Введение к работе
Актуальность темы исследования
При проектировании сложных систелі, 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 радиоэлектрошюго оборудоваїшя (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 «единицы» 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 многономекклатурному 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 элсктрорадиоизделий (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 свинцовосодержашим 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 исследовании - 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 гвдродцнамики, теории искусственных нейронных сетей, аппарата линейной алгебры, теории вероятности и математической статистики, теораи 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 иа 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 ГШ;
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 цервого выпуска СПбГУ ИТМО: Майоровские чтения "Теория и технология программирования и защиты информации. Применение вычислительной техники" (Санкт-Петербург, 2005).
Международная научно-техническая конференция "Интеллектуальные системы " (AIS'05) (Геленджик, 2005).
XXXVI научно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2007).
XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2011).
XLI научная и учебно-методическая конференция СПбНИУ ИТМО (Санкт-Петербург 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» (Санкт-
Петербург) - акт внедрения в производственный процесс изготовления электронных
модулей.
3. СПб НЙУ 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 41 рисунок и 6 таблиц.
