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    公司新聞

    航空航天裝備電子元器件國產化替代質量控制探討

    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,隨著新品等項目的牽引和國內各元器件研制單位的技術攻關,國產電子元器件的性能水平取得了長足發展,部分國產電子元器件的性能已接近或達到了國際先進水平;但大規模集成電路、大功率器件、光電器件等元器件仍有部分依賴進口。

    我國是電子元器件的生產大國,同時也是應用大國。以集成電路為例,2011年我國的需求量約占全球需求量的50.3%到2013年已增加到約54%。使用進口電子元器件不僅會在信息安全、質量控制等方面存在隱患,同時因器件禁運、停產導致的生產保障困難等問題也已經嚴重制約了我國航空航天裝備的發展。

    元器件國產化的必要性和意義

    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。由于功能、性能、質量、研制進度等因素,航空航天裝備選用了部分進口電子元器件。當前進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、新技術的發展,電子元器件更新換代周期縮短。以集成電路為例,按照摩爾定律,每18個月其尺寸縮小一半,而集成度提升一倍。由于元器件的升級換代,以及國外廠商合并重組等原因導致的元器件停產,給很多已服役和仍在生產的航空航天裝備的維護和生產帶來了很大困難。

    同時,以美國為首的西方國家形成聯盟,長期對我國實行嚴格的出口限制政策。以美國為例,制定了嚴格的政策和相關措施限制高新技術及產品出口。美國商務部制定了商品管制清單(Commerce Control List, CCL),嚴禁將清單內的電子元器件出口到相關國家和地區。部分電子元器件的禁運也給我國高性能航空航天裝備的研制和生產造成了一定影響。

    2.安全隱患

    由于西方國家的技術先進性和國家間利益沖突,進口電子元器件可能會在設計、制造、封裝、測試等環節被人為植入后門,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裝備的數據甚至摧毀設備,并可能進一步通過網絡傳播病毒和木馬,嚴重影響我國的信息安全。2008年,美國國家安全局的一臺發電機控制系統受到攻擊后造成物理損壞。2010年,德國發現首個專門針對工業控制系統芯片的破壞性病毒??梢?,在國防和信息安全建設中如果不能實現電子元器件的自主可控,則會始終處于受制于人、被動挨打的局面。

    3.質量風險

    由于各種客觀因素,航空航天裝備使用了部分工業級元器件,這些工業級元器件大多通過代理商購買,無法獲取相關的質量證明文件,個別已停產元器件甚至是翻新件。同時,部分大規模集成電路國內也無相應的測試手段。因此,部分進口電子元器件的性能參數、可靠性水平等往往只能隨設備進行測試,無法預先開展檢測和篩選工作,導致在設備使用過程中可能存在參數異常、早期失效等情況。進口電子元器件存在的質量風險已嚴重影響了航空航天裝備的研制、生產和質量保證。

    在進口元器件形勢日益嚴峻的今天,元器件的國產化控制顯得尤為重要。2006和2011年,我國分別頒布了相關要求和管理辦法,對進口元器件的使用提出了規格比和數量比的量化指標要求,貫徹了總裝關于加強武器裝備使用進口電子元器件管理,從嚴控制、量化考核的指示精神。

    元器件國產化替代中的問題

    隨著國際斗爭的復雜化,航空航天裝備關鍵電子元器件形勢日益嚴峻。航空航天裝備使用進口電子元器件保障困難,在安全隱患、質量風險等方面存在諸多問題。因此,大力推進進口電子元器件的國產化替代,已經成為一項構筑國家信息安全、保衛國家獨立外交能力的緊迫而艱巨的任務。近年來,我國已在元器件國產化替代方面加大投入并取得了很大進展,但由于各單位在元器件國產化替代方面執行力度不一,元器件國產化替代仍存在一些問題。

    1.缺乏指導性文件

    由于頂層管理文件不完善,目前國內尚無指導性文件規范國產新研電子元器件的研制、生產、鑒定和應用驗證等工作,無法對元器件國產化替代工作進行有效的控制和監督。同時,部分裝備研制單位雖然自行制定了單位內部的元器件國產化替代制度,但由于設計、工藝、加工等因素,國產化替代驗證只能結合實際的模塊、整機統籌開展,難以全面驗證元器件的性能。

    2.參數體系不完整, 測試覆蓋不全

    我國電子元器件生產起步晚,早期主要以仿制進口電子元器件為主。受各種客觀條件和進口電子元器件知識產權保護的限制,仿制元器件無法保證設計、材料、工藝與進口元器件完全一致,且由于參數體系不完整、性能指標測試覆蓋不全,測試合格的元器件仍然可能存在未被激發的缺陷。如某國產可編程邏輯器件 (CAL) 只能在某些特定的電路中做開關,而無法進行時序管理。

    3.工藝設計缺陷

    為滿足小型化需求,航空航天裝備選擇了部分進口表貼電子元器件。由于管殼工藝差異等原因,對應的國產化替代元器件可能存在封裝無法完全兼容的問題。同時,考慮到研制進度和技術風險,整機單位多選用原位替代的國產化方案,且應用驗證試驗多為性能、工藝和環境適應性驗證,難以暴露因管腳或工藝不匹配導致的問題。如某國產A/D轉換器,管腳間距與進口產品存在微小差異,封裝不完全兼容,在長期使用后會出現脫焊。

    4.缺少批量交付應用經歷

    軍品的特點是多品種、小批量,且很多電子元器件是針對特定裝備定制,導致國產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用經歷。在元器件設計中存在的缺陷無法充分暴露,容易出現技術狀態不穩定的問題,可能會存在不同單位或不同設備使用時,技術狀態不穩定甚至失效的現象。

    同時,除宇航元器件外,國內電子元器件缺少完善的產品批次內一致性、批次間一致性等產品生產一致性相關的評價方法。元器件研制單位缺少精細化評價元器件質量水平的方法,部分元器件在首次驗證和首批應用時滿足使用要求,而后續批量交付時,個別批次無法達到使用要求。

    元器件國產化替代質量控制建議

    1.制定頂層規章制度

    制定基于過程管理的元器件國產化替代質量控制細則,規范元器件的全壽命周期管理,使元器件研制、生產、鑒定、應用驗證、處置及反饋過程透明、可視,確保元器件國產化有法可依,有據可循,有效保證國產化元器件的批次一致性、驗證充分性和使用可靠性。

    2.加強用研雙方技術溝通

    為避免國產新研元器件研而不用所導致上機率低的問題,整機單位和元器件研制單位應加強交流,對元器件的技術需求、工藝、環境適應性等要求進行充分溝通。整機單位可結合以往類似元器件的使用經驗,協助元器件研制單位改進提升。元器件研制單位應開展與進口元器件的全參數對比分析和驗證,包括性能指標、外圍電路匹配、環境適應性等,確保國產化元器件的性能水平能夠與進口元器件全面相同,充分滿足整機單位的使用需求。如電源模塊,除了滿足功率要求外,還應開展拉偏情況下的帶載能力、紋波等的驗證。

    同時,整機單位應優化設計,通過系統的解決方案彌補國產化產品的不足,使系統的整體能力達到國外同類產品的水平。同時可加強微系統集成技術研究,彌補因國產化帶來的重量、功耗增加等問題。如結合航空航天裝備特點,根據系統處理架構、處理算法等開發專用處理芯片,減少對FPGA , PowerPC , DSP等高端芯片的依賴。

    3.加強設計和試驗驗證

    對于封裝與進口元器件有差異的元器件,元器件研制單位應結合整機單位的使用需求,提高設計能力,充分利用熱仿真、力學仿真等仿真設計手段,盡可能確保優化封裝后的國產化元器件能夠滿足整機的可靠性要求。如某國產元器件在設計研制階段,開展了熱仿真、應力仿真,優化結構設計,增加加固措施,經溫度循環驗證,成功解決了多次溫度循環后元器件的脫焊問題。

    4.開展可靠性強化試驗和補充驗證

    為避免部分缺陷無法在應用驗證中充分暴露的問題,可針對重要元器件,如大規模集成電路、大功率器件等開展可靠性強化試驗,確定元器件的使用邊界,針對暴露的問題展開分析,制定相應的改進措施。

    對于已有其他整機單位使用過的國產化元器件,整機單位可結合工程實際情況開展補充驗證,重點針對匹配性問題或指標無法體現的特性進行驗證,確保國產化元器件能夠滿足整機單位的需求。如涉及到工藝或環境適應性的改進,元器件研制單位可推廣到其他整機單位.有利于提升裝備質量。

    5.加強元器件研制單位的質量控制

    整機單位應向元器件研制單位及時傳遞頂層質量要求,并對元器件研制單位的設計和制造過程進行審查和監控,明確關鍵參數的質量一致性要求。元器件研制單位應加強元器件、原材料的選用控制,制定相應的質量控制細則,控制元器件的設計、生產和檢驗過程,尤其要加強對特殊過程、關鍵工藝技術的控制,以確保元器件批次內、批次間的質量一致性。

    6.建設國產元器件的信息化系統

    為了更有效地推廣國產元器件的應用,在國家層面建設國產元器件的信息化系統。國產元器件信息化系統可定期對元器件相關信息,如研制背景、性能指標、研制情況、鑒定情況、驗證情況、整機使用情況等進行更新和維護,提高國產化替代元器件的選用效率,讓更多的整機單位了解國產元器件的信息。整機單位也可將驗證和使用過程的問題共享到信息系統中,為國產化替代驗證提供有力的支撐,其他同行也可避免再走彎路,提高國產元器件的設計和使用質量。

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