基于材料配比和關鍵工藝參數改進的產品壽命增長方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于工藝改進領域和可靠性增長領域，具體涉及一種從已有工藝出發，通 過試驗設計和建模分析得到產品壽命增長方案的系統性的定量的流程方法。
【背景技術】
[0002] 產品的可靠性和壽命增長一直是可靠性研宄領域的重要問題。對于許多航天類、 光電類的核心元器件而言，其壽命要求高、技術難度高、生產成本大、生產批量小，因此其在 可靠性和壽命增長的實現上具有很大難度。
[0003] 傳統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薄弱環節 來實現，這種增長方式往往需要經歷較長的增長時間，對于長壽命核心元器件而言，矛盾尤 為突出。加之，此類產品的設計、生產及壽命特性的改進，大多依賴于工程人員的經驗或借 鑒國外的生產工藝和材料配比方案，缺乏一種更為有效的增長技術途徑加以指導，使得壽 命的設計要求難以實現。
[0004] 目前，國內外研宄者在基于材料配比和工藝的改進來實現產品的可靠性增長方 面取得了 一些研宄成果。Pelikanova 等（參考文獻：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：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技術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品的定性分析，缺乏一種系統性的基于材料配比和工藝參數改進來實 現產品壽命增長的定量分析方法。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于材料配比和關鍵工藝參數改進 的產品壽命增長方法。它通過試驗設計和建模分析建立材料配比和關鍵工藝參數與產品壽 命間的非線性映射關系模型，再利用該模型進行工藝條件受限的材料配比和關鍵工藝參數 優化，實現長壽命產品的可靠性和壽命增長。
[0006] 本發明的基于材料配比和關鍵工藝參數改進的產品壽命增長方法，主要包括以下 步驟：
[0007] 步驟一，確定關鍵工藝參數和關鍵性能參數；
[0008] (1)進行試生產的正交試驗
[0009] 將各個工藝參數作為正交表因素，采用均勻設計原則，設計每個因素的因子水平 數和因子水平值，選取正交試驗表，進行正交試驗獲得試生產的產品；
[0010] (2)進行試生產產品的短時退化試驗 toon] 對各個試生產產品進行各種環境應力條件下的短時性能退化試驗，觀察并記錄每 個產品的各個性能參數的退化數據；
[0012] (3)進行失效機理分析和選擇關鍵性能指標
[0013] 對各個性能參數的退化情況進行評估，再結合產品運行的物理或化學機理，分析 性能參數的退化原因，確定能表征產品可靠性狀況的關鍵性能指標。
[0014] (4)選取關鍵工藝參數
[0015] 采用正交試驗的分析方法分析上述工藝參數、材料成分等因素及因素組合對產品 失效影響程度的差異，由此確定關鍵工藝參數。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指數法等。
[0016] 步驟二，獲得材料配比和關鍵工藝參數受控的產品的壽命數據；
[0017] (1)正交試驗
[0018] 確定了關鍵工藝參數后，根據產品的設計要求確定非關鍵工藝參數的值，并由產 品材料配比和關鍵工藝參數的特性設計其因子水平，選擇正交試驗表。根據正交試驗表中 的試驗方案進行管控試驗，獲得典型產品。
[0019] (2)性能退化試驗
[0020] 通過設計和實施性能退化試驗，獲得各個典型產品在各個測試時間點的關鍵性能 參數的值，即獲得了各個樣品的性能退化數據。為減少時間，在進行性能退化試驗時常采用 加速退化試驗，獲得在大應力環境下的性能退化數據。
[0021] (3)性能退化過程建模
[0022] 根據產品失效機理分析的結果和退化試驗獲取的性能退化數據，建立失效物理模 型（如反應論模型、擴散過程模型等）、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。若進行的是加速退化試驗，需先結合試驗應力的加速特性， 建立Arrhenius、Eyring、逆冪率等加速方程模型，再結合大應力環境下的退化模型來確定 正常應力條件下產品的關鍵性能退化模型。
[0023] 常用殘差平方和來評估擬合模型的優度。加速退化試驗時通過進行I : 1常應力 退化試驗，得到常應力下的退化數據，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)產品壽命預測
[0025] 根據正常應力下的退化模型和給定的失效閾值，計算得不同生產條件下獲得的產 品的壽命數據。
[0026] 步驟三，建立基于材料配比和關鍵工藝參數的產品壽命預測模型；
[0027] (1)建立非線性映射關系模型
[0028] 將監測得到的材料配比和關鍵工藝參數數據作為樣本的輸入值，以退化試驗的壽 命預測值作為樣本的輸出值，采用統計學習方法，建立材料配比及關鍵工藝參數與壽命間 的非線性映射關系模型；這里所述的統計學習方法可采用BP神經網絡、Bayes網絡、支持向 量機等。
[0029] (2)模型預測誤差分析
[0030] 模型建立后，即可對給定材料配比和關鍵工藝參數的產品壽命進行預測。為保證 精度，需對壽命預測模型的預測能力進行誤差分析與驗證，若不滿足要求，則需通過反饋學 習，改進模型。模型驗證可利用自助、交叉驗證等重采樣技術。
[0031] 步驟四：優化材料配比和關鍵工藝參數，實現產品壽命增長；
[0032] 在時間、費用、人力、技術水平等的約束下，建立非線性壽命增長優化模型，并利用 Gauss-Newton法、粒子群啟發式方法和梯度投影等各類仿真和解析優化方法求解模型，得 到關鍵工藝參數、材料配比的理想值及壽命的最優值。
[0033] 本發明具有以下優點：
[0034] (1)本發明首次從優化材料配比和關鍵工藝參數的角度上來定量地調整產品可靠 性和壽命，首次建立材料配比和關鍵工藝參數與產品壽命間的非線性映射關系模型，使得 根據模型得到的壽命增長更準確，更利于指導工業生產。
[0035] (2)本發明給出了完整的從參數選擇、到試驗設計獲得數據、再到建摸、最后實現 壽命增長的流程，步驟詳盡，易于實施。
[0036] (3)本發明采用正交試驗和退化試驗來獲得數據，可以大大節省樣本量和運行時 間。
【附圖說明】
[0037] 圖1為基于關鍵工藝和材料配比參數改進的產品壽命增長流程圖
[0038] 圖2 BP神經網絡擬合結果示意圖
【具體實施方式】
[0039] 下面將結合具體實施例對本發明做進一步的說明。
[0040] 步驟一，確定關鍵工藝參數和關鍵性能參數；
[0041] (1)進行試生產的正交試驗
[0042] 一款案例產品一共包含19個工藝參數，為了減少試驗樣本，取其每個參數的水平 數為2。通過分析，選擇正交試驗表為L 2tl(219)，一共需生產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
【主權項】
1. 一種基于材料配比和關鍵工藝參數改進的產品壽命增長方法，其特征在于包括以下 步驟： 步驟一，確定關鍵工藝參數和關鍵性能參數； (1) 進行試生產的正交試驗 將各個工藝參數作為正交表因素，采用均勻設計原則，設計每個因素的因子水平數和 因子水平值，選取正交試驗表，進行正交試驗獲得試生產的產品； (2) 進行試生產產品的短時退化試驗 對各個試生產產品進行各種環境應力條件下的短時性能退化試驗，觀察并記錄每個產 品的各個性能參數的退化數據； (3) 進行失效機理分析和選擇關鍵性能指標 對各個性能參數的退化情況進行評估，再結合產品運行的物理或化學機理，分析性能 參數的退化原因，確定能表征產品可靠性狀況的關鍵性能指標； (4) 選取關鍵工藝參數 采用正交試驗的分析方法分析上述工藝參數、材料成分等因素及因素組合對產品失效 影響程度的差異，由此確定關鍵工藝參數； 步驟二，獲得材料配比和關鍵工藝參數受控的產品的壽命數據； (1) 正交試驗 確定了關鍵工藝參數后，根據產品的設計要求確定非關鍵工藝參數的值，并由產品材 料配比和關鍵工藝參數的特性設計其因子水平，選擇正交試驗表；根據正交試驗表中的試 驗方案進行管控試驗，獲得典型產品； (2) 性能退化試驗 通過設計和實施性能退化試驗，獲得各個典型產品在各個測試時間點的關鍵性能參數 的值，即獲得了各個樣品的性能退化數據； (3