Проектирование, производство и эксплуатация электронной аппаратуры

3.1. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Радиоэлектронные средства представляют собой изделия, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники. Этим термином, в соответствии с ГОСТ 26632-85, обозначаются все существующие виды и уровни электронной аппаратуры.

Современный подход к разработке и конструированию РЭС является комплексным. Эффективность разработки конструкции РЭС обеспечивается при всестороннем учете требований к радиоэлектронной системе в целом и ее отдельным составным частям, взаимосвязей между системой, схемой, конструкцией, технологией, производством и эксплуатацией. Конструкцией РЭС называется совокупность материальных объектов с различной формой и физико-химическими свойствами, которые расположены в пространстве определенным образом и находятся в определенной механической и электромагнитной взаимосвязи. Эта взаимосвязь обеспечивает с требуемой точностью и надежностью выполнение радиоэлектронным средством заданных функций по приему, обработке, хранению и передаче информации. Конструкция обеспечивает работоспособность РЭС в условиях Действия дестабилизирующих факторов внешней среды. Одно из важнейших свойств конструкции – возможность ее многократного повторения в условиях производства.

По уровню функциональной сложности они подразделяются на радиоэлектронные функциональные узлы, радиоэлектронные устройства, радиоэлектронные комплексы и системы.

В конструкциях РЭС различают несколько конструкторско-технологических уровней. Исходным уровнем являются конструктивно неделимые элементы – интегральные схемы, функциональные элементы, активные и пассивные электрорадиоэлементы. Эти элементы составляют нулевой уровень конструктивной сложности. В процессе создания аппаратуры их объединяют в более сложные конструкции – ячейки.

Радиоэлектронные ячейки предназначены для реализации функций передачи, приема, преобразования и хранения информации и выполняются на основе несущих конструкций первого уровня. Несущая конструкция представляет собой совокупность элементов, предназначенных для размещения РЭС и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. Несущая конструкция первого уровня предназначена для размещения элементов нулевого уровня и входит в несущие конструкции более высокого уровня. Если габаритные размеры несущей конструкции стандартизованы, то такая конструкция называется базовой несущей конструкцией. Ячейки, выполненные на основе базовой несущей конструкции, представляют собой конструктивно и функционально взаимозаменяемые сборочные единицы.

Второй уровень конструктивной сложности представляют радиоэлектронные блоки, которые также являются конструктивно и функционально законченными сборочными единицами. Блоки объединяют ячейки механически и обеспечивают электрическую связь ячеек между собой. Несущая конструкция второго уровня может быть выполнена в виде панели рамы или корпуса блока.

Третий уровень конструктивной сложности РЭС представляет собой совокупность радиоэлектронных блоков и ячеек и, в отличие от предыдущих уровней, предназначается для самостоятельного применения. Нескщая конструкция третьего уровня может быть изготовлена в виде рамы, каркаса, стеллажа, шкафа, стойки, пульта.

Конструктивно радиоэлектронные комплексы и системы состоят из набора несущих конструкций второго и третьего уровней конструктивной сложности и включают в себя источники энергоснабжения.

Деление РЭС на конструктивно и функционально законченные единицы лежит в основе процесса их разработки. Необходимой составной частью РЭС всех уровней конструктивной сложности является конструкция или базовая несущая конструкция. Метод конструирования, основанный на использовании базовых несущих конструкций в сочетании с функционально законченными сборочными единицами аппаратуры, называется базовым. Базовый метод характеризуется следующими достоинствами:

- на этапе разработки позволяет одновременно разрабатывать многие радиоэлектронные функциональные узлы и устройства; упрощает отладку и сопряжение узлов; сокращает объем оригинальной конструкторской документации, дает возможность непрерывно совершенствовать аппаратуру без коренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию;

- на этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства РЭС; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников; снижает стоимость аппаратуры благодаря широкой механизации и автоматизации производства;

- при эксплуатации повышает эксплуатационную надежность РЭС, облегчает обслуживание, улучшает ремонтопригодность аппаратуры.

Основной тенденцией развития РЭС является их усложнение и расширение функциональных возможностей при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик.

При проектировании таких устройств следует помнить, что анализ объектов, включающих большое количество различных элементов, при неполной информации об их функционировании не может быть выполнен классическими методами и требует использования теории и аппарата больших систем - системного подхода. При этом предполагается, что система может быть формализована, то есть абстрактно представлена некоторой математической моделью ее функционирования.

Суть системного подхода при математическом моделировании состоит в следующих принципах:

- целостность изучаемой системы – предполагает, что целое принципиально не сводимо к сумме свойств составляющих его элементов;

- структурность – предполагает возможность описания системы с помощью сети связей между ее элементами;

- иерархичность – предполагает, что каждая подсистема или элемент системы могут рассматриваться как система;

- множественность описания – предполагает, что система может быть описана множеством математических моделей, каждая из которых описывает определенный аспект системы;

- взаимозависимость системы и среды – предполагает, что свойства системы проявляются только при взаимодействии с окружающей средой.

Системный подход предполагает общую оптимизацию при проектировании, производстве и эксплуатации РЭС. Задачи оптимизации на конструкторском и технологическом этапах проектирования различны: на этапе конструирования это минимизация числа и типов элементов схемы и решение задач размещения и трассировки, а на этапе технологии это выбор параметров унифицированного технологического процесса.

В основе системного подхода лежит блочно-иерархический подход к проектированию, состоящий в выделении иерархических уровней проектирования в зависимости от степени подробности, с которой отражаются свойства проектируемой системы (объекта или процесса). На этих уровнях имеются группы задач, связанные с проектированием схем, конструкций и технологии, так называемые аспекты проектирования.

Задачи, решаемые на каждом этапе блочно-иерархического проектирования, делятся на задачи синтеза и анализа. Задачи синтеза связаны с получением проектных вариантов, а задачи анализа с их оценкой. Различают параметрический и структурный синтез. Под структурным синтезом понимается получение состава элементов системы и способа их связи между собой, а под параметрическим синтезом определение числовых значений параметров элементов.

Если среди вариантов структуры ищется не любой, а лучший в некотором смысле, то задача синтеза называется структурной оптимизацией. Расчет внутренних параметров, оптимальных с позиции некоторого критерия при заданной структуре объекта, называется параметрической оптимизацией. Возможности постановки и решения задач структурной оптимизации существенно ограничены, поэтому чаще под оптимизацией понимают параметрическую оптимизацию. Параметрическая оптимизация подразделяется на оптимизацию параметров и оптимизацию допусков. В первом случае под оптимизацией понимается определение таких номинальных значений внутренних параметров, при которых некоторая функция, называемая целевой функцией, принимает экстремальное значение.

Во втором случае не отдельная оптимальная точка, а некоторая оптимальная область в пространстве внутренних параметров. Эта область характеризует диапазон допустимых значений параметров, при которых обеспечивается правильность функционирования проектируемого объекта и достигается экстремальное значение некоторой целевой функции. Примерами целевых функций могут быть надежность, стоимость, габариты, масса, энергопотребление.

Задачи анализа при проектировании являются задачами исследования модели проектируемого объекта и делятся на задачи одновариантного и многовариантного анализа. При одновариантном анализе исследуются свойства объекта в заданной точке пространства параметров, а при многовариантном анализе исследуются свойства объекта в окрестностях заданной точки пространства параметров. Решение задачи одновариантного анализа дает ответ на вопрос выполняются ли условия работоспособности в заданном варианте структуры при номинальных значениях внутренних параметров, а решение задач статистического анализа дает ответ на вопрос с какой вероятностью будут выполняться условия работоспособности. Вероятность выполнения условий работоспособности характеризует такие свойства проектируемого объекта как надежность и серийнопригодность.

Создание многофункциональных, помехоустойчивых, высокопроизводительных РЭС основано на использовании принципа комплексной микроминиатюризации предполагающего, с одной стороны, миниатюризацию элементной базы на основе использования новых материалов и технологий, позволяющих создавать сверхбольшие и сверхскоростные ИС, и, с другой стороны, миниатюризацию узлов и блоков аппаратуры на основе использования микроэлектронных технологий, позволяющих реализовать высокую плотность размещения СБИС и ССИС.

Выполнение задач комплексной микроминиатюризации, снижение сроков разработки аппаратуры, повышение качества и надежности достигается применением высокоэффективных методов автоматизированного проектирования на основе современной вычислительной техники и математической теории.

3.2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОМПОНОВКИ И МОНТАЖА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ВЫСОКОЙ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ

Конечным результатом внедрения основных положений комплексной микроминиатюризации является наибольшее приближение к идеальному конструктиву, под которым понимается такой конструктивно-технологический вариант РЭС, значения электрических и эксплуатационных параметров которого близки к предельно достижимым при минимальных массе и объеме.

При этом используются прогрессивные методы компоновки и монтажа, к которым могут быть отнесены: конструирование узлов из ИС широкого применения методом монтажа на поверхность на обычные печатные платы, но без металлизированных отверстий; конструирование узлов из БИС и СБИС в кристаллодержателях или на лентах-носителях на крупноформатных подложках; конструирование узлов из бескорпусных мини-микросборок на гибких печатных платах; конструирование мини-блоков из суперкомпонентов на общем несущем основании.

В перечисленных направлениях конструирования РЭС существенно изменены либо элементная база, либо принципы компоновки, либо и то и другое вместе. РЭС, выполненные на этой основе относятся к пятому поколению аппаратуры.

Применение монтажа на поверхность с двух сторон печатной платы с использованием микроконденсаторов, микрорезисторов, новых микрокорпусов ИС теоретически позволяет получить в таких конструктивах плотность упаковки на поверхности, близкую к плотности упаковки гибридных ИС. Кроме того, сборка малогабаритных ИС в пластмассовых корпусах нового типа проводится автоматизировано на печатных платах меньших размеров за счет уменьшения размеров самих корпусов и исключения металлизированных отверстий, что в конечном итоге снижает стоимость в 2-4 раза. Сочетание пассивных микрокомпонентов и снабженных миниатюрными выводами активных компонентов позволяет значительно уменьшить длину межсоединений и число слоев в печатных платах, а следовательно, паразитную емкость и индуктивность, то есть приблизить быстродействие функциональной ячейки к быстродействию самих ИС.

Основной проблемой при этом направлении конструирования является разработка малогабаритных корпусов с короткими выводами в плоскости печатной платы. Примерами таких пластмассовых дешевых корпусов могут служить корпуса типа SOT-23 (транзисторный размерами 2,9х1,3х1,1 мм фирмы Motorola) и SOIC (для ИС с числом выводов 16…64, длина корпуса 7,62 и 12,7 мм, высота 1,4 мм фирмы Texas Instruments).

Потребность в новых печатных платах с расстоянием между линиями не более 0,2 мм и диаметром межслойных соединений 0,51 мм делает невозможным применение обычных материалов (фольгированных гетинакса и стеклотекстолита) и требует новой технологии для изготовления печатных плат из слоистых стеклоэпоксидных заготовок. Толщина плат из стеклоэпоксида составляет 0,5 и 1,0 мм.

Метод конструирования на крупноформатных подложках основан на применении специальных несущих плат-оснований взамен обычных печатных плат с возможно большими размерами (до 400х500 мм). В качестве такого основания используется металлический (алюминиевый или стальной) лист с наклеенной на него многослойной трассировочной полиимидной пленкой, на которую устанавливаются БИС на ленте-носителе. Главное достоинство таких конструкций состоит в том, что они позволяют получить высокую плотность упаковки элементов на широкоформатных основаниях-носителях и уменьшить дезинтеграцию объема конструкции блока в 1,6 раза по сравнению с мелкоформатными ячейками при той же элементной базе. Основным недостатком конструктивов РЭС на крупноформатных подложках является большая задержка сигнала за счет значительной длины межсоединений в каждом слое, а с учетом многослойности – невысокое суммарное быстродействие таких ячеек.

При разработке крупноформатных подложек встречаются следующие трудности конструкторско-технологического характера:

- необходимость совместимости материалов держателей ИС и подложки по температурному коэффициенту расширения;

- необходимость согласования плотности межсоединений, в частности контактных площадок, с плотностью расположения площадок ввода-вывода на кристаллодержателях и лентах-носителях;

- требование надежного теплоотвода от кристаллодержателей и лент-носителей с большим числом активных компонентов.

В конструкциях крупноформатных подложек принят шаг сетки 0,65 мм вместо обычных 1,25 мм для обычных печатных плат, диаметр отверстий 0,3 мм вместо 0,8 мм, что позволило увеличить плотность межсоединений на 75%, а в дальнейшем достигнуть сверхвысокой плотности межсоединений еще и за счет устранения межслойных отверстий и замены их на сплошные стерженьки путем электрического осаждения меди. Минимальный диаметр межсоединений при этом равен 0,13 мм. Наличие таких стержневых межсоединений позволило обеспечить лучший теплотвод нежели при металлизированных отверстиях.

Сочетание бескорпусных линейных ИС с принципами переноса полупроводниковой технологии на пассивную часть гибридных ИС позволяет разработать аналоговые мини-микросборки, которые имеют существенно лучшие показатели по площади объему и массе. В подобных конструкциях мини-микросборок используются транзисторы, диодные матрицы, мини-конденсаторы и пленочные резисторы, изготовленные с высокой разрешающей способностью. Перенос пассивных элементов с тонкопленочной подложки на кристалл и их изготовление по технологии, близкой к полупроводниковой, уменьшает число самих кристаллов и операций изготовления, что на 20…30% снижает стоимость изделия.

Согласно правилам приближения конструкций аналоговых РЭС к их идеальным конструктивам при реализации аналоговых функциональных ячеек необходимо:

- применять мини-микросборки с линейными ИС повышенной интеграции;

- компоновать мини-микросборки по принципу непрерывной интегральной схемы;

- в качестве частотно-избирательных узлов применять приборы функциональной электроники;

- общую трассировочную плату выполнять на гибком печатном основании – полиимидной пленке, приклеенной непосредственно к дну корпуса-экрана;

- корпус-экран выполнять из тонкостенных (не более 0,5 мм) металлов для уменьшения доли несущих конструкций в общем балансе масс и объемов РЭС.

По мере развития электронной техники уровень интеграции и функциональная сложность БИС и СБИС стремительно растут, в результате чего эти компоненты начинают выполнять функции блоков и подсистем, определяющих функционирование всего устройства в целом. Эти компоненты более высокого иерархического уровня называются суперкомпонентами. В связи с этим процесс конструирования современных РЭС высокой степени интеграции уже не может рассматриваться как сочетание простых задач компоновки и монтажа компонентов, он должен рассматриваться как разработка самих суперкомпонентов, а в дальнейшем - как задача компоновки и монтажа РЭС.

Примером такой разработки конструктива на суперкомпонентах может служить суперинтегральный кристалл фирмы Toshiba, содержащий микропроцессор Z80, программируемые периферийный интерфейс и блок ввода-вывода, таймер и логические схемы для тестовой проверки ИС. В этой разработке ускорение процесса проектирования мини-блоков достигнуто применением стандартных КМОП- кристаллов, которые используются как компоненты большой гибридной интегральной схемы. Такой конструктив позволяет сократить сроки и стоимость разработки более чем в 2 раза.

Главной особенностью монтажа РЭС высокой степени интеграции является значительное увеличение разрешающей способности линий связи, а в ряде случаев в замене и переносе пленочного монтажа на полупроводниковые пластины, где расстояние между линиями близко к единицам и даже долям микрона. Другой особенностью монтажа РЭС высокой степени интеграции является применение принципа многоуровневой коммутации. Это связано с тем, что при все увеличивающейся сложности БИС и СБИС число выводов от них непрерывно растет, что в свою очередь приводит к резкому увеличению площади, занимаемой межсоединениями (от 20 до 85%), как в кристалле, так и на платах основаниях.

Организация системы межсоединений в БИС и СБИС является важнейшей проблемой их конструирования и изготовления. От правильного ее решения зависят повышение технических параметров ИС и улучшение экономических показателей их производства: экономия площади кристалла, повышение выхода годных и надежности. Чтобы избежать чрезмерной потери площади кристалла используются двух- и трехслойная система межсоединений с соответствующей организацией связи между слоями.

При организации системы межсоединений в БИС и СБИС в настоящее время наибольшее распространение нашли методы: избирательного монтажа, монтажа с использованием многоячеечных структур, микроматричный, а также метод, основанный на использовании элементной избыточности.

Метод избирательного монтажа основан на том, что из всей совокупности элементов на кристалле соединяются между собой лишь годные. В этом случае для проверки годности каждый элемент должен иметь как минимум одну контактную площадку, к которой подключается измерительная аппаратура. Так как контроль каждого элемента в отдельности затруднителен, то элементы объединяются в ячейки. Ячейки могут быть однородными, то есть состоять из одинаковых элементов, или представлять собой совокупность элементарных логических схем. Информация о количестве, месте расположения годных и дефектных ячеек заносится в память ЭВМ. Туда же вводятся данные о характере проектируемой БИС и основные правила проектирования рисунка внутренних межсоединений. Компьютер, по заранее разработанной программе, управляет электронным лучом индикаторной системы с высокой разрешающей способностью. Таким образом создается фотошаблон для первого и последующих слоев металлизации.

Особенностью и, в определенной мере, недостатком метода избирательного монтажа является то, что место расположения годных и дефектных ячеек заранее неизвестно, поэтому рисунок межсоединений заранее предсказать невозможно. Кроме того, для проверки годности ячеек в каждой схеме требуется обеспечить достаточное число контактных площадок. В настоящее время технология полупроводниковых интегральных схем достигла такого уровня, когда довольно сложные схемы занимают меньшую площадь на кристалле, чем контактные площадки для проверки схемы.

Вследствие уникальности рисунка межсоединений метод избирательного монтажа не позволяет использовать преимущества интегральной технологии – групповые методы обработки пластины. Применение групповых методов требует при создании ИС повторяемого рисунка межсоединений, неизменяющегося от образца к образцу однотипных ИС. Однако это требование делает невозможным получения 100%-ного выхода годных БИС. Противоречие между требованиями групповой технологии и 100%-ного выхода годных привело к разработке компромиссного метода формирования межсоединений в БИС, получившего названия метода многоячеечных структур.

Проектирование системы межсоединений начинается с того, что в память компьютера заносятся данные о типовых стандартных ячейках, которые могут быть использованы в различных комбинациях при проектировании требуемых БИС. Кроме того, в памяти компьютера содержатся сведения о стандартных элементах, из которых могут быть построены новые многоячеечные структуры в соответствии с заданными требованиями. При помощи различных алгоритмов решается задача трассировки, то есть задача объединения ячеек в систему. На этом этапе рисунок может видоизменяться до тех пор, пока не будет удовлетворять заданным требованиям и ограничениям. Затем разрабатывается необходимая конструкторская документация и определяются данные, необходимые для изготовления базового кристалла.

Основными достоинствами рассматриваемого метода являются возможность оптимизации конструкции проектируемой БИС, конструктивная гибкость и широкое применение ЭВМ при конструировании и технологической подготовке производства. Метод многоячеечных структур дает возможность использовать такие типы и число элементов, которые обеспечивают желаемую конфигурацию схемы. При использовании этого метода можно получить высокий уровень функциональной плотности БИС и добиться высокого процента выхода годных.

Непрерывно нарастающая сложность и разнообразие функций, выполняемых интегральными радиоэлектронными устройствами, неизбежно приводит к расширению номенклатуры БИС. Для повышении экономической эффективности производства специализированных БИС и аппаратуры на их основе желательно использовать интегральные структуры, изготовляемые высокоэффективными групповыми методами. Перестройка таких структур технически несложна и занимает мало времени. Такие структуры являются полуфабрикатами и представляют собой набор однотипных стандартных ячеек, состоящих из типовых вентилей на биполярных или МДП-приборах. Внутри каждой ячейки допускается некоторая ограниченная свобода при создании соединения между отдельными элементами. Ячейка, входящая в микроматрицу, представляет собой узел, состоящий, как правило, из нескольких логических схем. Первый слой металлизации объединяет различные элементы в пределах каждой ячейки, в результате чего образуются элементарные логические схемы. Второй слой металлизации является полностью изменяемым. Он используется для соединения ячеек в соответствии с требованиями, предъявляемыми к функциональным характеристикам БИС. Проверка схемы на функционирование производится уже после того, как изготовление межсоединений ячеек во всей схеме закончено. Таким образом, если хотя бы одна ячейка окажется негодной, то вся матрица идет в брак.

Главное преимущество матричного метода заключается в использовании высокоэффективных групповых методов. Поскольку пластины содержат однотипные ячейки, процесс изготовления может повторяться с хорошим выходом годных отдельных ячеек и пластины в целом. Недостаток микроматричного метода связан с ограничением типа интегральных структур, формируемых до изготовления первого слоя металлизации.

Метод элементной избыточности основан на том, что на исходной полупроводниковой пластине несколько логических элементов собираются в группы, которые затем соединяются в более сложные узлы БИС. Каждое гнездо содержит больше элементарных функциональных схем, чем это требуется для реализации заданной функции. Первый слой металлизации используется для соединения различных элементов элементарных функциональных схем. Затем эти схемы поочередно испытываются. При построении БИС из каждого гнезда выбирается только одна годная элементарная функциональная схема.

Основным достоинством метода элементной избыточности для формирования системы межсоединений в БИС являются высокий процент выхода годных и сравнительно низкая стоимость. Процент выхода годных повышается за счет предварительной проверки отдельных узлов на более ранней стадии их изготовления и использования в БИС только тех из них, которые оказались годными.

Аппаратура СВЧ отличается от других РЭС меньшей универсальностью и большей функциональной сложностью отдельных узлов аппаратуры.

Это, а также физические особенности электромагнитных колебаний диапазона СВЧ, определяют специфику конструирования этих устройств. Так, соизмеримость геометрических размеров конструкций элементов и узлов РЭС с рабочей длиной волны требует учета распределенных параметров конструкций узлов СВЧ. Поскольку основные характеристики находятся в прямой зависимости от геометрических размеров конструкции, то часто возникает необходимость применения жестких допусков при изготовлении аппаратуры.

Из-за скин эффекта (уменьшение глубины проникновения тока в проводник с увеличением частоты) ужесточаются требования к шероховатости токонесущей поверхности линии передачи. Кроме того, вредное биологическое воздействие требует конструктивных мер для защиты людей от излучения.

Развитие микроэлектроники СВЧ идет в нескольких направлениях.

Первое – разработка микрополосковых линий передачи. Высокая надежность, устойчивость к разнообразным воздействиям, хорошая воспроизводимость параметров, групповые методы изготовления, малые габариты и масса, возможность автоматизации как расчетов, так и конструирования и изготовления, предопределили широкое использование МПЛ и устройств на их основе при создании микроэлектронных устройств СВЧ.

Второе направление – микроминиатюризация основных конструктивных узлов устройств СВЧ: разъемов, соединителей, корпусов. Габариты большинства функциональных устройств чаще всего определяются не содержащимися в них радиокомпонентами, а числом разъемов в различного рода СВЧ-переходах. Дополнительный объем, необходимый для таких блоков и обеспечения межблочной коммутации, как правило, превышает физический объем самих блоков.

Третье направление – разработка полупроводниковых активных приборов, обеспечивающих выполнение разнообразных функций: генерирование, детектирование, усиление сигналов СВЧ. Достижения в разработке интегральной технологии и новых материалов для производства полупроводниковых приборов позволили приступить к созданию полупроводниковых микросхем диапазона СВЧ.

При миниатюризации СВЧ устройств встает ряд требующих решения задач: уменьшение рабочих длин волн, что позволит значительно сократить геометрические размеры функциональных узлов; применение диэлектрических подложек с большим значением диэлектрической постоянной и малой толщиной для укорочения длины волны в диэлектрике и уменьшения расстояния между микрополосковыми линиями; интеграция СВЧ функциональных узлов на единой полупроводниковой подложке для увеличения компактности, надежности и технологичности конструкций.

Миниатюризация наиболее эффективна при переходе от гибридных СВЧ – микросборок с дискретными транзисторами к полупроводниковым СВЧ ИС, содержащим в качестве активных элементов необходимое число транзисторов и других элементов.

3.3. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ. ВИДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

Одним из основных показателей эффективности промышленного производства является качество продукции.

Качество это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением.

Качество закладывается при разработке, обеспечивается при производстве и поддерживается при эксплуатации.

На этапе разработки определяется мера соответствия значений показателей качества достижениям научно-технического прогресса. На этапе производства определяется мера соответствия фактических значений параметров изготовленных изделий требованиям научно-технической документации (НТД). На третьем этапе определяется мера соответствия фактических значений параметров изготовленных изделий в процессе эксплуатации требованиям НТД.

Оценка уровня качества изделий электронной техники проводится по восьми групповым показателям качества. Каждая из этих групп описывается совокупностью технико-экономических показателей, количество которых определяется конструктивно-технологическим исполнением изделий и областью их применения.

Показатели качества оцениваются по следующим группам:

- назначению – характеризует свойства продукции, определяющие ее функции;

- надежности – характеризует поведение изделия в процессе эксплуатации;

- технологичности – характеризует приспособленность изделия к достижению минимальных затрат при производстве;

- стандартизации и унификации – характеризует степень использования стандартных и унифицированных изделий;

- экономичности – характеризует изделие с точки зрения его себестоимости при производстве;

- эргономичности - характеризует изделие с точки зрения приспособленности к работе с ним оператора;

- эстетичности – характеризует изделие с точки зрения эмоциональной выразительности и рациональности формы;

- патентно-правовые – характеризуют изделие с токи зрения патентной чистоты и патентной защищенности.

Из всей совокупности групповых показателей качества можно выделить обобщенные, которые характеризуют определяющее значение уровня качества. Это относится к показателям качества по назначению, технологичности и надежности.

В процессе эксплуатации РЭС показатели качества, достигнутые при разработке и изготовлении, постепенно ухудшаются. Поэтому оценка качества в процессе эксплуатации иногда может быть сведена к оценке показателей надежности.

Надежность – это свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения своих параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах эксплуатации.

Надежность любого изделия характеризуется следующими четырьмя свойствами: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. При этом под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Количественно безотказность оценивается такими показателями, как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и среднее время наработки на отказ.

Вероятность безотказной работы p(t) – это вероятность того, что при заданных режимах работы, в заданном интервале времени отказ не произойдет.

Согласно определению вероятность безотказной работы:

, где - текущее время, -время появления отказа.

Статистически вероятность безотказной работы определяется как , где - число изделий, работоспособных в начальный момент времени ; -число отказавших изделий к моменту времени .

Интенсивность отказов - это условная плотность возникновения отказа, определяемая для рассматриваемого промежутка времени при условии, что до этого момента отказ не наступил.

Дифференциальное уравнение безотказности: .

Решение этого уравнения относительно (при начальных условиях , ) имеет вид , что является выражением основного закона надежности.

При экспоненциальном законе распределения отказов во времени, который применим для большинства электронных компонентов, интенсивность отказов не зависит от времени. В этого случая уравнение запишется в следующем виде: .

Среднее время наработки на отказ .

Статистически интенсивность отказов определяется как , где и - число изделий работоспособных в моменты времени и соответственно, - интервал времени.

Долговечность – это свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Количественно оценивается сроком службы - календарная продолжительность эксплуатации до наступления предельного состояния.

Ремонтопригодность – это свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к обнаружению, устранению и предупреждению отказов.

Все изделия делятся на ремонтируемые и неремонтируемые. Количественно ремонтопригодность оценивается средним временем восстановления работоспособности .

Сохраняемость – это свойство изделия сохранять работоспособное состояние в течение, и после хранения и транспортировки.

Количественно оценивается сроком сохраняемости - календарная продолжительность хранения и транспортировки в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения заданных показателей.

Значения каждого из этих показателей устанавливаются в зависимости от назначения и конструкторско-технологического исполнения изделия в соответствии с требованиями, оговоренными в НТД.

Организация и проведение работ по контролю и испытаниям РЭС основывается на ГОСТ 16504-81, который устанавливает виды, понятия и назначение испытаний и контроля изделий. Для повышения качества РЭС на всех стадиях производства и эксплуатации необходимо контролировать параметры материалов, технологию изготовления и свойства готовых изделий.

По влиянию на изделие различают разрушающий и неразрушающий контроль. Разрушающий контроль делает продукцию непригодной для дальнейшего использования и, как правило, используется в тех случаях, когда по результатам неразрушающего контроля трудно или невозможно оценить показатели качества изделия.

Под неразрушающим контролем понимается проведение любого измерения, которое позволяет оценить показатель качества изделия без ухудшения присущих ему на момент контроля свойств. Ведущую роль среди средств неразрушающего контроля РЭС играют приборы и установки, использующие в качестве носителя информации ионизирующее и оптическое излучение, электромагнитные волны радиодиапазона, тепловые и температурные поля контролируемых объектов.

По полноте охвата изделий контролем различают сплошной и выборочный контроль. При сплошном контроле исследуются все изделия в изготовленной партии. При выборочном контроле исследуется не вся партия изделий, а только ее часть – выборка. Если уровень качества в выборке соответствует установленным требованиям, то вся партия считается годной. При этом к исследуемая выборка должна быть представительной, то есть результаты, полученные при испытаниях, не должны зависеть от объема выборки. Процедуры выборочного контроля основаны на законах математической статистики и позволяют уменьшить затраты времени и средств на контроль изделий.

По цели контроля качества РЭС различают приемочный контроль и статистическое регулирование технологического процесса.

Приемочный контроль заключается в проверке соответствия качества изделий требованиям, установленным НТД на эти изделия. По результатам приемочного контроля принимается решение о пригодности изделий к поставке и использованию по назначению.

Статистическое регулирование технологического процесса осуществляется для оценки состояния этого процесса и принятия решения о необходимости его наладки.

По стадиям производственного процесса выделяют следующие виды контроля: входной контроль материалов и комплектующих изделий; контроль на всех стадиях технологического процесса изготовления изделий; приемосдаточный контроль.

Основная задача входного контроля – это определение соответствия материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий требованиям стандартов и технических условий. Он предотвращает проникновение некачественных комплектующих изделий в технологическую цепочку производства РЭС.

Пооперационный контроль позволяет корректировать технологический процесс на всех его стадиях.

Приемосдаточный контроль – это последняя контрольная операция в ходе технологического процесса производства РЭС. На этой стадии осуществляется комплексная проверка изготовленного изделия, по результатам которой принимается решение о пригодности изделия к использованию по назначению.

По используемым средствам контроля технический контроль можно разделить на следующие группы.

1. Электрический контроль, являющийся основным при оценке качества РЭС. Он предназначен для определения работоспособности устройства путем снятия диаграмм сопротивлений и напряжений в характерных точках монтажной схемы. Затем полученные значения сверяют с заданными на электрической схеме. С помощью электрического контроля также определяется соответствие выходных электрических параметров РЭС заданным.

2. Визуальный контроль, позволяющий обнаруживать поверхностные дефекты, несоответствие изделий конструкторской документации. При проверке монтажа устройства осматривают пайку и сварку, состояние изоляции, правильность размещения элементов на печатных платах. При этом способе контроля используют различные оптические приборы: светопреломляющие и отражающие элементы, микроскопы.

3. Механический контроль проводится для определения механической прочности деталей, узлов и блоков РЭС, их устойчивости к воздействию растягивающих, сжимающих, ударных нагрузок.

4. Физико-химический контроль используют, как правило, при входном контроле материалов, применяемых для изготовления РЭС, а также при физико-техническом анализе отказавших изделий.

5. Технический контроль проводится для проверки правильности выполнения как отдельных операций, так и всего хода технологического процесса.

Оценка качества и надежности РЭС осуществляется по результатам испытаний. Виды испытаний определяются комплексом воздействующих на РЭС факторов в условиях эксплуатации. Соответственно испытания РЭС подразделяются на электрические, климатические, механические и специальные. В рамках специальных испытаний оценивается устойчивость РЭС к воздействию различных видов ионизирующих излучений.

Электрические испытания служат для проверки работоспособности РЭС и стабильности их параметров в различных рабочих режимах. Работоспособность РЭС проверяют тренировкой, которая бывает двух видов: электрическая и термоэлектрическая. Электрическая тренировка проводится при максимальной электрической нагрузке в течение времени, определенного техническими условиями. При термоэлектрической тренировке РЭС помещают в специальные тепловые камеры при максимально допустимой повышенной температуре в предельном электрическом режиме.

Климатические испытания включают испытания на теплоустойчивость и холодоустойчивость при эксплуатации и транспортировке, влагоустойчивость, устойчивость к повышенному и пониженному атмосферному давлению и воздействию морского тумана.

Испытания на теплоустойчивость проводят в камерах теплоты при температуре более 100 °С в предельном электрическом режиме. Холодоустойчивость РЭС проверяют в камерах холода при температуре от -50 до -60 °С. Испытания на влагоустойчивость проводят в камерах влажности в течение нескольких суток при температуре и влажности, указанных в ТУ.

Устойчивость к воздействию смены температур проверяют помещая РЭС в камеру теплоты, температура которой доведена до верхнего значения температуры при эксплуатации, и выдерживают в течение 30 минут. Затем РЭС переносят в камеру холода, температура которой доведена до нижнего значения температуры при эксплуатации, и также выдерживают в течение 30 минут. Обычно проводят три цикла таких испытаний.

Устойчивость к пониженному и повышенному атмосферному давлению проверяют в барокамерах при давлениях 665 и паскалей соответственно.

Устойчивость к воздействию морского тумана проверяют при температуре +26°С в камере, в которой созданы условия, имитирующие морской туман распылением растворов солей.

К специальным испытаниям относятся испытания на радиационную стойкость, которые проводятся путем облучения испытываемых РЭС заданной дозой ионизирующего излучения.

Отдельным видом испытаний являются испытания на надежность. Современная микроэлектроника достигла такого уровня развития, когда надежность компонентов, входящих в состав РЭС, характеризуется интенсивностью отказов . При таком уровне надежности для испытаний практически невозможно сформировать объем выборки, обеспечивающий накопление статистически достоверной информации о числе отказов в течение приемлемого времени натурных испытаний.

С целью сокращения объема испытаний и оценки надежности РЭС проводят ускоренные испытания, которые позволяют получить информацию о надежности в течение времени, меньшего долговечности изделия.

Ускоренные испытания в форсированном режиме основаны на воздействии повышенных значений факторов, которые ускоряют физико-химические процессы старения. В качестве ускоряющих факторов чаще всего используют температуру окружающей среды, а также повышенные электрические нагрузки. В настоящее время основным методом испытаний на надежность является электротермотренировка.

Испытания на надежность подразделяются на определительные и контрольные. Определительные проводятся для получения фактических значений показателей надежности на этапе освоения новых образцов изделий. Контрольные испытания необходимы для определения соответствия количественных значений показателей надежности РЭС требованиям НТД.