技术成熟度评估在进口替代电子材料开发中的应用

赵 丹，邹嘉佳，管美章，范晓春

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230031)

1 军事装备的技术成熟度应用现状

根据英国国防部的定义[1]，技术就绪水平（Technology Readiness Levels，TRL，文中根据惯例称之为技术成熟度）的概念为：TRLs是一组使用特定的标准来界定技术成熟度的渐变等级，以评估将在研发系统中应用的关键技术元素（Critical Technology Elements，CTEs）的成熟度并形成评估报告的过程[2]。通过确定与技术及系统集成相关的风险来为项目提供技术成熟度标识，是国内外普遍使用的技术管理工具。GJB 7688-2012《装备技术成熟度等级划分及定义》以及其配套评估程序GJB 7689-2012《装备技术成熟度评价程序》对适用于型号装备的技术(软硬件)、制造、管理的TRL进行了详细的划分，目前国内军事装备研究使用的TRL的标准 (广泛使用于总装先进制造项目管理、国防科工局配套项目等)如表1所示。

2010年以后，相关单位陆续对军用装备的TRL进行了详细描述和领域划分，如GJB 8345-2015《装备制造成熟度等级划分及定义》以及其配套评估程序GJB 8346-2015《装备制造成熟度评价程序》、GJB/Z 173《技术成熟度评价指南》等不同领域的分标准，如表2所示。

2 军事装备中电子材料的技术成熟度现状

电子材料是型号产品电子装备的基础和基本组成，其技术成熟度对电子装备的研制起着至关重要的作用，与电子型号产品的成熟度有着密切的关系。电子材料与型号产品技术成熟度之间的关系见表3[3]。新装备的研发要求更高TRL的电子材料作支撑，而不会以并行开发的方式同时开展。以雷达为例，一款新型雷达装备研制时处于TRL3的状态，但电讯、结构、工艺设计方案必然优选已有的成熟产品(TRL9)、已在其他型号上有过验证经历的电子材料，在材料尚无成熟产品的情况下会选择已有研究基础、可稳定小批量生产的材料(TRL＞6)。而雷达装配转入演示样机阶段，必须选择总体单位认可目录内的成熟产品(TRL9)。当国内没有该材料的情况下，为了装备的正常生产和使用，只能选择相应的国外产品。而在电子装备或电子产品中，全球电子材料市场尤其是高端市场基本被杜邦公司、陶氏化学、默克集团、三菱化学、信越化学工业株式会社、东京应化工业株式会社、住友化学等国际巨头垄断[4]。

表1 军事装备技术成熟度评价标准

表2 国军标不同领域的技术成熟度评价指南

随着我国基础科技能力的提升，装备中的许多国外进口材料逐步替换为具有自主知识产权的国产材料，以满足更高国产化程度、关键技术自主可控的更高要求。目前受国内材料技术水平滞后于装备应用的实际情况，军事装备中新型电子材料的开发多采用国外型号规格等效替代的方式，即参数指标等于或优于国外进口材料，加工性能基本等同于国外进口材料，替代后的装备性能必须与替换前保持高度一致和稳定。因此进口替代材料的开发受限条件更多，稳定性和可靠性等指标要求更严格，现有装备技术成熟度等级划分不能满足进口替代研发的特殊性、针对性和适用性要求。而对于材料的TRA，特别是应用于电子信息装备的电子材料的开发流程却迟迟没有出台，直至2018年国家才由工信部发布国标《新材料技术成熟度等级划分及定义》[5]。然而，民用领域材料开发的TRA考核机制和军事装备中的电子材料进口替代开发流程也存在一定差异。因此，如何在装备TRL较高的情况下，实现装备使用电子材料的进口替代并提升TRL存在巨大困难。

表3 电子材料与型号产品技术成熟度间的关系

电子材料具有品种多、生产工艺复杂、个性化强等特点，产品的配方、加工技术以及工艺条件决定了产品性能和质量。电子材料进口替代的简易流程一般如图1所示，从替代品的选型完毕到最终成熟替代产品(可在型号设备中直接替代使用)的产生，需要进行多步使用验证测试。如半导体需要被设计才能使用于元器件，封装材料也必须针对特定的半导体设计和不同应用领域的制作工艺形成元器件，元器件则必须被设计才能应用于组件模块表现出功能；无机、有机基板必须制作成电路板，才能实现电性能的贯通和元器件的承载；显示材料必须先集成到终端产品，才能测试性能和考察使用寿命；焊接、粘接材料必须有被连接的两个既有部分，才能联通功能和进行测试；辅材和磁性材料等原材料必须应用于制备过程，经受现有工艺流程的洗礼，之后的产品才能进行表征和衡量……因此在电子材料进口替代的过程中，如何找寻一种合理的TRA和TRL，快速有效地建立验证机制，提高国内电子材料开发的后端市场认可度，对提高军事装备中的国产化程度，提升关键材料的自我保障能力具有重要意义。

图1 进口替代电子材料的开发流程简图

根据材料开发的特殊性，国防科工局进口替代(以下简称军品替代)、工信部发布的国标(以下简称国标)和航天材料产业界(以下简称航天材料)分别制定了不同的材料开发(替代)的TRL，如表4所示。

表4 材料开发研制的TRL说明

从表4中可见，三方均在材料开发的特性上进行了TRL的重新定义，但对不同阶段对应的TRL仍有差异。如TRL3阶段，军品替代和航天材料都只要求开始初步实验，主要性能不需要已经实现，国标却已要求获得具备主要性能的试样。如TRL5阶段，军品替代和航天材料系统要求制备得到材料试样，而国标在TRL4阶段时已经要求获得试样。军品替代和国标在TRL6(环境验证)阶段达到统一要求标准，后期TRL基本类似；而航天材料系的TRA中并未提及使用和环境验证，因此高TRL阶段持续关注批产稳定性。3种TRL的程度差异如图2所示。

图2 3种不同TRL的等级差异

比较而言，军品替代的TRL划分更适应电子材料开发替代进口的研发流程，表5为根据前期经验对此TRL等级描述的补充描述。

表5 进口替代电子材料开发研制的TRL说明

3 微波复合介质板的进口替代TRA分析

为了将TRL定量应用于进口替代材料，通常将关键技术的成熟度量化加权，来评估同一材料不同技术状态的成熟度。以微波复合介质板为例，目前我国军民企业均在大力研发进口替代的产品，其TRL可由CTE的TRL及其影响权重加权平均得到[6]。具体计算公式为：

其中，TRL是微波复合介质板的最终技术成熟度等级，n为涉及的CTE项数，CTE的TRLi表示第i项的CTE的TRL，权重i表示第i个CTE对应的权重。单项CTE的TRL根据表5的规则进行判定。CTE的权重根据项目团队、行业专家、TRA人员对关键技术对项目影响程度的三方意见综合确定。

以低介电常数的微波复合介质板的国产化替代开发为例，分别从原材料、配方、工艺、测试4个环节选取5种具有关键特性的CTE进行量化考核。首先需要面临原材料的性能控制，尤其是对作为介电主要成分的PTFE乳液的性能均一性和稳定性的控制，否则以此为基础的配方、工艺均受原材料性能的波动而产生较大离散。此CTE对配方确定之初的性能和大批量生产时的批次稳定性影响很大。其次，关键配方确定后，需要对指定比例的填充陶瓷颗粒进行有效的偶联改性，商用单一偶联剂无法较好地达到低量、高效、快速的偶联效果，而复配偶联剂的配方构成、成分选型、偶联水解和改性机理需要进行细致的探索，并在达到稳定工艺调控的状态下确定可实施的工艺窗口边界条件。但该CTE在配方固化、技术突破、生产条件稳定之后的重要性逐渐下降。无论在小批量实验还是稳定化生产，均一、稳定的微波复合介质板基础胶液都是产品成功的关键环节，小试通过简易装置和手工操作可以达到满足性能的混合状态，对小试产品的影响相对略低；而对中试、批量生产环节，混合稳定性技术需要解决设备、参数、环境的协调，对产品一致性的影响很大。小试中在未固化的工艺参数和流程中，可以通过筛取获得理想性能的局部样品，因此包含温度、压力、时间的热压工艺曲线的影响程度较低。但在材料、配方稳定之后，工艺的可靠、稳定运行直接影响批量产品的成品率和生产效率。微波复合介质板的关键性能测试缺乏可快速实施的国家标准和设备，因此在需要测试大量数据的小试转中试阶段如何获取可信数据成为制约项目进度的主要问题之一。此项技术解决后，在产品开发中的重要性随之降低。综上所述，低介电常数的微波复合介质板的国产化替代开发项目开展前、开展中期(关键性能满足指标的试样)、完成后的TRL如表6所示。

从表6中可见，项目实施前，型号使用规格的国产微波复合介质板的TRL只有1。经过各个CTE的攻克，偏重于性能的提升而非工艺稳定时，制备出关键性能满足指标、可稳定重复测试的试样时，符合TRL4研究室环境仿真验证可行的要求。最终项目结题时，CTE的权重更偏向批量稳定，综合计算得到的TRL与TRL7试验批工艺流程稳定可靠一致。

表6 进口替代微波复合介质板开发研制的TRL说明

4 结论

技术成熟度等级是研发过程有效的风险管理工具和市场推广利器。文章分析比较了国内外现行的几种TRL对电子材料开发的适用性，并根据电子材料的技术特点，对在国外进口替代电子材料开发过程的TRL进行了补充定义。使用基于CTE权重的TRA，以微波复合介质板的进口替代研发为例进行了技术成熟度评价，经过加权平均后的TRL与军品替代的判断等级基本符合。

[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.航空材料技术成熟度等级划分与评价方法研究[J].科技创新与应用,2016(22),66-67.

[4]张镇,宋涛,王本力.我国电子材料产业发展研究[J].新材料产业,2016(5),1-10.

[5]科技司.新材料技术成熟度等级划分及定义国家标准报批稿[EB/OL].(2017-12-18)[2018-3-29].http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057569/n3057584/c59 77823/content.html.

[6]郭道劝.基于TRL的技术成熟度模型及评估研究[D].长沙：国防科学技术大学,2010.