)產(chǎn)品壽命增長的定量分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)改進(jìn) 的產(chǎn)品壽命增長方法。它通過試驗設(shè)計和建模分析建立材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)與產(chǎn)品壽 命間的非線性映射關(guān)系模型，再利用該模型進(jìn)行工藝條件受限的材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù) 優(yōu)化，實現(xiàn)長壽命產(chǎn)品的可靠性和壽命增長。
[0006] 本發(fā)明的基于材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)改進(jìn)的產(chǎn)品壽命增長方法，主要包括以下 步驟：
[0007] 步驟一，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵性能參數(shù)；
[0008] (1)進(jìn)行試生產(chǎn)的正交試驗
[0009] 將各個工藝參數(shù)作為正交表因素，采用均勻設(shè)計原則，設(shè)計每個因素的因子水平 數(shù)和因子水平值，選取正交試驗表，進(jìn)行正交試驗獲得試生產(chǎn)的產(chǎn)品；
[0010] (2)進(jìn)行試生產(chǎn)產(chǎn)品的短時退化試驗 toon] 對各個試生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行各種環(huán)境應(yīng)力條件下的短時性能退化試驗，觀察并記錄每 個產(chǎn)品的各個性能參數(shù)的退化數(shù)據(jù)；
[0012] (3)進(jìn)行失效機(jī)理分析和選擇關(guān)鍵性能指標(biāo)
[0013] 對各個性能參數(shù)的退化情況進(jìn)行評估，再結(jié)合產(chǎn)品運行的物理或化學(xué)機(jī)理，分析 性能參數(shù)的退化原因，確定能表征產(chǎn)品可靠性狀況的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
[0014] (4)選取關(guān)鍵工藝參數(shù)
[0015] 采用正交試驗的分析方法分析上述工藝參數(shù)、材料成分等因素及因素組合對產(chǎn)品 失效影響程度的差異，由此確定關(guān)鍵工藝參數(shù)。常用的正交試驗的分析方法包括極差分析 法、方差分析法和sobel指數(shù)法等。
[0016] 步驟二，獲得材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)受控的產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)；
[0017] (1)正交試驗
[0018] 確定了關(guān)鍵工藝參數(shù)后，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求確定非關(guān)鍵工藝參數(shù)的值，并由產(chǎn) 品材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)的特性設(shè)計其因子水平，選擇正交試驗表。根據(jù)正交試驗表中 的試驗方案進(jìn)行管控試驗，獲得典型產(chǎn)品。
[0019] (2)性能退化試驗
[0020] 通過設(shè)計和實施性能退化試驗，獲得各個典型產(chǎn)品在各個測試時間點的關(guān)鍵性能 參數(shù)的值，即獲得了各個樣品的性能退化數(shù)據(jù)。為減少時間，在進(jìn)行性能退化試驗時常采用 加速退化試驗，獲得在大應(yīng)力環(huán)境下的性能退化數(shù)據(jù)。
[0021] (3)性能退化過程建模
[0022] 根據(jù)產(chǎn)品失效機(jī)理分析的結(jié)果和退化試驗獲取的性能退化數(shù)據(jù)，建立失效物理模 型（如反應(yīng)論模型、擴(kuò)散過程模型等）、概率物理模型（如B-S模型、Gauss-Poisson模型 等）或退化軌道模型（如線性退化軌道、Wiener過程、Ga_a過程等），并利用解析方法和 自助等仿真方法求解模型參數(shù)。若進(jìn)行的是加速退化試驗，需先結(jié)合試驗應(yīng)力的加速特性， 建立Arrhenius、Eyring、逆冪率等加速方程模型，再結(jié)合大應(yīng)力環(huán)境下的退化模型來確定 正常應(yīng)力條件下產(chǎn)品的關(guān)鍵性能退化模型。
[0023] 常用殘差平方和來評估擬合模型的優(yōu)度。加速退化試驗時通過進(jìn)行I : 1常應(yīng)力 退化試驗，得到常應(yīng)力下的退化數(shù)據(jù)，亦可驗證基于加速退化試驗得到的性能退化模型的 可靠性。
[0024] (4)產(chǎn)品壽命預(yù)測
[0025] 根據(jù)正常應(yīng)力下的退化模型和給定的失效閾值，計算得不同生產(chǎn)條件下獲得的產(chǎn) 品的壽命數(shù)據(jù)。
[0026] 步驟三，建立基于材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)的產(chǎn)品壽命預(yù)測模型；
[0027] (1)建立非線性映射關(guān)系模型
[0028] 將監(jiān)測得到的材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)作為樣本的輸入值，以退化試驗的壽 命預(yù)測值作為樣本的輸出值，采用統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法，建立材料配比及關(guān)鍵工藝參數(shù)與壽命間 的非線性映射關(guān)系模型；這里所述的統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法可采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Bayes網(wǎng)絡(luò)、支持向 量機(jī)等。
[0029] (2)模型預(yù)測誤差分析
[0030] 模型建立后，即可對給定材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)的產(chǎn)品壽命進(jìn)行預(yù)測。為保證 精度，需對壽命預(yù)測模型的預(yù)測能力進(jìn)行誤差分析與驗證，若不滿足要求，則需通過反饋學(xué) 習(xí)，改進(jìn)模型。模型驗證可利用自助、交叉驗證等重采樣技術(shù)。
[0031] 步驟四：優(yōu)化材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品壽命增長；
[0032] 在時間、費用、人力、技術(shù)水平等的約束下，建立非線性壽命增長優(yōu)化模型，并利用 Gauss-Newton法、粒子群啟發(fā)式方法和梯度投影等各類仿真和解析優(yōu)化方法求解模型，得 到關(guān)鍵工藝參數(shù)、材料配比的理想值及壽命的最優(yōu)值。
[0033] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0034] (1)本發(fā)明首次從優(yōu)化材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)的角度上來定量地調(diào)整產(chǎn)品可靠 性和壽命，首次建立材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)與產(chǎn)品壽命間的非線性映射關(guān)系模型，使得 根據(jù)模型得到的壽命增長更準(zhǔn)確，更利于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。
[0035] (2)本發(fā)明給出了完整的從參數(shù)選擇、到試驗設(shè)計獲得數(shù)據(jù)、再到建摸、最后實現(xiàn) 壽命增長的流程，步驟詳盡，易于實施。
[0036] (3)本發(fā)明采用正交試驗和退化試驗來獲得數(shù)據(jù)，可以大大節(jié)省樣本量和運行時 間。
【附圖說明】
[0037] 圖1為基于關(guān)鍵工藝和材料配比參數(shù)改進(jìn)的產(chǎn)品壽命增長流程圖
[0038] 圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合結(jié)果示意圖
【具體實施方式】
[0039] 下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0040] 步驟一，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵性能參數(shù)；
[0041] (1)進(jìn)行試生產(chǎn)的正交試驗
[0042] 一款案例產(chǎn)品一共包含19個工藝參數(shù)，為了減少試驗樣本，取其每個參數(shù)的水平 數(shù)為2。通過分析，選擇正交試驗表為L 2tl(219)，一共需生產(chǎn)20個樣品。其因素與因子水平 表如表1所不：
[0043] 表1因素與因子水平表
【主權(quán)項】
1. 一種基于材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)改進(jìn)的產(chǎn)品壽命增長方法，其特征在于包括以下 步驟： 步驟一，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵性能參數(shù)； (1) 進(jìn)行試生產(chǎn)的正交試驗 將各個工藝參數(shù)作為正交表因素，采用均勻設(shè)計原則，設(shè)計每個因素的因子水平數(shù)和 因子水平值，選取正交試驗表，進(jìn)行正交試驗獲得試生產(chǎn)的產(chǎn)品； (2) 進(jìn)行試生產(chǎn)產(chǎn)品的短時退化試驗 對各個試生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行各種環(huán)境應(yīng)力條件下的短時性能退化試驗，觀察并記錄每個產(chǎn) 品的各個性能參數(shù)的退化數(shù)據(jù)； (3) 進(jìn)行失效機(jī)理分析和選擇關(guān)鍵性能指標(biāo) 對各個性能參數(shù)的退化情況進(jìn)行評估，再結(jié)合產(chǎn)品運行的物理或化學(xué)機(jī)理，分析性能 參數(shù)的退化原因，確定能表征產(chǎn)品可靠性狀況的關(guān)鍵性能指標(biāo)； (4) 選取關(guān)鍵工藝參數(shù) 采用正交試驗的分析方法分析上述工藝參數(shù)、材料成分等因素及因素組合對產(chǎn)品失效 影響程度的差異，由此確定關(guān)鍵工藝參數(shù)； 步驟二，獲得材料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)受控的產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)； (1) 正交試驗 確定了關(guān)鍵工藝參數(shù)后，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求確定非關(guān)鍵工藝參數(shù)的值，并由產(chǎn)品材 料配比和關(guān)鍵工藝參數(shù)的特性設(shè)計其因子水平，選擇正交試驗表；根據(jù)正交試驗表中的試 驗方案進(jìn)行管控試驗，獲得典型產(chǎn)品； (2) 性能退化試驗 通過設(shè)計和實施性能退化試驗，獲得各個典型產(chǎn)品在各個測試時間點的關(guān)鍵性能參數(shù) 的值，即獲得了各個樣品的性能退化數(shù)據(jù)； (3