軍用電子元器件質(zhì)量等級的統(tǒng)計分析研究

賈陽光,韓 迪,常海峰,王希彥,李 靖

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所,北京 100089;2.北方國際合作股份有限公司,北京 100040)

為了保證電子元器件的質(zhì)量,在20世紀(jì)八九十年代,我國參照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)(MIL)體系,結(jié)合我國電子元器件實際情況和使用需求,逐步建立了包括元器件的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)性技術(shù)文件3種形式國軍標(biāo)體系,構(gòu)建了電子元器件質(zhì)量等級的管理體系。目前,市場上的電子元器件種類繁多、標(biāo)準(zhǔn)體系交織、生產(chǎn)廠商魚龍混雜、產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊等,給電子元器件產(chǎn)品高質(zhì)量選用帶來了諸多挑戰(zhàn)與困難。同時,我國元器件的質(zhì)量等級提法體系很多:1)用于電子元器件生產(chǎn)控制、選擇和采購的質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn),如質(zhì)量保證等級和失效率等級等;2)用于電子設(shè)備可靠性預(yù)計的質(zhì)量等級,如軍品級、工業(yè)級、商業(yè)級等;3)根據(jù)溫度范圍來區(qū)分器件的級別,如宇航級、軍溫級、工業(yè)級、商業(yè)級等。這種從不同體系來區(qū)分電子元器件的質(zhì)量等級,研制方需根據(jù)不同需求制定多種標(biāo)準(zhǔn),用戶方按元器件種類選取、應(yīng)用劃分存在困難,對電子元器件的管理和使用是十分不利的。此外,每一類器件只有一個總規(guī)范,但是對于同一類的元件,就可以有不止一個總規(guī)范。又如:電子元器件涉及總規(guī)范有400余項,每個總規(guī)范又有若干個詳細(xì)規(guī)范配套,電子元器件的產(chǎn)品規(guī)范(總規(guī)范和詳細(xì)規(guī)范)的數(shù)量在電子元器件標(biāo)準(zhǔn)體系中占很大的比例。

軍用電子元器件的質(zhì)量等級研究有助于推動武器裝備的選用控制,進(jìn)而可以提升武器裝備的質(zhì)量可靠性,減少使用成本。自20世紀(jì)90年代,國內(nèi)以現(xiàn)行的軍用標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),按照功能、結(jié)構(gòu)、材料等把軍用電子元器件劃分為微電路、半導(dǎo)體分立器件和附件等34類[1],按照軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證程序規(guī)則構(gòu)建了軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄(QPL)和軍用電子元器件合格制造廠目錄(QML),給質(zhì)量等級研究奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者紛紛開展軍用電子元器件的質(zhì)量等級研究,鄭麗香等[2]剖析了國內(nèi)外電子元器件生產(chǎn)保證與可靠性預(yù)計的兩種質(zhì)量等級體系,給出了國內(nèi)外詳細(xì)的質(zhì)量等級標(biāo)識及對應(yīng)關(guān)系。彭偉等[3]對軍用電子元器件質(zhì)量等級的定義、質(zhì)量等級在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的表現(xiàn)形式、各種質(zhì)量等級的內(nèi)在關(guān)系和國內(nèi)外元器件應(yīng)用等級進(jìn)行了剖析,闡明了軍用電子元器件質(zhì)量等級與應(yīng)用等級的相互關(guān)系。肖鳳娟等[4]剖析了武器裝備用電子元器件在質(zhì)量等級選擇方面存在的問題,對新形勢下武器裝備用元器件自主保障的要求和武器裝備高可靠、長貯存壽命、高性能的需要,新一代武器裝備提出了改進(jìn)措施。此外,隨著優(yōu)選目錄和統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作的落實落地,武器裝備使用軍用電子元器件管理和選用出現(xiàn)了集約化、規(guī)律性,給軍用電子元器件的質(zhì)量等級研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),需要按產(chǎn)品類別和生產(chǎn)廠商統(tǒng)計質(zhì)量等級分布情況,為武器裝備軍用電子元器件的設(shè)計研發(fā)以及選用驗證提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

本文基于上述學(xué)者專家的理論成果,通過梳理30余萬種武器裝備在用的國產(chǎn)軍用電子元器件數(shù)據(jù),按生產(chǎn)廠商及數(shù)據(jù)分類歸類分析,總結(jié)提煉出各類別的質(zhì)量等級分布情況及選用原則的規(guī)律性和重復(fù)性,進(jìn)而提出按照類別總結(jié)質(zhì)量等級的可能性,并深入開展選用現(xiàn)狀及選用原則研究,提出改進(jìn)建議,進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計師選型應(yīng)用和目錄建設(shè)。

1 國產(chǎn)軍用電子元器件數(shù)據(jù)研究

軍用電子元器件作為電子裝備、信息系統(tǒng)的基本單元,直接影響到武器裝備功能實現(xiàn)和性能發(fā)揮,其選用對于裝備信息化、智能化至關(guān)重要。目前,武器裝備研制、生產(chǎn)、維修、檢測等過程中使用了大量的軍用電子元器件,為此嘗試通過對上裝上機(jī)使用軍用電子元器件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,來總結(jié)國產(chǎn)軍用電子元器件的質(zhì)量等級分布規(guī)律。本文數(shù)據(jù)研究過程由4個主要階段組成:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)展示。通過對數(shù)據(jù)分析研究(見圖1),總結(jié)發(fā)現(xiàn)武器裝備使用元器件有如下特點。

圖1 數(shù)據(jù)研究的過程

1)生產(chǎn)廠商較為集中。因武器裝備研制繼承性以及長期穩(wěn)定供貨要求,往往選擇行業(yè)大廠,同時各軍種、工業(yè)部門均在積極推進(jìn)電子元器件合格供方、目錄建設(shè)、統(tǒng)型工作和型譜布局等工作,加速推進(jìn)武器裝備使用電子元器件的通用化、集約化、系列化,通過對武器裝備在用30余萬條國產(chǎn)軍用電子元器件的生產(chǎn)廠商進(jìn)行統(tǒng)計分析,涉及200余家生產(chǎn)廠商,集中在北京、四川、陜西、江蘇等地,而質(zhì)量等級與生產(chǎn)廠商密切相關(guān),生產(chǎn)廠商的集中分布給質(zhì)量等級的研究分析提供了可能。

2)數(shù)據(jù)分類較為規(guī)范。通過對武器裝備在用30余萬條國產(chǎn)軍用電子元器件的類別進(jìn)行統(tǒng)計分析,包括微電路、半導(dǎo)體分立器件和附件等31類(不涉及電氣電子組件、板和卡,其他光纖元器件,燃料電池及其部件和附件等3類),條目超過1萬條共涉及電阻器(278 794條,占比73.16%)、電容器(36 407條,占比9.55%)、電連接器(20 136條,占比5.28%)、半導(dǎo)體分立器件和附件(19 412條,占比5.09%)、微電路(11 308條,占比2.97%)等5個類別,敏感元器件和傳感器(件)等26個類別(15 018條,占比3.95%)。各質(zhì)量等級和預(yù)計等級分布情況見表1,涉及質(zhì)量等級128項、預(yù)計等級173項,基本摸清各類別的已上裝軍用電子元器件的質(zhì)量等級分布情況。目前,設(shè)計師的選用工作也是依據(jù)類別開展,數(shù)據(jù)分類較為規(guī)范,給質(zhì)量等級與分類關(guān)聯(lián)研究提供了可能。

2 選用現(xiàn)狀研究

鑒于軍用電子元器件對現(xiàn)代武器裝備升級換代和現(xiàn)代戰(zhàn)爭巨大推動作用,以美國、日本、英國為代表國家,建立了軍用電子元器件合格制造商目錄(QML)認(rèn)證和可信(TRUST)認(rèn)證、供應(yīng)商管理體系和產(chǎn)品質(zhì)量體系來保證國防關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢。俄羅斯高度重視武器裝備的元器件選用,堅持核心元器件本土生產(chǎn),禁止外國設(shè)備或商品,尤其電子元器件流入國防事業(yè)建設(shè)[5-6]。由于我國軍用電子元器件基礎(chǔ)理論系統(tǒng)性研究不夠,生產(chǎn)單位試驗和應(yīng)用數(shù)據(jù)的積累不足,軍用電子元器件產(chǎn)品型譜初步建立,還未形成權(quán)威的產(chǎn)品選型指南以及優(yōu)選目錄。此外,受限于保密等諸多因素,武器裝備承研承制等用戶單位對于國內(nèi)元器件供應(yīng)商生產(chǎn)單位的基本情況、產(chǎn)品種類等掌握有限,導(dǎo)致型號設(shè)計階段多優(yōu)先選用熟悉產(chǎn)品,且CPU、A/D、D/A、總線控制器、數(shù)字信號處理器、存儲器高端核心器件多選用進(jìn)口產(chǎn)品;加之型號構(gòu)成的復(fù)雜性、分散性,型號層級涉及系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、基礎(chǔ)產(chǎn)品5級,涉及貨架、沿用、改進(jìn)、新研等多類型產(chǎn)品,其核心器件選用權(quán)在設(shè)備研制單位而不在總體單位,設(shè)計師隊伍往往是跨行業(yè)、跨單位,造成武器裝備用元器件種類紛繁復(fù)雜。近年來,各軍兵種、工業(yè)部門出臺了一系列對于武器裝備使用電子元器件的文件,積極構(gòu)建元器件優(yōu)選目錄和研制型譜,并對上機(jī)上裝元器件的技術(shù)成熟度、長期穩(wěn)定供貨能力提出了越來越嚴(yán)格的要求,質(zhì)量等級的分布性愈發(fā)規(guī)律[7]。

表1 軍用電子元器件質(zhì)量等級和預(yù)計等級分布情況

近年來,我國出臺了一系列武器裝備使用電子元器件的文件,積極構(gòu)建軍用電子元器件優(yōu)選目錄、研制型譜、合格供方,并對上機(jī)上裝元器件的技術(shù)成熟度、長期穩(wěn)定供貨能力提出了越來越嚴(yán)格的要求,開展軍用電子元器件選用研究,對于質(zhì)量等級關(guān)聯(lián)分析越發(fā)重要。針對選用電子元器件的質(zhì)量等級,制定了符合工程特點和可靠性設(shè)計要求:1)應(yīng)優(yōu)先選用《目錄》《手冊》、有履歷的中的電子元器件;2)應(yīng)推薦選用《優(yōu)選目錄》、QPL、QML的電子元器件;3)應(yīng)立足于國情,選用國產(chǎn)元器件;4)關(guān)鍵重要的部件、分配可靠性指標(biāo)高的產(chǎn)品、可靠性預(yù)計手冊中基本失效率高的產(chǎn)品,應(yīng)選用質(zhì)量等級高的元器件;5)應(yīng)最大限度地壓縮電子元器件的規(guī)格和數(shù)量。

3 改進(jìn)建議

現(xiàn)在戰(zhàn)爭對于信息化、智能化電子設(shè)備、控制組件的需求愈發(fā)旺盛,而軍用電子元器件是實現(xiàn)武器裝備信息化、智能化的關(guān)鍵,所以選用高可靠性和高質(zhì)量電子元器件的重要性日益凸顯。據(jù)公開數(shù)據(jù)報道,近50%的電子元器件失效并非源于固有可靠性不高,而是由于元器件選型不當(dāng)造成。在選用、采購元器件中準(zhǔn)確地確定與標(biāo)識元器件的質(zhì)量等級和考核標(biāo)準(zhǔn),不僅可以解決可靠性的一個源頭,還可以減少經(jīng)濟(jì)與質(zhì)量方面的損失,應(yīng)引起元器件選用與采購人員的足夠重視。為保證軍用電子產(chǎn)品的可靠性,應(yīng)嚴(yán)格把控選型,需進(jìn)一步精簡質(zhì)量等級分類標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范電子元器件命名原則,加強(qiáng)電子元器件選用管理。

3.1 進(jìn)一步精簡質(zhì)量等級分類標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建解決了軍用電子元器件的質(zhì)量等級規(guī)定的難題,但這種從不同角度衡量軍用電子元器件的質(zhì)量等級,對于元器件的管理和選用是非常不利的。目前設(shè)計師選用軍用電子元器件時,首先根據(jù)元器件隸屬的產(chǎn)品分類,再查找各產(chǎn)品分類適合的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)性技術(shù)文件等,最后選擇適合質(zhì)量等級的電子元器件產(chǎn)品。但由于元器件的產(chǎn)品種類繁多,規(guī)定元器件質(zhì)量等級文件較多,選擇合適質(zhì)量等級的電子元器件也存在一定的困難。建議由權(quán)威部門牽頭,制修訂質(zhì)量等級相關(guān)文件,做到不同類型元器件質(zhì)量等級從高到低表述方式一致,簡化現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)代號及種類[8],進(jìn)一步優(yōu)化元器件的管理和選取。

3.2 進(jìn)一步規(guī)范電子元器件命名原則

國產(chǎn)電子元器件型號標(biāo)識匯編了半導(dǎo)體集成電路型號命名方法(標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3430—1989)、厚膜、薄膜集成電路型號命名方法(標(biāo)準(zhǔn)GB 2704—1981)等24項電子元器件命名標(biāo)準(zhǔn)[9],對不同類別的元器件型號的符號及意義進(jìn)行規(guī)定。但與進(jìn)口元器件的型號命名相比,國內(nèi)的命名不要求溫度等級、封裝、性能等元器件特性信息,設(shè)計師無法利用元器件命名規(guī)則選用國產(chǎn)元器件型號,應(yīng)盡快出臺相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)范,對于電子元器件命名加以約束,提高選用設(shè)計的辨識度,從而提高元器件選型和采購效率[10-11]。

3.3 進(jìn)一步加強(qiáng)電子元器件選用管理

我國裝備構(gòu)成的復(fù)雜性、分散性,型號層級涉及系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、基礎(chǔ)產(chǎn)品5級,涉及貨架、沿用、改進(jìn)、新研等多類型產(chǎn)品,其核心器件選用權(quán)在設(shè)備研制單位而不在總體單位,設(shè)計師隊伍往往是跨行業(yè)、跨單位,造成武器裝備用元器件種類紛繁復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計,某型裝備選用37項規(guī)格、94個中央處理器,在不影響原先功能和性能發(fā)揮可壓縮至11項規(guī)格、66個中央處理器,本類元器件預(yù)計減少40%以上采購成本。進(jìn)一步加強(qiáng)軍用電子元器件的選用管理,逐步完善元器件選用、合格供方頂層規(guī)定,加強(qiáng)新研元器件產(chǎn)品型譜化工作,同時開發(fā)元器件選用管理系統(tǒng),及時、準(zhǔn)確、規(guī)范地將優(yōu)選器件產(chǎn)品信息提供給設(shè)計師參考和使用。

4 結(jié)語

軍用電子元器件的質(zhì)量等級關(guān)系著武器裝備的質(zhì)量可靠性和戰(zhàn)斗力。本文結(jié)合武器裝備研制任務(wù)需求和質(zhì)量可靠性要求,通過大量統(tǒng)計分析元器件選用數(shù)據(jù),總結(jié)了生產(chǎn)廠商較為集中、數(shù)據(jù)分類較為規(guī)范等,梳理了各類別下的質(zhì)量等級和預(yù)計等級分布情況,并分析了軍用電子元器件的選用現(xiàn)狀,提出了精簡質(zhì)量等級分類標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范電子元器件命名原則、加強(qiáng)電子元器件選用管理,來支撐新形勢下武器裝備用元器件自主保障的要求和武器裝備高可靠、長貯存壽命、低成本的需要。