Обеспечение качества и надежности процесса монтажа

Качество** изделий как совокупность потребительских свойств определяется обширной номенклатурой показателей, систематизированных по этим свойствам в одиннадцать групп (например, по функциональному назначению, надежности, технологичности, экономичности, эргономичности и др.). Наиболее важными из всех групп являются показатели на значения и надежности, причем первые закладывают качество (т. е. являются определяющими), а вторые – формируются по количественным характеристикам показателей назначения с учетом их изменения во времени. Количественно качество на этапе производства оценивается степенью дефектности*** объекта и ТП, а также через вероятностные и жестко нормированные показатели, задающие качество в соответствии с техническими условиями и нормативной документацией.

Рис.12.7. Схема технологической автоматизированной пятимодульной линии очистки смонтированных ячеек ЭУ; 1 – модуль основной очистки; 2, 3, 4 – соответственно модули начальной, промежуточной и финишной промывки; 5 – модуль просушки; 6 – конвейерная лента; 7 – объект очистки (смонтированная ячейка); 8 – подача очистителя; 9 – вентиль; 10 – слив; 11, 12 - соответственно подача горячей и холодной воды; 13 – аквадистиллятор; 14 – подача дистиллированной воды; 15 – система получения и очистки деионизированной воды; 16 – подача очищенного сжатого воздуха; 17 – осушитель.

Таким образом, надежность – одно из фундаментальных свойств качества изделий, проявляющееся во времени. Поэтому неслучайно одно из определений представляет надежность как свойство изделий сохранять свое качество во времени. Причем это свойство носит комплексный характер, так как затрагивает схемотехнические, конструкторские, технологические, физико-химические, экономические и организационные аспекты всего жизненного цикла изделия для обеспечения его безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Для количественного описания всех свойств надежности используют пять групп показателей. Так, группа показателей безотказности включает: вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, параметр потока отказов, среднюю наработку на отказ и др.; группа показателей долговечности включает: средний ресурс, средний срок службы и др.; группа показателей ремонтопригодности включает: вероятность восстановления, среднее время восстановления работоспособного состояния ЭУ, интенсивность восстановления и др.; группа показателей сохраняемости включает: средний срок сохраняемости и др.; группа комплексных показателей надежности включает: коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического использования, коэффициент сохранения эффективности использования ЭУ и др. Эти показатели определяют с применением расчетных методов (в том числе моделирования); экспериментально (по данным испытаний в процессе изготовления ЭУ и при эксплуатации). А также расчетно-экспериментальными методами (например, интерполирования, экстраполирования и др.) с учетом условий эксплуатации.

Методы производственного контроля качества (количественных и качественных характеристик свойств ЭУ) при изготовлении ЭУ должны обеспечивать выпуск каждого изделия с требуемым уровнем безотказности, долговечности и сохраняемости. Все параметры ТП, оказывающие влияние на надежность ЭУ, должны непрерывно контролироваться. Кроме того, необходимо учитывать, что характеристики качества и надежности тесно связаны с экономическими показателями изделий (например, с его себестоимостью) и чем выше качество и надежность ЭУ, тем обычно дороже они обходятся производителю и потребителю. В этой связи проще пользоваться дифференциальными критериями для оценки уровня качества продукции, являющимися относительными характеристиками качества, основанными на сравнении показателей качества оцениваемых объектов с соответствующими базовыми (нормативными) показателями.

Наиболее общая количественная мера надежности ЭУ – его средняя наработка до возникновения отказа*, а для более полной оценки надежности чаще всего определяют еще вероятность безотказной работы (ВБР) и интенсивность отказов** изделия (на этапе проектирования ЭУ – с помощью математического моделирования, а для готовых изделий – с применением теоретико-экспериментальных методов).

Поскольку ЭУ представляет собой систему с определенной схемотехнической и конструктивной иерархией, то ее ВБР и будут зависеть от этих показателей для каждого конструктива (включая каждое паянное соединение на КП) с учетом условий функционирования, например, в простейшем случае***

,

где n – количество конструктивов ЭУ; t – время;

;

где n_i, n_j – число типов конструктивов ЭУ (компонентов, узлов и т. д.); _{i j ПС} - интенсивность отказов соответственно i и j типов конструктивов, а также паянных соединений; - коэффициенты, учитывающие соответственно характер и длительность электрической нагрузки каждого типа конструктивов, тепловую нагрузку, а также условия приемки, эксплуатации и степени освоенности технологии их изготовления; , , - количество выводов, соответственно компонентов (активных и пассивных) и узлов.

Таким образом, надежность ЭУ невозможно оценить, не зная надежности его конструктивов. Как отмечалось ранее, технологическая надежность ЭУ и его конструктивов должна обеспечиваться (закладываться в технологию) необходимыми средствами их контроля и испытаний, а также контроля параметров ТП по нормативным показателям качества. Поэтому при оценке качества компонентов, поступающих в производство ЭУ, можно выделить три аспекта: начальное качество (выражаемое через уровни AQL****); пригодность к использованию (описываемую вероятностью отказов до монтажа и при их монтаже на КП), а также надежность (выражаемую через интенсивность отказов или вероятность безотказной работы).

Начальным качеством характеризуют изготовленные компоненты, которые, как правило, испытываются по установленным параметрам качества с оценкой уровня их дефектности. Формирование выборок и определение приемлемых уровней качества (AQL) осуществляется в соответствии с требованиями МЭК-410. Приемлемые уровни качества устанавливаются в зависимости от типа отказа, причем более серьезный отказ имеет более низкий AQL.

Пригодность к использованию является мерой качества компонента в промежутке от его изготовления до момента окончания монтажа ЭУ и характеризуется уровнем дефектности непосредственно перед сборкой, а также вероятностью отказов во время сборки и монтажа.

Надежность компонентов, выражаемую обычно через ,определяют по результатам соответствующих испытаний, а прогнозируют ее, как правило, по количеству отказов на миллион часов работы компонента (с учетом электрической нагрузки и температурных условий применения).

Нагрузки (особенно тепловые), испытываемые компонентами за время их изготовления, хранения, использования при изготовлении ЭУ и эксплуатации, оказывают непосредственное воздействие на их долговечность. Продуманное или неудачное схемотехническое либо конструкторское решение может соответственно уменьшить или увеличить величину нагрузок. С повышением степени интеграции ИС роль тепловой нагрузки существенно возрастает. Ее влияние на надежность ИС можно упрощенно оценить, используя коэффициент запаса надежности по температуре, определяемый как , где - рабочая температура кристалла и - предельно допустимая температура кристалла. Из табл. 12.2 видно, что чем больше коэффициент запаса надежности, тем меньше (лучше) показатель интенсивности отказов. Кроме того, в составе специализированной аппаратуры (имеющей более высокий уровень схемо- и системотехнических решений, а также изготавливаемой и эксплуатируемой в контролируемых условиях) полупроводниковые приборы для ТПМ показывают лучшие значения интенсивности отказов.

Таблица 12.2

Интенсивность отказов полупроводниковых приборов в микрокорпусах

с двусторонней разводкой выводов, монтируемых на поверхности КП

Коэффициент запаса надежности по температуре	для аппаратуры, ´10^-9ч^-1
специальной	бытовой
0,7
0,7 – 0,5
0,5 - 0,3
0,3 - 0,1	-

Создание прочных паянных соединений – одна из главных проблем высокоплотного монтажа ячеек ЭУ. Экспериментально определено, что в паянных соединениях при их формировании возникают напряжения, способствующие образованию и развитию дефектов в местах пайки, приводящих к отказам изделий в процессе эксплуатации. Причин появления напряжений несколько, связаны они со свойствами контактирующих материалов, геометрией контактов, технологическими факторами, функциональной нагрузкой и условиями эксплуатации изделия. Одной из основных причин, вызывающих напряжения в паянных соединениях при монтаже ЭУ являются механические деформации, возникающие из-за несогласованности по ТКЛР контактирующих материалов, образующих систему диэлектрическое основание КП – контактная площадка КП – припой – вывод ЭРК – тело корпуса ЭРК. Величины этих деформаций приобретают гораздо большую значимость для прочностных характеристик паянных соединений, полученных в ТПМ, в сравнении с техникой монтажа ТМК. Это связано со спецификой ТПМ, например, с уменьшением размеров контактных площадок, соизмеримых с контактирующими элементами ПМК, возрастают касательные напряжения в местах контактов в условиях повышенных температур. По этой же причине действие сил поверхностного натяжения оплавляемого припоя в ТПМ нельзя не учитывать, так как оно тоже способствует появлению деформаций в контактируемых материалах, приводящих к смещениям ПМК на знакоместах, а иногда и к переворотам (вздыбливаниям) ПМК с самой малой массой (т. е. чипов).

Малые размеры выводов корпусов ПМК и элементов коммутации КП при высокой плотности монтажа делают ручную визуальную проверку качества паянных соединений неэффективной, а ремонт изделий – крайне затруднительным. Выход из этого положения - совершенствование организации системы контроля на этапе проектирования ЭУ, а также привлечение новейших методов и средств технологического контроля. Первая мера должна быть ориентирована на бездефектное изготовление изделий при непосредственном воздействии средств контроля на технологический процесс (ТП). В соответствии с общей тенденцией к интеграции дискретных ТП в ГПС либо в интегрированные производственные системы (на основе ЕИБД и современных компьютерных сред) получили распространение локальные сети контроля, позволяющие повысить эффективность технологического контроля. Локальная сеть контроля, в сущности, представляет собой гибкий технологический комплекс с многоуровневой иерархической системой управления, который состоит из различных автоматизированных постов контроля и при необходимости – постов ремонта, а также терминалов, взаимосвязанных каналами передачи данных. Выходная информация отображается на терминале диспетчера в реальном масштабе времени и удобном для интерпретации виде. Она содержит сведения о нарушениях в ТП, результаты технологического контроля, сведения о выходе годных изделий, данные анализа отказов, т. е. обширный массив сведений (включая данные о состоянии технологического оборудования), полученных от встроенных в общую систему средств входного, внутриоперационного, межоперационного (послеоперационного) и выходного контроля (например, средство контроля, представленное схематично на рис. 12.8). Вместе с тем уже стало очевидным, что значительная часть проблем контроля качества ЭУ при возрастающей плотности монтажа в ТПМ может решаться путем встраивания в изделия, начиная с уровня элементной базы, средств самоконтроля, саморегулировки и самодиагностики, осуществляемого на этапе проектирования перспективных ЭУ. Наиболее эффективно средства самоконтроля реализуются в составе ЭУ в виде индивидуальных для каждого изделия схем самотестирования обычно на основе базового матричного кристалла либо программируемых логических матриц специализированной БИС, проектируемых одновременно с ее основной (функциональной) схемой, что не требует такой дополнительной площади на КП, как тестовые схемы, реализуемые прямо на плате.

Совершенствование методов и средств контроля ЭУ направлено на повышение информационной емкости, быстродействия и точности контрольно-измерительной аппаратуры (КИА); широкое использование в КИА микропроцессорной техники, позволяющей управлять измерениями, обработкой и индикацией их результатов, устройствами сопряжения (например, с более мощным ЭВС) и обеспечивать интерактивный режим работы КИА, отключать ее при перегрузках, сообщать о неисправностях и т. д.; широкое внедрение систем контроля, позволяющих сочетать параметрический и функциональный контроль изделий; разработку новых аналитических методов проверки качества конструктивов ЭУ, упрощающих решение проблемы их контролепригодности; разработку методов контроля с помощью подвижных зонтов на базе микро-ЭВМ, а также зондового тест-контроля (в том числе бесконтактными методами); роботизацию контроля для повышения его точности и воспроизводимости при сокращении числа операторов и затрат времени на измерительные операции; упрощение процесса контроля изделий; использование новых, сочетаемых с проверкой качества методов поиска дефектов и восстановления (регенерации) изделий, имеющих устранимые дефекты (включая «скрытые» дефекты).

Исследования показали, что 50% всех дефектов в смонтированных ячейках ЭУ (например, короткие замыкания, обрывы, токи утечки и др.) могут быть выявлены еще до проведения монтажа изделий. Поэтому в настоящее время выпускается большое разнообразие КИА, обеспечивающей выявление дефектов на всех этапах изготовления КП, сборки и монтажа ЭУ (включая промежуточные подготовительные операции в ТП). В частности, гибкоавтоматизированные модули технологического контроля качества монтажа, разработанные на принципах интерферометрии и ИК-микроскопии (с удобной визуализацией дефектов и формой представления результатов контроля), позволяют определить и выявлять на разных этапах ТП большую часть дефектов, в том числе некоторые скрытые дефекты до пайки ЭУ, что во многом способствует избежанию дефектности паянных соединений.

Рис. 12.8. Схема установки контроля качества паянных соединений в ячейках с ПМК; 1 – источник рентгеновского излучения; 2 – двухкоординатный стол с КП и ПМК; 3 – телекамера; 4 – контроллер; 5 – процессор изображений; 6 – дисплей; 7 – оператор; 8 – экранированный кожух; 9 –зеркало; 10 – люминесцентный экран; ПМК – поверхностно-монтируемые компоненты; КП – коммутационная плата.

Проведение многофакторного эксперимента с использованием современной методики оценки остаточных напряжений в местах пайки и вероятностно-статического анализа в целом подтвердило результаты машинного моделирования и позволило минимизировать остаточные напряжения в паянных соединениях по выбору соотношения площадей припойной площадки под выводом ПМК и за его пределами, а также определить оптимальную форму галтели паянного соединения по этому критерию. Лучшие результаты получены для галтели типа «вогнутый шарик», когда большая часть припойной площадки находится под выводом ПМК.

Неплоскостность (некопланарность) выводов ПМК также ухудшает прочность паянных соединений, внося дополнительный разброс в прочностные характеристики, что следует учитывать при проектировании знакомест КП и припойных покрытий для конкретной конструкции корпуса ПМК, включая форму выводов. Для предупреждения в ЭУ дефектов, связанных с термоударами, обычно происходящими во время пайки, иногда пользуются критерием проверки сопрягаемых материалов на устойчивость к температурным градиентам ТП , называемым параметром температурного скачка , который определяется как

,

где - температуропроводность материала; - сила растяжения; - ТКЛР материала; - эффективный модуль упругости. Материалы с > выдерживают ТЦ нагрузки без появления дефектов (включая скрытые), вызванных усталостными процессами.

Таким образом, для обеспечения требуемого качества паянных соединений необходимо:

- оптимальное проектирование элементов КП с учетом предела выносливости конструкционных материалов используемых ПМК и КП, а также припойных материалов (включая оптимизацию их дозированного нанесения на КП);

- применение гибких контрольно – испытательных средств для предупреждения и выявления дефектов пайки, слежения за прецизионным выполнением ТП и своевременным внесением в него коррективов при необходимости;

- учет контролепригодности ЭУ на этапе его проектирования (в том числе для тест-контроля паяемости элементов конструктивов и припойных паст до и после сборки);

- использование методик и средств диагностирования и прогнозирования условий выполнения операций в ТП, обеспечивающих бездефектность изготовления ЭУ (включая экспресс-моделирование, исследовательско-технологические ускоренные испытания и т. д.);

- минимизация либо исключение человеческого фактора в контрольных и контрольно-испытательных операциях;

- прецизионный контроль материалов ТС и программируемая аттестация гибких технологических модулей перед каждым процессом формирования припойных покрытий, сборки и монтажа с помощью средств автоматического тестирования;

- внедрение средств статистического контроля (контрольных диаграмм, причинно-следственных диаграмм, Парето-анализа и др.).

Наряду с рассмотренными средствами обеспечения качества паянных соединений, для производства высоконадежных ЭВС и их конструктивов необходимы наиболее эффективные организационно-технические и научно-методические мероприятия, в частности:

- организация и освоение гибких интегрированных производственных систем с комплексной системой управления качеством изготавливаемых объектов и аттестацией производства;

- разработка интегрированных технологических маршрутов с использованием новых информационных технологий;

- использование имеющихся интегрированных дискретных компонентов и суперкомпонентов, а также разработка новых, позволяющих уменьшить число паянных и сварных соединений в конструктивах ЭУ;

- разработка робастных технологий и изделий, рассчитанных на любые реальные условия эксплуатации;

- развитие теории надежности с учетом физических, физико-химических, биофизических, биохимических явлений и процессов с применением машинного моделирования с целью получения исходной информации как для проектирования ЭУ (в том числе о биоконструктивах новейших ЭВС), так и для прецизионного управления ТП (включая прогнозирование качества и надежности, экспресс-контроль качества объекта, диагностирование состояний объекта и ТП), а также для проведения исследований фундаментальной проблемы времени (с целью управления им в задачах надежности);

- совершенствование имеющихся и разработка новых методов и средств бесконтактного технологического контроля (в том числе аналитического) для оценки качества объекта производства на всех его этапах;

- разработка общих и индивидуальных встроенных в ЭУ средств (например, схем) самоконтроля, самотестирования и саморегулирования;

- проектирование отказоустойчивых конструкций ЭУ с использованием оптимизации методов резервирования (в том числе структурно, временного функционального, смешанного, информационного и др.) по функциональным, технологическим, конструктивным и надежностным критериям, а также минимизации либо исключения потенциально низконадежных конструктивов;

- использование новых схемотехнических и конструкторско-технологических решений для регулирования тепломассообмена в ЭУ;

- широкое использование статистического контроля и моделирования для оценки проектируемой, технологической и эксплуатационной надежности;

- разработка и внедрение кластерных ГПС для изготовления перспективных ЭВС.

*Данный припой для применения в ваннах с волнообразователями не пригоден из-за быстрой потери жидкотекучести и смачивающей способности.

**Данный припой и все нижеследующие (кроме ПОС-61М) используются, преимущественно, для монтажа микросборок (или многокристальных модулей).

***Приводится начальная и конечная температуры оплавления.

* Каури-бутанольное число оценивается отношением 100мл бензола, добавляемого в стандартный раствор каучуковой смолы в н-бутиловом спирте, к количеству (мл) исследуемого растворителя, добавляемого в такой же стандартный раствор до одинаковой замутненности по сравнению с первым стандартным раствором.

* Робастной можно назвать технологию, при реализации которой свойства изготавливаемого объекта не зависят от неконтролируемых факторов.

* До образования пузырьков в движущейся жидкости (в растворителе).

** Качеством изделия называется совокупность свойств, определяющих пригодность изделия для его использования по назначению. Качество характеризует степень совершенства годного к использованию изделия.

*** Дефект – каждое отдельное несоответствие объекта производства установленным требованиям.

* Отказ – случайное во времени событие, заключающееся в нарушении или прекращении функционирования объекта.

** Интенсивность отказов – условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возникал.

*** Приводимые выражения справедливы в случае простейшего потока отказов, характеризуемого свойствами ординарности, стационарности и отсутствия последействия, что присуще экспоненциальному закону распределения отказов.

**** Acceptable Quality Level – приемлемый уровень качества.

Дата добавления: 2015-08-02