元器件成熟度评价方法及其应用——以FPGA为例
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2017年10月第46卷第10期机械设计与制造工程M achine Design and M anufacturing EngineeringOct.2017Vol.46 No.10DOI：10.3969/j.issn.2095 - 509X.2017.10.025元器件成熟度评价方法及其应用-----以F P G A为例韩文理(陕西邮电职业技术学院通信系，陕西咸阳712000)摘要：在分析国外关于元器件成熟度概念内涵的基础上，提出了由制造技术的规范性、功能性能 的稳定性和验证的充分性3个方面构成的元器件成熟度评价准则体系。
建立了基于信息熵的元 器件成熟度评价方法，并以F P G A器件为例，对构建的评价指标体系进行了实证评价，从而验证 了方法的有效性。
关键词：元器件；成熟度评价;FPG A元器件；信息熵评价方法中图分类号:TP211 文献标识码:A文章编号:2095 -509X(2017)10 -0101 -04成熟度的理论和实践在国内外国防工业体系 中发挥了重要作用。
美国国防部在国防项目管理 中引入技术成熟度（technology readiness level，TRL)评估技术&1]，进行合同管理、资源分配、经费 预算、绩效管理、成果评价等方面的工作。
20世纪 70年代美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA)提出了技术成熟 度的概念，2003年美国国防部颁布了技术成熟度 评价手册，强调从技术开发和产品转化过程中的新 技术应用的完备性及其验证的充分性，并以技术成 熟度加以度量[2]。
2001年美国三军联合制造技术 委员会提出了制造成熟度模型，2009年5月美国 国防部颁布了制造成熟度手册。
我国航天领域产 品成熟度的研究始于2003年，主要是为适应航天 产品由单件研制向小批量过渡的需要。
2011年初 袁家军等在《航天器工程》发表了航天产品成熟度 的概念和等级划分，主要是强调产品的关键特性确 认、产品基线确定、产品数据包管理等方面，并把航 天单机产品的成熟度划分为8个等级。
为了扭转我国在军用关键电子元器件领域长 期以来受制于人的现状，我国在国家中长期科学发 展规划中将核心电子元器件作为优先领域进行发 展。
实践中，通过建立电子元器件试验检验的评价 体系收集客观数据，并根据数据对元器件成熟程度进行不同等级的科学划分，根据元器件不同成熟程 度为其不同应用条件提供科学依据的方式是实现 我国军用关键电子元器件领域加速发展的关键路 径。
本文拟建立电子元器件评价指标体系和评价 方法，从而丰富电子元器件成熟度评价的方法体 系，相关研究具有较为显著的理论意义和实践意 。
1元器件成熟度的评价准则和指标元器 的成 是元器 用 中计、工艺、材料、过程控制等方面所表现出的应用效果。
元器件的综合成熟度主要是考虑制造技术的规范 性、功能性能的稳定性和验证的充分性3个方面。
1.1 元器件制造规范性元器件制造的规范性是指元器件生产过程识 别和控制的规范化程度，表现在设计、生产队伍的 水平等方面，关键工序的识别与控制，设备能力，关 键材料和管壳的控制能力，以及出现质量问题后的 能。
1.2元器件制造稳定性元器 造的稳定 是 元器 功能、能可靠性等方面在时间维度上的一致性。
主要表现 在元器件投产合格率与同批次个体和批次间个体 在功能、性能和可靠性指标的一致性；同批次产品收稿日期:2017 -06 -12作者简介:韩文理(1983—），男，陕西洛川人，陕西邮电职业技术学院讲师，工程硕士，主要研究方向为通信工程技术、电子工艺品质管理、无线通信、互联网与大数据。
• 101 -2017年第46卷机械设计与制造工程个体和批次间个体的关键参数的一致性可以表征 功能性能的稳定性，可以用统计技术进行统计计 算；同批次产品和批次间产品的可靠性可以用筛选 的不合格率和寿命的关键参数变化率来表征。
!3元器件验证充分性验证的充分性是指对元器件功能、性能和可靠 性进行的系统适应性和环境适应性验证，主要是验 证环境特征与产品耐受环境、产品对系统的适应性 能力;验证的充分性可以用多个批次的产品经不同 用户、不同环境使用的数据来表征。
2元器件成熟度评价方法熵的概念源于热力学，是对系统状态不确定性 的一种度量，熵值越大，状态的不确定性也就越大，目前主要应用在宏观财税政策评价、项目生命周期 投资评价等领域。
根据信息熵的性质[3]，在对不 同方案的相对重要性进行比较的基础上，把多目标 决策评价中各个待评对象的固有信息和决策者主 观判断的信息进行量化与综合，计算出各对象基于 熵的相对优异性量化评价指数，从而依此作出对各 方案的评价[4]。
这一方法的优点是可以排除人为 因素、风险因素等的干扰，反映评价对象的客观信 息。
其综合评价实现的要点包括确定评价对象集 和指标集、指标相对优异度判定、实用权值获得和 相对优异度评价等。
根据元器件应用问题特点[5]，传统的信息熵评价法能够有效满足其要求，其计算步骤如下。
2.1决策矩阵构造按优、良、中、差等4个等级隶属度构造数据列 ，即：= (9i，a a，…，9») ⑴式中“为等级隶属度，B= 1，2,…，4; j'为指标个 数 J. = ：$，2，••，=〇另外根据待评价的宇航元器件各个指标的计 算结果建立一组参评数据序列，记为！= (9〇1，902，…，90=$。
由上述5组数据系列构造决策矩阵,=(〜^…其中^二0，1，…，8;'1，2，…，'2.2 规范化矩阵转化将决策矩阵转化为规范化矩阵。
1)效益型指标，用以下公式进行规范化：2 )成本型指标，用以下公式进行规范化：m a x(a,.,.)- a--v=,J J ⑶l J m a x(a,) - min(a,)3)区间型指标，用以下公式进行规范化：$ " m a x(L l -〜，a B - L)max[q' -min(a B)，max(a B)-q']'V=B(4)a B ) [q，' ]1，a B ) [q1，q']2. 3"化 转化对规范化矩阵&= (V)mX…作标准化处理，得 到标准化矩阵'=(\) 8X…，\= ^-。
2.4指标熵值计算计算指标的熵值）：m)=-1 (\l n\y.(5)i=1式中：1 = 1/l n m。
2.5变异系数计算指标的差异越大，对方案评价的作用越大，熵 值就越小，指标的权重系数相应就越大。
变异系数 T的计算公式为T= 1 - ) (6) 2.6指标权重计算利用熵值法计算指标权重，指标的权重向量 —=(P，P，…，P)，其中 p2.7综合评估值计算计算 对 各标 级的综 属值[，即：[=(V P(7).13 F P G A器件成熟度评价研究3.1评价对象本文以30万门F P G A器件成熟度评价为研究 X对象。
F P G A器件主要包括6 912个逻辑单元，最 大工作频率为180M H_主要功能模块包括可编程 逻辑模块、可编程输入输出模块、内嵌块R A M (B R A M)模块和延时锁定环（D L L)模块，内置4个 D L L，可以实现时钟去偏斜、相移、频率合成等功 能。
S R A M型F P G A器件的外形及尺寸如图1所 i〇3.2评价指标体系F PG A元器件成熟度评价指标体系见表1。
•102 -2017年第10期韩文理:元器件成熟度评价方法及其应用——以FPGA为例图1F P G A器件的外形及尺寸表1元器件成熟度评价指标体系准则层指标层指标编码生产环境A1生产线先进性A2制造规范性生产线稳定性A3生产线成熟度A4体系审查的不合格项情况A5关键工序设置及控制A6制造稳定性关键材料与管壳控制A7FPGA器件的标识A8FPGA器件的包装A9高温"125m)下板级应用的适应性A10低温"-55 °C)下板级应用的适应性A11信号完整性A12抗闩锁性能A13抗总剂量（TID)能力A14验证充分性抗单粒子锁定（SEL)能力A15随机振动A16热真空适应性A17安装及焊装适应性是否满足要求A18空间应用能力A193.3 评价数据对于主 标，通 家评分的方式，选取10名专家进 分;对 标，则通 法来获得相关数值。
汇总结果见表2。
相关专家 ，、良、中、级设定为以下标准:优[90 100)，良[80 90)，中&70 80)，[6070 $。
表2指标数据汇总表分值专家专家专家专家专家专家专家专家专家专家 12345678910 A180858175959273719095A275808078859075868075A389928580898171828080A483808882928778779085A591899088898482759095A686858790838682838085A795909391867980858890A890888587918575818092A992878892858173768590A1075799085867983758575A1179797979797979797979A1295909490869176839090A1385878595918273688695A1485858585858585858585A1590939090918876838090A1685899288898671818580A1786868686868686868686A1884848484848484848484A19908683809081798490953.4评价结果1$标数据的加工 。
据表1，假每家的权重都一样，用算术 法得出元器件成 的各个指标下平均指标数据 为（84,80,83,84,87,85,88,85,85,81，79，89，85，0.85，87，85，0.86，84，86)。
2)标按优、良、中、 4 级属丨元器件成 各个指标的评测数据构造决策矩阵A5x19，艮P!•103 -2017年第46卷机械设计与制造工程909090909090909090909090900.9090900.909090 808080808080808080808080800.8080800.808080 707070707070707070707070700.7070700.707070 606060606060606060606060600.6060600.606060 848083848785888585817989850.8587850.8684863)将上述矩阵转化为规范化矩阵&= (v$^ x…，即:9090 909090 9090 9090908080 808080 8080 808080 &=7070 707070 7070 707070 6060 606060 6060 6060608480 838487 8588 8585814)用线性比例变换法对矩阵&=(V B)8 X=作标准化处理，得到标准化矩阵'=(\)8以=，艮P0.2340.2080.1820.1560.2190.2370.2110.1840.1580.2110.2350.2090.1830.1570.2170.2340.2080.1820.1560.2190.2330.2070.1810.1550.2250.2340.2080.1820.1560.2210.2320.2060.1800.1550.2270.2340.2080.1820.1560.2210.2340.2080.1820.1560.221'T= 0.2360.2100.1840.1570.2130.2370.2110.1850.1580.2080.2310.2060.1800.1540.2290.2340.2080.1820.1560.2210.2340.2080.1820.1560.2210.2330.2070.1810.1550.2250.2340.2080.1820.1560.2210.2330.2070.1810.1550.2230.2340.2080.1820.1560.2190.2330.2070.1810.1550.223经过加权平均计算，该元器件综合成熟度得分为84.72分。
