航空航天裝備電子元器件國(guó)產(chǎn)化替代質(zhì)量控制探討

　　隨著航空航天裝備不斷向高集成度、多功能、低功耗方向發(fā)展，迫切需要小型化、高性能、高效率、高可靠性的電子元器件。近年來，隨著新品等項(xiàng)目的牽引和國(guó)內(nèi)各元器件研制單位的技術(shù)攻關(guān)，國(guó)產(chǎn)電子元器件的性能水平取得了長(zhǎng)足發(fā)展，部分國(guó)產(chǎn)電子元器件的性能已接近或達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平;但大規(guī)模集成電路、大功率器件、光電器件等元器件仍有部分依賴進(jìn)口。

　　我國(guó)是電子元器件的生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是應(yīng)用大國(guó)。以集成電路為例，2011年我國(guó)的需求量約占全球需求量的50.3%到2013年已增加到約54%。使用進(jìn)口電子元器件不僅會(huì)在信息安全、質(zhì)量控制等方面存在隱患，同時(shí)因器件禁運(yùn)、停產(chǎn)導(dǎo)致的生產(chǎn)保障困難等問題也已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)航空航天裝備的發(fā)展。

　　元器件國(guó)產(chǎn)化的必要性和意義

　　電子元器件是航空航天裝備的基本單元，電子元器件的可靠性是保證航空航天裝備可靠性的基礎(chǔ)。由于功能、性能、質(zhì)量、研制進(jìn)度等因素，航空航天裝備選用了部分進(jìn)口電子元器件。當(dāng)前進(jìn)口電子元器件在航空航天裝備中的使用存在以下問題。

　　1.保障困難

　　隨著新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，電子元器件更新?lián)Q代周期縮短。以集成電路為例，按照摩爾定律，每18個(gè)月其尺寸縮小一半，而集成度提升一倍。由于元器件的升級(jí)換代，以及國(guó)外廠商合并重組等原因?qū)е碌脑骷．a(chǎn)，給很多已服役和仍在生產(chǎn)的航空航天裝備的維護(hù)和生產(chǎn)帶來了很大困難。

　　同時(shí)，以美國(guó)為首的西方國(guó)家形成聯(lián)盟，長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的出口限制政策。以美國(guó)為例，制定了嚴(yán)格的政策和相關(guān)措施限制高新技術(shù)及產(chǎn)品出口。美國(guó)商務(wù)部制定了商品管制清單(Commerce Control List， CCL)，嚴(yán)禁將清單內(nèi)的電子元器件出口到相關(guān)國(guó)家和地區(qū)。部分電子元器件的禁運(yùn)也給我國(guó)高性能航空航天裝備的研制和生產(chǎn)造成了一定影響。

　　2.安全隱患

　　由于西方國(guó)家的技術(shù)先進(jìn)性和國(guó)家間利益沖突，進(jìn)口電子元器件可能會(huì)在設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)被人為植入后門，如IP核可能被嵌入后門、掩膜制版及高端封裝也可植入后門。這些后門可竊取我國(guó)裝備的數(shù)據(jù)甚至摧毀設(shè)備，并可能進(jìn)一步通過網(wǎng)絡(luò)傳播病毒和木馬，嚴(yán)重影響我國(guó)的信息安全。2008年，美國(guó)國(guó)家安全局的一臺(tái)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)受到攻擊后造成物理?yè)p壞。2010年，德國(guó)發(fā)現(xiàn)首個(gè)專門針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)芯片的破壞性病毒?？梢?，在國(guó)防和信息安全建設(shè)中如果不能實(shí)現(xiàn)電子元器件的自主可控，則會(huì)始終處于受制于人、被動(dòng)挨打的局面。

　　3.質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

　　由于各種客觀因素，航空航天裝備使用了部分工業(yè)級(jí)元器件，這些工業(yè)級(jí)元器件大多通過代理商購(gòu)買，無(wú)法獲取相關(guān)的質(zhì)量證明文件，個(gè)別已停產(chǎn)元器件甚至是翻新件。同時(shí)，部分大規(guī)模集成電路國(guó)內(nèi)也無(wú)相應(yīng)的測(cè)試手段。因此，部分進(jìn)口電子元器件的性能參數(shù)、可靠性水平等往往只能隨設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，無(wú)法預(yù)先開展檢測(cè)和篩選工作，導(dǎo)致在設(shè)備使用過程中可能存在參數(shù)異常、早期失效等情況。進(jìn)口電子元器件存在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)已嚴(yán)重影響了航空航天裝備的研制、生產(chǎn)和質(zhì)量保證。

　　在進(jìn)口元器件形勢(shì)日益嚴(yán)峻的今天，元器件的國(guó)產(chǎn)化控制顯得尤為重要。2006和2011年，我國(guó)分別頒布了相關(guān)要求和管理辦法，對(duì)進(jìn)口元器件的使用提出了規(guī)格比和數(shù)量比的量化指標(biāo)要求，貫徹了總裝關(guān)于加強(qiáng)武器裝備使用進(jìn)口電子元器件管理，從嚴(yán)控制、量化考核的指示精神。

　　元器件國(guó)產(chǎn)化替代中的問題

　　隨著國(guó)際斗爭(zhēng)的復(fù)雜化，航空航天裝備關(guān)鍵電子元器件形勢(shì)日益嚴(yán)峻。航空航天裝備使用進(jìn)口電子元器件保障困難，在安全隱患、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等方面存在諸多問題。因此，大力推進(jìn)進(jìn)口電子元器件的國(guó)產(chǎn)化替代，已經(jīng)成為一項(xiàng)構(gòu)筑國(guó)家信息安全、保衛(wèi)國(guó)家獨(dú)立外交能力的緊迫而艱巨的任務(wù)。近年來，我國(guó)已在元器件國(guó)產(chǎn)化替代方面加大投入并取得了很大進(jìn)展，但由于各單位在元器件國(guó)產(chǎn)化替代方面執(zhí)行力度不一，元器件國(guó)產(chǎn)化替代仍存在一些問題。

　　1.缺乏指導(dǎo)性文件

　　由于頂層管理文件不完善，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)指導(dǎo)性文件規(guī)范國(guó)產(chǎn)新研電子元器件的研制、生產(chǎn)、鑒定和應(yīng)用驗(yàn)證等工作，無(wú)法對(duì)元器件國(guó)產(chǎn)化替代工作進(jìn)行有效的控制和監(jiān)督。同時(shí)，部分裝備研制單位雖然自行制定了單位內(nèi)部的元器件國(guó)產(chǎn)化替代制度，但由于設(shè)計(jì)、工藝、加工等因素，國(guó)產(chǎn)化替代驗(yàn)證只能結(jié)合實(shí)際的模塊、整機(jī)統(tǒng)籌開展，難以全面驗(yàn)證元器件的性能。

　　2.參數(shù)體系不完整， 測(cè)試覆蓋不全

　　我國(guó)電子元器件生產(chǎn)起步晚，早期主要以仿制進(jìn)口電子元器件為主。受各種客觀條件和進(jìn)口電子元器件知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的限制，仿制元器件無(wú)法保證設(shè)計(jì)、材料、工藝與進(jìn)口元器件完全一致，且由于參數(shù)體系不完整、性能指標(biāo)測(cè)試覆蓋不全，測(cè)試合格的元器件仍然可能存在未被激發(fā)的缺陷。如某國(guó)產(chǎn)可編程邏輯器件 (CAL) 只能在某些特定的電路中做開關(guān)，而無(wú)法進(jìn)行時(shí)序管理。

　　3.工藝設(shè)計(jì)缺陷

　　為滿足小型化需求，航空航天裝備選擇了部分進(jìn)口表貼電子元器件。由于管殼工藝差異等原因，對(duì)應(yīng)的國(guó)產(chǎn)化替代元器件可能存在封裝無(wú)法完全兼容的問題。同時(shí)，考慮到研制進(jìn)度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，整機(jī)單位多選用原位替代的國(guó)產(chǎn)化方案，且應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)多為性能、工藝和環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，難以暴露因管腳或工藝不匹配導(dǎo)致的問題。如某國(guó)產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換器，管腳間距與進(jìn)口產(chǎn)品存在微小差異，封裝不完全兼容，在長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)脫焊。

　　4.缺少批量交付應(yīng)用經(jīng)歷

　　軍品的特點(diǎn)是多品種、小批量，且很多電子元器件是針對(duì)特定裝備定制，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)新研電子元器件用量較少，元器件研制單位缺少批量交付應(yīng)用經(jīng)歷。在元器件設(shè)計(jì)中存在的缺陷無(wú)法充分暴露，容易出現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)不穩(wěn)定的問題，可能會(huì)存在不同單位或不同設(shè)備使用時(shí)，技術(shù)狀態(tài)不穩(wěn)定甚至失效的現(xiàn)象。

　　同時(shí)，除宇航元器件外，國(guó)內(nèi)電子元器件缺少完善的產(chǎn)品批次內(nèi)一致性、批次間一致性等產(chǎn)品生產(chǎn)一致性相關(guān)的評(píng)價(jià)方法。元器件研制單位缺少精細(xì)化評(píng)價(jià)元器件質(zhì)量水平的方法，部分元器件在首次驗(yàn)證和首批應(yīng)用時(shí)滿足使用要求，而后續(xù)批量交付時(shí)，個(gè)別批次無(wú)法達(dá)到使用要求。

　　元器件國(guó)產(chǎn)化替代質(zhì)量控制建議

　　1.制定頂層規(guī)章制度

　　制定基于過程管理的元器件國(guó)產(chǎn)化替代質(zhì)量控制細(xì)則，規(guī)范元器件的全壽命周期管理，使元器件研制、生產(chǎn)、鑒定、應(yīng)用驗(yàn)證、處置及反饋過程透明、可視，確保元器件國(guó)產(chǎn)化有法可依，有據(jù)可循，有效保證國(guó)產(chǎn)化元器件的批次一致性、驗(yàn)證充分性和使用可靠性。

　　2.加強(qiáng)用研雙方技術(shù)溝通

　　為避免國(guó)產(chǎn)新研元器件研而不用所導(dǎo)致上機(jī)率低的問題，整機(jī)單位和元器件研制單位應(yīng)加強(qiáng)交流，對(duì)元器件的技術(shù)需求、工藝、環(huán)境適應(yīng)性等要求進(jìn)行充分溝通。整機(jī)單位可結(jié)合以往類似元器件的使用經(jīng)驗(yàn)，協(xié)助元器件研制單位改進(jìn)提升。元器件研制單位應(yīng)開展與進(jìn)口元器件的全參數(shù)對(duì)比分析和驗(yàn)證，包括性能指標(biāo)、外圍電路匹配、環(huán)境適應(yīng)性等，確保國(guó)產(chǎn)化元器件的性能水平能夠與進(jìn)口元器件全面相同，充分滿足整機(jī)單位的使用需求。如電源模塊，除了滿足功率要求外，還應(yīng)開展拉偏情況下的帶載能力、紋波等的驗(yàn)證。

　　同時(shí)，整機(jī)單位應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)的解決方案彌補(bǔ)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的不足，使系統(tǒng)的整體能力達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。同時(shí)可加強(qiáng)微系統(tǒng)集成技術(shù)研究，彌補(bǔ)因國(guó)產(chǎn)化帶來的重量、功耗增加等問題。如結(jié)合航空航天裝備特點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)處理架構(gòu)、處理算法等開發(fā)專用處理芯片，減少對(duì)FPGA ， PowerPC ， DSP等高端芯片的依賴。

　　3.加強(qiáng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

　　對(duì)于封裝與進(jìn)口元器件有差異的元器件，元器件研制單位應(yīng)結(jié)合整機(jī)單位的使用需求，提高設(shè)計(jì)能力，充分利用熱仿真、力學(xué)仿真等仿真設(shè)計(jì)手段，盡可能確保優(yōu)化封裝后的國(guó)產(chǎn)化元器件能夠滿足整機(jī)的可靠性要求。如某國(guó)產(chǎn)元器件在設(shè)計(jì)研制階段，開展了熱仿真、應(yīng)力仿真，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加加固措施，經(jīng)溫度循環(huán)驗(yàn)證，成功解決了多次溫度循環(huán)后元器件的脫焊問題。

　　4.開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)和補(bǔ)充驗(yàn)證

　　為避免部分缺陷無(wú)法在應(yīng)用驗(yàn)證中充分暴露的問題，可針對(duì)重要元器件，如大規(guī)模集成電路、大功率器件等開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，確定元器件的使用邊界，針對(duì)暴露的問題展開分析，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。

　　對(duì)于已有其他整機(jī)單位使用過的國(guó)產(chǎn)化元器件，整機(jī)單位可結(jié)合工程實(shí)際情況開展補(bǔ)充驗(yàn)證，重點(diǎn)針對(duì)匹配性問題或指標(biāo)無(wú)法體現(xiàn)的特性進(jìn)行驗(yàn)證，確保國(guó)產(chǎn)化元器件能夠滿足整機(jī)單位的需求。如涉及到工藝或環(huán)境適應(yīng)性的改進(jìn)，元器件研制單位可推廣到其他整機(jī)單位.有利于提升裝備質(zhì)量。

　　5.加強(qiáng)元器件研制單位的質(zhì)量控制

　　整機(jī)單位應(yīng)向元器件研制單位及時(shí)傳遞頂層質(zhì)量要求，并對(duì)元器件研制單位的設(shè)計(jì)和制造過程進(jìn)行審查和監(jiān)控，明確關(guān)鍵參數(shù)的質(zhì)量一致性要求。元器件研制單位應(yīng)加強(qiáng)元器件、原材料的選用控制，制定相應(yīng)的質(zhì)量控制細(xì)則，控制元器件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)過程，尤其要加強(qiáng)對(duì)特殊過程、關(guān)鍵工藝技術(shù)的控制，以確保元器件批次內(nèi)、批次間的質(zhì)量一致性。

　　6.建設(shè)國(guó)產(chǎn)元器件的信息化系統(tǒng)

　　為了更有效地推廣國(guó)產(chǎn)元器件的應(yīng)用，在國(guó)家層面建設(shè)國(guó)產(chǎn)元器件的信息化系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)元器件信息化系統(tǒng)可定期對(duì)元器件相關(guān)信息，如研制背景、性能指標(biāo)、研制情況、鑒定情況、驗(yàn)證情況、整機(jī)使用情況等進(jìn)行更新和維護(hù)，提高國(guó)產(chǎn)化替代元器件的選用效率，讓更多的整機(jī)單位了解國(guó)產(chǎn)元器件的信息。整機(jī)單位也可將驗(yàn)證和使用過程的問題共享到信息系統(tǒng)中，為國(guó)產(chǎn)化替代驗(yàn)證提供有力的支撐，其他同行也可避免再走彎路，提高國(guó)產(chǎn)元器件的設(shè)計(jì)和使用質(zhì)量。