軍用電子元器件質(zhì)量等級(jí)的統(tǒng)計(jì)分析研究

賈陽(yáng)光,韓 迪,常海峰,王希彥,李 靖

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所,北京 100089;2.北方國(guó)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(guó)參照美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)(MIL)體系,結(jié)合我國(guó)電子元器件實(shí)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(guó)軍標(biāo)體系,構(gòu)建了電子元器件質(zhì)量等級(jí)的管理體系。目前,市場(chǎng)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(shí),我國(guó)元器件的質(zhì)量等級(jí)提法體系很多:1)用于電子元器件生產(chǎn)控制、選擇和采購(gòu)的質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),如質(zhì)量保證等級(jí)和失效率等級(jí)等;2)用于電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的質(zhì)量等級(jí),如軍品級(jí)、工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)等;3)根據(jù)溫度范圍來區(qū)分器件的級(jí)別,如宇航級(jí)、軍溫級(jí)、工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)等。這種從不同體系來區(qū)分電子元器件的質(zhì)量等級(jí),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(duì)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(gè)總規(guī)范,但是對(duì)于同一類的元件,就可以有不止一個(gè)總規(guī)范。又如:電子元器件涉及總規(guī)范有400余項(xiàng),每個(gè)總規(guī)范又有若干個(gè)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(jí)研究有助于推動(dòng)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(guó)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(jí)研究奠定了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)學(xué)者紛紛開展軍用電子元器件的質(zhì)量等級(jí)研究,鄭麗香等[2]剖析了國(guó)內(nèi)外電子元器件生產(chǎn)保證與可靠性預(yù)計(jì)的兩種質(zhì)量等級(jí)體系,給出了國(guó)內(nèi)外詳細(xì)的質(zhì)量等級(jí)標(biāo)識(shí)及對(duì)應(yīng)關(guān)系。彭偉等[3]對(duì)軍用電子元器件質(zhì)量等級(jí)的定義、質(zhì)量等級(jí)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(jí)的內(nèi)在關(guān)系和國(guó)內(nèi)外元器件應(yīng)用等級(jí)進(jìn)行了剖析,闡明了軍用電子元器件質(zhì)量等級(jí)與應(yīng)用等級(jí)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(jí)選擇方面存在的問題,對(duì)新形勢(shì)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(zhǎng)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(shí)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(jí)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(jì)質(zhì)量等級(jí)分布情況,為武器裝備軍用電子元器件的設(shè)計(jì)研發(fā)以及選用驗(yàn)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(guó)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(jí)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(jí)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(jì)師選型應(yīng)用和目錄建設(shè)。

1 國(guó)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(shí)現(xiàn)和性能發(fā)揮,其選用對(duì)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(cè)等過程中使用了大量的軍用電子元器件,為此嘗試通過對(duì)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(guó)產(chǎn)軍用電子元器件的質(zhì)量等級(jí)分布規(guī)律。本文數(shù)據(jù)研究過程由4個(gè)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(duì)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(diǎn)。

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(zhǎng)期穩(wěn)定供貨要求,往往選擇行業(yè)大廠,同時(shí)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(duì)武器裝備在用30余萬條國(guó)產(chǎn)軍用電子元器件的生產(chǎn)廠商進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jí)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(jí)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(duì)武器裝備在用30余萬條國(guó)產(chǎn)軍用電子元器件的類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(gè)類別,敏感元器件和傳感器(件)等26個(gè)類別(15 018條,占比3.95%)。各質(zhì)量等級(jí)和預(yù)計(jì)等級(jí)分布情況見表1,涉及質(zhì)量等級(jí)128項(xiàng)、預(yù)計(jì)等級(jí)173項(xiàng),基本摸清各類別的已上裝軍用電子元器件的質(zhì)量等級(jí)分布情況。目前,設(shè)計(jì)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(jí)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(duì)現(xiàn)代武器裝備升級(jí)換代和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)巨大推動(dòng)作用,以美國(guó)、日本、英國(guó)為代表國(guó)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(guó)防關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。俄羅斯高度重視武器裝備的元器件選用,堅(jiān)持核心元器件本土生產(chǎn),禁止外國(guó)設(shè)備或商品,尤其電子元器件流入國(guó)防事業(yè)建設(shè)[5-6]。由于我國(guó)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(yàn)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(duì)于國(guó)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(hào)設(shè)計(jì)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(hào)處理器、存儲(chǔ)器高端核心器件多選用進(jìn)口產(chǎn)品;加之型號(hào)構(gòu)成的復(fù)雜性、分散性,型號(hào)層級(jí)涉及系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、基礎(chǔ)產(chǎn)品5級(jí),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(jì)師隊(duì)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(tái)了一系列對(duì)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(duì)上機(jī)上裝元器件的技術(shù)成熟度、長(zhǎng)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(jí)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(jí)和預(yù)計(jì)等級(jí)分布情況

近年來,我國(guó)出臺(tái)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(duì)上機(jī)上裝元器件的技術(shù)成熟度、長(zhǎng)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(duì)于質(zhì)量等級(jí)關(guān)聯(lián)分析越發(fā)重要。針對(duì)選用電子元器件的質(zhì)量等級(jí),制定了符合工程特點(diǎn)和可靠性設(shè)計(jì)要求:1)應(yīng)優(yōu)先選用《目錄》《手冊(cè)》、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(guó)情,選用國(guó)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(jì)手冊(cè)中基本失效率高的產(chǎn)品,應(yīng)選用質(zhì)量等級(jí)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(zhēng)對(duì)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(shí)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(bào)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(gòu)元器件中準(zhǔn)確地確定與標(biāo)識(shí)元器件的質(zhì)量等級(jí)和考核標(biāo)準(zhǔn),不僅可以解決可靠性的一個(gè)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(gòu)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(jiǎn)質(zhì)量等級(jí)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(jiǎn)質(zhì)量等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)量等級(jí)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(jí)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(jí),對(duì)于元器件的管理和選用是非常不利的。目前設(shè)計(jì)師選用軍用電子元器件時(shí),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(jí)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(jí)文件較多,選擇合適質(zhì)量等級(jí)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(jí)相關(guān)文件,做到不同類型元器件質(zhì)量等級(jí)從高到低表述方式一致,簡(jiǎn)化現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)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(guó)產(chǎn)電子元器件型號(hào)標(biāo)識(shí)匯編了半導(dǎo)體集成電路型號(hào)命名方法(標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3430—1989)、厚膜、薄膜集成電路型號(hào)命名方法(標(biāo)準(zhǔn)GB 2704—1981)等24項(xiàng)電子元器件命名標(biāo)準(zhǔn)[9],對(duì)不同類別的元器件型號(hào)的符號(hào)及意義進(jìn)行規(guī)定。但與進(jìn)口元器件的型號(hào)命名相比,國(guó)內(nèi)的命名不要求溫度等級(jí)、封裝、性能等元器件特性信息,設(shè)計(jì)師無法利用元器件命名規(guī)則選用國(guó)產(chǎn)元器件型號(hào),應(yīng)盡快出臺(tái)相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)范,對(duì)于電子元器件命名加以約束,提高選用設(shè)計(jì)的辨識(shí)度,從而提高元器件選型和采購(gòu)效率[10-11]。

3.3 進(jìn)一步加強(qiáng)電子元器件選用管理

我國(guó)裝備構(gòu)成的復(fù)雜性、分散性,型號(hào)層級(jí)涉及系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、基礎(chǔ)產(chǎn)品5級(jí),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(jì)師隊(duì)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(jì),某型裝備選用37項(xiàng)規(guī)格、94個(gè)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(xiàng)規(guī)格、66個(gè)中央處理器,本類元器件預(yù)計(jì)減少40%以上采購(gòu)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(shí)開發(fā)元器件選用管理系統(tǒng),及時(shí)、準(zhǔn)確、規(guī)范地將優(yōu)選器件產(chǎn)品信息提供給設(shè)計(jì)師參考和使用。

4 結(jié)語(yǔ)

軍用電子元器件的質(zhì)量等級(jí)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(jì)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(jí)和預(yù)計(jì)等級(jí)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(jiǎn)質(zhì)量等級(jí)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(shì)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(zhǎng)貯存壽命、低成本的需要。