军用电子元器件质量等级的统计分析研究

贾阳光,韩 迪,常海峰,王希彦,李 靖

(1.中国兵器工业新技术推广研究所,北京 100089;2.北方国际合作股份有限公司,北京 100040)

为了保证电子元器件的质量,在20世纪八九十年代,我国参照美国军用标准(MIL)体系,结合我国电子元器件实际情况和使用需求,逐步建立了包括元器件的规范、标准、指导性技术文件3种形式国军标体系,构建了电子元器件质量等级的管理体系。目前,市场上的电子元器件种类繁多、标准体系交织、生产厂商鱼龙混杂、产品质量良莠不齐等,给电子元器件产品高质量选用带来了诸多挑战与困难。同时,我国元器件的质量等级提法体系很多:1)用于电子元器件生产控制、选择和采购的质量等级标准,如质量保证等级和失效率等级等;2)用于电子设备可靠性预计的质量等级,如军品级、工业级、商业级等;3)根据温度范围来区分器件的级别,如宇航级、军温级、工业级、商业级等。这种从不同体系来区分电子元器件的质量等级,研制方需根据不同需求制定多种标准,用户方按元器件种类选取、应用划分存在困难,对电子元器件的管理和使用是十分不利的。此外,每一类器件只有一个总规范,但是对于同一类的元件,就可以有不止一个总规范。又如:电子元器件涉及总规范有400余项,每个总规范又有若干个详细规范配套,电子元器件的产品规范(总规范和详细规范)的数量在电子元器件标准体系中占很大的比例。

军用电子元器件的质量等级研究有助于推动武器装备的选用控制,进而可以提升武器装备的质量可靠性,减少使用成本。自20世纪90年代,国内以现行的军用标准为依据,按照功能、结构、材料等把军用电子元器件划分为微电路、半导体分立器件和附件等34类[1],按照军用电子元器件质量认证程序规则构建了军用电子元器件合格产品目录(QPL)和军用电子元器件合格制造厂目录(QML),给质量等级研究奠定了基础。国内学者纷纷开展军用电子元器件的质量等级研究,郑丽香等[2]剖析了国内外电子元器件生产保证与可靠性预计的两种质量等级体系,给出了国内外详细的质量等级标识及对应关系。彭伟等[3]对军用电子元器件质量等级的定义、质量等级在相关标准规范中的表现形式、各种质量等级的内在关系和国内外元器件应用等级进行了剖析,阐明了军用电子元器件质量等级与应用等级的相互关系。肖凤娟等[4]剖析了武器装备用电子元器件在质量等级选择方面存在的问题,对新形势下武器装备用元器件自主保障的要求和武器装备高可靠、长贮存寿命、高性能的需要,新一代武器装备提出了改进措施。此外,随着优选目录和统标统型工作的落实落地,武器装备使用军用电子元器件管理和选用出现了集约化、规律性,给军用电子元器件的质量等级研究提供了数据基础,需要按产品类别和生产厂商统计质量等级分布情况,为武器装备军用电子元器件的设计研发以及选用验证提供数据依据。

本文基于上述学者专家的理论成果,通过梳理30余万种武器装备在用的国产军用电子元器件数据,按生产厂商及数据分类归类分析,总结提炼出各类别的质量等级分布情况及选用原则的规律性和重复性,进而提出按照类别总结质量等级的可能性,并深入开展选用现状及选用原则研究,提出改进建议,进一步指导设计师选型应用和目录建设。

1 国产军用电子元器件数据研究

军用电子元器件作为电子装备、信息系统的基本单元,直接影响到武器装备功能实现和性能发挥,其选用对于装备信息化、智能化至关重要。目前,武器装备研制、生产、维修、检测等过程中使用了大量的军用电子元器件,为此尝试通过对上装上机使用军用电子元器件的数据进行分析,来总结国产军用电子元器件的质量等级分布规律。本文数据研究过程由4个主要阶段组成:数据采集、数据处理、数据挖掘和数据展示。通过对数据分析研究(见图1),总结发现武器装备使用元器件有如下特点。

图1 数据研究的过程

1)生产厂商较为集中。因武器装备研制继承性以及长期稳定供货要求,往往选择行业大厂,同时各军种、工业部门均在积极推进电子元器件合格供方、目录建设、统型工作和型谱布局等工作,加速推进武器装备使用电子元器件的通用化、集约化、系列化,通过对武器装备在用30余万条国产军用电子元器件的生产厂商进行统计分析,涉及200余家生产厂商,集中在北京、四川、陕西、江苏等地,而质量等级与生产厂商密切相关,生产厂商的集中分布给质量等级的研究分析提供了可能。

2)数据分类较为规范。通过对武器装备在用30余万条国产军用电子元器件的类别进行统计分析,包括微电路、半导体分立器件和附件等31类(不涉及电气电子组件、板和卡,其他光纤元器件,燃料电池及其部件和附件等3类),条目超过1万条共涉及电阻器(278 794条,占比73.16%)、电容器(36 407条,占比9.55%)、电连接器(20 136条,占比5.28%)、半导体分立器件和附件(19 412条,占比5.09%)、微电路(11 308条,占比2.97%)等5个类别,敏感元器件和传感器(件)等26个类别(15 018条,占比3.95%)。各质量等级和预计等级分布情况见表1,涉及质量等级128项、预计等级173项,基本摸清各类别的已上装军用电子元器件的质量等级分布情况。目前,设计师的选用工作也是依据类别开展,数据分类较为规范,给质量等级与分类关联研究提供了可能。

2 选用现状研究

鉴于军用电子元器件对现代武器装备升级换代和现代战争巨大推动作用,以美国、日本、英国为代表国家,建立了军用电子元器件合格制造商目录(QML)认证和可信(TRUST)认证、供应商管理体系和产品质量体系来保证国防关键技术领域的优势。俄罗斯高度重视武器装备的元器件选用,坚持核心元器件本土生产,禁止外国设备或商品,尤其电子元器件流入国防事业建设[5-6]。由于我国军用电子元器件基础理论系统性研究不够,生产单位试验和应用数据的积累不足,军用电子元器件产品型谱初步建立,还未形成权威的产品选型指南以及优选目录。此外,受限于保密等诸多因素,武器装备承研承制等用户单位对于国内元器件供应商生产单位的基本情况、产品种类等掌握有限,导致型号设计阶段多优先选用熟悉产品,且CPU、A/D、D/A、总线控制器、数字信号处理器、存储器高端核心器件多选用进口产品;加之型号构成的复杂性、分散性,型号层级涉及系统、分系统、设备、基础产品5级,涉及货架、沿用、改进、新研等多类型产品,其核心器件选用权在设备研制单位而不在总体单位,设计师队伍往往是跨行业、跨单位,造成武器装备用元器件种类纷繁复杂。近年来,各军兵种、工业部门出台了一系列对于武器装备使用电子元器件的文件,积极构建元器件优选目录和研制型谱,并对上机上装元器件的技术成熟度、长期稳定供货能力提出了越来越严格的要求,质量等级的分布性愈发规律[7]。

表1 军用电子元器件质量等级和预计等级分布情况

近年来,我国出台了一系列武器装备使用电子元器件的文件,积极构建军用电子元器件优选目录、研制型谱、合格供方,并对上机上装元器件的技术成熟度、长期稳定供货能力提出了越来越严格的要求,开展军用电子元器件选用研究,对于质量等级关联分析越发重要。针对选用电子元器件的质量等级,制定了符合工程特点和可靠性设计要求:1)应优先选用《目录》《手册》、有履历的中的电子元器件;2)应推荐选用《优选目录》、QPL、QML的电子元器件;3)应立足于国情,选用国产元器件;4)关键重要的部件、分配可靠性指标高的产品、可靠性预计手册中基本失效率高的产品,应选用质量等级高的元器件;5)应最大限度地压缩电子元器件的规格和数量。

3 改进建议

现在战争对于信息化、智能化电子设备、控制组件的需求愈发旺盛,而军用电子元器件是实现武器装备信息化、智能化的关键,所以选用高可靠性和高质量电子元器件的重要性日益凸显。据公开数据报道,近50%的电子元器件失效并非源于固有可靠性不高,而是由于元器件选型不当造成。在选用、采购元器件中准确地确定与标识元器件的质量等级和考核标准,不仅可以解决可靠性的一个源头,还可以减少经济与质量方面的损失,应引起元器件选用与采购人员的足够重视。为保证军用电子产品的可靠性,应严格把控选型,需进一步精简质量等级分类标准,规范电子元器件命名原则,加强电子元器件选用管理。

3.1 进一步精简质量等级分类标准

质量等级标准体系的构建解决了军用电子元器件的质量等级规定的难题,但这种从不同角度衡量军用电子元器件的质量等级,对于元器件的管理和选用是非常不利的。目前设计师选用军用电子元器件时,首先根据元器件隶属的产品分类,再查找各产品分类适合的规范、标准、指导性技术文件等,最后选择适合质量等级的电子元器件产品。但由于元器件的产品种类繁多,规定元器件质量等级文件较多,选择合适质量等级的电子元器件也存在一定的困难。建议由权威部门牵头,制修订质量等级相关文件,做到不同类型元器件质量等级从高到低表述方式一致,简化现有标准代号及种类[8],进一步优化元器件的管理和选取。

3.2 进一步规范电子元器件命名原则

国产电子元器件型号标识汇编了半导体集成电路型号命名方法(标准GB/T 3430—1989)、厚膜、薄膜集成电路型号命名方法(标准GB 2704—1981)等24项电子元器件命名标准[9],对不同类别的元器件型号的符号及意义进行规定。但与进口元器件的型号命名相比,国内的命名不要求温度等级、封装、性能等元器件特性信息,设计师无法利用元器件命名规则选用国产元器件型号,应尽快出台相应的产品规范,对于电子元器件命名加以约束,提高选用设计的辨识度,从而提高元器件选型和采购效率[10-11]。

3.3 进一步加强电子元器件选用管理

我国装备构成的复杂性、分散性,型号层级涉及系统、分系统、设备、基础产品5级,涉及货架、沿用、改进、新研等多类型产品,其核心器件选用权在设备研制单位而不在总体单位,设计师队伍往往是跨行业、跨单位,造成武器装备用元器件种类纷繁复杂。据统计,某型装备选用37项规格、94个中央处理器,在不影响原先功能和性能发挥可压缩至11项规格、66个中央处理器,本类元器件预计减少40%以上采购成本。进一步加强军用电子元器件的选用管理,逐步完善元器件选用、合格供方顶层规定,加强新研元器件产品型谱化工作,同时开发元器件选用管理系统,及时、准确、规范地将优选器件产品信息提供给设计师参考和使用。

4 结语

军用电子元器件的质量等级关系着武器装备的质量可靠性和战斗力。本文结合武器装备研制任务需求和质量可靠性要求,通过大量统计分析元器件选用数据,总结了生产厂商较为集中、数据分类较为规范等,梳理了各类别下的质量等级和预计等级分布情况,并分析了军用电子元器件的选用现状,提出了精简质量等级分类标准、规范电子元器件命名原则、加强电子元器件选用管理,来支撑新形势下武器装备用元器件自主保障的要求和武器装备高可靠、长贮存寿命、低成本的需要。