技術(shù)成熟度評估在進(jìn)口替代電子材料開發(fā)中的應(yīng)用

趙 丹，鄒嘉佳，管美章，范曉春

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230031)

1 軍事裝備的技術(shù)成熟度應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)英國國防部的定義[1]，技術(shù)就緒水平（Technology Readiness Levels，TRL，文中根據(jù)慣例稱之為技術(shù)成熟度）的概念為：TRLs是一組使用特定的標(biāo)準(zhǔn)來界定技術(shù)成熟度的漸變等級，以評估將在研發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)元素（Critical Technology Elements，CTEs）的成熟度并形成評估報告的過程[2]。通過確定與技術(shù)及系統(tǒng)集成相關(guān)的風(fēng)險來為項目提供技術(shù)成熟度標(biāo)識，是國內(nèi)外普遍使用的技術(shù)管理工具。GJB 7688-2012《裝備技術(shù)成熟度等級劃分及定義》以及其配套評估程序GJB 7689-2012《裝備技術(shù)成熟度評價程序》對適用于型號裝備的技術(shù)(軟硬件)、制造、管理的TRL進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，目前國內(nèi)軍事裝備研究使用的TRL的標(biāo)準(zhǔn) (廣泛使用于總裝先進(jìn)制造項目管理、國防科工局配套項目等)如表1所示。

2010年以后，相關(guān)單位陸續(xù)對軍用裝備的TRL進(jìn)行了詳細(xì)描述和領(lǐng)域劃分，如GJB 8345-2015《裝備制造成熟度等級劃分及定義》以及其配套評估程序GJB 8346-2015《裝備制造成熟度評價程序》、GJB/Z 173《技術(shù)成熟度評價指南》等不同領(lǐng)域的分標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

2 軍事裝備中電子材料的技術(shù)成熟度現(xiàn)狀

電子材料是型號產(chǎn)品電子裝備的基礎(chǔ)和基本組成，其技術(shù)成熟度對電子裝備的研制起著至關(guān)重要的作用，與電子型號產(chǎn)品的成熟度有著密切的關(guān)系。電子材料與型號產(chǎn)品技術(shù)成熟度之間的關(guān)系見表3[3]。新裝備的研發(fā)要求更高TRL的電子材料作支撐，而不會以并行開發(fā)的方式同時開展。以雷達(dá)為例，一款新型雷達(dá)裝備研制時處于TRL3的狀態(tài)，但電訊、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計方案必然優(yōu)選已有的成熟產(chǎn)品(TRL9)、已在其他型號上有過驗證經(jīng)歷的電子材料，在材料尚無成熟產(chǎn)品的情況下會選擇已有研究基礎(chǔ)、可穩(wěn)定小批量生產(chǎn)的材料(TRL＞6)。而雷達(dá)裝配轉(zhuǎn)入演示樣機(jī)階段，必須選擇總體單位認(rèn)可目錄內(nèi)的成熟產(chǎn)品(TRL9)。當(dāng)國內(nèi)沒有該材料的情況下，為了裝備的正常生產(chǎn)和使用，只能選擇相應(yīng)的國外產(chǎn)品。而在電子裝備或電子產(chǎn)品中，全球電子材料市場尤其是高端市場基本被杜邦公司、陶氏化學(xué)、默克集團(tuán)、三菱化學(xué)、信越化學(xué)工業(yè)株式會社、東京應(yīng)化工業(yè)株式會社、住友化學(xué)等國際巨頭壟斷[4]。

表1 軍事裝備技術(shù)成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 國軍標(biāo)不同領(lǐng)域的技術(shù)成熟度評價指南

隨著我國基礎(chǔ)科技能力的提升，裝備中的許多國外進(jìn)口材料逐步替換為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)材料，以滿足更高國產(chǎn)化程度、關(guān)鍵技術(shù)自主可控的更高要求。目前受國內(nèi)材料技術(shù)水平滯后于裝備應(yīng)用的實際情況，軍事裝備中新型電子材料的開發(fā)多采用國外型號規(guī)格等效替代的方式，即參數(shù)指標(biāo)等于或優(yōu)于國外進(jìn)口材料，加工性能基本等同于國外進(jìn)口材料，替代后的裝備性能必須與替換前保持高度一致和穩(wěn)定。因此進(jìn)口替代材料的開發(fā)受限條件更多，穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)要求更嚴(yán)格，現(xiàn)有裝備技術(shù)成熟度等級劃分不能滿足進(jìn)口替代研發(fā)的特殊性、針對性和適用性要求。而對于材料的TRA，特別是應(yīng)用于電子信息裝備的電子材料的開發(fā)流程卻遲遲沒有出臺，直至2018年國家才由工信部發(fā)布國標(biāo)《新材料技術(shù)成熟度等級劃分及定義》[5]。然而，民用領(lǐng)域材料開發(fā)的TRA考核機(jī)制和軍事裝備中的電子材料進(jìn)口替代開發(fā)流程也存在一定差異。因此，如何在裝備TRL較高的情況下，實現(xiàn)裝備使用電子材料的進(jìn)口替代并提升TRL存在巨大困難。

表3 電子材料與型號產(chǎn)品技術(shù)成熟度間的關(guān)系

電子材料具有品種多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、個性化強(qiáng)等特點，產(chǎn)品的配方、加工技術(shù)以及工藝條件決定了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。電子材料進(jìn)口替代的簡易流程一般如圖1所示，從替代品的選型完畢到最終成熟替代產(chǎn)品(可在型號設(shè)備中直接替代使用)的產(chǎn)生，需要進(jìn)行多步使用驗證測試。如半導(dǎo)體需要被設(shè)計才能使用于元器件，封裝材料也必須針對特定的半導(dǎo)體設(shè)計和不同應(yīng)用領(lǐng)域的制作工藝形成元器件，元器件則必須被設(shè)計才能應(yīng)用于組件模塊表現(xiàn)出功能；無機(jī)、有機(jī)基板必須制作成電路板，才能實現(xiàn)電性能的貫通和元器件的承載；顯示材料必須先集成到終端產(chǎn)品，才能測試性能和考察使用壽命；焊接、粘接材料必須有被連接的兩個既有部分，才能聯(lián)通功能和進(jìn)行測試；輔材和磁性材料等原材料必須應(yīng)用于制備過程，經(jīng)受現(xiàn)有工藝流程的洗禮，之后的產(chǎn)品才能進(jìn)行表征和衡量……因此在電子材料進(jìn)口替代的過程中，如何找尋一種合理的TRA和TRL，快速有效地建立驗證機(jī)制，提高國內(nèi)電子材料開發(fā)的后端市場認(rèn)可度，對提高軍事裝備中的國產(chǎn)化程度，提升關(guān)鍵材料的自我保障能力具有重要意義。

圖1 進(jìn)口替代電子材料的開發(fā)流程簡圖

根據(jù)材料開發(fā)的特殊性，國防科工局進(jìn)口替代(以下簡稱軍品替代)、工信部發(fā)布的國標(biāo)(以下簡稱國標(biāo))和航天材料產(chǎn)業(yè)界(以下簡稱航天材料)分別制定了不同的材料開發(fā)(替代)的TRL，如表4所示。

表4 材料開發(fā)研制的TRL說明

從表4中可見，三方均在材料開發(fā)的特性上進(jìn)行了TRL的重新定義，但對不同階段對應(yīng)的TRL仍有差異。如TRL3階段，軍品替代和航天材料都只要求開始初步實驗，主要性能不需要已經(jīng)實現(xiàn)，國標(biāo)卻已要求獲得具備主要性能的試樣。如TRL5階段，軍品替代和航天材料系統(tǒng)要求制備得到材料試樣，而國標(biāo)在TRL4階段時已經(jīng)要求獲得試樣。軍品替代和國標(biāo)在TRL6(環(huán)境驗證)階段達(dá)到統(tǒng)一要求標(biāo)準(zhǔn)，后期TRL基本類似；而航天材料系的TRA中并未提及使用和環(huán)境驗證，因此高TRL階段持續(xù)關(guān)注批產(chǎn)穩(wěn)定性。3種TRL的程度差異如圖2所示。

圖2 3種不同TRL的等級差異

比較而言，軍品替代的TRL劃分更適應(yīng)電子材料開發(fā)替代進(jìn)口的研發(fā)流程，表5為根據(jù)前期經(jīng)驗對此TRL等級描述的補充描述。

表5 進(jìn)口替代電子材料開發(fā)研制的TRL說明

3 微波復(fù)合介質(zhì)板的進(jìn)口替代TRA分析

為了將TRL定量應(yīng)用于進(jìn)口替代材料，通常將關(guān)鍵技術(shù)的成熟度量化加權(quán)，來評估同一材料不同技術(shù)狀態(tài)的成熟度。以微波復(fù)合介質(zhì)板為例，目前我國軍民企業(yè)均在大力研發(fā)進(jìn)口替代的產(chǎn)品，其TRL可由CTE的TRL及其影響權(quán)重加權(quán)平均得到[6]。具體計算公式為：

其中，TRL是微波復(fù)合介質(zhì)板的最終技術(shù)成熟度等級，n為涉及的CTE項數(shù)，CTE的TRLi表示第i項的CTE的TRL，權(quán)重i表示第i個CTE對應(yīng)的權(quán)重。單項CTE的TRL根據(jù)表5的規(guī)則進(jìn)行判定。CTE的權(quán)重根據(jù)項目團(tuán)隊、行業(yè)專家、TRA人員對關(guān)鍵技術(shù)對項目影響程度的三方意見綜合確定。

以低介電常數(shù)的微波復(fù)合介質(zhì)板的國產(chǎn)化替代開發(fā)為例，分別從原材料、配方、工藝、測試4個環(huán)節(jié)選取5種具有關(guān)鍵特性的CTE進(jìn)行量化考核。首先需要面臨原材料的性能控制，尤其是對作為介電主要成分的PTFE乳液的性能均一性和穩(wěn)定性的控制，否則以此為基礎(chǔ)的配方、工藝均受原材料性能的波動而產(chǎn)生較大離散。此CTE對配方確定之初的性能和大批量生產(chǎn)時的批次穩(wěn)定性影響很大。其次，關(guān)鍵配方確定后，需要對指定比例的填充陶瓷顆粒進(jìn)行有效的偶聯(lián)改性，商用單一偶聯(lián)劑無法較好地達(dá)到低量、高效、快速的偶聯(lián)效果，而復(fù)配偶聯(lián)劑的配方構(gòu)成、成分選型、偶聯(lián)水解和改性機(jī)理需要進(jìn)行細(xì)致的探索，并在達(dá)到穩(wěn)定工藝調(diào)控的狀態(tài)下確定可實施的工藝窗口邊界條件。但該CTE在配方固化、技術(shù)突破、生產(chǎn)條件穩(wěn)定之后的重要性逐漸下降。無論在小批量實驗還是穩(wěn)定化生產(chǎn)，均一、穩(wěn)定的微波復(fù)合介質(zhì)板基礎(chǔ)膠液都是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，小試通過簡易裝置和手工操作可以達(dá)到滿足性能的混合狀態(tài)，對小試產(chǎn)品的影響相對略低；而對中試、批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，混合穩(wěn)定性技術(shù)需要解決設(shè)備、參數(shù)、環(huán)境的協(xié)調(diào)，對產(chǎn)品一致性的影響很大。小試中在未固化的工藝參數(shù)和流程中，可以通過篩取獲得理想性能的局部樣品，因此包含溫度、壓力、時間的熱壓工藝曲線的影響程度較低。但在材料、配方穩(wěn)定之后，工藝的可靠、穩(wěn)定運行直接影響批量產(chǎn)品的成品率和生產(chǎn)效率。微波復(fù)合介質(zhì)板的關(guān)鍵性能測試缺乏可快速實施的國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，因此在需要測試大量數(shù)據(jù)的小試轉(zhuǎn)中試階段如何獲取可信數(shù)據(jù)成為制約項目進(jìn)度的主要問題之一。此項技術(shù)解決后，在產(chǎn)品開發(fā)中的重要性隨之降低。綜上所述，低介電常數(shù)的微波復(fù)合介質(zhì)板的國產(chǎn)化替代開發(fā)項目開展前、開展中期(關(guān)鍵性能滿足指標(biāo)的試樣)、完成后的TRL如表6所示。

從表6中可見，項目實施前，型號使用規(guī)格的國產(chǎn)微波復(fù)合介質(zhì)板的TRL只有1。經(jīng)過各個CTE的攻克，偏重于性能的提升而非工藝穩(wěn)定時，制備出關(guān)鍵性能滿足指標(biāo)、可穩(wěn)定重復(fù)測試的試樣時，符合TRL4研究室環(huán)境仿真驗證可行的要求。最終項目結(jié)題時，CTE的權(quán)重更偏向批量穩(wěn)定，綜合計算得到的TRL與TRL7試驗批工藝流程穩(wěn)定可靠一致。

表6 進(jìn)口替代微波復(fù)合介質(zhì)板開發(fā)研制的TRL說明

4 結(jié)論

技術(shù)成熟度等級是研發(fā)過程有效的風(fēng)險管理工具和市場推廣利器。文章分析比較了國內(nèi)外現(xiàn)行的幾種TRL對電子材料開發(fā)的適用性，并根據(jù)電子材料的技術(shù)特點，對在國外進(jìn)口替代電子材料開發(fā)過程的TRL進(jìn)行了補充定義。使用基于CTE權(quán)重的TRA，以微波復(fù)合介質(zhì)板的進(jìn)口替代研發(fā)為例進(jìn)行了技術(shù)成熟度評價，經(jīng)過加權(quán)平均后的TRL與軍品替代的判斷等級基本符合。

[1]AOF Technology Management Policy.Information and Guidance on the Technology Management aspects of UK MOD Defence Acquisition version 1.0.1[S].2008-11[2009-12-25].

[2]Office of the Director,Defense Research and Engineering(DDR&E).Technology Readiness Assessment (TRA)Deskbook[S/OL].2009-9-9[2009-9-15].

[3]彭勃.航空材料技術(shù)成熟度等級劃分與評價方法研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(22),66-67.

[4]張鎮(zhèn),宋濤,王本力.我國電子材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].新材料產(chǎn)業(yè),2016(5),1-10.

[5]科技司.新材料技術(shù)成熟度等級劃分及定義國家標(biāo)準(zhǔn)報批稿[EB/OL].(2017-12-18)[2018-3-29].http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057569/n3057584/c59 77823/content.html.

[6]郭道勸.基于TRL的技術(shù)成熟度模型及評估研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.