Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow БЖД arrow НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК
Посмотреть оригинал

ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Только делая дело, мы можем овладеть им. Надо, чтобы таланты и познания находили себе плодотворное применение.

Катков М. Я.[1]

В результате изучения главы 5 студенты должны: знать

  • • организационно-технические способы повышения и обеспечения надежности ТС; уметь
  • • использовать организационно-технические приемы создания ТС для обеспечения и повышения их надежности;

владеть

• методологией надежностного мышления на всех этапах жизненного цикла ТС.

Рассмотрим значимые технологические и связанные с ними организационно-технические проблемы, существенно влияющие на надежность изделий, ТС, реализуемых в производстве.

Комплексные интегрированные системы в технике поверхностного монтажа

Технику монтажа электронных компонентов на поверхность коммутационных плат, в отличие от традиционного монтажа (ТМ) компонентов в отверстиях платы, называют четвертой революцией в электронике, последовавшей после изобретения электронной лампы, транзистора и интегральной схемы [37]. Как один из способов миниатюризации аппаратуры поверхностный монтаж (ПМ) был известен с начала 1960-х гг., но как особое конструкторско-технологическое направление в разработке и производстве ЭА начал формироваться с середины 1970-х гг. В настоящее время можно считать его характерным для производства передовых технических изделий, ТС.

Быстрому развитию техники поверхностного монтажа (ТПМ) компонентов на платах способствовал ряд факторов, касающихся необходимости микроминиатюризации аппаратуры. Первый фактор связан с непригодностью конструкций корпусов изделий традиционной элементной базы (ЭБ) для высокоплотного монтажа. Так, объем корпуса типа DIP (с кристаллом И С средней степени интеграции и числом выводов более 20), монтируемого в отверстиях платы, примерно в 600 раз превышает объем кристалла и ограничивает уменьшение своей монтажной площади более чем в пять раз. Поэтому возник стимул для создания новых конструкций корпусов изделий ЭБ и новых компонентов, пригодных для ПМ.

Для производства ТС потребны кристаллы с большим числом выводов. Современные реалии потребовали разработки новых многовыводных поверхностно-монтируемых корпусов, так как традиционные корпуса проигрывают им по массогабаритным показателям, существенно ограничивают возможности минимизации паразитных параметров, влияющих на скорость обработки информации ЭА, ТС. Возрастание плотности элементов в кристаллах и количества выводов корпусов при улучшении функциональных параметров ЭЛ, ТС — второй фактор, стимулирующий развитие и освоение ТПМ. Было установлено, что технологически проще и дешевле автоматизировать ТПМ, чем технику монтажа в отверстия плат, так как в ТПМ существенно уменьшается число операций и сокращается (приблизительно на 50%) площадь производственных помещений, что было третьим фактором, содействовавшим освоению ТПМ.

Уменьшение габаритов корпусов компонентов для ТПМ сокращает размеры коммутационных плат (КП) до 70% от первоначальных величин, их стоимость при отработанной технологии производства снижается как минимум на 5%, что немало [37]. При неизменных размерах КП это позволяет обойтись меньшим числом плат (или уровней коммутации плат) и соединительных кабелей при создании ЭУ, ТС. А это, в свою очередь, повышает надежность изделий и систем, снижает их стоимость в связи с уменьшением расходов.

ТПМ позволяет при разработке конструкций ЭУ, ТС уменьшить их габариты, снизить расход материалов и средств на транспортировку изделий, упростить обращение с аппаратурой в процессе эксплуатации. Малая масса компонентов для ТПМ делает их маловосприимчивыми к вибрации. Уменьшение длины сигнальных проводников и соответствующее снижение паразитных индуктивности, емкости и сопротивления приводят к существенному улучшению электрических параметров и увеличению скорости обработки сигналов, повышению надежности приборов из-за уменьшения наводок и перекрестных помех, можно создавать более быстродействующие и помехоустойчивые ЭУ и ТС. Появляются возможности резко повысить выход годных и эксплуатационную надежность изделий за счет применения автоматизированных технологических процессов со встроенными средствами контроля и управления параметрами изделий и технологических сред.

ТПМ в отличие от техники традиционного монтажа (ТТМ) предполагает в большей степени (более 95% технологических операций) и на более высоком уровне автоматизацию всех производственных процессов. Это достигается путем нормирования и стандартизации основных характеристик корпусов компонентов, использования унифицированного оборудования, типовых технологических процессов.

ТПМ присущ ряд особенностей, отличающих ее от ТТМ.

1. Использование новой нетрадиционной ЭБ, т.е. поверхностно-мон- тируемых навесных компонентов в миниатюрных корпусах либо в бескор- пусном исполнении. Мини- и микрокорпуса, которые в три раза и более меньше своих традиционных аналогов, имеют специальную форму выводов (L-, J-, I-образную и др.) при значительно уменьшенных их размерах в сравнении с выводами традиционно монтируемых корпусов и приспособлены только для ПМ (рис. 5.1) с шагом выводов менее 1,27 мм.

Разновидности выводов и выводных контактных площадок поверхностно монтируемых компонентов с видом соединений после монтажа

Рис. 5.1. Разновидности выводов и выводных контактных площадок поверхностно монтируемых компонентов с видом соединений после монтажа:

а, б — L-образные выводы («крыло чайки» и «крыло альбатроса»); в — безвыводной компонент с балочными выводами, наращиваемыми с изгибом 60° в форме клюшки; г—е — J-образные выводы (г, д скрытые, е открытый, выступающий); жу з — балочные плоские — без формовки, з — формуемые с конфигурацией «паук»); и—л — I-образиые выводы (и, к выходящие за границы корпуса, л - в рамках границ основания корпуса); м, и — безвыводной корпус (ж — выводные с контактными площадками по периферии боковых сторон корпуса, и — выводные площадки но полю основания); о — специальные тонкопленочные выводные дорожки на плате-основании в составе корпуса с выводными отверстиями; п — выводные контактне площадки пассивных чип-комнонентов; 1 — корпус компонента; 2 — вывод компонента; 3 — коммутационная плата; 4 — припой; 5 — контактная площадка коммутационной платы; б — основание корпуса (плата-носитель); 7 — выводное отверстие; 8 — тонкопленочная разводка выводов

  • 2. Для ЭБ ТПМ характерны:
    • • применение безвыводных либо с выводами кристаллодержателей специальных конструкций поверхностно-монтируемых корпусов с четырехсторонней либо матричной разводкой выводных контактных площадок или выводов, отличающихся малым шагом (менее 1,0 мм) и большим их количеством (преимущественно от 32 до более чем 2 • 103);
    • • преобладание БИС и СБИС в числе используемых для ТПМ микросхем;
    • • пригодность поверхностно монтируемых компонентов (ПМК) для использования в групповых автоматизированных прецизионных технологических процессах сборки и монтажа ЭУ;
    • • широкое применение пассивных чип-компонентов преимущественно бескорпусных конструкций с миниатюрными размерами и выводными ко нтактн ы м и площадкам и;
    • • применение суперкомпонентов, представляющих собой многокристальные сверхбольшие гибридные ИС (СБГИС) либо микросборки (СБМСБ) многофункционального назначения и многоиерархического использования1;
    • • формирование многоуровневой разводки на поверхности и в объеме оснований кристаллодержателей и корпусов суперкомпонентов, что приводит к снижению паразитных параметров и миниатюризации ЭУ, ТС;
  • 3. Использование печатных плат самых высоких классов точности, а также новых конструкций коммутационных плат, характеризующихся:
    • • плотностью размещения коммутирующих элементов, в 10—20 и более раз превышающей плотность элементов традиционных печатных плат;
    • • шириной проводящих дорожек и расстоянием между ними менее 200 мкм;
    • • ужесточением и минимизацией допусков на размеры при проектировании и изготовлении топологических элементов коммутационных плат, в особенности знакомест[2] [3];
    • • многоуровневой разводкой коммутации (более двух слоев);
    • • обязательным применением систем автоматизированного проектирования (САПР).
  • 4. Применение новых перспективных технологий сборки и монтажа, существенно отличающихся от традиционных, характеризуется:
    • • все более высокой точностью выполнения всех технологических операций;
    • • применением групповых автоматизированных ТП сборки, монтажа, очистки после монтажа и др.;
    • • потребностью в автоматизированных средствах гибкого контроля и управления ТП, в том числе параметрами качества объектов производства и технологических сред;
    • • повышенной зависимостью качества изготовления ЭУ от качества проектирования[4];
    • • большими потенциальными возможностями дальнейшей миниатюризации ЭУ.

Основными проблемами, с которыми специалисты обычно сталкиваются на практике при освоении ТПМ, являются:

  • • недостаточные номенклатура и объем выпуска компонентов для ПМ;
  • • недостаточно низкая стоимость компонентов, особенно в многовыводных корпусах;
  • • невысокая контролепригодность микросборок функциональных ячеек и т.п.;
  • • недостаточная стандартизация компонентов при многообразии конструкций корпусов для одних и тех же компонентов;
  • • затруднения, связанные с отводом тепла (при ПМ требуется больший отвод тепла);
  • • необходимость обеспечения копланарности выводов компонентов при сборке и монтаже на платах, особенно для многовыводных компонентов;
  • • сложность выполнения ремонтных работ;

Как показывает опыт, в ТПМ практически нет принципиально неразрешимых проблем, но определенные трудности, конечно, существуют.

Главными из них являются усложнение процессов пайки и контроля качества паяных соединений из-за специфики конструкции коммутационной платы со смонтированными на нее ПМК, уменьшения массы и габаритов компонентов. Проблема отвода тепла решается как частная для конкретного изделия (что нс очень хорошо), в том числе с привлечением технологических средств.

На рис. 5.2 представлена взаимосвязь основных технических вопросов, решаемых на этапах разработки и изготовления ЭУ, ТС при освоении ТПМ, которую достаточно точно можно описать математической операцией объединения множеств А = {аД, Б = {6Д, В = {вД. Тогда общую модель И, положенную в основу создания высокоплотноукомпонованных ЭУ, можно представить в виде

Сдерживают развитие ТПМ большая стоимость автоматизированного оборудования для монтажа и дефицит, вкупе с высокой стоимостью, некоторых ПМ компонентов. Для эффективного внедрения ТПМ в производство перспективных ЭУ, ТС необходима переориентация на новую технику, что требует известной организационно-технической и финансовой поддержки.

Взаимосвязь вопросов выбора на этапах разработки и изготовления ЭУ в ТПМ

Рис. 5.2. Взаимосвязь вопросов выбора на этапах разработки и изготовления ЭУ в ТПМ:

И — смонтированное изделие; п = 1, 2, 3,...

Применение интегрированных систем «проектирование — производство» в ТПМ. Поскольку продукцией ТПМ являются миниатюризиро- ванная ЭА, ТС на основе ЭА с повышенной функциональной плотностью на единицу объема конструкции, то разработки, позволяющие реализовать все преимущества новых технологий, неэффективны без применения САПР.

Резко повысились технологические требования к конструкции ЭУ, что незамедлительно отразилось на разных аспектах конструкторского проектирования, технологической подготовке производства и т.д. Реализация идеи интеграции всех этапов разработки с производством при объединении моделирования, управления планированием ресурсов, выпуском документации и производством становится основой при организации перспективных производств, предназначенных для создания высоконадежной электронной аппаратуры. Качество изготавливаемых ЭУ постоянно улучшается, лучшие продукты производятся за меньшее время с меньшим риском, и в этом немалая роль САПР. За последние несколько десятков лет конструкторские САПР как системы геометрического моделирования и проектирования значительно усовершенствованы. Уже широко используются компьютерные программы и средства 5/>твердотельного и поверхностного моделирования, параметрического конструирования, значительно улучшен интерфейс и т.д. |37|. САПР ТП могут генерировать технологические процессы, но для этого потребуется предварительно составить специальное описание изделия с помощью достаточно объемной конструкторско-технологической информации. При этом в САПР может быть использована геометрическая модель конструкторской САПР, в то время как функции САПР ТП, т.е. проектирования технологии изготовления ЭУ, перекладываются в основном на специалиста (бакалавра, магистра).

Кроме проектирования, к инженерной деятельности относятся и вопросы создания перспективных ЭУ с технологической подготовкой производства, планированием, менеджментом и т.д., а также с автоматизированными системами управления производством (АСУП).

Сейчас на всех этапах жизненного цикла изделий необходим комплексный подход к инженерной деятельности, и он реализован в технологии, получившей название CALS {Computer Aided Life-cycle System). Традиционные САПР с геометрическим, а не информационным ядром не могут служить основой для подобных систем. С точки зрения современных требований каждое изделие в течение своего жизненного цикла должно в компьютерной среде представляться в виде иерархии информационных моделей, составляющих единое целое и являющихся соподчиненными. Пример иерархии этих моделей представлен на рис. 5.3.

Представление иерархии информационных моделей на различных этапах жизненного цикла изделия

Рис. 53. Представление иерархии информационных моделей на различных этапах жизненного цикла изделия:

ФС — функциональная структура изделия; ПС — его принципиальная схема; ТР — технические решения; РД — рабочая документация; ТП — технологические процессы; УП — управляющие программы для технологического оборудования; ПУ — планирование и управление производством

Для полной реализации современного подхода к разработке перспективных ЭС, ТС необходимы метаинструментальные компьютерные среды, способные эффективно решать геометрические и негеометрические задачи, а в конечном счете обеспечивать эксплуатационную надежность изделий. Базой для решения этой проблемы в общем виде как раз и могут служить метамодели в пространствах (I), (Г), (Ф).

Эксплуатационная надежность — надежность объекта при эксплуатации с учетом профиля внешних воздействующих факторов (ВВФ), т.е. воздействия факторов окружающей среды. На этом базируется, например, интегрированная метаинструментальная языковая среда СПРУТ (система проектирования универсальных технологий, разработка российской компании «СПРУТ-тсхнология»), представляющая собой гибкую производственную систему (с точки зрения материальных технологий) изготовления прикладных систем. Ее отличительными чертами являются объектный подход к моделям прикладной области, использование методологии искусственного интеллекта и принципа мультиагеитных метасистем при построении моделей прикладных областей.

В отличие от традиционной компьютерной технологии в методологии СПРУТ анализ предметной области (например, системы конструкторско- технологической подготовки производства), создание проекта автоматизированной системы, ее кодирование и тестирование производятся параллельно. Сопровождение и развитие системы разработчиком в отдельный этап не выделяется, оно, как правило, выполняется уже обученными конечными потребителями-соразработчиками и сводится к повторению тех же операций, но над другими объектами производства (моделирование данных, затем методов их обработки и, наконец, межобъектпых связей).

На основе компьютерной технологии типа СПРУТ возможна комплексная компьютеризация производств перспективных ЭУ, включая не только конструкторско-технологическую разработку, но и подготовку производства, управление всем циклом создания изделий, в том числе производством, планированием ресурсами и т.д.

Пример интегрированной системы «проектирование — производство» представлен па рис. 5.4.

  • [1] Катков М. Н. Энергия предприимчивости // Собр. соч. В 6 т. СПб. : Росток, 2012.Т. 5. С. 248.
  • [2] Под многоиерархическим использованием следует понимать возможность использования суперкомпоиентов не только в качестве ЭБ, но и в роли модулей более высокихконструктивных уровней, т.е. ячеек, либо блоков ЭУ, либо законченной ЭА. К суперкомпонентам, кроме обычных СБМСБ и СБГИС, относят объемные интегральные схемы (ОИС)(их еще называют объемными интегральными модулями (ОИМ) либо многокристальнымимодулями (МКМ)), функциональные блоки (ФБ), разрабатываемые с применением принципов и средств функциональной микроэлектроники и специальных технологий, и другие ЭУ.
  • [3] Знакоместо — это обычно стандартизированный по размерам участок поверхностикоммутационной платы с одной или двух ее сторон, содержащий набор контактных площадок под определенный тип ПМК, устанавливаемого в процессе сборки на эти площадки(при совмещении выводов компонента с контактными площадками знакоместа).
  • [4] При проектировании ЭУ в ТПМ (в отличие от традиционного проектирования в ТТМ)максимально учитывается технология их производства.
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы