Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ научно-технической и производственной базы моделирования надёжностных параметров межсоединений многослойных печатных книг 10
1.1 Методология оценки показателей надёжности 10
1.1.1 Оценка надёжностных параметров межсоединений МПП 10
1.1.2 Основные положения статистических исследований, проводимых при расчёте параметров надёжности межсоединений МПП 13
1.1.3 Методы расчёта надёжности 16
1.2 Анализ методов моделирования надёжности, управление надёжностью межсоединений МПП и построение АСТПП 19
1.2.1 Методы построения моделей надёжности межсоединений МПП, применяемых в системах управления двигателей 19
1.2.2 Поверхностные термодиффузионные процессы в межсоединениях МПП 23
1.2.3 Технологическая подготовка производства многослойных печатных плат 25
І.ЗТочность моделирования параметров надёжности межсоединений МПП 27
1.3.1 Методы повышения точности определения параметров при обработке данных с нелинейной корреляцией 27
1.3.2 Проверка адекватности и достоверности моделирования параметров надёжности межсоединений МПП 30
1.3.3 Точность расчёта надёжности межсоединений многослойных печатных плат 32
1.4 Математическая постановка задачи исследования 35
Выводы и постановка задач исследования 36
2. Статистическое математическое моделирование параметров надёжности межсоединений многослойных печатных плат при корреляционно связанных величинах 38
2.1 Цель и методика статистического моделирования параметров надёжности межсоединений многослойных печатных плат 38
2.2 Решение прямой задачи математического моделирования параметров надёжности межсоединений МПП без учёта корреляционной взаимосвязи величин 39
2.3 Разработка метода математического моделирования параметров надёжности межсоединений МПП с учётом корреляционной взаимосвязи величин 47
2.4 Методика решения обратной задачи математического моделирования параметров надёжности межсоединений многослойных печатных плат 56
Выводы 68
3. Оценка адекватности математической модели надёжности межсоединений мпп, достоверности и точности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений. 69
3,1 Цель и методика оценки адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования 69
3.2 Оценка точности решения обратной задачи моделирования параметров
надёжности межсоединений многослойных печатных плат 70
3.3Оценка адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений 87
3.4 Оценка адекватности решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений МПП 97
Выводы 103
4. Автоматизированная система технологической подготовки производства многослойных печатных книг 104
4. Щель и методика исследования 104
4.2 Особенности построения автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП 105
4.3 Автоматизированная подсистема управления процесса поверхностной термодиффузии МПП 111
4.4 Контроль межсоединений МПП в процессе их изготовления 118
Выводы 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
Задачи дальнейших исследований 126
Библиографический список 127
Список используемых сокращений 138
Приложение А 139
Приложение Б 140
Приложение В 141
Приложение Г 143
Приложение Д 144
Приложение Е 146
- Методология оценки показателей надёжности
- Цель и методика статистического моделирования параметров надёжности межсоединений многослойных печатных плат
- Цель и методика оценки адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования
- Особенности построения автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП
Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития машиностроения позволяет перейти на новый уровень надёжности и энергосбережения систем управления приводных двигателей станков с числовым программным управлением (ЧПУ) при интеграции достижений математического моделирования с комплексной автоматизацией подготовительных операций в автоматизированной системе технологической подготовки производства (АСТПП).
При использовании аналоговых систем управления приводных вентильно-реактивных двигателей станков с ЧПУ значительное влияние на надёжность всей системы оказывала надёжность отдельных электронных элементов из-за их большого количества. В современных микроконтроллерных системах управления количество электронных элементов сведено к минимуму и значительное влияние на их надёжность оказывает достаточно большое количество межсоединений многослойных печатных плат (МПП), на долю которых приходится около 52-58% случаев отказа систем управления.
Выявлено, что при интенсивности отказов межсоединений МПП порядка 10-6 – 10-7 ч-1 параметры надёжности системы управления вентильно-реактивного двигателя на 50-60% определяется надёжностью межсоединений МПП, тогда как при интенсивности отказов порядка 10-8 ч-1 эта величина составляет 7-10%. Однако имеющиеся технологические процессы изготовления МПП не всегда позволяют достичь требуемой интенсивности отказов межсоединений в единичном и мелкосерийном производстве на предприятиях машиностроительного профиля, не имеющих дорогостоящих высокоточных поточных линий изготовления МПП. Указанные параметры надёжности межсоединений МПП могут быть достигнуты за счёт введения технологической операции термодиффузионной обработки. При этом улучшаются показатели работоспособности станков с ЧПУ и время работы оборудования по назначению. Как следствие снижается прямой и косвенный ущерб от отказов межсоединений МПП в системах управления приводными двигателями в станках с ЧПУ. В результате применения межсоединений с требуемыми значениями параметров надёжности экономический эффект на одном из машиностроительных предприятий составил 1,34 млн. руб. в год.
Таким образом, обеспечение требуемых значений параметров надёжности межсоединений МПП с использованием автоматизированного процесса поверхностной термодиффузии является актуальным.
Цель работы. Обеспечение требуемых значений параметров надёжности межсоединений МПП, применяемых для построения систем микроконтроллерного управления вентильно-реактивными двигателями, с определением режимов процесса поверхностной термодиффузии в автоматизированной системе технологической подготовки производства (АСТПП).
Задачи исследования:
-
Разработка метода математического моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, учитывающего взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений различных слоёв МПП;
-
Решение обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, позволяющее для заданных параметров надёжности межсоединений МПП определить значение допустимого начального сопротивления;
-
Оценка адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования;
-
Построение алгоритма функционирования автоматизированной системы подготовки производства МПП, позволяющего определять режимы технологической операции изготовления межсоединений МПП требуемой надёжности с возможностью последующего управления параметрами надёжности посредством термодиффузионной обработки.
Методы исследования. Базируются на математическом аппарате векторно-матричного исчисления, теории вероятностей, теории надёжности и статистического моделирования. Статистическими данными, используемыми в работе, являются полученные экспериментально значения электрического сопротивления межсоединений МПП и их надёжность. Также использовались полученные моделированием, распределённые по нормальному закону, корреляционно связанные случайные величины сопротивлений межсоединений МПП с заданными среднеквадратическими отклонениями (СКО) и коэффициентами корреляции.
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, учитывающий взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений различных слоёв МПП путём приведения к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы;
-
Методика решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, позволяющая для заданных параметров надёжности межсоединений определить допустимое начальное электрическое сопротивление межсоединений МПП с учётом взаимосвязи сопротивлений межсоединений слоёв;
-
Алгоритм функционирования автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП, позволяющий определять режимы технологического процесса изготовления для получения межсоединений требуемой надёжности с применением термодиффузионной обработки.
Научная новизна:
-
Разработан метод моделирования надёжностных параметров межсоединений МПП, отличающийся тем, что позволяет повысить точность обработки экспериментальных значений электрического сопротивления межсоединений с помощью регрессионного анализа, учесть взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений слоёв МПП приведением к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы.
-
Предложена методика решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, отличающаяся тем, что позволяет для заданных значений параметров надёжности получить значение допустимого электрического сопротивления межсоединений с учётом взаимосвязи электрических сопротивлений межсоединений слоёв МПП.
-
Построен алгоритм функционирования автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП, отличающейся тем, что позволяет определять режимы технологического процесса изготовления для получения межсоединений требуемой надёжности с применением термодиффузионной обработки.
Практическая ценность и результаты внедрения работы. Основные результаты работы внедрены в ОАО «Электроагрегат» г. Курск, а именно: использованы в автоматизированной системе технологической подготовки производства микроконтроллерных систем управления.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-технической конференции в «on-line chate» по адресу: http//conf.volpi.ru (г. Волгоград, 2004 г.); научно-технической конференции "Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации 2005" (г. Курск, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий, Инноватика – 2006» (г. Сочи, 2006 г.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе зарегистрировано две программы в реестре программ для ЭВМ, подана заявка на изобретение, 2 статьи – в изданиях, рекомендованных ВАКом для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора или кандидата наук.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, в [4] автором проведена оценка влияния интенсивности отказов системы управления на интенсивность отказов конечного изделия, в [5] соискателем сформулирована модель перераспределения СКО с учётом взаимосвязи, [6] автором предложена марковская модель отказов микроэлектронной аппаратуры, в [7] соискатель предложил способ определения коэффициентов модели отказов межсоединений, в [8] автор использовал приведение к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы с целью повышения точности математического моделирования надёжностных характеристик межсоединений МПП, в [9] соискатель определил алгебраическую структуру собственных чисел для функционально зависимых и независимых случайных параметров, и т.д.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы из 97 наименований, 6 приложений, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 26 таблиц.
Методология оценки показателей надёжности
Развитие современной микроэлектронной аппаратуры (МЭА) характеризуется тенденцией к повышению уровня интеграции. Из эксплуатации МЭА известно, что на долю межслойных соединений (межсоединений) приходится около 52-58% случаев отказа устройств. Следовательно, становятся актуальными вопросы исследования надёжности межсоединений МПП.
Надёжность есть свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [1,2,3]. Центральным понятием задач надёжности является отказ. Отказ изделия есть событие, заключающееся в том, что изделие полностью или частично теряет свойство работоспособности [2,4]. При этом выделяется полный или частичный отказ.
На рис. 1.1.1 приведена зависимость изменения надёжностных параметров системы управления вентильно-реактивного двигателя от изменения интенсивности отказов межсоединений МПП с учётом опыта эксплуатации [5]. Приведённые зависимости показывают, что при интенсивности отказов межсоединений МПП порядка 10 - 10"7 ч"1 надёжность системы управления в значительной степени зависит от надёжности межсоединений МПП, а при 10" ч эта зависимость незначительна. Следовательно, повышением надёжности межсоединений, как наиболее многочисленной группы элементов МПП, возможно выявление резервов улучшения надёжностных параметров систем управления приводных вентильно-реактивных двигателей (рис. 1.1.2).
Цель и методика статистического моделирования параметров надёжности межсоединений многослойных печатных плат
Целью исследования, проводимого в данном разделе, является получение значений параметров надёжности межсоединений многослойных печатных плат (МПП) с корреляционно связанными величинами, а также вычисление допустимых значений для начальных электрических сопротивлений межсоединений МПП при заданном уровне их надёжности.
Методика проводимого исследования основывается на учёте корреляционной связи сопротивлений различных слоев с целью достижения высокой точности расчётов. В качестве метода исследования принят векторно-матричный метод с использованием аналитической модели описания процесса деградации межсоединений МПП.
В силу получения различных значений сопротивлений межсоединений по поверхности МПП для контроля заданным требованиям надёжности проводится определение распределения сопротивления по поверхности МПП.
Моделирование базируется на статистическом материале, полученном по итогам испытаний тестовых МПП с 6-ю слоями и 952 межсоединениями на каждой плате. Испытания включали в себя форсированный режим воздействия разрушающих факторов, который эквивалентен эксплуатации длительностью 10000 часов.
Цель и методика оценки адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования
Целью исследования, проводимого в данном разделе, является оценка адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования.
Методика проводимого исследования основывается на оценке адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования с учётом и без учёта корреляционной взаимосвязи значений электрического сопротивления межсоединений МПП
Для проверки адекватности, достоверности и точности полученных результатов используется два набора данных: корреляционно связанные и корреляционно не связанные значения электрических сопротивлений межсоединений, Оба набора данных получаются с помощью статистического моделирования с использованием вероятностных характеристик экспериментальных значений электрических сопротивлений межсоединений.
Особенности построения автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП
Рассматривается АСТПП МПП, в основе которой лежит выбор наилучшего варианта технологического процесса изготовления межсоединений для удовлетворения заданной надёжности и длительности цикла изготовления при минимальных затратах [5].
Технологическая подготовка производства является разработкой наиболее экономичного процесса изготовления межсоединений МПП при обеспечении технологичности и высоких качественных показателей изделия [89].
Входными данными АСТПП МПП в части технологической операции изготовления межсоединений являются: конструктивно-технологические параметры межсоединений (сопротивление, диаметр отверстия и т.д.), сроки изготовления и требуемые показатели надёжности межсоединений МПП. Выходные данные включают: вариант технологического процесса, план контроля и расчет режимов на технологических операциях, выбор оснастки, расчет норм расхода основных и вспомогательных материалов, трудовых затрат и прочее. Структура АСТПП МПП в части технологической операции изготовления межсоединений, построенная на учёте входных и выходных данных, приведена на рис. 4.2.1.
В АСТПП по рассматриваемой технологической операции включено два этапа:
1 этап - проектирование технологической операции изготовления меж соединений МПП;
2 этап - автоматизированная технологическая подготовка производства.
Исходя из заданной надёжности межсоединений МПП, определяется длительность изготовления межсоединений, расход используемых материалов и трудовые затраты, а также объём контроля и состав его операций.
