一、电子制造的4个层次
从制造角度出发，电子制造可分为4个层次：即0级（半导体制造）、1级（PCB设计与制造、IC封装、无源器件的制造、工艺材料制造等）、2级（电子产品板级模块级组装）、3级（电子整机装联）。对应这4级分层，电子产品的可靠性也可以分为4个层次：对应整机装联（3级）的是电子产品系统级可靠性；对应板级模块级组装（2级）的是板级工艺和模块组件级可靠性；对应于封装、元器件和PCB （1级）的是元器件及PCB板的可靠性；对应半导体制造（0级）的是半导体工艺可靠性。当研究高层次电子产品可靠性时，必然要涉及到低层次的可靠性问题。模块组件属于电子制造第2级，故其可靠性应以表面组装工艺可靠性和元器件及PCB板可靠性为主，并涵盖半导体工艺可靠性。模块组件可靠性研究应从以上方面开展。
二、模块组件PHM技术概念
模块组件PHM技术是一种以失效物理为基础，用于预测和评估模块组件在实际应用条件下可靠性的方法。它包括两个层面的含义：一是故障预测，即预先诊断组件完成其功能的状态，确定组件正常工作的时间，即可靠性；二是健康管理，即根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求对模块组件维修活动做出适当决策的能力。
图1所示的是电子系统PHM技术发展路线。电子系统健康管理需要从全系统综合管理的高度进行顶层设计，包括电子系统运行管理、维修保障等决策支持。而对于模块组件，需要解决的技术问题主要集中在BIT、状态监控及故障预测三个方面。BIT技术在模块组件的设计阶段完成，状态健康和故障预测则可存在于模块组件的全寿命周期。
图1
三、模块组件PHM技术路线
模块组件是极具代表性的电子系统或设备，其PHM技术路线如图2所示。按照PHM技术实施的一般技术流程，模块组件的PHM技术可分为五个步骤。
图2
第一步是对模块组件进行故障模式、机理及影响分析（FMMEA），明确其主要失效模式、原因、机理及失效物理模型，确定影响模块组件可靠性的关键部位和元器件。然后，根据模块组件的自身功能、性能参数和环境参数等特点，进行敏感参数分析，以此选择要监测、采集的敏感参数。敏感参数可以是直接参数，如针对板极电路中焊点开裂进行故障预警，选取的参数为焊点的电阻；也可以是间接参数，如对开关电源中输出滤波电解质电容退化进行故障监测和预警，选取的参数为开关电源的输出纹波幅值等；还可以是环境应力参数，如温度、湿度等。选择参数的依据是能否建立参数与板极组件开展PHM技术的失效模式之间的关系，即能否根据该参数建立起模块组件某一特定失效模式的健康基准。
第二步是针对敏感参数进行数据测量与采集，由此得到的是测试原始数据，以用于后续的数据处理。用于数据处理的数据也可以是历史积累数据等能反映选定敏感参数退化的数据。完成数据测量和采集需要搭建数据测量采集系统，该系统一般包含用于数据采集的传感器或设计阶段就已完成的BIT装置、数据采集软硬件等。
在完成了数据测量与采集，得到原始数据之后，便开展敏感参数的退化程度评估。首先，对模块组件设计数据、历史积累数据和原始数据进行归整、特征提取等数据预处理。接下来，根据特征参数的数据特征进行数据处理与故障诊断预测模型的建立：利用各种数据算法对特征参数进行处理，可根据数据的物理特征建立基于失效物理的模型，也可根据数据的数学特征建立基于数据挖掘的模型，或者将两者结合起来建立基于信息融合方法的模型，用于模块组件的故障诊断和预测等。将建立的故障诊断、预测的模型与之前建立的模块组件特定失效模式的健康基准联合，就可以进行敏感参数的退化程度评估，包括参数退化趋势、参数退化影响因素等。
第四步是在完成敏感参数的退化程度评估的基础上，对模块组件开展故障检测、故障诊断和故障预测。故障检测是指对参数所处状态进行检测，也包含依据敏感参数与失效物理的关系建立的健康基准而设定的告警阈值，从而实现对检测参数是否异常，甚至退化的程度进行定位，由此可扩展出基于参数状态监控的预警装置。通常情况下，将基于参数状态监控的预警装置与数据测量采集系统结合起来，这也是系统集成的一个趋势。故障诊断是指将参数退化情况与模块组件的FMMEA结合，利用故障诊断模型对模块组件的健康状态做出诊断和评估。随着系统可靠性、维修性理论和技术的发展，故障诊断已发展成为一门边缘学科，它涉及系统论、控制论、信息论、检测与估计理论、计算机科学等多方面的内容。根据板极电路的类型，可将故障诊断分为两类：数字系统的故障诊断和模拟系统的故障诊断。在实际应用中，大多数电路是模数混合系统，既有模拟信号，又有数字信号。故障预测则是基于之前的故障预测模型和参数退化程度，还有故障诊断的结果，以当前时间为起点，对模块组件后期的健康状况做出与时间相关的预计，通常会给出模块组件的剩余有效寿命。
模块组件PHM技术实施的最后一步是推理决策，即综合前面的故障检测、故障诊断和故障预测的结论信息，基于当前形势（故障情况、任务目标和需求、库存情况等）做出后勤决策的过程。
四、GPS接收器模块PHM技术案例
1．GPS接收器模块失效机理分析
GPS接收器模块作为GPS接收机的核心部件其功能是捕获GPS卫星发射的信号，并对信号进行变换、放大和数据处理，计算出位置坐标、移动速度及时间。GPS接收器模块由射频芯片、基带信号处理芯片、振荡器、存储器、电源模块等单元组成，从天线接收的GPS高频卫星信号经射频芯片转换为数字化的中、低频导航信号，再利用基带信号处理芯片、存储器等一起完成导航电文的解调。由于所含的元器件种类众多，因此GPS接收器模块存在着多种潜在的失效机理，如表1所示。
表1
在表1列举的众多潜在失效机理中，与高频模拟电路相关的失效机理是造成GPS接收器模块失效的关键性因素。热载流子效应、Au-Al键合失效、金属化电迁移、与时间有关的栅介质层击穿（TDDB）和晶体振荡器频率漂移等失效机理都会引起高频模拟电路的电参数不稳定，甚至彻底失效。
2．监测参数选取
针对GPS接收器模块高频模拟电路的失效机理，可以采用两种方法实现故障预测：一种方法是利用内置传感器对接收器内高频模拟电路的参数进行直接监测；另一种方法是通过监测与失效机理损伤相关的模块输出参数对GPS接收器模块的健康状况进行监测。由于现今的GPS 接收器模块集成度很高，内置传感器将受到模块尺寸和功耗的制约，而且其对高频电路带来的噪声干扰会影响接收器性能，因此可行性不高。直接监测模块输出参数的方法则不会对接收器正常工作造成影响，而且成本较低。
GPS接收器模块输出数据格式支持美国国家海洋电子协会NMEA0183协议，常用的ASCⅡ码语句包括：
(1)Global Positioning System Fix Data（GGA）—–GPS定位信息
(2)GPS DOP and Active Satellites（GSA）—– 当前卫星信息
(3)GPS Satellites in View（GSV）—– 可见卫星信息
(4)Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）—–推荐定位信息
(5)Track Made Good and Ground Speed（VTG）—–地面速度信息
其中，GSV（可见卫星信息）输出语句中包含了信噪比信息，如表 2所示。所谓信噪比是指电子设备或电子系统中信号与噪声的比例，该参数对GPS接收器模块中高频模拟电路的性能退化非常敏感，而且可以在输出信号中直接获取，因此可通过对该参数的监测来研究接收器模块的健康状况。
表2
3．GPS接收器模块故障监测试验
1）GPS接收器模块故障监测试验系统
为了在较短时间内获取器件故障信息，应采用加速失效试验方式。图3是GPS接收器模块故障监测试验系统框图，将被测模块置于环境试验箱中，通过提高环境应力实现器件的加速失效，利用GPS卫星信号模拟器提供稳定的输入参考信号，再通过计算机监测接收器模块输出的NMEA0183格式参数。
图3
2）故障监测试验结果分析
利用上述故障监测试验系统，对GPS接收器模块进行了高温85℃下的恒定应力加速失效试验，试验过程中实时采集接收器模块输出的信噪比参数。试验结果如图4所示，GPS接收器模块在试验进行880 h后信噪比大幅下降而失效。图5所示的是接收器失效前880 h内信噪比参数随时间的变化曲线，从中显示信噪比随着试验时间的增加波动幅度逐渐增大，在临近失效前的100 h左右，其数值较初始值下降超过5%。基于这一变化关系，可以设定报警阈值在信噪比数值下降超过5%时给出告警信息。
图4
图5
美国Impact公司Brown等人利用信噪比、卫星仰角和方位角等参数提取出故障预兆特征参量，并开展了温度循环应力加速失效试验，试验得到的特征参量随温度循环数变化的结果如图6所示。样品经过510个温度循环试验后失效，对结果进行数学拟合后得到了GPS接收器模块的指数退化模型。
图6
本文根据孔学东，恩云飞等老师编著的电子产品故障预测与健康管理改编。
