книги / Надежность микросборок

требования могут выражаться и в недостаточно строгом соблюдении технологического процесса изготовления и в различиях испытательных циклов на надежность.

Создание высоконадежных машин, аппаратуры, приборов, обеспечение сложной производственной кооперации при их изготовлении становятся все более трудной задачей.

Особое значение приобретает проблема надежности при широком внедрении автоматизации: гибкие авто­ матизированные производства (ГАП), системы автомат тизированного проектирования (САПР), автоматизиро­ ванные системы управления производством и технолог гическими процессами (АСУП и АСУТП) и др. Однако применять автоматы есть смысл при условии, что они работают производительнее, точнее, а главное — на­ дежнее человека. Низкая надежность технических средств может свести на нет все преимущества авто­ матики.

«История техники с убедительностью показывает,— говорит академик Н. Г. Бруевич, — что вопросы точно-* сти и надежности выросли в проблемы первостепенного значения. Накопленный опыт показывает, что точность и особенно надежность в настоящее время ставят границы созданию совершенных автоматов и автоматиче­ ских линий».

Определяющее значение качества радиоэлектронной аппаратуры всех видов вызвало необходимость прове­ дения работы по совершенствованию качества продук­ ции. На первом этапе оно заключалось в осуществле­ нии организационных мероприятий, определении и углублении задач заводских отделов технического кон­ троля, организации и налаживании сбора информации о качестве изделий из сферы эксплуатации. Для реше­ ния проблемы повышения качества продукции требу­ ются непосредственное усовершенствование и разработ­ ка технических процессов изготовления и технологии ка­ чества изделий, начиная с момента согласования тех­ нического задания. Проблема качества остается одной из центральных проблем в электронной промышлен­ ности.

В решении проблемы обеспечения качества микро­ сборок значительная роль принадлежит технологии из­ готовления и контролю в процессе производства.

Надежность и экономика

«Жизнь» любого изделия состоит из двух периодов; первый период включает в себя этапы проектирования и изготовления машины, второй — ее эксплуатации. Оба периода связаны с определенными расходами. К затра­ там первого периода прибавляются затраты второго — стоимость эксплуатации. Ведь для того чтобы изделие работало исправно в течение всего срока службы, не­ обходим технический уход за ним (чистка, смазка, ре­ гулировка и т. д.) и своевременный ремонт.

Расходы на эксплуатацию машин, рассчитанных на длительный срок службы, часто значительно превышают расходы на их изготовление. Например, затраты на экс­ плуатацию тракторов и ЭВМ превышают расходы на их изготовление до нескольких десятков раз.

Чем определяются расходы на эксплуатацию изде­ лий, от чего зависит их объем? Ответ ясен — в первую очередь от их надежности. Чем выше надежность изде­ лия, чем рейсе оно выходит из строя и реже требует ремонта, тем дешевле обходится его эксплуатация. И наоборот, недостаточно высокая надежность машин и станков влечет за собой большие расходы на их ремонт и эксплуатацию.

На изготовление запасных частей, используемых при ремонте, расходуется огромное количество дорого­ стоящих материалов. К расходам на ремонт и производ­ ство запасных частей прибавляются огромные убытки, которые несет народное хозяйство от простоя машин и промышленного оборудования.- Так, например, на ре­ монт ЭВМ затрачивается почти в 2 раза больше про­ изводственных мощностей, чем на выпуск новых. А ведь это в значительной мере результат недостаточной на­ дежности выпускаемой техники, если хотите — это цена Ненадежности. Если недостаточная надежность техники приводит к огромным непроизводительным расходам, то, Наоборот, повышение надежности — источник неисчис­ лимых резервов. Повысить надежность и долговечность изделий все равно, что.увеличить производство этих из­ делий без каких-либо дополнительных капитальных вложений, без увеличения затрат сырья и материалов. Приведем пример. Выпуск кинескопов со сроком служ­ бы в 3 тыс, часов вместо гарантированных ранее 1,5 тыс.

дает более 9 мли. рублей экономии для покупателей.и 6,6 млн. рублей экономии для государства.

Приближенные расчеты показывают, что улучшени­ ем ' качества, повышением надежности и долговечности продукции можно увеличить объем национального дохо­ да на десятки миллиардов рублей. Повышение надежно­ сти техники — огромный резерв развития нашей эко­ номики и важнейшее условие действительного роста про­ изводительности общественного труда.

В настоящее время требования к надежности микро­ сборки и ее элементов закладываются на этапе состав­ ления технического задания на разработку изделий и контролируются на всех этапах проектирования (на этапах эскизного и технического проектирования), в производстве и в период эксплуатации.

При разработке микросборок и ее элементов дистан­ ция между конструкторами и технологами настолько' сократилась, что подчас технологи диктуют свои усло­ вия конструкторам, что в большей степени соответствует повышению надежности вновь создаваемых элементов и микросборок.

Любая новая система обычно бывает оригинальной, что в значительной степени сказывается на микросбор­ ках — составных узлах системы. Часто разработка но­ вой системы влечет за собой и разработку новых микро­ сборок. Хотя известно, что оригинальная система может быть создана из типовых стандартных микросборок и их элементов, однако надо стремиться к использованию в различных системах унифицированных элементов, уз­ лов и микросборок. Это выгодно экономически: повы­ шается надежность и долговечность микросборок, а это приводит к облегчению эксплуатации и ремонта си­ стем.

Повышение надежности микросборок может сводить­ ся к обеспечению таких условий их работы, при кото­ рых в них не должны возникать отказы. Достижению этой цели должно служить и проектирование и про­ изводство микросборок и их элементов. Поэтому хоро­ ший проект служит фундаментом надежности изделия и наоборот. Так, до 30% неисправностей в микросбор­ ках — результат недостатков проектирования (неудов­ летворительной обработки схем,- погрешностей в расче­ тах, использования элементов в режимах, не предусмот­ ренных техническими условиями). Таким образом, вы­

сокая надежность закладывается при проектировании, обеспечивается в производстве и поддерживается при эксплуатации.

Основные термины и определения

Все изделия, которые окружают нас в быту или на производстве, различаются между собой по многим при­ знакам — массе, размерам, сложности и т. д. Но есть еще один признак, по которому различают изделия, — возможность восстановления их полезных свойств в слу­ чае отказа.

Если перестал работать телевизор, каждый знает, что его можно отремонтировать, но если перегорела электрическая лампочка или у винта сорвана резьба — эти изделия не восстанавливаются. К таким изделиям с точки зрения надежности относятся и микросборки.

Деление изделий на восстанавливаемые и невосстанавливаемые имеет большое значение для правильного понимания основных показателей надежности. Условим­ ся, что восстанавливаемыми называются такие изделия, которые в случае отказа могут быть восстановлены в процессе эксплуатации. К ним можно отнести любой станок, автомобиль, телевизор, магнитофон и т. д. Та­ кие изделия можно многократно ремонтировать, и пос­ ле каждого ремонта они вновь нормально работают. Тогда к невосстанавливаемым относятся изделия, кото­ рые в случае отказа не могут быть восстановлены в процессе эксплуатации или которые не подлежат вос­ становлению. Например, электрическая лампочка, ша­ риковый подшипник, резистор, конденсатор, транзистор и микросборка. Некоторые изделия можно восстанавли­ вать на специальных ремонтных заводах, но не в про­ цессе эксплуатации. Такие изделия принято также от­ носить к невосстанавливаемым.

Любое изделие полезно лишь тогда, когда оно ра­ ботоспособно, т. е. можно полностью использовать все его рабочие свойства.

В связи с существующей терминологией под работо­ способностью изделия понимают такое его состояние, при котором оно в данный момент времени соответст­ вует всем требованиям, установленным в отношений

основных параметров, характеризующих нормальное вы­ полнение заданных функций. Нередко работоспособ­ ность изделия отождествляют с понятием исправности. Однако это не одно и то же. Исправность — этб состоя­ ние изделия, при котором оно в данный момент време­ ни удовлетворяет всем требованиям как основных пара­ метров, так и второстепенных, т. е. когда изделие мо­ жет нормально, работать и сохраняет нормальный внеш­ ний вид и удобство эксплуатации. Следовательно, при работоспособности имеются в виду основные требования, а при исправности — как основные требования, так и второстепенные и условия его эксплуатации.

Например, радиоприемник уже неисправен, если у него перегорела лампа освещения шкалы, однако рабо­ тоспособность приемника сохранилась. Если изделие исправно, то оно и работоспособно, но работоспособное изделие может быть и неисправным.

Одним из самых важных понятий в теории надежно­ сти является понятие отказа, под которым понимается событие, состоящее в полной или частичной потере ра­ ботоспособности изделия.

Так же как работоспособность иногда отождествля­ ют с исправностью, отказ отождествляют с неисправ­ ностью. Но это тоже неверно. Неисправность связана с нарушением любого как основного, так и второсте­ пенного параметра. Отказ же ведет к потере (хотя бы и частичной) работоспособности, следовательно, связан только с нарушением основных параметров, которые характеризуют нормальную работу изделия.

Отказы могут быть различными. Известно более 20 видов отказов. Рассмотрим основные из них. При пол­ ном отказе изделие перестает выполнять все свои ос­ новные функции. Отказы делятся на внезапные и посте­ пенные (иногда их называют износовыми отказами).

В теории надежности микросборок различают приработочные и внезапные отказы.

Приработочные отказы происходят в начальный пе­ риод работы микросборкн, в основном причиной их бы­ вают дефектные элементы, нарушения технологии сборки, ошибки монтажа и т. д. У дефектных элементов обыч­ но более высокая интенсивность отказов. Как прирабо­ точные, так и внезапные отказы носят случайный ха­ рактер.

Основное свойство внезапных отказов — случайный

характер их появления.* К таким отказам в радиоэлект­ ронике,- например, можно отнести обрывы выводов, про­ бои р-п переходов и т. д. Внезапные отказы в большин­ стве случаев бывают полными и очевидными.

Физический смысл внезапного отказа сводится к то­ му, что после некоторого сравнительно быстрого коли­ чественного изменения какого-либо параметра в эле­ менте происходят качественные изменения, в результа­ те которых он теряет свои важнейшие свойства, необ­ ходимые для нормальной работы микросборки. Хотя та­ кие отказы носят случайный характер, их частота в те­ чение длительного времени остается примерно постоян­ ной.

В отличие от внезапных постепенные отказы зависят главным образом от длительности эксплуатации изде­ лия. К таким отказам можно отнести изменение обрат­ ных токов и пробивного напряжения диодов, коэффи­ циента усиления по току и пробивных напряжений тран­ зисторов в ИС с биполярной структурой и т. д.

Проводимые в последние годы испытания элемен­ тов, применяемых в микросборках, показывают, что их износовые отказы, физический смысл сводятся к по­ степенному, очень медленному изменению параметров элементов, значительно отступили по времени, т. е. ин­ тенсивное их проявление намного превышает заданные сроки эксплуатации микросборок.

В отличие от. внезапного постепенный отказ обычно бывает частичным и скрытным.

Несмотря на то что надежность — одно из свойств изделия, характеризующих его качество, сама надеж­ ность, в свою очередь, также характеризуется рядом свойств, основные из которых — безотказность, долговеч­ ность и ремонтопригодность.

Безотказность — это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации.

Долговечность — это свойство изделия длительно

Предельное состояние для каждого конкретного изделия' устанавливается в зависимости от требований, напри­ мер, безопасности, экономической невыгодности ремон­ та изделия или моральной старости.

И долговечность, и безотказность — свойства изде-

лия непрерывно сохранять работоспособность в течение какого-то времени, а долговечность — свойство изделия длительно сохранять работоспособность с возможными перерывами на ремонт.

К третьему основному свойству, определяющему на­ дежность изделия, относится его ремонтопригодность.

Представим себе такой случай. Радиоэлектронное устройство, имеющее несколько выходных параметров, сконструировано таким образом, что от входа до выхода сигналы различных параметров проходят через всю схе­ му и при отказе, т. е. отсутствии одного какого-либо параметра, восстановление его требует анализа или де­ монтажа всей или почти всей схемы. А теперь пред­ ставим себе другую схему. Отказы в ней случаются поч­ ти также часто, но каждый выходной параметр обес­ печивается по возможности своим блоком. В этом слу­ чае на отыскание и устранение причин каждого отказа приходится затрачивать минимальное время, тогда как в первом случае на ремонт может потребоваться дли­ тельное время. Это объясняется тем, что конструкция изделия во втором случае лучше продумана, обеспечи­ вает легкий доступ к любому элементу схемы, содер­ жит встроенные специальные устройства, сигнализирую­ щие о каждом отказе. И естественно, что надежность в эксплуатации, эффективность в использовании второго устройства будут выше.

Так вот приспособленность изделия к восстановле­ нию его исправности и называется его ремонтопригод­ ностью. Следует добавить, что в зависимости от харак­ тера технического устройства и его назначения на пер­ вый план выдвигается в одном случае безотказность (космический корабль), в другом — долговечность (те­ левизор).

Повышение безотказности и увеличение долговечно­ сти могут быть связаны с дополнительными затратами. Поэтому в каждом случае необходимо предварительно определить цену достижимости заданного требования надежности и долговечности микросборки.

Если повышение безотказности не вызывает неоправ­ данно больших затрат, нужно стремиться к максималь­ ной безотказности. Стремиться к максимальной долго­ вечности технических устройств в современных услови­ ях, когда темпы развития радиоэлектронных и микро­ электронных устройств исключительно быстро растут,

нецелесообразно, так как за это время они наверняка морально устареют. Поэтому для каждого вида изде­ лия, в том числе и микросборки, разрабатываются свои экономически обоснованные показатели не максималь­ ной, а оптимальной долговечности, с учетом физическо­ го износа, стоимости ремонта и морального старения.

Показатели надежности

Любое свойство изделия можно измерить и оценить. Можно измерить и оценить надежность. Введем поня­ тие «наработка на отказ», что означает среднее время работы между отказами. Наработка на отказ может вы­ ражаться либо в часах, либо в циклах, либо в других единицах. Наработка на отказ служит одним из основ­ ных количественных показателей надежности изделия; другим показателем надежности считается среднее вре­ мя безотказной работы, которое определяется условиями работы изделия: для самолетного двигателя — это вре­ мя полета; для микросборки — время ее безотказной работы.

Очевидно, сравнивая надежность любых изделий, имеющих разное назначение и разные условия работы, необходимо учитывать не только их наработку на отказ, но и требуемое (заданное) время их безотказной рабо­ ты. Зная соотношение наработки на отказ и заданного времени безотказной работы микросборки, можно опре­ делить вероятность ее безотказной работы, т. е. веро­ ятность того, что в течение заданного времени при нор­ мальных условиях эксплуатации микросборки в ней не произойдет отказа. Выражается вероятность отказа чис­ лом от нуля до единицы или в процентах от 0 до 100.

Если расчеты покажут, что вероятность безотказной работы микросборки равна 0,999 (или 99,9%), это зна­ чит, что можно ожидать, что из 1000 микросборок 999

Наработка на отказ и вероятность безотказной ра­ боты как количественные показатели надежности наи­ более удобны в том случае, когда микросборки можно ремонтировать или восстанавливать. Если же микро­

отказности для таких микросборок обычно используется интенсивность отказов — это вероятность отказов в еди­ ницу времени.

Интенсивность отказов определяется отношением ко­ личества отказавших за время испытания (эксплуата­ ции) микросборок к общему количеству подвергавшихся испытаниям микросборок, умноженному на число часов испытаний; обозначают ее % с размерностью 1/ч.

Технический ресурс — суммарная наработка микро­ сборки за период ее эксплуатации и срок службы — календарная продолжительность эксплуатации микро­ сборки, — все это основные показатели долговечности.

Надежность работы микросборки, как и других уст­ ройств, в первый период — период приработки пол* ностыо определяется интенсивностью отказов имеющих­ ся в ней дефектных элементов. Основными мерами по уменьшению влияния приработочных отказов на надеж­ ность микросборки могут быть отбраковка дефектных элементов до сборки и организация приработки в за­ водских условиях. Тогда влияние приработочных отка­ зов на надежность микросборок в эксплуатации прак­ тически можно полностью исключить.

Период приработки сменяется периодом нормальной эксплуатации; остаются только, полноценные, стандарт­ ные элементы, интенсивность отказов микросборок рез­ ко падает. Уже сейчас удается достигнуть интенсивно­ сти отказов 10-8—10-10 в час. Наработка на отказ та­ ких элементов (обратная величина интенсивности отка­ зов) будет составлять миллионы и десятки миллионов часов. Существование износа и старения элементов огра­ ничивает срок службы микросборки.

Статистической контроль

При производстве и эксплуатации микросборок стал­ киваются с ситуациями, исход которых не поддается точ­ ному предсказанию (прогнозированию). Микросборка может выйти из строя вследствие отказа интегральной микросхемы, транзистора или любого другого элемен­ та. Но нельзя заранее точно предсказать, когда это произойдет и произойдет ли вообще. Микросборки мо­ гут содержать значительное количество элементов с разными сроками службы и надежностью даже для од-

потипных элементов. Следовательно, надежность мик­ росборок определяют качественные показатели элемен­ тов, на которых они построены.

В результате действия многих случайных факторов выходные параметры микросборок имеют значительный разброс. Как параметры элементов, так и параметры микросборок представляют собой случайные величины. Используя методы математической статистики для ана­ лиза микросборок, можно выявить недостатки конструк­ ции, технологического процесса, нарушения правил экс­ плуатации и указать возможные способы их устранения. Особую важность, приобретают статистические методы контроля в условиях широкой механизации и автомати­ зации современного производства.

Надежность микросборок в значительной степени определяется безотказностью работы элементов, на ко­ торых она построена. Отсюда задача обеспечения на­ дежности микросборок сеодится главным образом к обеспечению безотказной работы ее элементов и техно­ логического процесса сборки.

Наиболее удобной количественной характеристикой надежности является интенсивность (опасность) отка­ зов. Интенсивность отказов элементов зависит от многих факторов: от качества исходных материалов, конструк­ ции, технологии изготовления и культуры производства, от условий эксплуатации и режима работы элементов. При определении интенсивности отказов (по специаль­ ным таблицам). учитываются уровень надежности эле­ ментов, условия эксплуатации, режим работы и окру­ жающая температура. Учет этих факторов производится с помощью соответствующих коэффициентов, которые определяют уровень надежности элемента. Уровень на­ дежности элемента закладывается при конструировании и зависит от того, насколько учитываются при этом воз­ можные условия эксплуатации.

Основная задача, решаемая при разработке методов проверки надежности микросборок, состоит в получении наиболее полной и достоверной информации о надежно­ сти партии микросборок объема N по результатам испы­ таний выборки объема п. Получаемые выборочные ха­ рактеристики должны стать состоятельными оценками параметров проверяемой партии (математического ожи­ дания, дисперсии и т. п.). Из этого условия следует, что проверка .надежности аппаратуры производится на ос­