Обеспечение качества и надежности при разработке, производстве и эксплуатации электронных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭС



1. Общие положения

1.1 Структура жизненного цикла изделия

Совокупность этапов проектирования, изготовления и эксплуатации изделия (рис.1) составляет жизненный цикл изделия, который всё время повторяется в соответствии с циклом Делинга.

Этапы жизненного цикла изделия повторяются до тех пор, пока не будет исчерпан потенциал, заложенный при проектировании изделия по совершенствованию технических характеристик, и совершен переход на изготовление практически нового изделия с другими, значительно лучшими техническими характеристиками.

1.2 Качество выпускаемой продукции

Качество любого изделия - это совокупности свойств этого изделия, обуславливающая возможность его применения, удовлетворяющая определенным требованиям потребителя.

Качество, как совокупность свойств промышленной продукции, закладывается в процессе научных исследований, конструкторских и технологических разработок, создаётся в процессе производства и поддерживается в процессе эксплуатации.

Основными показателями качества изделий ЭС являются:

конструкторские - степень стандартизации, нормализации и унификации, коэффициент сложности, количество блоков, комплектность, масса;

надежность - технический ресурс, срок службы, вероятность безотказной работы;

экономические: трудоемкость, себестоимость, цена;

товарно-потребительские: устойчивость к воздействию окружающей температуры, влажности, транспортной тряски и вибрации, потребляемая мощность.

Надежность является одним из важнейших показателей качества изделий. Под надежность изделий понимается свойство изделий выполнять заданные функции, сохранять во времени значения установленных эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, ремонтов, хранения и транспортирования.

Если все показатели качества контролируемого изделия систематизированы и осуществляется системный подход к обеспечению и контролю качества с целью анализа и управления, составляющих качества на каждом этапе жизненного цикла изделия, то можно говорить о наличии системы управлением качества.

Трудности создания системы управления качеством заключается в том, что целый ряд изделий, к которым в первую очередь относятся ЭС, характеризуются большим количеством и многообразием показателей качества. Они, в свою очередь, делятся на два основных класса количественные показатели (физические, электрические, механические, химические величины) и качественные показатели, оцениваемые не конкретными значениями величины, а с помощью чувственных органов человека (восприятием цвета, запаха и т.д.).

1.3 Культура производства

Культура производства заключается в отслеживании и использовании научных и технологических достижений при производстве изделий, снижающих трудоёмкость, стоимость производства и повышающих надежность.

Строгое соблюдение технологических норм и стандартов во всём при выполнении всех операций в процессе производства изделий.

Строгое соблюдение всех требований и нормативов охраны труда сотрудников.

Соблюдение морально-этических норм на всех уровнях взаимоотношений между сотрудниками.

1.4 Программы обеспечения качества и надежности на этапе разработки, производства и эксплуатации

Для обеспечения качества и надежности изделий на этапах разработки, производства и эксплуатации разрабатывают программы обеспечения качества и надежности: ПОКр, ПОКп (ГОСТ РВ 52375-2005); ПОНр, ПОНп, ПОНэ (ГОСТ РВ 27.1.02-2005).

ПОК разрабатывают в целях повышения эффективности обеспечения качества опытных и серийных изделий на основе системного и комплексного подхода к планированию и реализации мероприятий, направленных на выполнение заданных в ТТЗ (ТЗ) и ТУ требований к качеству в процессе разработки и производства оборонной продукции.

ПОН - документ, устанавливающий комплекс взаимоувязанных организационных и технических мероприятий, методов, средств, требований и норм, подлежащих выполнению на стадиях жизненного цикла изделий и направленных на выполнение заданных в нормативной документации на изделие требований по надежности.

Обеспечение качества при разработке опытных изделий.

В ПОКр предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые в процессе ОКР:

- анализ требований к качеству изделия, установленных в ТЗ;

- сбор и анализ информации о качестве отечественных и зарубежных аналогов, способах обеспечения тактико-технических и эксплуатационных характеристик изделия;

- установление методов обеспечения качества при обосновании технических решений и вариантов разрабатываемого изделия в эскизном и техническом проектах в соответствии с ГОСТ РВ 15.203;

- проверку и согласование РКД в соответствии с ГОСТ РВ 2.902и ГОСТ РВ 15.203, а также контроль качества разрабатываемой конструкторской, технологической, программной и др. документации;

- предварительный анализ и обоснование выбора комплектующих изделий, элементной базы и конструкционных материалов;

- отработку технологических процессов в целях обеспечения качества изделий при их серийном изготовлении;

- обеспечение подразделений организации необходимыми ресурсами: техническими средствами; средствами технологического оснащения, средствами испытаний, контроля и измерения, соответствующих современному уровню;

- определение требований к входному контролю материалов, комплектующих изделий и другой закупаемой продукции;

- определение порядка идентификации и прослеживаемости опытных партий на всех этапах разработки;

- определение порядка метрологического обеспечения разработки опытных изделий и контроля за состоянием средств измерений, контрольного и испытательного оборудования;

- планирование экспериментальной отработки опытного образца, включая определение объема предварительных и приемочных испытаний, а также программ их проведения;

- оценку показателей качества опытного образца по результатам экспериментальной отработки, предварительных и приемочных испытаний;

- технологическую подготовку опытного производства для изготовления опытных образцов;

- обеспечение технологичности изделия в соответствии с ГОСТ 14.201;

- анализ причин выявленных несоответствий изделия требованиям ТЗ, РКД, ТД, планирование и осуществление корректирующих и предупреждающих действий по устранению их причин;

- проведение предварительных, государственных испытаний в соответствии с ГОСТ РВ 15.210 по программам и методикам испытаний, разработанным в соответствии с ГОСТ РВ 15.211;

- определение потребности и планирование подготовки персонала;

- разработку нормативных документов, необходимых для реализации ПОКр.

Обеспечение качества при производстве серийных изделий.

В ПОКп предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые при постановке на производство и серийном производстве изделий:

- подготовку и освоение производства для выпуска изделий, удовлетворяющих требованиям к качеству в соответствии с ГОСТ РВ 15.301;

- обеспечение производства персоналом необходимой квалификации;

- организацию и проведение квалификационных, приемосдаточных, периодических, типовых испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 15.307, ГОСТ РВ 570;

- создание необходимых условий производства, обеспечение производства сырьем, материалами, комплектующими, средствами технологического оснащения и необходимым испытательным оборудованием;

- организацию и проведение входного контроля материалов и комплектующих изделий;

- обслуживание средств технологического оснащения, аттестацию испытательного оборудования в соответствии с требованиями ГОСТ Р 568;

- установление порядка и способов проверки (аттестации) и обеспечения качества выполнения ТП, в т.ч. по специальным и особо ответственным ТП;

- обеспечение управления КД, предусматривающее в т.ч. уведомление потребителей о внесении изменений в КД;

- контроль и регулирование ТП;

- осуществление метрологического обеспечения постановки на производство и серийного производства изделий;

- применение статистических методов приемочного контроля качества;

- сбор, регистрацию, обработку, ведение, хранение и анализ данных о качестве в процессе производства и по результатам эксплуатации изготовленных изделий;

- планирование и выполнение работ по рекламациям и восстановлению отказавших по эксплуатации изделий;

- выявление причин возникновения дефектов, разработку и осуществление корректирующих и предупреждающих действий.

Обеспечение надежности при разработке опытных изделий.

В ПОНр предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые в процессе ОКР:

- анализ требований к надежности, установленных в ТЗ, условий и специфики эксплуатации изделия;

- выбор и обоснование способов технического обслуживания и ремонта;

- сбор и анализ информации о надежности отечественных и зарубежных аналогов;

- прогнозирование надежности возможных вариантов схемного и конструктивного исполнения изделия, обоснование оптимального варианта, удовлетворяющего предъявленным требованиям в пределах установленных ограничений стоимости, массы, габаритов и др. параметров;

- предварительный выбор и обоснование элементной базы и конструктивных материалов;

- установление критериев отказов и предельных состояний в соответствии с ГОСТ РВ 27.2.01;

- выбор и обоснование конструктивных способов обеспечения надежности в соответствии с ГОСТ РВ 27.3.02;

- расчет показателей надежности в соответствии с ГОСТ 27.301;

- анализ и оценку влияния внешних воздействующих факторов на надежность изделия, разработку и реализацию мероприятий, направленных на повышение стойкости изделия к воздействию внешних факторов;

- планирование экспериментальной отработки образца с учетом требований к надежности; испытания изделий на надежности;

- подготовку опытного производства к изготовлению опытного образца, удовлетворяющего требованиям к надежности;

- контроль реализации разработанных в процессе проектирования и экспериментальной отработки конструктивных способов обеспечения надежности изделия;

- сбор и анализ данных об отказах, проведение необходимых доработок, оценку эффективности принятых мер по устранению их причин в процессе экспериментальной отработки;

- оценку по результатам проведения государственных испытаний соответствия изделия требованиям к надежности;

- определение необходимости доработок, для обеспечения надежности, установленной в ТЗ.

Обеспечение надежности при производстве серийных изделий.

В ПОНп предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые при постановке на производство и серийном производстве изделий:

- подготовку производства к выпуску изделий, удовлетворяющих требованиям к надежности в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 15.301 и стандартов ЕСТПП;

- разработку нормативных документов, необходимых для реализации ПОНп;

- включение в систему контроля технологических процессов операций, позволяющих выявлять и устранять отклонения от КД и ТД, влияющие на уровень надежности изделий;

- определение времени и режимов технологических тренировок, контроль их соблюдения и корректировку по опыту производства;

- сбор информации о надежности комплектующих, по результатам входного контроля;

- сбор информации об отказах, возникающих в процессе изготовления;

- организацию и проведение испытаний на надежность;

- сбор, распределение и реализацию информации о надежности изделий по результатам испытаний и данным эксплуатации;

- оценку соответствия изделий требованиям к надежности по результатам испытаний и эксплуатации;

- анализ причин отказов изделий, определение необходимости и корректировку КД и ТД, проведение испытаний для проверки вносимых изменений, оценку эффективности проведенных мероприятий;

- организацию обучения персонала.

Обеспечение надежности при эксплуатации изделий.

В ПОНэ предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые при вводе в эксплуатацию и в процессе эксплуатации:

- подготовку необходимого оборудования и персонала эксплуатирующей организации к выполнению требований по обеспечению (поддержанию) надежности образца, установленной в эксплуатационной и ремонтной документации и ПОНэ;

- организацию и учет данных о надежности образца при проведении предусмотренных в эксплуатационной и ремонтной документации работ (в процессе ввода в эксплуатацию, использования не по назначению, технического обслуживания, транспортирования, хранения, текущего и среднего ремонта);

- организация и проведение наблюдений за надежностью изделий;

- сбор и анализ данных об отказах, выявление и устранение причин их возникновения;

- выявление необходимости и корректировку конструкторской, технологической, эксплуатационной и ремонтной документации;

- контроль за соблюдением требований эксплуатационной документации, выявление и устранение нарушений правил эксплуатации, приводящих к отказам изделий;

- планирование авторского надзора с требованиями ГОСТ В 15.704;

- периодическую оценку фактических значений показателей надежности образцов по данным эксплуатации и оценку эффективности проведенных доработок и мероприятий.



2. Теория обеспечения заданной точности выходных параметров изделий ЭС

Любой ТП должен гарантировать точность размеров и параметров изделий, заданную ТУ и (или) чертежом. Обеспечить точность - значить изготовить изделие (аппаратуру, функциональный блок, узел, сборочную единицу, деталь) в пределах заданных допусков.

Различают функциональную и технологическую точность.

Функциональная точность - это требуемая точность выходных параметров аппаратуры, обеспечивающая ее нормальное функционирование согласно ТУ. Она задается допуском.

Технологическая точность выходных параметров - это реально существующая точность выходных параметров изделий в процессе их изготовления при выбранном варианте технологии, характеризующаяся вариацией параметров, благодаря чему она поддается управлению.

Необходимо обеспечить такую точность функциональных блоков и узлов, чтобы обеспечивалась заданная в ТУ точность выходного параметра ЭС:

,

где - половина поля допуска на выходной параметр аппаратуры по ТУ; - половина поля допуска на выходной параметр - го функционального блока (узла).

Величина задана, а неизвестны, и существует бесчисленное множество вариантов решения. Однако необходимо выбирать оптимальные значения , при которых производство изделия было наиболее экономично.

Вариации параметров в процессе производства зависят от производственных погрешностей.

Под производственными погрешностями понимают отклонения от номинальнальных размеров или параметров, указанных в чертежах, стандартах, ТУ и в другой технической документации. Вариацию параметров изделия как случайных величин можно оценивать их кривой распределения. Она является объективной характеристикой точности производства, а ее количественные показатели, такие как поле отклонений - размах , среднее значение , среднее квадратическое отклонение , коэффициент вариации являются мерой технологической точности.

Обычно реальное эмпирическое распределение аппроксимируют распределениями по закону Гаусса, Релея, Максвелла, Симпсона и т.п. Поэтому анализ технологической точности сводится к определению законов распределения размеров или параметров, аппроксимации их каноническими распределениями и определению основных количественных показателей.

Кроме обеспечения точности выходных параметров ЭС, перед конструктором и технологом стоит задача обеспечения точности линейных размеров и геометрических форм деталей.

Например, при проектировании и серийном изготовлении тонкопленочных и микрополосковых плат с резисторами для обеспечения заданных полей допусков на сопротивление конструктор должен проводить расчет резисторов с учетом производственных погрешностей длины, ширины, удельного поверхностного сопротивления и контактных сопротивлений. При этом технолог должен проводить статистический контроль и регулирование производственных погрешностей, чтобы их значения не выходили за пределы заданных границ.

Для механообрабатывающего производства величина допуска на размер должна быть всегда больше или равна сумме погрешностей, возникающих при обработке:

,

где - поле рассеивания действительного размера партии деталей; - систематическая погрешность для всех деталей, например неточность настройки станка или его износ; - погрешность по данному размеру, порождаемая погрешностями взаимного расположения элементов и погрешностями формы.

Точность обработки оценивается статистическим методом. Для этого исследуется партии деталей или узлов для установления зависимостей или построения кривых распределения погрешностей, с помощью которых можно определить необходимые характеристики.

Важным моментом при решении вопроса точности размеров является учет погрешностей, возникающих при установке деталей относительно обрабатываемого инструмента. Расчет таких погрешностей чаще производится при механической обработке деталей, когда изделие устанавливается на столе станка, в центрах, цанге, на призме или в приспособлении. Они называются погрешностями установки и непосредственно зависят от принятых баз, от которых производится обработка. Погрешность установки складывается из погрешностей базирования , закрепления и погрешности приспособления :

.

Погрешность базирования возникает тогда, опорная установочная база детали не совмещена с измерительной или технологическая база не совпадает с конструкторской.



3. Автоматизированные системы технологического обеспечения качества при производстве микроэлектронной аппаратуры для ЭС

автоматизированный микроэлектронный аппаратура эксплуатация

В настоящее время при изготовлении приемопередающих и антенно фидерных СВЧ-устройств РЭА широко применяются СВЧ ГИС на основе тонкопленочных микрополосковых линий и резистивных элементов, расположенных на диэлектрических подложках.

Современное производство высококачественных микроэлектронных изделий невозможно без широкого применения автоматизированных систем управления и вычислительной техники.

Основной составной частью автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП) является автоматизированная система контроля (АСК) выходные данные которой поступают в автоматизированную систему регулирования технологическими процессами (СРТП) для анализа и установления причин разладки. Построение этих систем оказалось возможным благодаря применению тестовых резистивных структур и математических моделей, устанавливающих связь погрешностей сопротивлений изготовленных резисторов с погрешностями их конструктивно-технологических параметров (КТП).

Для получения информации о качестве технологии необходимо иметь данные о величине переходных сопротивлений контактов, так как по величине контактных сопротивлений можно оценивать качество межоперационной очистки подложек и напыления проводящих слоев. Необходимость учета контактных сопротивлений возникает при изготовлении, например, СВЧ интегральных схем, так как в этом случае для уменьшения потерь энергии применяется технология с раздельным формированием рисунка из резистивного слоя и микрополосковых линий.

По этой причине весьма актуальной является проблема создания автоматизированных систем технологического обеспечения качества при производстве резистивных интегральных схем, позволяющих осуществлять статистический контроль КТП резисторов, включая контактные сопротивления. Для обеспечения автоматизации процесса контроля необходима тестовая резистивная структура и соответствующая ей математическая модель, позволяющие определять статистические характеристики удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки, длины, ширины и удельного переходного сопротивления контактов по измеренным сопротивлениям резисторов тестовой структуры.

3.1 Технологический процесс изготовления тонкопленочных интегральных схем с резистивными элементами

При разработке автоматизированных систем и программного обеспечения был проведен анализ ТП изготовления СВЧ интегральных схем с резистивными элементами на подложках их материала «поликор».

Резисторы СВЧ интегральных схем изготавливают из резистивных материалов PC5406 K с удельным поверхностным сопротивлением 25 и 50 Ом/? и PC3710 с удельным поверхностным сопротивлением 500 Ом/?. Контактные площадки резисторов и микрополосковые линии (МПЛ) выполняют в виде многослойной структуры V-Cuв-Cuг-Niг-Auг. Слои многослойной структуры имели следующие параметры: удельное поверхностное сопротивление слоя ванадия 50-100 Ом/?; толщина слоя меди, напыленной в вакууме 1-2 мкм; толщина электролитически осажденной меди 7-13 мкм; толщина электролитически осажденного никеля 0,9-1,5 мкм; толщина электролитически осажденного золота 2,5-3,5 мкм.

Технологический маршрут изготовления СВЧ интегральной схемы с резистивными элементами включает следующие основные операции:

Очистка подложек.

Напыление резистивного слоя.

Первая фотолитография.

Травление резистивного слоя.

Удаление фоторезиста.

Межоперационная очистка.

Напыление структуры V-Cu-Cr.

Вторая фотолитография.

Травление Cr.

Гальваническое осаждение меди.

Гальваническое никелирование.

Гальваническое золочение.

Удаление фоторезиста.

Травление Cr-Cu-V с пробельных мест.

Термообработка плат.

Из этих операций для СРТП были выбраны операции, от которых зависят погрешности сопротивлений изготовленных резисторов

Напыление резистивных слоев из материалов PC5406 K и PC3710 проводилось на установке магнетронного напыления «Каролина-Д10», обеспечивающей высокую равномерность удельного поверхностного сопротивления в парии подложек из 100 шт. (разброс удельного поверхностного сопротивления в партии подложек не превышал ±(3-5) %). Эта операция характеризуется погрешностями одинаковыми для всех резисторов, одной партии Погрешностью легко управлять с помощью сопротивления «свидетеля» и в процессе регулирования эта погрешность сводится к нулю.

При выполнении операций 3, 4 формировали ширину резисторов. Операции выполнялись на линии фотолитографии «Лада-125» и линии технохимии «Лада-1». Травление резистивного слоя осуществлялось в кассетах на 25 подложек. При выполнении этих операций возникают погрешности ширины , одинаковые для всех резисторов данной партии.

От качества выполнения операций 2, 5 - 7 и длительности межоперационного пролеживания зависят величины статистических характеристик контактных сопротивлений , , одинаковые для всех резисторов данной партии. Удаление фоторезиста проводилось в смеси моноэталонамин-диметилформамид в соотношении 1: 4. Для получения минимальных Контактных сопротивлений межоперационная очистка подложек проводилась в хромовой смеси, содержащей 80,0 г K2Cr2O7 на 1,0 л H2SO4 , в течение 30-40 с при температуре раствора 20-22 єС [5]. Напыление структуры V-Cu-Cr проводилось на установке УВН 74 П-3 при температуре подложек 250 єС и давлении в камере не хуже 10-4 Па.

При выполнении операций 8, 14 формировали длину резисторов. Операции выполнялись на линии фотолитографии «Лада-125» и линии технохимии «Лада-1». Травление резистивного слоя осуществлялось в кассетах на 25 подложек. При выполнении этих операций возникают погрешности длины , одинаковые для всех резисторов данной партии.

Для формирования ширины и длины резисторов применялся позитивный фоторезист марки ФП-383. Фотошаблоны, применяемые для операций фотолитографии, имели погрешность не более ±1-2 мкм.

При отработке ТП проводился статистический контроль точности технологических операций с помощью тестовых структур. При этом выявлено, что наиболее критичными операциями, влияющими на погрешности изготовленных тонкопленочных резисторов (ТПР), являются операции напыления резистивных и проводящих слоев и межоперационной очистки подложек. Наибольший вклад в общую погрешность сопротивлений изготовленных резисторов вносили погрешности удельного поверхностного сопротивления и, при длине меньше 0,5 мм, контактные сопротивления. Наиболее вероятные отклонения производственных погрешностей от оптимальных значений приведены в таблице 1.



Таблица 1 - Вероятные причины разладки ТП и оборудования

Вид погрешности	Характер разладки	Вероятные причины разладки
	Увеличился разброс	Малая скорость вращения карусели подложек Неравномерное вращение карусели Разная шероховатость поверхности подложек Некачественная очистка подложек
,	Увеличилось Увеличилась	Сильно окислен или загрязнен резистивный слой из-за длительного межоперационного пролеживания Некачественно выполнена операция 5 Истек срок годности раствора для межоперационной очистки подложек Слишком малое или слишком большое время выдержки подложек при межоперационной очистке Большая влажность в помещении для напыления пленок Плохой вакуум при напылении проводящих слоев Наличие локальных загрязнений или неоднородностей на поверхности подложек с резистивным слоем
,	Увеличилась Увеличилась	Увеличение зазора между фотошаблоном и подложкой при экспонировании Увеличение времени экспонирования Увеличение времени проявления фоторезиста Увеличение времени при травлении пленки Применение других растворов для травления пленок из-за плохой «травимости» Истек срок годности растворов для проявления и травления пленок Неодинаковая скорость травления резистивных пленок на подложках взятых из разных партий
,	Увеличилась Увеличилась	Причины аналогичны причинам увеличения Причины аналогичны причинам увеличения

Тестовые резистивные структуры, с помощью которых определялись погрешности КТП резисторов по измеренным сопротивлениям тестовых резисторов и , располагались в технологических полях подложек, на которых изготавливались интегральные схемы. Конструкция тестовой структуры приведена на рис. 1.



Рис. 1. Тестовая резистивная структура для косвенного определения погрешностей КТП ТПР, включая величину удельного переходного сопротивления контактов

Каждая пара резисторов содержит плёночные резисторы, равные по ширине и отличные друг от друга по длине, соединённые между собой и на концах каждой пары контактными площадками шириной, равной ширине пары плёночных резисторов.

Систематическую и случайную составляющие производственных погрешностей удельного поверхностного сопротивления , ширины , длины и удельного переходного сопротивления контактов резистивных элементов ИС получают усреднением погрешностей , , , , определенных решением систем уравнений, составленных для отдельно взятой - ой тестовой структуры:

, (1)

,

,

,

,

где - порядковый номер тестовой структуры; - коэффициенты пар резисторов - ой тестовой структуры, вычисляемые по формулам:

, (2)

; (3)

где , , , - измеренные сопротивления резисторов , , , и - ой тестовой структуры; , , , - номинально заданные длины плёночных резисторов тестовой структуры; , - номинально заданные ширины пар резисторов тестовой структуры; , величины сопротивлений контактов пар резисторов - ой тестовой структуры; , - коэффициенты пар резисторов - ой тестовой структуры, вычисляемые по формулам:

, (4)

. (5)

Величину удельного переходного сопротивления контактов резистивных элементов ИС по отдельно взятой - ой тестовой структуре определяют по формуле:



, (6)

где: величина удельного поверхностного сопротивления в месте расположения - ой тестовой структуры; .

На основе разработанных тестовой структуры и математической модели предложены принципы построения и разработаны автоматизированные системы АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с резистивными элементами при учете контактных сопротивлений, позволяющие существенно повысить эффективность производства. Схема организации АСК и СРТП показана на рис. 2.

При изготовлении очередной партии подложек качество основных ТП, от которых зависит вероятность выхода годных резистивных элементов, оценивается по отклонению оценок производственных погрешностей КТП , , , конкретной - ой партии подложек от статистических характеристик КТП резистивных элементов ,, , , , определенных для генеральной совокупности.



Рис. 2. Алгоритм статистического контроля и управления групповыми технологическими процессами изготовления резистивных элементов интегральной схемы

Эффективность регулирования ТП предложено оценивать по вероятностям выхода годных резисторов тестовых структур: квадратного , чувствительного к изменению , широкого с малой длиной , чувствительному к изменению длины и длинного с малой шириной , чувствительного к изменению ширины:

, (7)

где , - оценки средних значений и среднеквадратических отклонений сопротивлений тестовых резисторов - ого типа - ой партии подложек; , - средние значения и среднеквадратические отклонения сопротивлений тестовых резисторов - ого типа, для генеральной совокупности.

Вероятность выхода годных всех тестовых резисторов - ой партии подложек, при которой достигается планируемый процент выхода годных резистивных элементов ИС, должна быть не менее некоторой критической величины , которая может быть определена экспериментальным путем:.

В качестве технического средства автоматизированного статистического контроля ТП может быть использован стенд, схема которого приведена на рис. 3.

Стенд позволяет автоматически проводить измерение всех тестовых резисторов, вводить данные измеренных сопротивлений в компьютер, проводить необходимые вычисления и выводить результаты в виде удобном для пользователя.

Рис. 3. Структурная схема стенда автоматизированного контроля тестовых резисторов: ПТ - подложка с тестовыми резисторами; КУ - контактирующее устройство; КИА - контрольно-измерительная аппаратура; УС - устройство сопряжения; ПК - персональный компьютер

На основе математической модели (1) разработаны методика и алгоритм расчета оценок статистических характеристик ТПР.

Алгоритм расчета оценок статистических характеристик ТПР - ой партии подложек приведен на рис. 4, где , .

При выходе оценок погрешностей КТП резисторов конкретной партии за границы регулирования проводят регулирование параметров групповых ТП на операции напыления резистивного слоя, формирования рисунков в коммутационном и резистивном слоях или формировании контактов.

При проектировании ТПР их размеры рассчитывают с учетом оценок всей совокупности систематических и случайных составляющих производственных погрешностей КТП, определенных для генеральной совокупности. Поэтому предложенные системы автоматизированного контроля и регулирования ТП позволяют изготавливать резисторы, средние значения сопротивлений которых будут близки к номинальным значениям, не зависимо от их размеров, а вероятность выхода годных ИС будет максимальной.

С помощью системы АСК, для разработанной технологии, проведены экспериментальные исследования производственных погрешностей резистивных элементов МПП. Полученные экспериментальные данные для генеральных характеристик приведены в табл. 2. Эти данные используются при конструктивном расчете ТПР для обеспечения заданных полей допусков и в автоматизированных системах АСК и СРТП для управления точностью ТП.



Рис 4. Алгоритм расчета статистических характеристик ТПР партии подложек

Таблица 2 - Статистические характеристики КТП тонкопленочных резисторов

№	Материал	, Ом/кв.	, Ом	, Ом?мм2	, мкм	, мкм	, мкм	, мкм	, Ом·мм
1	К 50С	2000	86	0,29	-6,6	2,9	-5,2	2,7	15	1,0
2	РС 3710	500	8,32	0,034	-7,2	2,8	-5,5	3,0	1,55	1,11
3	РС 406К	50	0,81	0,0046	-6,8	2,3	-6,3	2,4	0,21	1,13
4	РС 406К	25	0,36	0,0041	-8,3	3,2	-5,1	3,3	0,11	1,14



Для среднеквадратических отклонений контактных сопротивлений получены эмпирические зависимости от ширины резисторов:

, (8)

где - эмпирические коэффициенты, зависящие от технологии изготовления и материалов контактов.

Основная задача СРТП заключается в определении необходимости настройки технологического оборудования и ТП по параметрам точности. СРТП анализирует данные АСК по величинам погрешностей ТПР и выдает информацию о необходимости регулирования ТП и возможных причинах разладки.

При точной настройке ТП изготовления резисторов ИС по результатам контроля - ой партии подложек для оценок средних погрешностей имеем:

, , , . (9)

При выполнении соотношений (9) и корректировке размеров резисторов с учетом систематических погрешностей длины, ширины и контактных сопротивлений оценки математических ожиданий КТП всех изготовленных резисторов ИС - ого типа - ой партии подложек будут близки к значениям:

, , , (10)

где - ширина резистора, откорректированная с учетом систематической погрешности контактных сопротивлений по формуле 

. (11)

При выполнении соотношений (10) оценки математических ожиданий сопротивлений всех резисторов МПП будут близки к номинальным значениям: .

Эффективность внедрения систем технологического обеспечения качества иллюстрируется на рис. 5 на примере изготовления тестовых структур из материала РС5406К с удельным поверхностным сопротивлением резистивного слоя 50 Ом/кв.

До внедрения автоматизированных систем АСК и СРТП и методики расчета резисторов с учетом производственных погрешностей, полученных с помощью АСК, напыление резистивных сплавов проводилось с отклонением - (10-15) % от номинального значения удельного поверхностного сопротивления, для того, чтобы получать в пределах поля допуска сопротивления резисторов с малыми длинами (, партия № 2). Поэтому резисторы с большими размерами почти все проходили процесс подгонки в сторону увеличения сопротивлений до номинального значения (,, партия № 2). При напылении резистивной пленки с величиной , равной номинальному значению, большой процент сопротивлений резисторов с длиной (0,2-0,5) мм выходил за пределы поля допуска (, партия № 1).

Геометрические параметры тестовых резисторов партии № 3 рассчитывались с учетом производственных погрешностей КТП для обеспечения номинальных значений и попадания сопротивлений резисторов в поле допуска ±10 %.

Автоматизированные системы технологического обеспечения качества внедрены в производство, что позволило в два раза снизить трудоемкость на операции доводки резисторов и на 30% увеличить процент выхода годных МПП с ТПР.

Рис. 5. Диаграмма полей рассеяния тестовых резисторов: партии № 1, 2 - до внедрения систем АСК и СРТП; партия № 3 - после внедрения систем АСК и СРТП



4. Приемочный контроль и испытания ЭС

При вводе в эксплуатацию, ЭС проходят испытания на заводе изготовителе и после монтажа на месте использования. Объём и последовательность испытаний устанавливают программой испытаний или техническими условиями на конкретное ЭС.

Испытанием электронной аппаратуры называется экспериментальное определение значений параметров и показателей качества изделия в процессе функционирования или при воспроизведении определенных воздействий на аппаратуру по заданной программе.

Испытания являются одним из важнейших и завершающих этапов производства, т.к. по их результатам судят об эксплуатационной надежности изделия.

Испытания могут быть контрольными - с целью контроля качества продукции и исследовательскими, проводимые для установления зависимостей между предельно допустимыми значениями параметров продукции и значениями режимов эксплуатации называемыми граничными.

По срокам проведения испытания делят на нормальные и ускоренные. Ускоренными называют испытания, дающие информацию о показателях качества в более короткие сроки, чем в нормальных условиях эксплуатации. Они могут быть форсированными и сокращенными.

Форсированные испытания основаны на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения путем увеличения нагрузок (температуры, давления, скоростей и т.д.).

Сокращенные испытания обеспечивают уменьшение сроков испытаний за счет получения дополнительной информации вне испытания, применяя экстраполяции и другие методы без интенсификации причин отказов.

По методу проведения испытаний различают испытания разрушающие и неразрушающие.

Испытания проводят на этапах производства и эксплуатации. Различают испытания опытных образцов и изделий, изготовляемых серийно.

Основной задачей испытаний опытных образцов является наиболее полное выявление соответствия их технологических и эксплуатационных характеристик, требованиям технических условий. По результатам этих испытаний, называемых приемочными, решают вопрос о целесообразности внедрения опытных образцов в серийное производство. В связи с этим испытания проводят очень тщательно по расширенной программе при жестких режимах и длительных воздействиях различных климатических и механических факторов.

Для опытных образцов и изделий единичного производства применяют испытания следующих видов: предварительные, доводочные, ведомственные, межведомственные, государственные (лицензионные).

Предварительные (контрольные) испытания опытных изделий проводят для определения возможности их предъявления на приемочные испытания.

Доводочные испытания применяют в процессе разработки продукции для оценки влияния вносимых в нее изменений с целью обеспечения требуемых показателей качества.

Изделия, изготовляемые серийно, подвергают контрольным испытаниям, приемо-сдаточным, периодическим, типовым и аттестационным.

Приемосдаточные испытания имеют целью проверки соответствия изготовленных изделий требованиям технических условий.

Периодические испытания проводят в тех случаях, когда технические характеристики невозможно определять при приемосдаточных испытаниях. Периодические испытания позволяют следить за поддержанием качества продукции на требуемом уровне.

Типовые испытания готовых изделий проводят до, и после внесения изменений в конструкцию или технологию изготовления с целью проверки эффективности внесенных изменений или сравнения качества продукции, выпущенной в различное время. Типовые испытания должны осуществляться по программе, обеспечивающей сопоставимость результатов испытаний до и после внесений изменений.

Аттестационные испытания служат для оценки уровня качества продукции. Испытания двух или большего числа изделий, проводимые в идентичных условиях для сравнения характеристик их качества, называют сравнительными.

Оценочные испытания являются разновидностью контрольных испытаний. Их проводят для такой оценки качества продукции, при которой не требуется определять значения ее параметров.

Контрольные испытания могут быть сплошными или выборочными. При сплошных испытаниях проверяют каждое изделие, а при выборочных только часть и по полученным данным судят о годности всей партии.

Порядок проведения выборочных испытаний и его основные характеристики приведены в работе [10].

Обязательным условием допустимости выборочных испытаний является однородность состава генеральной совокупности изделий. Однако при этом имеется определенная вероятность, что в генеральной совокупности окажутся дефектные изделия. Значение этой вероятности может быть определено в зависимости от размеров выборки.

При разработке выборочного контроля необходимо установить число испытуемых изделий, продолжительность испытаний и приемочное число (ПЧ). Под ПЧ понимают наибольшее число дефектных изделий в выборке, при котором результаты испытаний можно считать положительными. Если число дефектных изделий больше чем ПЧ, результаты испытаний считают отрицательными. В последнем случае возможны два решения: продолжить контроль или забраковать всю партию, которая может быть подвергнута сплошной проверке или возвращена изготовителю (исполнителю).

Вероятность приемки партии изделий, качество которых не соответствует установленному допустимому проценту дефектных изделий (ДПДИ), называют риском заказчика (РЗ). По согласованию между заказчиком и изготовителем устанавливают приемлемый уровень качества (УК) изделий. Вероятность забракования партии изделий, качество которых соответствует УК, называют риском изготовителя (РИ).

Каждому плану выборочного контроля соответствует определенная зависимость вероятности приемки от показателей качества. Оперативная характеристика справедлива только для определенного закона распределения погрешностей (например: гауссовского).

Объем и последовательность испытаний изделий определяется программой испытания и техническими требованиями на конкретное изделие. Основным требованием к изделиям, подвергаемым климатическим, механическим и электрическим испытаниям, является сохранение выходных (проверяемых) параметров после проведения испытания в пределах, установленных техническими условиями.

Испытания проводят в камерах и на стендах, имитирующих воздействие различных климатических и механических факторов. Если нельзя воспроизвести полный комплекс условий эксплуатации, то испытания проводят в реальных условиях (натурные испытания).

Изделия перед испытанием должны пройти контроль и этап приработки. Приработка уменьшает вероятность отказов, вызванных скрытыми дефектами производства. Приработка значительно удлиняет цикл изготовления, но повышает надежность продукции. Весьма важным является установление времени и режимов (тепловых и электрических) для выполнения этой операции. Продолжительность приработки целесообразно ограничить участком 1 кривой интенсивности отказов (рис.6).



5. Техническое обслуживание и ремонт ЭС

Для поддерживания ЭС в исправном состояние необходимо не только в совершенстве знать и владеть ЭС, но и уметь организовать, и производить эксплуатацию ЭС на научных основах.

Эксплуатация - это совокупность работ и организационных мероприятий для поддерживания ЭС в состояние технической исправности.

Важным эксплуатационным свойством ЭС, характеризующими её возможность, является безотказность, готовность к выполнению основных функций и ремонтопригодность.

5.1 Безотказность неремонтируемых и ремонтируемых изделий

Под безотказностью понимается свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Вероятность безотказной работы можно представить как вероятность того, что время безотказной работы объекта больше некоторого заданного времени.

P(t)=P(t<t0) (12)

Возникновение отказа является случайным событием, поэтому время появления отказа - также случайная величина.

Практически величина вероятности безотказной работы определяется статистическим путём по информации об отказах за выбранный промежуток времени, т. е. статистическая вероятность равна:

, (13)

где N - число объектов вначале испытаний; ni - число объектов, отказавших за время ti.

При значительном числе объектов статистическая вероятность сходится к вероятности P(t). Надёжность объекта иногда удобнее характеризовать вероятностью отказа

q(t)=1-P(t)=. (14)

Безотказность неремонтируемых объектов.

Показателями безотказности неремонтируемых объектов (элементов) являются: вероятность безотказной работы P(t), частота отказов f(t), интенсивность отказов л(t) и средняя наработка до первого отказа Тср.

Под частотой отказов элементов понимают число отказов в единицу времени, отнесённое к первоначальному числу поставленных на испытание элементов.

По статистическим данным частота отказов равна

, (15)

где Дni - число отказов в интервале времени Дti; N - число испытуемых элементов; Дti - время испытаний.

При этом отказавшие в процессе испытаний элементы не заменяются новыми, и число работающих элементов постепенно уменьшается.

Под интенсивностью отказов понимают число отказов в единицу времени, отнесённое к среднему числу элементов, безотказно работающих в данный промежуток времени. При этом отказавшие элементы не заменяются.

Из опытных данных эта характеристика рассчитывается по формуле:



, ч-1 , (16)

где - среднее число работоспособных элементов; Ni- число элементов работоспособных в начале рассматриваемого промежутка времени; Ni+1 - число элементов, работоспособных в конце промежутка времени Дti.

Интенсивность отказов л(t) связана однозначной зависимостью с f(t) и P(t):

. (17)

При наличии групп различных элементов получим:

. (18)

Средней наработкой до первого отказа называется математическое ожидание времени работы до первого отказа. По данным испытаний, Тср однотипных элементов определяется как

(19)

где ti - время исправной работы i-го элемента; N - общее число испытанных элементов.

Практически же знать время продолжительности исправной работы ti всех элементов не представляется возможным. Тогда

, (20)

где Дni - количество отказавших элементов в интервале времени Дt=ti+1- ti; ti- время в начале i-го интервала, при этом и ; tN - время, в течение которого отказали все элементы.

Безотказность ремонтируемых объектов.

Для ремонтируемых объектов характерно чередование исправного состояния и ремонта после отказа, т. е. процесс их эксплуатации можно представить как последовательное чередование интервалов времени работоспособности и неработоспособного состояний. Появление отказов в каждом из объектов можно рассматривать как поток требований для ремонта.

Показателями безотказности ремонтируемых объектов являются: вероятность безотказной работы P(t), параметр потоков отказов щ(t), средняя наработка на отказ.

Параметр потока отказов (среднее число отказов за время рассматриваемого потока)

. (21)

При этом число элементов в процессе испытаний остаётся неизменным, (отказавшие элементы заменяются новыми).

В сложном объекте (устройстве) результирующий поток отказов равен сумме потоков отказов отдельных устройств:



. (22)

Для ремонтируемых объектов удобным для практики критерием надёжности является среднее число часов работы между соседними отказами, обычно называемое наработкой на отказ T0.

. (23)

Если испытаниям подвергаются N однотипных объектов, то

. (24)

Для простейшего потока

. (25)

5.2 Готовность и ремонтопригодность ЭС

Готовность ЭС.

Свойство и факторы, определяющие уровень готовности ЭC, по своей природе являются случайными, т. к. они зависят от большого числа случайных характеристик и параметров (наличие возможных отказов, характер требуемого ремонта и регулировок, техническое состояние аппаратуры и т. д.). Поэтому показатели готовности ЭC носят вероятностно-статистический характер.

Показателями готовности являются: коэффициент готовности КГ, коэффициент оперативной готовности КО.Г., коэффициент технического использования КТ.И..

Коэффициент готовности Кг - вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается (плановый ремонт, плановое техническое обслуживание и т. д.).

Коэффициент готовности для большинства ремонтируемых объектов имеет вид:

. (26)

Из формулы видно, что величина КГ может быть повышена как за счёт увеличения наработки на отказ Т0, так и за счёт сокращения средней продолжительности текущего ремонта ТТ.Р..

Коэффициент оперативной готовности КО.Г. - это вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в произвольный момент времени и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

KО.Г.=KГ P(t) , (27)

где P(t) - вероятность безотказной работы в течение заданного времени. Коэффициент технического использования имеет вид:

, (28)

где - суммарная наработка всех объектов; - суммарное время простоев из-за плановых и внеплановых ремонтов всех объектов; - суммарное время простоев из-за планового и внепланового технического обслуживания всех объектов.

Ремонтопригодность ЭС.

В современных ЭC рост количества комплектующих элементов опережает рост их безотказной работы, что приводит к уменьшению среднего времени безотказной работы и увеличению времени вынужденного простоя аппаратуры. Поэтому приходится уделить особое внимание ремонтопригодности, как одной из проблем обеспечения надёжности ЭC.

Под ремонтопригодностью понимают свойство ЭC, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и восстановлению работоспособного состояния путём проведения технического обслуживания и ремонта. Показатели ремонтопригодности вводятся для ремонтируемых объектов. Для ремонтируемых объектов удобным для практики критерием надёжности является среднее число часов работы между двумя соседними отказами, обычно называемое наработкой на отказ Т0.

Если ЭC определённого типа проработала суммарное время t? и имела при этом n отказов в работе, то наработка на отказ

. (29)

Если же испытаниям подвергаются N однотипных объектов то

. (30

Процесс ремонта, заключающийся в обнаружении и устранении отказа, является случайным. В качестве случайной величины берётся среднее время ремонта, которое слагается из времени, затрачиваемого на обнаружение отказа, поиск причин его возникновения и устранение последствий отказа.

Для количественной оценки ремонтопригодности применяются два показателя: средняя продолжительность текущего ремонта ТТ.Р.; средняя продолжительность технического обслуживания ТТ.О..

Средняя продолжительность текущего ремонта есть математическое ожидание времени восстановления работоспособности:

, (31)

где ТР.i .- время ремонта i-го объекта; f(ti) - плотность распределения случайной величины времени ремонта.

В процессе эксплуатации ведётся учёт отказов и времени ремонтов. Тогда за отдельное время t по статистическим данным

, (32)

где n - количество отказов за время t.

Величина обратная средней продолжительности текущего ремонта

называется интенсивностью ремонта и характеризует количество ремонтов, произведённых в единицу времени.



, (33)

где tPj - среднее время работы при выполнении j -й операции при i- м ремонте; mР - число операций при выполнении i -го ремонта.

При экспоненциальном распределении времени ремонта нижнюю и верхнюю границы среднего времени ремонта находят из выражений:

, (34)

. (35)

Коэффициенты r1 и r2 определяются по формулам:

, (36)

. (37)

Значение коэффициентов r1 и r2 табулированы для различных вероятностей P() и n, и приведены в таблице 1 и 2 приложения.

Если время ремонта подчиняется закону Эрланга, распределение плотности вероятности (tP) статистической оценки для неизвестного среднего времени ремонта имеет вид:

. (38)

По формуле рассчитывается вероятность попадания величины в заданные пределы, т. е. рассчитывается доверительная вероятность. Для различных значений доверительной вероятности P() и числа опытов n рассчитаны коэффициенты 1 и 2 для параметра , которые табулированы и приведены в таблице 3 приложения. Значения TР.Н. и ТР.В. находятся по формулам:

, (39)

. (40)

5.3 Периодичность и продолжительность профилактических работ

При эксплуатации ЭC возникает два вида отказов - внезапные и постепенные.

Появление внезапных отказов представляет собой простейший поток случайных событий, поэтому прогнозировать их не представляется возможным (их устраняют по мере возникновения).

Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения параметров элементов аппаратуры, что позволяет прогнозировать и предотвращать их профилактическими мероприятиями при проведении технического обслуживания. Однако следует учитывать, что при увеличении объёма и общего времени профилактики в течение года, уменьшается коэффициент технического использования ЭC.

, (41)

где Т0 - суммарная наработка в течение рассматриваемого календарного времени, ТР - суммарное время ремонтов за время; ТТ0 - суммарное время всех профилактических работ за время tк.

В качестве основного критерия для выбора оптимального периода проведения профилактических работ целесообразно принять коэффициент простоя КП.

...