Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Гераничев Владимир Николаевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ ПРИ МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гатчин Юрий Арменакович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ларин Валерий Павлович кандидат технических наук, доцент Магдиев Ринат Рауфович
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)
Защита состоится л20 марта 2012 г. в 16-00 часов в ауд. 206 на заседании диссертационного совета Д.212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб НИУ ИТМО.
Автореферат разослан л____ февраля 2012 г.
Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.227.кандидат технических наук, доцент Киселёв С.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования При проектировании сложных систем, в которых используется микроэлектронная техника, а также при определении перспектив их развития можно увидеть тенденцию к максимальному использованию принципа модульности аппаратуры.
Использование модулей в современной технике постоянно растет. От работы каждого модуля зависит эффективность функционирования всего радиоэлектронного оборудования. Использование модульности в конструкциях существенно упрощает и удешевляет проектирование, производство и дальнейшую эксплуатацию этого оборудования.
Как показывает практика, при проектировании новых комплексов бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) отечественными разработчиками сегодня используется (заимствуется из предыдущих/параллельных проектов) до 70 % унифицированного алгоритмического и программного обеспечения (т.н. сборочное проектирование), до 50 % унифицированного аппаратного обеспечения на уровне блоков и до 80 % - на уровне конструктивно-функциональных модулей (КФМ).
Указанное оборудование объединяет понятие интегрированная модульная авионика (ИМА), в качестве лединицы физической архитектуры которой выступают быстросменные КФМ, выполненные, например, по стандартам европлат 3U, 6U, 9U:
модули-вычислители, модули графические, модули памяти, модули ввода/вывода дискретной и непрерывной информации, модули вторичного напряжения питания, фильтры радиопомех и т. д.
Основной проблемой при производстве специальной электронной техники, объем выпуска которой варьируется от единиц до десятков изделий в партии, является низкая технологическая оснащенность отечественных производств, это в ряде случаев не позволяет в полной мере использовать достижения электронной элементной базы без автоматизации отдельных операций. Второй специфической чертой является высокий уровень технологических дефектов, присущий многономенклатурному опытному и мелкосерийному производству, как при ручном, так и при автоматизированном выполнении операций, из-за необходимости наладки технологического процесса под разную номенклатуру устанавливаемых компонентов. Доля дефектов, связанных с формированием паяных соединений во вновь разрабатываемых или модернизируемых изделиях модульной авионики, составляет в среднем 65 %, от общего числа дефектов.
Подготовка к производству электронных модулей (ЭМ) требует разработку и отладки множества технологических операций, учитывающих особенности применения новой элементной базы, технологических материалов, коммутационных плат и оборудования, с последующим объединением этих операций в один технологический процесс. В этом случае время на отработку и интеграцию новых технологических операций в рамках действующего, сложившегося производства может быть значительным. Следует отметить, что общепринятые критерии оценки эффективности серийного сборочно-монтажного производства, такие как себестоимость выпускаемой продукции и сроки возврата инвестиций, по отношению к опытному и мелкосерийному производству не являются основными. Для мелкосерийного производства высоконадежных быстросменных модулей (БСМ) широкой номенклатуры на первый план выходит выполнение поставленной перед предприятием задачи по выпуску продукции с заданным уровнем надежности.
В современном сборочно-монтажном производстве БСМ используется технология монтажа электрорадиоизделий (ЭРИ) на поверхность печатных плат (ПП) - поверхностного монтажа (ПМ). Технологический процесс ПМ является сложным и многооперационным. Основными операциями являются: нанесение паяльной пасты на контактные площадки ПП методом дозирования и трафаретной печати, установка компонентов на паяльную пасту, групповая пайка печатных узлов, контроль качества технологического процесса ПМ; вспомогательные операции, направленные на повышение надежности паяных соединений и предупреждение возникновения брака в ЭРИ: отмывка и сушка ПП, фиксация компонентов и т.д.
Исследования в области повышения эффективности производства электронных модулей проводятся в основном экспериментальным путем в упрощенных моделях и не используют точных методов их решения. В своих исследованиях по пайке методом поверхностного монтажа такие авторы, как L. Crane, R. Johnson, J. Hwang, уделяют основное внимание свойствам применяемых материалов, режимам пайки, технологическому оборудованию и чаще всего ограничиваются рассмотрением отдельных технологических операций и постановкой задачи по одной из проблем, связанных с этими операциями.
При создании эффективного мелкосерийного производства необходимо выявить технологические операции, существенно влияющие на уровень дефектов паяных соединений при изготовлении БСМ, и установить контроль за этими критическими операциями. Поскольку многие перспективные технические решения основаны на применении микросхем с шариковыми выводами в корпусах типа BGA, операции монтажа которых относится к критическим из-за узкого технологического окна пайки и сложности контроля качества паяных соединений, актуально разрабатывать методы повышения надежности паяных соединений таких микросхем.
В условиях перехода электронной промышленности на бессвинцовые технологии большое значение также имеет исследование допустимости применения в БСМ импортных микросхем с бессвинцовыми покрытиями при пайке традиционным свинцовосодержащим припоем. Перечисленные выше проблемы делают актуальной разработку и исследование технологического процесса изготовления БСМ в мелкосерийном производстве.
Цель исследования - исследование методов повышения эффективности мелкосерийного производства электронных модулей на основе управления критическими технологическими операциями поверхностного монтажа, а также выбор методики оценки надежности элементов печатных узлов.
Объекты исследования - технологические операции поверхностного монтажа, а также методики расчета параметров надежности электронных модулей.
Задачи исследования:
анализ методов организации сборочно-монтажных производств;
исследование и разработка математической модели операции воздушно- импульсного дозирования паяльной пасты;
исследование и разработка нейросетевого метода управления качеством операции нанесения паяльной пасты путем дозирования;
анализ и исследование современных методов прогнозирования надежности при ускоренных испытаниях;
разработка методики испытаний электронных модулей и анализ результатов при механических и климатических воздействиях;
разработка методики сопоставления традиционных показателей надежности с зарубежными аналогами величин;
анализ дефектов паяных соединений, причин их возникновения и разработка способов их устранения.
Методы исследований базируются на использовании аппарата теоретической гидродинамики, теории искусственных нейронных сетей, аппарата линейной алгебры, теории вероятности и математической статистики, теории надежности, теории и технологии пайки.
Научная новизна состоит в:
разработке математической модели операции дозирования паяльной пасты;
разработке схемы управления процессом дозирования паяльной пасты, компенсирующей ошибку, связанную с отклонением поведения свойств паяльной пасты от степенного закона;
разработке нейросетевой модели технологической операции нанесения паяльной пасты методом дозирования;
предложенной методике расчета параметров и прогнозирования надежности при ускоренных испытаниях образцов печатных узлов;
разработке практических рекомендаций по снижению числа дефектов, возникающих при проведении операций ПМ, приводящих к отказам паяных соединений.
Основные положения, выносимые на защиту:
схема технологического процесса ПМ при опытном и мелкосерийном производстве;
математическая модель и схема установки воздушно-импульсного дозирования;
схема управления процессом дозирования паяльной пасты;
предложения и рекомендации по изменению схемы технологического процесса для повышения качества монтажа ЭРИ на ПП;
методика дополнительной защиты от термомеханических воздействий паяных соединений микросхем в корпусах BGA путем заполнения решетки шариковых выводов быстроотверждаемым эпоксидным компаундом;
методика проведения ускоренных испытаний надежности тестовых ЭМ;
методика расчета показателей надежности ЭМ и обработки результатов испытаний;
методика расчета показателей надежности при ускоренных испытаниях паяных соединений ЭМ.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в:
увеличении доли групповых методов монтажа ЭРИ на ПП при изготовлении малых серий БСМ;
определении методов повышения эффективности монтажных операций и предложений по повышению надежности электронных изделий для гражданского и военного применения;
разработке методики, позволяющей проводить ускоренные испытания тестовых образцов, а также прогнозировать показатели надежности паяных соединений и ЭРИ;
разработке методики повышения эффективности (сокращение на 15-20 % времени производственного цикла) опытного и мелкосерийного производства БСМ;
снижение уровня дефектов паяных соединений с 0,5 до 0,1 % за счет использования разработанных методов управления качеством критических операций нанесения паяльной пасты;
возможности использования основных теоретических и практических результатов предприятиями радиоэлектронной отрасли, а также специализированными проектными организациями при проектировании объектов реконструкции и технического перевооружения по федеральным целевым программам.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах. Среди них:
9-я научно-техническая конференция, посвященная 110-летию первого выпуска СПбГУ ИТМО: Майоровские чтения "Теория и технология программирования и защиты информации. Применение вычислительной техники" (Санкт-Петербург, 2005).
Международная научно-техническая конференция "Интеллектуальные системы " (AIS05) (Геленджик, 2005).
ХХХVI научно-методическая конференция профессорскопреподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2007).
XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (СанктПетербург 2011).
XLI научная и учебно-методическая конференция СПбНИУ ИТМО (СанктПетербург 2012).
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах ФГУП Санкт-Петербургское ОКБ Электроавтоматика и на заседании кафедры "Проектирования и безопасности компьютерных систем" СПбНИУ ИТМО.
Публикации. Теоретические и практические результаты, представленные в диссертации, отражены в 6 печатных работах, в том числе в научно-техническом вестнике СПбНИУ ИТМО (входит в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации), список которых приведен в конце автореферата.
Реализация работы и внедрение результатов исследований Подтверждено использование результатов работы:
1. ФГУП Московский институт теплотехники (Москва) - акт внедрения в технологический процесс изготовления электронных модулей для серийных изделий СЦВМ ВМ94 и ИВУ99-01.
2. ФГУП Санкт-Петербургское ОКБ Электроавтоматика (СанктПетербург) - акт внедрения в производственный процесс изготовления электронных модулей.
3. СПб НИУ ИТМО - акт внедрения в учебный процесс.
Структура и объем диссертационный работы. Диссертационная работа содержит 186 страниц основного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 129 наименований, содержит рисунок и 6 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи исследования, изложены научная новизна, практическая значимость полученных результатов.
В первой главе проведен анализ современного состояния сборочномонтажного производства электронных модулей, рассмотрены проблемы и тенденции его развития. В частности, отмечена необходимость в автоматизации сборочномонтажных операций в опытном и мелкосерийном производстве на предприятиях оборонно-промышленного комплекса при создании конкурентной продукции с применением последних достижений микроэлектроники, что до последнего времени сдерживалось высокой стоимостью технологического оборудования.
БСМ малой серийности получают все большую значимость в разработках, предназначенных для авиационной и морской техники, в системах обеспечения безопасности и целом ряде аппаратуры, где первостепенную роль играют качество продукции и технические характеристики: габариты, энергопотребление, производительность и надежность ЭМ, функционирующих при наличии механических возмущений и воздействии неблагоприятных факторов внешней среды.
В этой главе была осуществлена постановка задачи диссертации.
В работе обосновано применение комплексного подхода к повышению эффективности производства ЭМ при мелкосерийном выпуске продукции, так как переоснащение отдельных технологических участков может принести даже отрицательный результат. В результате комплексного подхода, включающего не только внедрение нового оборудования на предприятии, но и консалтинг и сопровождение проектов, возможны прогнозирование максимальной эффективности производств, оптимизация инвестиций и минимизация рисков. Схема повышения эффективности производства изделий электроники приведена на рис. 1.
При анализе подходов к организации сборочно-монтажных производств можно сделать вывод, что основу современного производства высокотехнологичных ЭМ составляет оборудование для поверхностного монтажа, хотя ЭРИ с выводами, предназначенными для монтажа в отверстия, по-прежнему используются.
Тенденцией технологии поверхностного монтажа является использование двух основных технологий: СОВ (Chip on board - монтаж кристалла на поверхность) и Flip Chip (монтаж перевернутого кристалла). Около 30 % от общего числа компонентов, выпускаемых для поверхностного монтажа, приходится на активные ЭРИ, из которых: 20 % - дискретные полупроводниковые приборы в корпусах SOT, используемые для корпусирования транзисторов, диодов, стабилитронов, варикапов, и 10 % - интегральные микросхемы с корпусами типа SOIC, PLCC, QFP, BGA и др.
В результате анализа оборудования для основных технологических операций поверхностного монтажа были выбраны: автоматический трафаретный принтер, автоматический дозатор, универсальный автоматический установщик компонентов эффективный при установке широкого спектра корпусов, как chip-компонентов, так и интегральных микросхем (ИМС) с малым шагом во всем спектре корпусов, конвейерная восьмизонная конвекционная печь, средства оптического и рентгеновского контроля.
Рис. 1. Схема повышения эффективности производства Во второй главе разработана схема технологического процесса для мелкосерийного производства, в котором на одну сторону печатной платы, содержащей ИМС с малым шагом, паяльная паста наносится методом трафаретной печати, а на другую - с помощью автоматического дозатора, что позволяет существенно снизить себестоимость изделий. Качество процесса изготовления ЭМ необходимо контролировать в определенных критичных узлах, поэтому была разработана схема контроля технологического процесса (ТП), позволяющая уменьшить количество брака и снизить стоимость его исправления на выходе ТП.
К критичным технологическим операциям отнесены:
нанесение паяльного материала на электромонтажные элементы ПП;
установка ЭРИ на поверхность ПП;
оплавление паяльной пасты.
Для операции нанесения паяльной пасты с помощью воздушно-импульсного дозатора была разработана и исследована математическая модель. Несмотря на легкость в управлении, способность дозирования очень малых количеств вещества и относительно низкую стоимость, воздушно-импульсные системы обладают рядом недостатков, к которым относится сложность поддержки технологического процесса в устойчивом состоянии, вызванная тем, что выходные параметры зависят не только от параметров дозирующей системы, но и от реологических свойств диспенсируемых веществ. Материалы, которые используются в производстве электронных модулей (паяльная паста, адгезивы, материалы для капсулирования микросхем), представляют собой неньютоновские жидкости и характеризуются нелинейным соотношением между сдвиговым напряжением и скоростью сдвига.
В наиболее общем виде неньютоновская жидкость описывается выражением:
(S) (1) где - градиент скорости (1/с), являющийся показателем интенсивности изменения величины скорости по нормали к ее направлению (скорость сдвиговой деформации);
?(S) - эффективная вязкость жидкости ( г/(с2-nсм));
S - параметр.
Для расчета течений жидкостей используется степенной реологический закон:
n(S) KS, (2) где: К - постоянная степенного закона ( г/(с2-nсм));
n - безразмерный показатель степенного закона, определяющийся экспериментально.
При моделировании процесса воздушно-импульсного диспенсирования приняты следующие допущения:
жидкость несжимаемая;
памятью исследуемой жидкости можно пренебречь, т.е. жидкость чувствительна только к мгновенной скорости деформации;
поток установившийся и ламинарный;
отсутствует скольжение между жидкостью и стенками дозирующей иглы;
диаметр картриджа Dк много больше внутреннего диаметра иглы Dи.
Принцип воздушного метода дозирования показан на рис. 2.
На приведенной схеме воздух подается под давлением в течение заданного времени к верхней части картриджа и воздействует на границу воздух/паяльная паста, что приводит к вытеканию пасты через калиброванную иглу с образованием на ПП капли фиксированного размера. Движение пасты в дозирующей системе аппроксимируется струйной моделью потока вязкой несжимаемой жидкости, для описания которой используется уравнение Бернулли:
Pраб 1V12 Pu 2V (Lк Lu ) F , (3) g 2g g 2g где Рраб - рабочее давление, прикладываемое к дозирующему устройству (Па); Рu - давление на выходе из иглы (Па); Lк - уровень пасты в картридже (м); Lu - длина иглы (м); - плотность паяльной пасты (кг/м3); V1(V2) и 1 (2) - средняя скорость потоков пасты (м/с) и соответственно коэффициенты ее кинетической энергии на уровнях S1 и S2; F - потери энергии.
Из принятых допущений следует, что:
1VDк Du 2g и потери энергии F связаны только с прохождением пасты через иглу. Тогда:
F P BcV, (4) g g где P - потеря напора в игле, обусловленная падением пьезометрической линии на этом участке (Па); Bс - коэффициент потерь, характеризующий локальное сопротивление вещества при входе потока в иглу дозатора.
Pраб SLк Lи Pи SРис. 2. Принцип воздушного метода дозирования Подставив (4) в (3), получим 2 Bc P Pраб Pu g(Lк Lu ) V22( ). (5) Выражение (5) перепишется в виде:
P Pраб Pu Lg 1,1V, (6) где V - скорость движения пасты по игле (м/с);
L Lк Lu.
Вычислив потерю напора в игле, можно определить объемный расход паяльной пасты, которая является важнейшим измеряемым параметром, характеризующим качество процесса диспенсирования:
Rи Q 2V (r)dr, (7) где Ru - радиус иглы (м).
Из уравнения Навье-Стокса для ламинарного потока в трубе в цилиндрических координатах следует 1 d dV 1 dp r . (8) r dr dr dz Проинтегрировав, получим выражение для распределения напряжений в игле r P w r, (9) Ru L где w - напряжение на стенке иглы (кг/(мс2).
Для нашего случая установившегося ламинарного течения (см. выражение (2)):
Kn, (10) тогда, проинтегрировав уравнение (8) по частям и перейдя в полученном выражении к переменной , с использованием выражения (9) окончательно получим:
RuP n Q Ru . (11) LK 3n Полученная модель учитывает влияние основных факторов на процесс дозирования паяльной пасты, а именно:
системных параметров Ru, L;
характеристик паяльной пасты К,, n;
рабочих параметров Рраб, Рu.
Рассчитанные по формуле (11) значения объемного расхода паяльной пасты хорошо согласуются с экспериментальными данными. В то же время построение полной математической модели, учитывающей временную и температурную зависимость свойств паяльной пасты, является сложной задачей.
Для компенсации ошибок, связанных с отклонением свойств паяльной пасты от степенного закона (2), разработан метод офф-лайн-контроля процесса диспенсирования на основе рассмотренной математической модели (рис. 3).
При расхождении заданных выходных характеристик процесса с реальными, измеренными в режиме офф-лайн, в работу включается компенсатор, рассчитывающий необходимые изменения рабочих параметров, так чтобы изменения процесса, вызванные временной зависимостью, были скомпенсированы. Рассмотрим работу компенсатора. Множество рабочих параметров X и выходных характеристик процесса Y связаны соотношением:
Y f (X ), (12) тогда для конечных приращений параметров X имеем линейную зависимость:
Y AX, (13) где A - множество, элементы которого являются соответствующими частными производными и характеризуют чувствительность выходных характеристик процесса к изменениям рабочих параметров.
Заданные Измененные Реальные характеристики Расхож- рабочие характерис- процесса дение параметры тики Компенсатор Дозатор Модель для расчета рабо- Измеренчих параметров ные характерис- тики Рис. 3. Схема офф-лайн-контроля процесса диспенсирования Обозначим через 0 разницу между заданными и измеренными выходными характеристиками процесса, тогда:
0 Yз Yи с учетом (13) можно записать:
AYз Y0 T0(X1 X0) или X1 X0 , T0 (14) где Х0 - исходные рабочие параметры процесса;
Х1 - скорректированные рабочие параметры процесса после 1-й итерации;
T0 - множество значений при рабочих параметрах в исходной точке: Х = Х0.
В данном случае Х1 в выражении (14) определяется в предположении линейной зависимости между рабочими параметрами и выходными характеристиками процесса.
Так как эта зависимость практически всегда имеет нелинейный характер, то разница между заданными значениями процесса и рассчитанными по принятой модели с использованием значений рабочих параметров, полученных по формуле (14), сохраняется и имеет вид:
1 Yз f (X1).
Для компенсации этого расхождения необходимо ввести дополнительно изменения в множество Х:
X2 X1 T1.
Получим рекурсивный алгоритм для расчета корректирующего воздействия, направленного на устранение временной зависимости свойств паяльной пасты 0 Qз Q0, n iPраб n Pраб0 , n 1,2,3,...
Ti1 (15) in Qз f (Pраб ), n а Ti определяется из выражения (14).
На рис. 4 показана схема рекурсивного алгоритма управления операцией дозирования паяльной пасты посредством внесения поправок в рабочее давление, рассчитанных по предложенной математической модели процесса.
Qз Рраб0 Ррабn f(Рраб - + Pрабn if < n Ррабn n) да нет А n i Tii 1/А n Рис. 4. Схема рекурсивного алгоритма управления операцией дозирования Также во второй главе были рассмотрены особенности операций ТП поверхностного монтажа. Показано, что качество трафаретной печати определяется не только скоростью нанесения паяльной пасты, способом движения ракеля и печатной головки, материалом ракеля и его жесткостью, использованием технологий "downstop" и "snapp-off" и формой трафарета, но и операциями очистки трафаретов. При использовании грязных трафаретов снижается качество ПП и ЭМ, так как изменяются количество нанесенной пасты, формы отпечатков, смачиваемость контактных площадок, и, как следствие надежность и качество паяных соединений.
Третья глава посвящена разработке искусственной нейронной сети (ИНС) для управления процессом нанесения паяльной пасты методом дозирования материала. Из рассмотрения компонентов теории ИНС следует, что для разработанной модели (11) необходимо использовать многослойную сеть, содержащую 8 входов - регулируемых параметров процесса и один выходной - качество нанесения пасты. ИНС представляют собой структуры, основными элементами которых являются: нейроны и связи между ними, а также преобразователи выходного сигнала нейрона. Для функционирования ИНС необходимо ее обучение с помощью обучающего множества параметров X и Y.
В результате обзора работ, посвященных ИНС, можно прийти к выводу о том, что задача создания ИНС сводится к:
созданию структуры ИНС;
выбору типа преобразователя;
настройке всех весов всех нейронов или обучению ИНС.
Первый и третий этапы являются наиболее сложными, так как простая сеть будет легкой для настройки, но менее функциональной, чем сложная сеть, которую трудно настраивать. Четких рекомендаций по определению структуры сетей исследователи до сих пор не предложили. Настройка сетей различными методами также затруднительна для разработчиков ИНС со сложной структурой из-за последовательного механизма обучения каждого нейрона. Поскольку обучающее множество зависит от количества весов и доли ошибок при работе настроенной сети, то определение весов сети становится непростой задачей. Функция ошибки представляет собой многомерную поверхность, минимум которой необходимо найти в результате обучения или подбора весов. Используя методы градиентного или случайного поиска, можно не обнаружить глобального минимума, а найти лишь локальный экстремум.
Для разрешения этих проблем при синтезе ИНС предложено применение аппарата генетических алгоритмов (ГА). ГА основаны на моделировании генетических процессов, происходящих в биологических организмах: формирования популяций, отбора, скрещивания и мутации. При правильных настройках параметров поиска ГА помогают отыскать сбалансированное решение оптимизационной задачи.
В работе получен модифицированный ГА, в котором использовано вещественное кодирование, а отбор осуществляется исходя из свойства приспособленности хромосомы по формуле:
f (Hi ) pi Nh, f (Hi) iгде pi - вероятность отбора хромосомы в следующее поколение; f(Hi) - пригодность i-й хромосомы; Nh - количество хромосом или размер популяции.
В процессе образования потомков заимствовались общие нейроны и связи обоих родителей, а остальные нейроны и связи отбирались случайным образом.
В процессе мутации, вероятность которой может варьироваться в широких пределах 0,01...25 %, добавлялись или удалялись нейроны и связи, а также изменялся вес произвольной связи на случайную величину.
По прошествии некоторого числа итераций, или поколений, формируется множество экземпляров с лучшими параметрами, чем у исходных. Затем среди множества, полученного на последней итерации, отыскивается хромосома с наилучшими параметрами. Таким образом получаем окончательное решение. Для значения точности 0,01 и вероятности мутации 10 % по прошествии 12000 поколений были найдены оптимальные варианты структуры сети. Затем была отобрана наилучшая из них, исходя из минимума ошибки (см. рис. 5).
Разработанная ИНС обладает лучшими характеристиками, чем у симметричной ИНС, так как имеет меньше связей, а значит, будет меньше затрачено времени на вычисления.
Разработанная ИНС с успехом была опробована для управления дозатором Dotmaster SMDU-5001 (Dima SMT Systems, Нидерланды) сборочного участка СПб ОКБ "Электроавтоматика". Это позволило повысить качество нанесения паяльной пасты, что проверялось на 10 образцах с различной вязкостью в пределах 200...450 кспз (по методу Брукфилда). Количество дефектов паек удалось снизить на 50...70 %. Оставшаяся доля дефектов может быть снижена путем усложнения ИНС за счет включения дополнительных параметров, влияющих на технологический процесс.
W W WK Wn WR и W21 WРезультат L 5 нанесения P раб WР и WT W W21 W Рис. 5. Полученная структура ИНС Четвертая глава посвящена вопросам надежности ЭМ и внедрению результатов работы на предприятиях и в учебном процессе.
В начале главы рассмотрены явления, которые могут проявляться при переходе от свинецсодержащих материалов к бессвинцовым. При использовании сплавов с большой долей содержания олова могут появляться следующие дефекты: вырастать "оловянные волоски" или "усы" из-за внутренних напряжений в структуре сплава, температуры, влажности, цикличности изменения температуры и отсутствия эффекта самоцентрирования ЭРИ в процессе пайки.
Также рассмотрено влияние остатков флюса на надежность ЭМ. При превышении температуры окружающей среды определенной границы остатки сначала размягчаются, а затем плавятся, оказывая диссоциирующее воздействие, что приводит к образованию карбоксильных ионов. В результате ионизации изменяются диэлектрические свойства примесей флюсов и повышается их проводимость. Это, в свою очередь, может привести к возрастанию токов утечки и короткому замыканию между контактами ЭРИ. При повышении влажности окружающего воздуха остатки флюса, даже на канифольной основе, могут образовывать тонкую пленку воды. В зоне поверхностного ионного загрязнения и влаги могут образовываться дендриты. Остатки флюса на контактных площадках препятствуют осуществлению контроля электрических параметров цепей. Вступая в реакцию с влагой, флюс может приводить к коррозии проводящих элементов. После отмывки печатных узлов также может понижаться их надежность за счет повреждения ЭРИ, образования белого налета, коррозии и других явлений.
В работе показано, что качество ЭМ можно повысить с помощью фиксации ЭРИ на ПП. Фиксация ЭРИ позволяет противодействовать силам поверхностного натяжения, которые вызывают: образование галтелей при оплавлении припоя, крутящий момент в месте контакта вывода компонента с припоем, что приводит к смещению легких SMDкомпонентов относительно контактных площадок, а также поворот на определенный угол. Частота возникновения увеличивается с переходом типоразмеров SMDкомпонентов от 0805 к 0402 и 0201.
Далее в работе проанализированы причины отказов ЭРИ, вызываемых внешними и внутренними эксплуатационными факторами. Первые включают в себя действие температуры, влажности, давления и химических веществ со стороны окружающей среды, радиации, электромагнитных полей, механических нагрузок (вибраций и ударов) и др., действующих на ЭРИ, когда они находятся под нагрузкой или выключены. К внутренним факторам относятся напряжения и токи при установившихся и переходных режимах микросхем, находящихся под нагрузкой, которые обуславливают выделение тепла, образование электрических и магнитных полей и механические нагрузки Возникновение физико-химических процессов в материалах и скорость их протекания обусловлены уровнем воздействующих энергий: механической, тепловой, электрической и химической и связаны с преобразованием одного вида энергии в другой.
Большая часть процессов является термически активируемыми, т.е. необходимое условие начала процесса - достижение определенного уровня тепловой энергии, причем скорость протекания процессов разрушения и старения увеличивается с ростом температуры ЭРИ. Поэтому при испытаниях надежности первостепенное значение имеют исследования воздействия тепловой энергии на ЭРИ. Показано, что с увеличением температуры интенсивность отказов возрастает, причем экспоненциально:
1 V0 Wa kT e X Т ср ср где: Т - среднее время наработки на отказ (ч); Wa - энергия активации течения ср процесса, приводящего к отказу ПП (эВ); Хср - средний запас прочности ЭРИ (ч); Vo - коэффициент, определяемый механизмом конкретного процесса; k - постоянная Больцмана (Дж/К); Т - абсолютная температура элемента (К).
Таким образом, цикличность работы ЭРИ и переходные процессы, возникающие при включении и выключении РЭА, могут существенно влиять на надежность печатных узлов.
Далее в работе была показана необходимость проведения ускоренных испытаний (HAST - Higlhy Accelerated Stress Test) на надежность печатных узлов. Для определения показателей надежности с интенсивностью отказов =10-9 ч-1 приводит к необходимости проведения испытаний тест-плат с суммарным числом 10 000 паяных соединений непрерывно на протяжении 1,5 лет.
Цель ускоренных испытаний - получение отказа паяных соединений или накопленного повреждения по аналогичному механизму, но за меньшее время относительно реальных условий эксплуатации. Для исследования тех или иных механизмов отказа существует несколько типов ускоренных испытаний на:
температурную усталость, тепловой удар, вибрацию и др.
Для разработки программы и выбора методики испытаний электронной радиоаппаратуры на надежность были рассмотрены аспекты прогнозирования надежности паяных соединений и остаточного ресурса аппаратуры.
Определение среднего времени до отказа электронной радиоаппаратуры на основе использования экспоненциального закона (когда коэффициент вариации равен единице) приводит к тому, что ошибка (завышение) математического ожидания времени до отказа высоконадежной электронной техники составляет 50...1000 раз по сравнению с теми же показателями при использовании двухпараметрических моделей, которые имеют лучшее приближение к реальной статистике отказов.
В работе были исследованы математические модели следующих типов:
логарифмически нормального (LN-распределения);
диффузионного монотонного (DM-распределения);
диффузионного немонотонного (DN-распределения).
LN-распределение, описывающее долговечность элементов, для широкого диапазона температур записывается:
1 ln t ln m ,, f (t) exp t 2 2 где - среднеквадратическое отклонение срока службы t ln сonst, ttгде: - время работы до отказа 50 % элементов в выборке или медианный срок службы;
t - время работы до отказа 16 % элементов в выборке;
m - число степеней свободы.
В качестве меры, показывающей, на сколько сокращается долговечность за счёт развития дефектов при повышении температуры от Т1 к Т2, служит коэффициент ускорения AtT:
Wa 1 T срAtT exp T T k P1Q1 T2 P2Q2 , ср 1 где: T,T - среднее время наработки на отказ при температуре Т1 и Т2 соответственно;
ср1 срТ1, Т2 - нормальная и повышенная температуры (К);
Р1, Р2 - рассеиваемые мощности на переходе (Вт);
Q1, Q2 - температурные коэффициенты сопротивления зоны "переходЦокружающая среда".
В случае комбинированных испытаний: при воздействии одновременно и повышенных температур и напряжения смещения, интенсивность отказов аномальных ИМС зависит только от температуры, а основной части выборки - и от одного, и от другого действующего фактора. Тогда для определения среднего времени наработки на отказ может использоваться модель Эйринга:
T,U G Wa D C , T exp U CP kT kT T где: G, C, D - коэффициенты;
U - напряжение смещения (В).
Точечная оценка интенсивности отказов с учетом коэффициентов ускорения, учитывающих влияние температуры и напряжения, определяется следующим образом:
n T,U NtAtT AtU, где: n - число отказов;
N - число испытанных образцов.
Для LN-распределения наработки до отказа ЭРИ интенсивность отказов описывается выражением:
ln t ln T 0,5ln(v2 1) H exp 2ln(v2 1) (tLN ) .
н (16) ln T 0,5ln(v2 1) ln t H t 2 ln(v2 1) Ф H ln(v2 1) для DM-распределения:
T t (0,5v2 1) 0 H T t (0,5v2 1)exp 0 H 2v2T t (0,5v2 1) 0 H (tDM ) .
н (17) T t (0,5v2 1) 2vt 2T t (0,5v2 1) Ф 0 H H 0 H v T t (0,5v2 1) 0 H для DN-распределения:
(T t )2 0 H T exp 2v2T0tH (tDN ) .
н (18) T t 2 T t 0 H vt 2t Ф 0 H exp Ф H H v2 v T 0tH v T t 0 H где Ф(...) - функция нормированного нормального распределения.
Решая (16)Ц(18) относительно T, можно определить среднюю наработку до отказа для принятых значений коэффициентов вариации наработки v.
Для некоторых распределений приближенные решения указаны в источниках, а для точного решения уравнений (16)Ц(17) и (18) автором работы предложено воспользоваться аппаратом численных методов. Для такой задачи можно использовать метод перебора на равномерной/неравномерной сетке, градиентного спуска или генетический алгоритм.
В работе показано, что в различных отечественных и зарубежных регламентирующих документах приведены различные модели для вычисления коэффициентов ускорения, когда ускоряющим фактором выступает температура или напряжение, или их комбинация. В каждом документе обозначены свои правила определения констант и температур переходов. Все это приводит к тому, что температурные коэффициенты ускорения, вычисленные по разным методикам, будут существенно отличаться для одного и того же типа ЭРИ.
Анализ показывает, что наибольшая доля отказов полупроводниковых приборов и ИМС обусловлена явлениями усталости материалов вследствие циклических температурных, токовых и механических нагружений. Процессы усталости, как установлено, имеют коэффициенты вариации порядка 0,4...0,8. Часть отказов обусловлена другими процессами, связанными с протеканием электрического тока, накоплением зарядов, электродиффузией и т.д., имеющими коэффициент вариации порядка 0,7...1,5.
Таким образом, в результате учета основных процессов деградации полупроводниковых приборов и ИМС, оценка коэффициента вариации испытуемых изделий находится в диапазоне 0,7...1,2.
Далее в четвертой главе была установлена взаимосвязь традиционных показателей надежности с зарубежными аналогами: FIT - числом отказов за приведенное полное время испытаний EDH и экспериментальной интенсивностью отказов FR.
В конце главы были определены необходимые оборудование, виды образцов, материалы для проведения испытаний, а также установлен порядок обработки результатов испытаний; проанализированы дефекты паяных соединений, причины возникновения дефектов и способы их предотвращения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В настоящей работе получены следующие основные результаты:
проведен анализ методов организации сборочно-монтажных производств и выбрано оборудование для линии поверхностного монтажа на предприятии;
разработана математическая модель для операции воздушно- импульсного дозирования паяльной пасты;
разработана нейронная сеть для управления критической операцией нанесения паяльной пасты на ПП, что позволило снизить уровень дефектов паяных соединений в процессе изготовления модулей;
разработанный метод управления критическими операциями нанесения паяльной пасты позволил снизить уровень дефектов паяных соединений с 0,5 до 0,1%;
разработанная методика капсулирования BGA микросхем позволила повысить устойчивость паяных соединений к термомеханическим воздействиям;
повышена точность определения показателей надежности при ускоренных испытаниях с использованием двухпараметрических моделей отказов;
предложены рекомендации по повышению надежности свинецсодержащих и бессвинцовых паяных соединений;
определено влияние дефектов паяных соединений на надежность ЭМ, выявлены причины их возникновения и разработаны способы устранения.
При комплексном использовании разработанных методов снижения уровня производственных дефектов повышение эффективности опытного и мелкосерийного производства БСМ и за счет сокращения продолжительности этапа проверки и испытаний в составе производственного цикла их изготовления составляет 15...20 %.
Практический опыт и теоретические аспекты, нашедшие отражение в работе, использованы на предприятиях электронной промышленности, продукцией которых является электронная радиоаппаратура специального назначения.
Результаты работы были внедрены на предприятиях электронной промышленности: ФГУП Московский институт теплотехники, (Москва), ФГУП Санкт-Петербургское ОКБ Электроавтоматика (Санкт-Петербург) и СПб НИУ ИТМО, о чем имеются соответствующие акты.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ 1. Гераничев В.Н. Разработка технологии изготовления алюминиевых отливок сложных тонкостенных деталей способом вакуумно-пленочной формовки//Научнотехнический вестник, вып. 10 Информация и управление в технических системах, СПб.: Изд-во СПБ ГИТМО (ТУ), 2003. С. 137-142.
2. Гераничев В.Н. Технологические линии поверхностного монтажа в мелкосерийном многономенклатурном производстве//Научно-технический вестник, вып. 14 Информационные технологии, вычислительные и управляющие системы, СПб.: Изд-во СПб ГУИТМО, 2004. С. 131-135.
3. Гатчин Ю.А., Гераничев В.Н. Применение данных оф-лайн контроля в рекурсивных алгоритмах управления процессом диспенсирования//Майоровские чтения Теория и технология программирования и защиты информации. Применение вычислительной техники. Труды 9-ой научно-технической конференции, посвященной 100-летию первого выпуска университета, СПб.: Изд-во СПб ГУИТМО, 2005. С. 8-10.
4. Гераничев В.Н. Применение нейронных сетей для управления процессом дозирования паяльной пасты//В книге: Труды международных научно-технических конференций Интеллектуальные системы (AIS05) и Интеллектуальные САПР (CAD-2005). Научное издание в 3-х томах. - М.: Физматлит, 2005, Т.1. - 452 с. ЦISBN 59221-0621-Х.
5. Гатчин Ю.А., Гераничев В.Н. Применение бессвинцовых электронных компонентов в модулях специального назначения//Материалы ХХХVI научнометодической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПб ГУ ИТМО (30 января - 2 февраля 2007г.), СПб.: Изд-во СПб ГУ ИТМО, 2007г.
6. Гераничев В.Н. Повышение надежности паяных соединений в условиях термомеханических воздействий путем капсулирования матрицы шариковых выводов BGA корпусов//Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, СПб.: Изд-во СПб ГУИТМО, 2009, №1(59). С. 61-66.
Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации".
Корректор Л.Г. Позднякова.
197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., тел. (812) 233-46-69 объем 1,0 п.л.
Тираж 100 экз.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям