电子元器件工艺成熟度评价研究

摘 要通过对电子元器件工艺成熟度评价技术的研究，探索一种可行的评估电子元器件工艺成熟度的方法。首先，介绍了成熟度概念发展过程，然后，通过学习国外制造成熟度评价技术，对电子元器件工艺成熟度评价方法进行了研究探讨。

【关键词】电子元器件 制造成熟度 工艺成熟度

1 引言

风险与不确定性广泛存在于装备领域科研项目中，以“拖进度、涨经费”为主要特征的项目管理风险是世界各国在国防科研项目管理和装备采办过程中普遍存在的问题。为了降低国防科研项目管理和装备采办中的风险，美国国家宇航局（NASA）和国防部（DoD）在其科研项目管理和装备采办过程中引入技术成熟度（TRL）评价方法。在装备研制过程中，作为对技术风险的一种度量方法，技术成熟度评价已经获得了装备领域重大项目管理和采办的广泛接受，但是，技术成熟度作为一种衡量方式还存在一些应用上的局限性。TRL评价仅仅是从技术能力满足目标产品性能方面度量成熟度，只能度量技术风险的一个维度，而无法给出与技术风险有关的完整信息。

2 制造成熟度发展概述

技术成熟度评价方法在装备项目中的广泛应用，能够深入判断技术和设计满足目标需求的程度，在一定程度上满足了项目需求，降低了技术风险，但是，随着科研项目从理论设计转向实际生产时，由于对目前制造领域的技术条件没有系统的分析，由制造问题而引起的风险逐渐显现出来，而这是在实施技术成熟度时没有考虑在内的问题，为了弥补技术成熟度评价的局限性，也为了更全面地评估科研管理和项目采办过程中的风险，因此，制造成熟度（MRL）概念应运而生，目的是弥补技术成熟度在由技术向生产转化时，对技术转化能力的一种评估。

3 制造成熟度评价技术

3.1 制造成熟度等级划分

MRL是用来度量一项技术或工艺是否达到了向装备生产转化，或者确定一个装备研制项目是否达到了进入下一阶段的判断指标。自从开始研究制造成熟度以来，各研究机构已经了多个版本的制造成熟度等级手册、评价手册、等级指南草案等。通过长期的研究和实践，制造成熟度等级和评价不断完善，2010年，美国国防部制造成熟度手册将MRL分为10个等级。

3.2 影响制造成熟度的因素

在装备由设计转向生产制造时，制造风险将变得尤为重要，不成熟的制造工艺用于生产，将会导致成本上升、产品性能不稳定、可靠性不高和难以按期交付等问题。为了全面完整地识别由产品制造引起的风险，美国国防部制造成熟度评价方法中将涉及制造的风险因素划分为技术和工业基础、设计、成本和投资、材料成熟度、工艺能力和控制、质量管理、制造人员、设施和制造管理等9大制造风险因素，每个风险因素通常还包括若干个子因素，通过综合考虑9大制造风险因素及其子因素，形成了对应每一级的MRL评价准则，作为制造成熟度评价的依据。

4 电子元器件工艺成熟度评价研究

在我国，针对制造成熟度的研究还处于起步阶段，如何适应我国实际情况对制造成熟度进行描述、评估，迄今为止仍未能形成一套比较成熟的理论体系，也没有一个比较客观的评价标准对项目制造成熟度进行度量和评估，还有许多问题有待探索和实践。

电子元器件是一切电子信息系统和装备控制系统的基础，其性能和可靠性直接影响整机装备的功能，是装备发展的基础。制造成熟度评价方法将涉及上述九大因素，每个制造风险因素还包括若干个子因素，对于如何制定出科学、可行的制造成熟度评价准则，则是一项非常困难的工程。因此，本文将着重于研究探讨电子元器件工艺成熟度评价技术。

4.1 工艺成熟度等级划分

工艺成熟度（Process Readiness Level，PRL）将着重于评价产品从设计开发到最终产品实现的工艺能力水平高低的研究，工艺成熟度评价的对象是工艺，即产品制造工艺水平的高低。工艺成熟度评价着重于产品的可制造性，产品能不能批量生产，产品质量和成本能不能达到目标要求，最终能不能投入市场满足客户需要等。

工艺成熟度等级是度量工艺成熟度的一种量化的表示方法。工艺成熟度和技术成熟度是相互关联的，两者都是识别相关风险的。标准技术不成熟和设计不稳定都将影响产品制造工艺，如果产品技术不成熟或设计不稳定的话，工艺成熟度就无从谈起。因此，在每一个工艺成熟度等级定义中都包含了相应的技术成熟度等级，也就是说当工艺成熟状态达到某一等级时，其技术成熟状态必须达到相应的技术成熟度等级，其定义如下：

PRL 1：工艺基本原理被发现；

PRL 2：制造工艺概念得到确认；

PRL 3：工艺方案被确认，工艺方案的可行性得到验证；

PRL 4：具备生产出原理样件的能力，该原理样件通过了试验室环境的验证；

PRL 5：具备生产出样件的能力，该样件安装到分系统级样机，并通过了模拟使用环境的验证；

PRL 6：具备生产试生产件的能力，该试生产件安装到系统级装备中，并通过了典型使用环境的验证；

PRL 7：具备小批量生产的能力，生产线能力得到验证；

PRL 8：生产线可接受的量产和可生产性水平得到验证；

PRL 9：全速率生产能力得到验证。

4.2 工艺成熟度等级详细定义

工艺成熟度等级仅给出了一个粗略的等级划分标准，还需要针对工艺成熟度每一级定义制定一套具体的评价准则，评价准则在工艺成熟度评价过程中，起到提示的作用，启发专家从哪些方面考虑问题，从哪些方面来评价工艺成熟度，但又不局限于这些问题。一般来说，工艺成熟度等级的第1，2的技术不足以定义一个制造过程，因此，从3开始，其评价准则如下：

PRL 3：工艺方案被确认，工艺方案的可行性得到验证。

PRL 3等级是对产品生产工艺路线的制定，并且制造工艺在实验室环境下得到验证，并评估关键部件的当前工艺方案的可生产性；

PRL 4：具备生产出原理样件的能力，该原理样件通过了试验室环境的验证。

当工艺成熟度达到4级时，技术成熟度应该达到相应的等级之上。此时，应该已经具备生产样件的原材料；关键工艺得到确认并在实验室环境下得到评估；解决可生产性不足的风险降低措施得到确认；

PRL 5：具备生产出样件的能力，该样件安装到分系统级样机，并通过了模拟使用环境的验证。

当工艺成熟度达到5级时，表明产品已经进入工艺开发阶段。此时，材料消耗定额已经确定，对工艺装备、试验和检测设备的选择及鉴定原则和方案的制定已经完成，但过程能力不足，产品成品率低。

PRL 6：具备生产试生产件的能力，该试生产件安装到系统级装备中，并通过了典型使用环境的验证。

当工艺成熟度达到6级时，生产所需的原材料性能、数量、进度满足生产要求，对产品特点、结构、特性要求进行了工艺分析及说明，对关键件、重要件、关键工序的识别，以及质量控制点的合理设置，特殊过程工艺试验和检测项目的正确性，过程能力满足要求，产品成品率处于一般水平。

PRL 7：具备小批量生产的能力，生产线能力得到验证。

当工艺成熟度达到7级时，产品初始质量水平得到验证，具备小批量试生产能力，工装、检测和测试设备在生产环境下得到验证，工艺流程得到验证，过程能力充分，具备工序控制点精度保证及质量稳定性控制的能力，产品成品率处于行业较高水平，表征产品工艺水平的关键指标处于行业中等水平，所有设计要求得到了满足。

PRL 8：生产线可接受的量产和可生产性水平得到验证。

当工艺成熟度达到8级时，产品生产过程能力非常充分，产品成品率处于行业高水平，表征产品工艺水平的关键指标处于行业较高水平，设计稳定，很少或者没有设计变更，制造工艺充分得到理解而且控制在相应的质量水平，生产线达到要求的稳定水平。

PRL 9：全速率生产能力得到验证。

工艺成熟度达到9级时，产品生产过程能力绝对充分，产品成品率处于行业最高水平，表征产品工艺水平的关键指标处于行业最高水平，生产线运行达到要求的质量水平之上，稳定的生产。

4.3 关键工艺特性确定

工艺成熟度评价准则仅给出了一个宽泛的评价指标，而最终能够指导评定专家展开工艺成熟度评价工作的是根据这个评价准则，以具体产品为评定对象，通过识别产品的关键工艺，制定关键工艺特性判定细则，最后根据该关键工艺判定细则进行工艺成熟度评价工作。

所谓的关键工艺特性是指在特定的工艺方案中存在影响产品功能性能的不稳定制造工艺、制造过程控制的不确定性及生产过程不可检验项目等决定该工艺方案的关键工艺参数的总和称为关键工艺特性。

4.4 评价实施

工艺成熟度评价过程的实施主要包括两个阶段：

4.4.1 识别关键工艺特性

这一阶段主要是项目负责人根据产品使用环境和功能确定基本工艺特性清单，然后被评定方根据产品工艺流程及工艺特点提供初始关键工艺特性清单，向评定专家组提供被评价项目的关键工艺特性初始清单，评定专家组针对基本工艺特性清单和关键工艺特性初始清单进行评审并确定最终关键工艺特性清单。然后，被评定方根据最终确定的关键工艺特性制定关键工艺评价细则，提交评定专家组进行评审、修订并补充形成最终评价细则。评审专家组最终根据确定的关键工艺成熟度评价细则进行评审工作。

4.4.2 评价关键工艺的成熟度

评定专家组按照工艺成熟度评价准则和关键工艺评价细则逐级、逐项评价每一项关键工艺的情况，深入了解该工艺研究与应用情况，分析工艺原理的掌握程度，掌握工艺攻关的完成情况，搞清亟需突破的技术瓶颈，并按工艺成熟度评价细则，评定其工艺成熟度等级。评价的依据是工艺成熟度评价准则、关键工艺成熟度评价细则和相关关键工艺的基本数据。该阶段主要包括关键工艺成熟度评价、关键工艺成熟度评价结果协调和完成工艺成熟度评价报告等工作。

5 装备研制阶段对电子元器件选用要求建议

电子元器件的质量、性能与可靠性是整机装备成败的关键因素之一。据有关资料统计，某航天产品在初样研制阶段发生的32项重大质量问题中，15项是由电子元器件质量问题引起的，特别是在装备总装测试过程中发现的13个重大质量问题中，有高达8项是由电子元器件引起的，电子元器件在整机装备研制生产过程中存在的问题，必须引起高度重视。电子元器件工艺成熟度等级定义贯穿于装备研制的整个阶段，因此，应在立项论证阶段、方案阶段、初样阶段、试样阶段和整机定型阶段的各个阶段过渡前进行电子元器件工艺成熟度评价工作，并将其作为立项论证、转阶段评审的重要依据之一。如图1所示，立项论证阶段时的工艺成熟度应至少达到三级，方案阶段转初样阶段工艺成熟度应达到五级，试样阶段工艺成熟度应达到六级，整机定型阶段电子元器件的工艺成熟度等级应至少达到七级。

6 结束语

对电子元器件工艺成熟度的评估，可对军用电子元器件承制单位的工艺水平做出评估，从而为装备用电子元器件的选用提供依据。通过对产品工艺成熟度的评价，可以有效地识别电子元器件制造工艺过程中存在的各种风险、及时了解产品工艺的行业水平，有利于企业找出工艺控制能力方面的薄弱环节及对工艺投资的决策，并且可以借鉴同行业的经验及各评定专家的意见，改进和提升本单位的工艺水平。

参考文献

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