电子元器件环境适应性评价方法研究

唐庆云，郑南飞，张洪彬，汪凯蔚

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；
2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610；
3.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程研究中心，广州 510610）

产品在使用期间会经受环境应力的作用而发生性能劣化甚至故障，环境适应性表示产品“抵抗”环境因素不被破坏的能力，是重要的质量特性之一。电子元器件是电子产品和电子系统的基本组成单元，其环境适应性的好坏对产品整体的可靠性和环境适应性具有较大的影响。因此，对电子元器件的环境适应性评价具有重要的现实意义。

目前电子元器件的环境适应性评价主要思路是通过开展相关的环境试验项目，对比试验前后相关性能指标是否达到失效判据，实现对元器件的环境适应性定性评价。范红梅[1]等研究了宇航元器件的热环境和适应性评价方法，以FPGA器件在热试验后的电性能测量结果、温升和外观为依据，判定其可适用于给定的热环境；
马荣国[2]、王长成[3]等研究了卫星电子设备的力学环境适应性评价方法，电子设备在力学试验前后相关检测指标正常稳定，认为其能够满足力学环境工程要求。上述研究的重点在于如何确定合适的环境试验项目和合理的失效判定准则，以判定元器件能否适用于特定的环境，因而环境适应性评价的结果也是定性的。然而，实际应用中有时还需要对元器件的环境适应性进行定量的分析，近年来有学者开始了相关研究，如李永强[4]等以MIN板的预测寿命定量化评估环境适应性。整体而言，在电子元器件环境适应性定量评价方面相关研究相对较少，对元器件优选等工程应用支撑作用有限。

本文提出了一种关于电子元器件环境适应性的定量评价方法，用于区分元器件环境适应性的相对优劣。首先构建了多级综合评价模型，确定了两级评价指标体系；
采用了层次分析法和变异系数法确定了指标的权重[5-10]；
指标度量上充分考虑了元器件不同性能参数的特性和要求，进行了量化评分。其次，结合5种元器件某环境下试验一定时间后相关性能指标测试结果，给出了环境适应性评价案例。最后对元器件的环境适应性评价方法进行了展望。

1.1 环境适应性评价的内涵

环境因素的长期作用势必引起元器件功能性能的变化，这种变化体现了元器件对于特定环境的适应性的强弱。集成电路等较复杂的元器件通常具有多个性能参数，在经过一定年限的自然环境试验或实验室试验后，不同的性能参数可能呈现出不同的变化特征，那么如何分析不同参数的变化及其与产品环境适应性的关联是一个值得研究的问题。表征性能参数的变化以及性能变化对环境适应性的影响是进行元器件环境适应性评价的两个不可或缺的维度。因此，本文应从这两个方面考察环境适应性评价问题。

1.2 评价指标

首先是环境适应性指标的建立。本文采用多级模糊综合评价方法构建环境适应性评价指标，评价的原则是首先在较低层次中进行一级综合评价，再进行较高层次的二级综合评价。即一级指标表示为：

式中：

ui（i=1，2，…，n）是第一层指标的第i个元素，且由第二层指标的ni个子因素组成：

式中：

uij（i=1，2，…，n，j=1，2，…，ni）是第i个因素的第j个子因素。

1.3 指标权重

不同指标对于元器件环境适应性的影响是不同的，因此应当赋予不同指标相应的指标权重。指标权重的确定是环境适应性评价的重要环节，对最终的评价结果有直接影响。

1.3.1 一级指标权重

一级指标权重记为B = (β1，β2，…，βn)，采用层次分析法确定各指标权重，由专家对一级指标分别两两打分比较指标的重要程度，并根据指标间的相对重要程度构建判断矩阵。

式中：

pij—第i个指标相对第j个指标的影响大小，pii=1，pij=1/pji；

n—一级指标数量。

打分可参考表1。

表1 指标评分参考值

则第i个一级指标的权重为：

1.3.2 二级指标权重

本文采用主客观相结合的方法确定二级指标的权重。客观权重方面，若不同个体某项指标的差异越大，则该指标的权重越大。为了考虑各指标量纲不同的影响，采用变异系数法确定各指标的客观权重。

式中：

Vi—第∑iV个i指标的变异系数；

mi—第i个二级指标所属的一级指标下二级指标的数量。

式中：

σi—第i个指标的标准差；

主观权重方面，采用层次分析法确定。对一级指标下的二级指标，由专家进行打分并构件判断矩阵，具体计算方法与一级指标的确定方法相同。

最后，二级指标权重由客观权重和主观权重两个方面加权得到。本文引入偏好因子，二级指标权重表示如下：

式中：

αi—二级指标权重；

µ—偏好因子；

1.3.3 综合指标权重

综合考虑一级指标和二级指标权重，得到各指标的综合权重：

1.4 指标度量

1.4.1 “越大越好”型指标

对于要求大于（或不小于）某一特定值c的指标，其指标度量按下式计算：

式中：

xi—指标的实测值；

xmax—各牌号中该指标的测试最大值或相关技术文件规定的最大值。

1.4.2 “越小越好”型指标

对于要求小于（或不大于）某一特定值c的指标，其指标度量按下式计算：

式中：

xi—指标的实测值；

xmin—各牌号中该指标的测试最小值或相关技术文件规定的最小值。

1.4.3 中间型指标

中间型指标要求指标处于中间值x0的邻域[x0-c1，x0+c2]内，且越接近x0越好，其指标度量按下式计算：

1.5 指标评分

由于元器件各检测参数之间存在较强的耦合，本文采用几何加权平均法给元器件进行综合评分。评分方法如下：

式中：

M—打分幅值。

1.6 环境适应性评价

根据指标评分，对不同元器件的环境适应性进行排序，得分较高者的适应性较好。

根据本文的环境适应性评价方法，对5种集成电路样品在某地试验相同时间后的环境适应性优劣进行对比评价。

2.1 评价指标选取

根据5种集成电路（编号IC1、IC2、IC3、IC4、IC1）的性能检测参数，确定3个一级指标，分别是输入特性B1，输出特性B2，功能特性B3；
各一级指标下包含若干个二级指标。

2.2 指标权重

2.2.1 一级指标权重

采用专家打分确定一级指标B1、B2、B3的判断矩阵：

得到一级指标权重：

2.2.2 二级指标权重

2.2.2.1 客观权重

对5种元器件的相关指标进行计算，确定二级指标客观权重见表2。

2.2.2.2 主观权重

对三个一级指标下属的二级指标，采用专家打分构建判定矩阵

得到各一级指标下二级指标主观权重：

取偏好系数µ=0.5，得到二级指标权重见表2。

2.2.3 综合权重

根据公式（8）计算各指标的综合权重见表2。

表2 二级指标客观权重

2.3 指标度量

对b11，属于中间型指标，允许的取值范围是[-5，5]，采用公式（11）计算IC1～IC5的指标度量分别是：

对b12，属于中间型指标，允许的取值范围是[-1，1]，采用公式（11）计算IC1～IC5的指标度量分别是：

对b21，属于“越大越好”型指标，技术文件要求最小值14，最大值取试验测试最大值14.35，采用公式（9）计算IC1～IC5的指标度量分别是:

对b22，属于“越小越好”型指标，技术文件要求最大值3.6，最小值取试验测试最大值2.395，采用公式（10）计算IC1～IC5的指标度量分别是:

对b31，属于“越大越好”型指标，技术文件要求最小值94，最大值取试验测试最大值116.4，采用公式（9）计算IC1～IC5的指标度量分别是:

对b32，属于“越大越好”型指标，技术文件要求最小值70，最大值取试验测试最大值124.4，采用公式（9）计算IC1～IC5的指标度量分别是:

对b33，属于“越大越好”型指标，技术文件要求最小值77，最大值取试验测试最大值114.7，采用公式（9）计算IC1～IC5的指标度量分别是:

2.4 指标评分

取打分幅值M=80，根据公式（12）和（13）计算IC1～IC5的环境适应性评分为:

2.5 评估结果分析

由此可见，上述5种元器件环境试验后的各项性能指标均在技术要求规定的范围之内，意味着均通过了环境适应性试验的考核，那么传统的环境适应性定性评价方法在这种情形下将难以对不同元器件的环境适应性进行有效的区分。利用文中提出的定量评价方法，可以进一步评价不同器件之间的差异，根据指标评分结果可知，IC3和IC5的环境适应性较好，IC1和IC2次之，IC4的环境适应性最差，即环境适应性IC3＞IC5＞IC1＞IC2＞IC4。

2.6 偏好系数对评估结果的影响

根据前述分析结果可知，偏好系数影响指标权重，进而可能影响最终的画家适应性评价结果。现根据案例中的数据，仅改变偏好系数的取值，计算出5种器件的环境适应性评价结果见表3。可以看出，偏好因子在较大范围内变动时，对不同产品的环境适应性排序几乎没有影响，说明评价结果受主观因素的影响较小，评价方法具有稳健性。

表3 不同偏好因子取值对结果的影响

3.1 结论

文中提出了一种环境适应性多级综合评价模型，在评价指标方面采用两级指标体系，采用层次分析法和变异系数法确定了各级指标的权重，引入偏好因子确定了指标的综合权重；
在指标评分方面，根据不同的指标类型确定了相应的指标度量和指标评分方法。案例分析表明该方法可以对元器件的环境适应性进行定量评价，且评价结果受偏好因子的主观影响较小。

3.2 展望

从评价结果的角度环境适应性评价方法主要分为定性评价和定量评价，文中提出的定量评价方法为元器件的环境适应性“优中选优”提供了一定的研究思路，也有助于不同元器件之间的横向对比发现设计、制造中的薄弱环节，具有较强的工程实用性。