（机械制造及其自动化专业论文）复杂产品研发的技术风险分析与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的飞速发展和全球经济一体化步伐的加快，企业竞争日益激 烈。企业间的竞争最终归结为新产品之间的竞争。产品创新已经成为企业创新 的核心任务。由于复杂产品的研发具有投资高、技术复杂、周期长、风险高的 特点。为了确保产品研发的成功，必须进行风险管理，包括风险分析和控制。 技术风险是复杂产品的主要风险之一。目前技术风险分析绝大多数属于静 态分析法，即用于产品研发项目启动前的风险预测和评估，而风险管理将伴随 着复杂产品研发的整个过程，成为研发项目管理的重要组成部分。目前针对复 杂产品研发技术风险的研究，缺乏对技术风险的准确定义、技术风险识别和评 估模型的研究。本文以国家“十五”高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的重大攻 关项目1 0 0 n m 分辨率1 9 3 n m a r f 准分子激光器步进扫描投影光刻机研制为研 究应用背景，建立复杂产品研发技术风险管理体系结构、技术风险识别模型， 并应用贝叶斯网络方法，建立产品研发的技术风险评估模型。论文主要工作包 括： 从分析和控制产品研发技术风险的角度，定义产品研发技术风险。复杂产 品研发技术风险包括产品技术风险和研发过程技术风险。产品结构的复杂性是 导致产品技术风险的主要因素；研发过程的无序性是造成研发过程技术风险的 主要因素。产品研发的技术风险管理贯穿于整个研发过程中，是一个与产品研 发过程相匹配的，从高层次到低层次、循序渐进的动态过程，并据此建立了复 杂产品研发的技术风险管理体系结构。在功能层次上，包括技术风险识别、技 术风险评估、制定风险处理计划、技术风险跟踪、技术风险控制。在过程层次 上包括总体系统级、子系统级、部件级、工艺级和制造级等层次的技术风险管 理过程。 在进行产品技术风险识别时，通过分析产品可能出现的不满足预计功能的 行为，即产品功能缺陷，分析产品潜在的技术风险事件，通过产品结构的分解， 寻找导致产品技术风险因素。将产品技术风险事件和产品结构上的技术风险因 素进行关联，构成了基于产品结构的复杂产品技术风险识别模型。 在进行研发过程技术风险识别时，从产品研发过程管理的角度，进行研发 过程技术风险分析。通过研发活动的分解寻找产品活动内的技术风险因素；产 摘要 品研发的信息需求确定了研发活动之间的关联关系。通过分析研发活动间的各 种关系，找出活动间的技术风险因素。活动内的技术风险识别和活动间的技术 风险识别，构成了基于活动的复杂产品研发过程技术风险识别模型。 通过分析产品环境或过程环境而产生的风险事件对产品研发的影响，利用 贝叶斯网络具有结合专家知识进行不确定信息的推理功能，将基于产品结构的 复杂产品技术风险识别模型和基于活动的复杂产品研发过程技术风险识别模型 转换成基于贝叶斯网络的技术风险评估模型，并提出了基于产品技术风险和研 发过程技术风险评估算法。通过敏感性分析，寻找对技术风险敏感的风险因素， 为进一步进行风险控制提供决策依据。 以高精度光刻机产品研发为应用背景，通过实例分析和应用对文中所提出 的技术风险理论、方法和技术进行验证。 最后，对需要进一步研究的工作进行了展望。 关键词：复杂产品研发，技术风险，产品技术风险，过程技术风险，贝叶斯网 络 i i a b s t r a c t a b s t r a c t 、m mt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n da c c e l e r a t i o no f e c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，e n t e r p r i s e s c o m p e t i t i o ni si n c r e a s i n g l yv i g o r o u s t h e c o m p e t i t i o no fe n t e r p r i s e sc o m e sd o w nt ot h es t r i f e o ft h e i rn e wp r o d u c t s p r o d u c t i n n o v a t i o nh a sa l r e a d yb e c o m et h en u c l e u st a s k so fe n t e r p r i s e s b e c a u s et h e d e v e l o p m e n to ft h el a r g e s c a l ec o m p l i c a t e d i n n o v a t e dp r o d u c t sh a st r a i t s ：h i g h i n v e s t m e n t ，c o m p l e xt e c h n i q u e s ，l o n gd e v e l o p m e n tc y c l ea n dh i 曲r i s k ，t h et e c h n i q u e m a n a g e m e n to ft h er i s ki n c l u d i n ga n a l y s i s ，a s s e s s m e n ta n dc o n t r o lo fr i s km u s tb e e n f o r c e di no r d e rt od e v e l o p m e n to ft h en e w p r o d u c t si ss u c c e s s f u l t h et e c h n i c a lr i s ki st h eo n eo ft h em a i nr i s k sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n to f l a r g e s c a l ec o m p l i c a t e di n n o v a t e dp r o d u c t s t h ec u r r e n t t e c h n i c a lr i s ka n a l y s i s m o s t l yb e l o n g st ot h es t a t i ca n a l y s i sm e t h o d st h a ta r eu s e df o rr i s k f o r e c a s to ri t s a s s e s s m e n tb e f o r et h e s t a r t u po fp r o d u c td e v e l o p m e n t b u t t h et e c h n i c a lr i s k m a n a g e m e n ti s ap r o c e s st h a ti sc o n c u r r e n tt ot h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dh a s a l r e a d yb e c o m et h ei m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j e c tm a n a g e m e n t t h er e s e a r c ho nt h e t e c h n i c a lr i s ko fp r o d u c td e v e l o p m e n ti sl a c ko ft h ee x a c td e f i n i t i o na n dr e s e a r c ho n r i s ka n a l y s i sa n da s s e s s m e n t b a c k g r o u n d e da st h e8 6 3v r o je c to ft h et e n t hf i v e p e r i o d 10 0 n ns t e p p i n ga n ds c a n n i n gl i t h o g r a p h i cm a c h i n ew i t h19 3n l na r f q u a s i m o l e c u l e l a s e r w h i c hi s s u p p o r t e db yt h es t a t em i n i s t r yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ) t h em o d e lo ft h et e c h n i c a lr i s ka n a l y s i si se s t a b l i s h e d ，a n dt h em o d e l o f t e c h n i c a lr i s ka s s e s s m e n ti ss e tu pb a s e do nb a y e s i a nn e t w o r k t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k si nt h i sp a p e r ： v i e wf r o mt h ea n a l y s i sa n dc o n t r o lt h et e c h n i c a lr i s ko fp r o d u c td e v e l o p m e n t ， t h et e c h n i c a lr i s ki sd e f i n e da n da n a l y t i c a lm o d e lb a s e do np r o d u c tc o n f i g u r a t i o n d i m e n s i o na n dd e v e l o p i n gp r o c e s sd i m e n s i o ni se s t a b l i s h e d p r o d u c tc o m p l i c a c y m a i n l yr e s u l t si nt e c h n i c a lr i s ko np r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd i m e n s i o n ；i n o r d i n a n c eo f d e v e l o p i n gp r o c e s si st h em a i nc a u s e so ft e c h n i c a lr i s ko nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s d i m e n s i o n t h ea r c h i t e c t u r eo ft e c h n i c a lr i s km a n a g e m e n td u r i n gp r o d u c td e v e l o p i n g i i i i sf o r m e db a s e do nt w o d i m e n s i o na n a l y t i c a lm o d e l w h e nt e c h n i c a lr i s ko nt h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd i m e n s i o nl s a n a l y z e d ， t e c h n i c a lr i s ke v e n t sa r ef o u n db yc o n s t r u i n gp r o d u c tu n e x p e c t e db e h a v i o rt h a t i s u n s a t i s f i e dw i t hi t sf u n c t i o n s ，i e p r o d u c tf u n c t i o nf a u l t s t h et e c h n i c a lr i s kf a c t o r s a r es e e k e db yd e c o m p o s i n gt h ep r o d u c ts t r u c t u r e t h ea n a l y t i c a lm o d e lo fp r o d u c t t e c h n i c a lr i s ko nt h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd i m l e n s i o ni sc o n s t i t u t e db ya s s o c i a t i n gi t s t e c h n i c a lr i s ke v e n t sa r ew i t hi t sr i s kf a c t o r s p r o d u c tt e c h n i c a lr i s k ，t h a ti sap r o c e s sm a t c h e dw i t hp r o d u c td e v e l o p i n gp r o c e s s ， i sg r a d u a l l ya n a l y z e df r o ms i m p l et od e t a i l ，f r o mh i g hl a y e r st ol o w e rl a y e r s t h e t e c h n i c a lr i s ki sa n a l y z e do nt h es y s t e ml e v e li n t h eb e g i r m i n go ft h ep r o d u c t d e v e l o p i n g ；w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t ，t h et e c h n i c a lr i s kc a nb e a n a l y z e do ns u b s y s t e ml e v e l ，a s s e m b l yl e v e l ，t e c h n i c sl e v e lo rm a n u f a c t u r i n gl e v e l r 1 1 e nt e c h n i c a lr i s ko nd e v e l o p i n gp r o c e s sd i m e n s i o ni sa n a l y z e d ，t e c h n i c a lr i s k o fd e v e l o p i n gp r o c e s si sa n a l y z e df r o mt h ev i e wo fm a n a g i n gt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s - t h et e c h n i c a lr i s kf a c t o r si n s i d ee a c hd e v e l o p i n ga c t i v i t ya r es e a r c h e db yi t t h e i n t e r r e l a t i o na m o n gd e v e l o p i n ga c t i v i t i e s d e v e l o p i n gi n f o r m a t i o n , s ot h et e c h n i c a l d e p e n d so nt h er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t r i s kf a c t o r sa m o n gt h e ma r er a k e db y a n a l y z i n gt h e i n t e r r e l a t i o na m o n gt h e m t h et e c h n i c a lr i s ki n s i d ea n da m o n g d e v e l o p i n g a c t i v i t i e s c o m p o s e t h ea n a l y t i c a lm o d e lo ft h et e c h n i c a l r i s ko n d e v e l o p i n gp r o c e s sd i m e n s i o n t h ed r o ( 1 u c tb e h a v i o r so r t h eo n e so fd e v e l o p i n gp r o c e s sa n dp r o d u c t e n v i r o n m e n t so rt h eo n e so fd e v e l o p i n gp r o c e s si n t e r a c ta n dp r o d u c et h er i s ke v e n t s t h e i rr i s ks e v e r i t i e sd e p e n do nt e c h n i c a lr i s kf a c t o r sa n de n v i r o n m e n t s t h ea n a l y t i c a l m o d e lo ft e c h n i c a lr i s ko nt h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd i m e n s i o na n dt h e o n eo n d e v e l o p i n gp r o c e s sd i m e n s i o na r et r a n s f o r m e di n t ot e c h n i c a lr i s ka s s e s s m e n tm o d e l b a s e do nb a y e s i a nn e t w o r kb e c a u s eo fi t sr e a s o m n g f u n c t i o no fu n c e r t a i n i n f o r r l l a t i o nc o m b i n e dw i t he x p e r t s k n o w l e d g e t h e r e l a t e da r i t h m e t i c o n 帆o d i m e n s i o n si sp u tf o r w a r d t h es e n s i t i v ef a c t o r so ft h e t e c h n i c a lr i s k ，w h i c ht e c h n i c a l r i s ki sc o n t r o l l e da c c o r d i n ga s w i l lb ef o u n db ys e n s i t i v i t ya n a l y s i s a sb a c k g r o u n do fd e v e l o p m e n to ft h eh i 曲一p r e c i s i o ns t e p p i n ga n ds c a n n m g 1 i t h 0 酉a p h i cm a c h i n ew h o s ed e v e l o p i n ge x p e r i e n c et h ed e v e l o p e r s a r el a c ko f , t h e i v a b s t r a c t t e c h n i c a lr i s kt h e o r i e s ，m e t h o d s ，t e c h n i q u e sw h i c ha r eb r o u g h tf o r w a r di n t h i s d i s s e r t a t i o n ，a r ev e r i f i e db yt h ec a s es t u d ya n da p p l y i n go ft h e mi n t oi t i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p r o d u c td e v e l o p i n g ，t e c h n i c a lr i s k ，p r o d u c tt e c h n i c a lr i s k ，p r o c e s s t e c h n i c a lr i s k ，b a y e s i a nn e t w o r k n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 。岣 年 触 7 只i 阳 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 汕6 年 只f 矿日 徽雠：l 佴殆稼一躲陟 指导教师签名：l 佴殆孚瓢学位论文作者签名：严够 矽年了刍【妒日p 厂年7 月厂扩日 第l 章绪论 1 1 研究背景与课题来源 第1 章绪论 随着信息技术的飞速发展和全球经济一体化步伐的加快，企业竞争日益激 烈。企业为了赢得竞争，需要快速开发满足用户需求的产品。知识一技术一产 品的更新周期日益缩短，产品创新速度将越来越快，知识含量将越来越高。企 业间的竞争最终归结为新产品之间的竞争。产品创新已经成为企业创新的核心 任务。同时人们不断改善自身的生存、工作和发展环境的要求，引发了对大型 复杂新产品越来越多的需求。由于复杂产品的研发具有投资高、技术复杂、周 期长、风险高的特点，一旦研发失败，常常造成不可估量的损失。历史发展的 经验表明：“一部人类文明发展之历史其实就是一部风险之奋斗史”1 。只有今 天控制风险，才能在明天赢得市场1 。 1 1 1 用户对创新产品的需求趋势 随着全球经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，市场环境发生了巨 大的变化，消费者对产品的需求日趋个性化、多样化、智能化。用户对创新产 品的需求包括如下副： ( 1 ) 产品新颖需求的增加，需要增加系统功能和提高产品性能 人们对现有的产品使用一段时间后，就会产生求新、求奇的需求，这就要 求产品不断进行创新，增加系统功能，并提高产品的性能。 ( 2 ) 增强了对环境保护的需求 人们已经从高速发展的工业经济时代带来的弊端中清醒地认识到，以污染 环境为代价的经济发展危害深重。因此产品对环境的污染必须控制在允许范围 内，以满足经济的可持续发展要求。 ( 3 ) 降低资源消耗的要求 由于全球经济的飞速发展，特别是我国人口的快速增长，资源将成为经济 发展的瓶颈。因此更注重研发高能低耗的新产品。 ( 4 ) 柔性好，能适应环境变化的要求 】 第1 章绪论 市场环境的快速变化导致产品更新速度的加快，产品应具有良好的柔性， 应适应环境的变化。如机械加工设备应能随着产品的变化可进行快速调整，降 低设备更新成本。 ( 5 ) 满足用户多种选择的要求 用户的需求千变万化、各不相同，并追求产品的个性化，所以多样化、系 列化的产品将满足用户多种选择的要求 ( 6 ) 自动化、智能化的要求 手工操作已无法满足快速反应和准确的要求；或者具有人类不可接近的性 质，这些都要求系统具有某种拟人行为，对环境做出综合判断，并做出相应决 策。取而代之的是自动化、智能化的产品。 所有这些要求，使现代产品日趋复杂。而人类的要求是无止境的，创新产 品的研发成为企业赢得市场竞争的重要因素。 1 1 2 复杂产品研发所面临的风险 所谓复杂产品是指结构组成复杂、功能复杂、行为复杂的一类产品。复杂 产品的研发存在各种不确定性，具有很高的风险，其因素主要有： ( 1 ) 用户需求的不确定性与易变性 在一般情况下，用户提出对产品的需求；开发者应用相关学科的知识和技 术实现用户的需求。由于用户不能提出准确的需求，特别是不能以产品的专业 语言表述自己的需求，这就使用户需求带有不确定性。又由于用户可能改变或 修正已提出的需求，或者增加新的需求，这就使用户需求带有易变性。用户需 求的这两种重要特征使产生一份合格的用户需求规格说明书变得十分困难。而 用户需求规格说明书是产品开发者行动的出发点和最后归宿。 ( 2 ) 设计指标的多样性、高性能指标要求 用户对产品的需求不仅表现为一些功能性指标( 即产品能做些什么) 和性 能性指标( 即产品对每种功能能完成到何种程度) ，而且还表现为可靠性、维修 性、安全性、用户友好性、开放性、容错能力，可依赖性、可测试性、易操作 性、互操作性、模块化程度、标准化程度、保障性、环境要求、寿命、成本等 这样一些非功能和非性能性指标。值得注意的是，这些指标间并不总是相容的， 有些可能是相互矛盾的，即为了提高某些指标，可能不得已要降低另一些指标。 2 第1 章绪论 有些精密设备的性能指标要求很高，技术复杂。如同步运动误差在5 个纳米之 内，运动行程保持的角度偏差在l m r a d 。诸如此类的性能要求对产品结构选型、 机械运动部件的材料选择、控制元件及控制系统的设计产生了极大的挑战。 ( 3 ) 复杂产品需要实现的功能多，组成成分数量巨大，结构层次复杂 现代产品集多种功能于一体。由于产品的功能要求多，导致产品组件多、 层次与结构复杂，产品零部件组成了一棵枝繁叶茂的产品结构树。 ( 4 ) 复杂产品的接口繁多，各子系统间难以集成，产品难以测试 与系统组成成分数量巨大相关联的另一个重要属性是系统中的接口繁多， 这些接口包括硬件设备之间的接口，硬件设备与软件间的接口，软件间的接口 和人一机接口，使得各子系统之间的集成非常困难，同时难以进行产品测试。 而测试工作对于保证产品的研发成功至关重要。 ( 5 ) 组织跨学科、跨地理位置的复杂产品研发工作的困难 如前所述，现代产品的开发要求多方面的工程技术学科的支持。因此，研 发组织内应包含多个不同领域内的技术专家。这些专家需站在整个产品的角度， 进行跨学科甚至跨地理位置的协作，所以组织协调的难度很大。 ( 6 ) 研发过程复杂、过程难以控制 大型复杂产品的研发过程由串行、并行、迭代、甚至是异地协同的活动组 合而成，对研发过程的有序性提出了挑战。 ( 7 ) 复杂产品研发支撑环境的缺乏或不足 现代大型复杂创新的产品的研发必须依赖于环境的支持。这里的环境主要 是指计算机辅助支撑环境，其中包括计算机辅助分析与设计系统、仿真试验系 统、辅助测试系统等。 所有这些困难使复杂产品研发隐藏着各种潜在的风险。 1 1 3 复杂产品研发风险产生的后果 大型复杂产品的研发由于研发成本高、周期长，研发失败常常会造成恶劣 的影响和后果，对经济和社会造成不可估量的损失。 “挑战者”号是美国研制的第二架航天飞机，于1 9 8 6 年1 月2 8 日在卡纳 雅拉尔角发射基地起飞后，以三倍于音速的速度升到佛罗里达5 万英尺的蓝天 时突然爆炸，机上七名字航员全部罹难。这架耗资1 2 亿美元的航天飞机失事是 3 第l 章绪论 美国宇航史上最严重的一次事故。 1 9 9 6 年6 月4 日，欧洲空间局研制的巨型火箭“阿丽亚娜一5 发射升空后 4 0 秒，火箭偏离航线、爆炸，造成数亿美元的损失。1 9 9 6 年7 月2 3 日，事故 调查委员会分析失败的原因，由于惯性制导系统的软件设计错误1 导致主发动机 点火3 7 秒后制导和姿态信息全部丢失。在软件开发过程中，对惯性制导系统的 测试不充分，未检测到隐藏着的潜在故障。“阿丽亚娜一5 导致u $ 3 6 0 m - - 8 0 0 m 的经济损失，同时这一事故对人们探索未知，实现梦想所投下的阴影和产生的 影响是无法度量的。 美国在航空领域也出现了许多发射事故和空难。表1 1 列示了从1 9 8 5 年至 1 9 9 9 年的成功和失败的航天记录，平均成功率是9 2 4 。在同期的全球航天成 功率是9 3 7 。自从1 9 9 0 年1 月到2 0 0 0 年的2 月，全世界有1 5 起发射失败案 例，平均每6 周就有一起。 表1 1 美国载入飞机成功失败案例( 1 9 8 5 - 1 9 9 9 ) 飞行器成功失败成功率 舒特尔( s h u t t l e )8 119 8 7 泰弹( t i t a n )4 388 1 4 艾特莱斯( a t l a s ) 7 349 4 5 戴尔塔( d e l t a ) 9 359 4 6 托若斯( t a u r u s ) 7o 1 0 0 0 艾瑟那斯( a t h e n a ) 635 0 0 佩格瑟斯( p e g a s u s ) 2 447 0 8 总计 3 2 82 59 2 4 这些失败案例的代价是沉重的：美国国防部仅仅在1 9 9 8 年就损失1 7 亿美 元，美国商业部在1 9 9 8 年至1 9 9 9 年间的经济损失估计在3 5 亿美元。其原因在 于设计的“老龄化以及设计复杂能力的减弱。 航空航天局同样遭遇了一连串的失败，表1 2 显示了航空航天局自1 9 8 5 年 的主要空难损失，这些事故花费了3 7 亿美元，并估计其他事故损失8 亿美元， 涉及到航天系统、航天器及相关设备。 实际上这些事故在多数情况下，是可以通过设计或改进、充分的实验、仔 4 第l 章绪论 细的检查和精细的管理等风险管理措施避免的。 表l - 2 主要的航天航空局事故( 从1 9 8 5 ) 飞行器 日期估计损失 挑战者1 9 8 6 年1 月 2 0 亿 哈伯望远镜1 9 9 0 年4 月6 千万 火星探路者 1 9 9 3 年8 月l o 亿 舒特尔飞行1 9 9 7 年1 月1 亿 路易斯太空飞船 1 9 9 7 年8 月8 千万 火星气象轨道飞船 1 9 9 9 年9 月2 5 亿 火星极地登陆者1 9 9 9 年1 0 月2 亿 总计 3 7 亿 产品研发风险的影响可归纳为三类：产品质量不合用户需求、甚至引发事 故；研发进度严重拖期、甚至导致项目中断；研发实际成本超过预算成本。大 型复杂创新产品的研发必须时刻注意研发中潜在的风险，并加以控制。 在产品研发过程中，应尽可能在研发初期进行产品方案的确定、修正，如 图1 1 所示的目标曲线。若大量的修改发生在研发后期，如图1 1 中的虚线所 示，将导致产品修改成本的急剧增加，即1 0 倍法则：产品修改的成本随着研发 过程的推进，以十倍的等比级数增长，如图1 2 所示。所以产品研发初期，就 应开始进行技术风险分析与控制，并贯穿于整个研发过程。 设计受 更件藏 图1 1 研发过程和设计变更件数 5 响 第1 章绪论 变更 ( 修订) 处理费用 1 1 4 课题来源 些黄 系统 部待孝墼和 制造 召回对故障公司失时阊 定义 定义定义公差检 。 事哉赔偿去形象 i 图1 2 设计变更点和变更处理费用( i 0 倍法则) 课题来源于国家“十五 高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的重大攻关项 目1 0 0 n m 分辨率1 9 3 n m a r f 准分子激光器步进扫描投影光刻机研制。 光刻机是微电子装备中最为关键的设备，涉及的技术领域最多，制造工艺 复杂，技术含量高，研制难度大，价格昂贵，是国外对中国限制最严的装备。 高分辨率光刻机目前国际上已经形成由荷兰a s m l 、日本佳能、尼康公司三大光 刻机公司垄断的局面。 我国如能成功研制出l o o n m 高分辨率光刻机，将有利于打破国际上对中国 的封锁，降低光刻机的价格；同时有助于建立微电子装备研发体系和产业化体 系；带动相关学科和领域的发展，提升上海制造业的整体技术能级；有利于聚 集、培养和造就一批微电子装备相关方面的高、精、尖人才，在上海形成高级 技术人才高地。 国外l o o n m 光刻机的研发一般需花费1 0 亿美金和5 年的时间，而我国计划 投入1 0 亿人民币和3 年的时间完成样机开发。但是在高精度光刻机技术上缺乏 经验、没有很多的技术积累，所以，这是一项艰巨的、高风险的复杂产品研发 项目，尤其是研发技术风险高。为了能在有限的时间、经费和资源条件约束下 保证光刻机产品研发成功，必须对该产品的研发进行技术风险管理。 上海微电子装备有限公司( s h a n g h a im i c r o e l e c t r o n i ce q u i p m e n tc o l t d ， 简称s m e e ) 承担了该项目。公司从全国各地汇聚光刻技术人材，利用国内、国际 资源，实施了项目管理t e a m c e n t e rp r o j e c t 、产品生命周期管理t e a m c e n t e r 6 第1 章绪论 e n t e r p r i s 和技术风险管理。作者在s m e e - f 作一年半，担任了s m e e 的项目经理， 负责研发项目的信息化( t e a m c e n t e rp r o j e c t 、t e a m c e n t e re n t e r p r i s ) 支撑 平台的搭建和研发项目技术风险管理。 论文以光刻机为研究应用背景，研究分析复杂产品研发的技术风险，合理 地评估技术风险的大小，并分析风险因素，为风险控制提供决策依据。 1 1 5 光刻设备简介 光刻设备( l i t h o g r a p h y 或i m a g i n g ) 是传送电路图案至晶片表面的装备。它 是半导体制造商不断更新i c 设计；增加单位晶片的芯片产量；以及实现芯片更 高速化、多功能化的关键技术。光刻机系统( l i t h o g r a p h ys y s t e m 亦称：s t e p p e r 或s t e p s c a n - z 具) 是用来将i c 构图通过投影过程直接转换到硅晶片上，这 过程非常类似于相机将景象映射到胶片上。通过激光器发出的光，被投射到掩 膜片上。掩模片就是一种附有电路图像原版拷贝的石英片。再透过一系列的镜 片，最终将电路图像投射在一层薄薄的硅片上。硅片就是被涂上一层称作为光 刻胶( p h o t o r e s i s t ) 的晶片。此时，晶片又进一步被加工将晶片上的已 有电路图像层显现出来，如图1 3 所示。 j il “” 二埏彰 匕= 兰刍 。其中b s 为贝叶斯网络结构，是 一个具有1 7 个节点的有向无环图( d i r e c t e da c y c l i cg r a p h ，d a g ) 。节点的状 态对应于事件的信度值，节点之间的有向边表示了事件之间的因果关系，它是 贝叶斯网络的定性部分。助是贝叶斯网络的条件概率表集合，用来表示子节点 3 2 第2 章复杂产品研发技术风险管理基本原理 同其父节点的相关关系，它是贝叶斯网络的定量部分。 赋予每个节点一个变量，在节点彤和直接引起z 的父节点集胱之间画上指 向尼的有向弧线。父节点对子节点的影响强度可以通过赋予每个变量彤一个p ( x , i p 石) 条件概率表( c o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t yt a b l e ，c p t ) 表示。条件 概率表表明父节点雕在给定集合里的所有取值下，判断或者根据统计资料预估 事件彤= ) = 0 4 5 p ( e 1 2 ) = 0 5 5 根节点e 2 状态p ( 易2 瓴 ) = o 2 4 p ( 易2 勺2 ) = o 5 4p ( 最2 饥 ) = 0 2 2 表2 2 子节点的条件概率 扇 y ly 2 y 3 易 z 1 y 2刁z 2z lz 2 工10 9 90 0 lo 1 00 9 0o 1 50 8 5 局 x 2 o 7 80 2 2o 3 00 7 00 2 80 7 2 条件概率表是一种专家知识，难免存在一定的主观性，可以采用样本数据 反复调试的方法，对表中数据进行适度调整以提高评估结果的可信性。 2 5 3 贝叶斯网络的推理1 3 阳 贝叶斯网络的推理可以精确也可以近似，要视有向无环图的结构和具体采用 的推理方法而定。精确推理方法有团树概率传播法( p r o b a b il i t yp r o p a g a t i o ni n c 1i q u et r e e ，p p c t ) ；近似推理方法包括随机抽样法( p r o b a b i li s t i cs a m p l i n g ) 。 概括地说，概率推理方法就是在贝叶斯网络中计算p ( v = v i e = p ) 的过程， 其中矿表示变量v 的取值，p 表示观测值，就是在贝叶斯网络中对变量集 厨赋予 的值。表达式p ( v e ) 所要考虑的问题是：给定观测变量 日的一个取值岛变量v 取矿的概率是多少? 仅以p p c t 介绍贝叶斯网络推理过程。 用p p c t 进行推理一般有两个步骤： 首先，把贝叶斯网络d a g 转化成一个辅助的计算结构，称之为团树( c li q u e t r e e ) ； 然后通过对辅助计算结构进行推演，计算出所要研究的概率。 第一个步骤是根据一个或多个优化标准，通过变量分解( 变量分组或变量消 除) 变成组或团( c l i q u e ) ；得到的计算结构称之为连接树( j u n c t i o nt r e e ， j t ) 或团树( c l i q u et r e e ，c t ) ，这种结构在推理开始之前必须初始化以保持 内部一致性。 在第二个步骤中，通过设置到( 初始化) 模型变量到它们的v 一状态，将证 3 5 第2 章复杂产品研发技术风险管理基本原理 据( 物理系统状态的观察值) 代入到树中；根据变量在图中的位置，利用观测 值可以预测或诊断“井诸 。这些证据( 观测到的信息) 在贝叶斯网络中由父节 点到子节点( 向前传播) 或子节点向父节点传播( 向后传播) 而更新概率信息。 不断代入新的观测值，这种双向的向内向外传播过程不断重复，保证了整个网 络内的后验概率的一致性。 团树由图和数组成。图部分由无向树丁构成，每个节点都是非空的变量集合， 即团。团之间的边用相邻团的交集作为标记，这些标记称之为“s e p s e t s 。这 些团必须满足团树性质，