軍用電子元器件質量等級的統計分析研究

賈陽光,韓 迪,常海峰,王希彥,李 靖

(1.中國兵器工業新技術推廣研究所,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量,在20世紀八九十年代,我國參照美國軍用標準(MIL)體系,結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范、標準、指導性技術文件3種形式國軍標體系,構建了電子元器件質量等級的管理體系。目前,市場上的電子元器件種類繁多、標準體系交織、生產廠商魚龍混雜、產品質量良莠不齊等,給電子元器件產品高質量選用帶來了諸多挑戰與困難。同時,我國元器件的質量等級提法體系很多:1)用于電子元器件生產控制、選擇和采購的質量等級標準,如質量保證等級和失效率等級等;2)用于電子設備可靠性預計的質量等級,如軍品級、工業級、商業級等;3)根據溫度范圍來區分器件的級別,如宇航級、軍溫級、工業級、商業級等。這種從不同體系來區分電子元器件的質量等級,研制方需根據不同需求制定多種標準,用戶方按元器件種類選取、應用劃分存在困難,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范,但是對于同一類的元件,就可以有不止一個總規范。又如:電子元器件涉及總規范有400余項,每個總規范又有若干個詳細規范配套,電子元器件的產品規范(總規范和詳細規范)的數量在電子元器件標準體系中占很大的比例。

軍用電子元器件的質量等級研究有助于推動武器裝備的選用控制,進而可以提升武器裝備的質量可靠性,減少使用成本。自20世紀90年代,國內以現行的軍用標準為依據,按照功能、結構、材料等把軍用電子元器件劃分為微電路、半導體分立器件和附件等34類[1],按照軍用電子元器件質量認證程序規則構建了軍用電子元器件合格產品目錄(QPL)和軍用電子元器件合格制造廠目錄(QML),給質量等級研究奠定了基礎。國內學者紛紛開展軍用電子元器件的質量等級研究,鄭麗香等[2]剖析了國內外電子元器件生產保證與可靠性預計的兩種質量等級體系,給出了國內外詳細的質量等級標識及對應關系。彭偉等[3]對軍用電子元器件質量等級的定義、質量等級在相關標準規范中的表現形式、各種質量等級的內在關系和國內外元器件應用等級進行了剖析,闡明了軍用電子元器件質量等級與應用等級的相互關系。肖鳳娟等[4]剖析了武器裝備用電子元器件在質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措施。此外,隨著優選目錄和統標統型工作的落實落地,武器裝備使用軍用電子元器件管理和選用出現了集約化、規律性,給軍用電子元器件的質量等級研究提供了數據基礎,需要按產品類別和生產廠商統計質量等級分布情況,為武器裝備軍用電子元器件的設計研發以及選用驗證提供數據依據。

本文基于上述學者專家的理論成果,通過梳理30余萬種武器裝備在用的國產軍用電子元器件數據,按生產廠商及數據分類歸類分析,總結提煉出各類別的質量等級分布情況及選用原則的規律性和重復性,進而提出按照類別總結質量等級的可能性,并深入開展選用現狀及選用原則研究,提出改進建議,進一步指導設計師選型應用和目錄建設。

1 國產軍用電子元器件數據研究

軍用電子元器件作為電子裝備、信息系統的基本單元,直接影響到武器裝備功能實現和性能發揮,其選用對于裝備信息化、智能化至關重要。目前,武器裝備研制、生產、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使用軍用電子元器件的數據進行分析,來總結國產軍用電子元器件的質量等級分布規律。本文數據研究過程由4個主要階段組成:數據采集、數據處理、數據挖掘和數據展示。通過對數據分析研究(見圖1),總結發現武器裝備使用元器件有如下特點。

圖1 數據研究的過程

1)生產廠商較為集中。因武器裝備研制繼承性以及長期穩定供貨要求,往往選擇行業大廠,同時各軍種、工業部門均在積極推進電子元器件合格供方、目錄建設、統型工作和型譜布局等工作,加速推進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余萬條國產軍用電子元器件的生產廠商進行統計分析,涉及200余家生產廠商,集中在北京、四川、陜西、江蘇等地,而質量等級與生產廠商密切相關,生產廠商的集中分布給質量等級的研究分析提供了可能。

2)數據分類較為規范。通過對武器裝備在用30余萬條國產軍用電子元器件的類別進行統計分析,包括微電路、半導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%)。各質量等級和預計等級分布情況見表1,涉及質量等級128項、預計等級173項,基本摸清各類別的已上裝軍用電子元器件的質量等級分布情況。目前,設計師的選用工作也是依據類別開展,數據分類較為規范,給質量等級與分類關聯研究提供了可能。

2 選用現狀研究

鑒于軍用電子元器件對現代武器裝備升級換代和現代戰爭巨大推動作用,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)認證和可信(TRUST)認證、供應商管理體系和產品質量體系來保證國防關鍵技術領域的優勢。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,禁止外國設備或商品,尤其電子元器件流入國防事業建設[5-6]。由于我國軍用電子元器件基礎理論系統性研究不夠,生產單位試驗和應用數據的積累不足,軍用電子元器件產品型譜初步建立,還未形成權威的產品選型指南以及優選目錄。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元器件供應商生產單位的基本情況、產品種類等掌握有限,導致型號設計階段多優先選用熟悉產品,且CPU、A/D、D/A、總線控制器、數字信號處理器、存儲器高端核心器件多選用進口產品;加之型號構成的復雜性、分散性,型號層級涉及系統、分系統、設備、基礎產品5級,涉及貨架、沿用、改進、新研等多類型產品,其核心器件選用權在設備研制單位而不在總體單位,設計師隊伍往往是跨行業、跨單位,造成武器裝備用元器件種類紛繁復雜。近年來,各軍兵種、工業部門出臺了一系列對于武器裝備使用電子元器件的文件,積極構建元器件優選目錄和研制型譜,并對上機上裝元器件的技術成熟度、長期穩定供貨能力提出了越來越嚴格的要求,質量等級的分布性愈發規律[7]。

表1 軍用電子元器件質量等級和預計等級分布情況

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,積極構建軍用電子元器件優選目錄、研制型譜、合格供方,并對上機上裝元器件的技術成熟度、長期穩定供貨能力提出了越來越嚴格的要求,開展軍用電子元器件選用研究,對于質量等級關聯分析越發重要。針對選用電子元器件的質量等級,制定了符合工程特點和可靠性設計要求:1)應優先選用《目錄》《手冊》、有履歷的中的電子元器件;2)應推薦選用《優選目錄》、QPL、QML的電子元器件;3)應立足于國情,選用國產元器件;4)關鍵重要的部件、分配可靠性指標高的產品、可靠性預計手冊中基本失效率高的產品,應選用質量等級高的元器件;5)應最大限度地壓縮電子元器件的規格和數量。

3 改進建議

現在戰爭對于信息化、智能化電子設備、控制組件的需求愈發旺盛,而軍用電子元器件是實現武器裝備信息化、智能化的關鍵,所以選用高可靠性和高質量電子元器件的重要性日益凸顯。據公開數據報道,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造成。在選用、采購元器件中準確地確定與標識元器件的質量等級和考核標準,不僅可以解決可靠性的一個源頭,還可以減少經濟與質量方面的損失,應引起元器件選用與采購人員的足夠重視。為保證軍用電子產品的可靠性,應嚴格把控選型,需進一步精簡質量等級分類標準,規范電子元器件命名原則,加強電子元器件選用管理。

3.1 進一步精簡質量等級分類標準

質量等級標準體系的構建解決了軍用電子元器件的質量等級規定的難題,但這種從不同角度衡量軍用電子元器件的質量等級,對于元器件的管理和選用是非常不利的。目前設計師選用軍用電子元器件時,首先根據元器件隸屬的產品分類,再查找各產品分類適合的規范、標準、指導性技術文件等,最后選擇適合質量等級的電子元器件產品。但由于元器件的產品種類繁多,規定元器件質量等級文件較多,選擇合適質量等級的電子元器件也存在一定的困難。建議由權威部門牽頭,制修訂質量等級相關文件,做到不同類型元器件質量等級從高到低表述方式一致,簡化現有標準代號及種類[8],進一步優化元器件的管理和選取。

3.2 進一步規范電子元器件命名原則

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

3.3 進一步加強電子元器件選用管理

我國裝備構成的復雜性、分散性,型號層級涉及系統、分系統、設備、基礎產品5級,涉及貨架、沿用、改進、新研等多類型產品,其核心器件選用權在設備研制單位而不在總體單位,設計師隊伍往往是跨行業、跨單位,造成武器裝備用元器件種類紛繁復雜。據統計,某型裝備選用37項規格、94個中央處理器,在不影響原先功能和性能發揮可壓縮至11項規格、66個中央處理器,本類元器件預計減少40%以上采購成本。進一步加強軍用電子元器件的選用管理,逐步完善元器件選用、合格供方頂層規定,加強新研元器件產品型譜化工作,同時開發元器件選用管理系統,及時、準確、規范地將優選器件產品信息提供給設計師參考和使用。

4 結語

軍用電子元器件的質量等級關系著武器裝備的質量可靠性和戰斗力。本文結合武器裝備研制任務需求和質量可靠性要求,通過大量統計分析元器件選用數據,總結了生產廠商較為集中、數據分類較為規范等,梳理了各類別下的質量等級和預計等級分布情況,并分析了軍用電子元器件的選用現狀,提出了精簡質量等級分類標準、規范電子元器件命名原則、加強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。