CC BY
48
Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 2 УДК 621.396.96:658.274
Герасимов О.Н., Юрков2 Н.К., Кузина3 Е.А.
1АО «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия 2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза. Россия
3ФГБОУ ВО «Московский государственный технологический университет», Москва, Россия
К ПРОБЛЕМЕ ОРГАНИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Дается подход к организации внедрения активного диагностического контроля в производстве электронных средств (ЭС). Обеспечивается повышение надежности и качества ЭС за счет координации усилий контролирующих органов с мерами по снижению нагрузочных мощностных, токовых, температурных и т.д. характеристик, учета конструкционных аспектов создания аппаратуры, а также подбора технологических режимов изготовления ЭС Ключевые слова:
Надежность, электронные средства, качество, конструкция, контроль, изготовление
Современные электронные средства (ЭС) строятся на основе множества электронных систем, среди которых информационно-измерительные системы, системы управления и автоматики (в том числе датчиковая аппаратура), системы обработки и хранения информации, информационно-коммуникационные системы и многое другое, что определяет уровень современной науки и техники. Несколько отдельно с точки зрения обеспечения надежности функционирования стоят системы управления аэрокосмическим объектами, где к общим проблемам развития электроники добавляются увеличенная плотность компоновки в сочетании с большим быстродействием и увеличенной функциональностью, в условиях жестких внешних воздействий. Эти требования обусловили ускоренное развитие производства электроники на основе печатного монтажа. Печатные платы в современных электронных средствах служат конструкционным основанием для электро- радиоэлементов (ЭРЭ), а также обеспечивают электрический монтаж ЭРЭ. От печатных плат во многом зависит компактность электронной аппаратуры, ее надежность, функциональность и быстродействие. Скорость обработки информации в современных ЭС становится соизмерима со скоростью распространения электрического сигнала в печатных проводниках, что дополнительно порождает проблемы электро-магнитной совместимости (ЭМС).
Актуальные тенденции развития электроники заключается в уменьшении массо-габаритных параметров, увеличении быстродействия аппаратуры, снижении серийности ЭС, что в необходимой форме требует постоянного повышения уровня технологичности выпускаемой продукции [1]. При этом основным критерием становится насколько позабытая категория — надежность, выступающая как категория комплексная, выражаемая конкретным числовым параметром — вероятностью безотказной работы. При проектировании электронной аппаратуры необходим анализ всех аспектов, влияющих на показатели надежности, таким, как [2]:
эффекты в полупроводниках (Миллера, Эрли, критические скорости нарастания напряжений и токов и т.п.);
емкость и индуктивность монтажа (и печатного в т.ч.);
емкости, индуктивности выводов и другие паразитные параметры ЭРЭ;
градиент температур на печатной плате (особенно важно для прецизионных схем);
температурные коэффициенты параметров ЭРЭ; волновые эффекты в области ВЧ/СВЧ, а так же проблемы электромагнитной совместимости;
допустимые плотности токов для проводников и дорожек печатных плат, падение напряжения на проводниках (у меди тоже есть сопротивление); термо-ЭДС спаев, старение материалов и ЭРЭ; деградация характеристик ЭРЭ (особенно в условиях высоких температур), в том числе временные и температурные дрейфы параметров операционных усилителей;
влияние влажности, запыленности и температуры в силовых и высоковольтных схемах;
поверхностный пробой, ионизация воздуха и поляризация диэлектриков и т.п.
При этом на надежность ЭС влияют такие физические свойства материалов, как теплопровод-
ность, теплоемкость, гигроскопичность, прочностные характеристики, механические напряжения в ЭС и конструкциях во всем диапазоне температур эксплуатации.
Следует учитывать, что внешние факторы, влияющие на работу ЭС в реальных условиях эксплуатации, обладают неким синергетическим эффектом, при котором совместное влияние на электронную систему двух и более неблагоприятных факторов может привести к пагубным последствиям, хотя в отдельности каждый из факторов вполне допустим и не вызывает значительных отклонений в работоспособности изделия.
Анализ показывает, что надежность и качество современных полупроводниковых устройств во многом определяется надежностью контактов металл -полупроводник и систем металлизации. Тенденция к минимизации топологических размеров элементов при конечной мощности рассеяния приводит к повышенным «тепловым нагрузкам» полупроводниковых систем, активизации процессов электропереноса, способствующим ускоренной их деградации [1]. При этом существенны как статические, так и импульсные воздействия. Однако в большинстве работ температура рассматривается как постоянный во времени фактор. Нестационарные тепловые процессы и сопутствующие им эффекты, такие как тепловой удар, локальное оплавление и др. остаются практически нерассмотренными, либо анализируются методами численного моделирования [1].
Показатели надежности бортового электронного аппарата авиационной и космической техники являются определяющими среди всех характеристик изделия. Статистика отказов аппаратуры, возникающих в процессе эксплуатации, показывает, что 7 0 - 85 % определяется внешними дестабилизирующими факторами, к числу которых в первую очередь относятся механические и тепловые воздействия. Механические - это вибрационные и ударные ускорения, тепловые - влияние теплонагруженных ЭРЭ (за счет внутреннего перегрева при выполнении ЭРЭ своего функционального назначения) в совокупности с тепловыми воздействиями окружающей среды. На долю механических воздействий следует отнести 40 - 60 % всех отказов.
В результате механических воздействий в конструкции ЭС возникают механические напряжения, приводящие к нарушению целостности элемента конструкции или электрической связи между ними. В ряде случаев такое нарушение не приводит к разрушению элемента, но может повлиять на изменение функциональных характеристик изделия. При этом следует определить степень его влияния частичного отказа на показатели надежности аппарата, прежде всего на вероятность безотказной работы P(t) в течение заданного срока службы. Для этого необходимо в модель расчета P (t) ввести параметры, учитывающие возможность появления частичного отказа, и разработать методику определения таких показателей.
Необходимо также выяснить, какие элементы конструкции ЭС являются наиболее уязвимыми с точки зрения появления частичных отказов. Всё это позволит более обоснованно определять одни из важнейших характеристик бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) - способность аппарата выполнять его функцию. Особенно это важно для
авиационно-космическом технике, отказы аппаратуры которой могут привести к аварийным ситуациям с тяжелейшими последствиями.
БРЭА по своей конструктивной сложности относятся к наиболее сложным техническим устройствам, так как в большинстве современных РЭА количество конструктивных элементов может достигать десятков тысяч.
Часть существующих ЭС имеет индивидуальную конструкцию, форму корпуса и компоновку, определяемые функциональным назначением и условиями эксплуатации, но большинство изделий радиоэлектроники составляют унифицированные типовые конструкции (УТК) - унифицированные как по форме корпусов и деталей, так и по размерам [1].
В конструктивной иерархии УТК значительную часть структурных элементов составляют электронные модули первого уровня разукрупнения (ЭМ1) -ячейки и микросборки (МС) как функционально законченные модули. При этом ЭРЭ и функциональные узлы (ФУ) размещены на полимерной, металлической или керамической печатной плате (ПП). У некоторых БРЭА в ЭМ1 сосредоточены все электромагнитные процессы, определяющие функциональное назначение устройства; на долю остальных элементов конструкции, принимающих участие в поддержании упомянутых процессов, остается только обеспечение электрических связей между модулями; ЭМ1 может иметь специальный каркас, системы теплоот-вода и экранирования.
В БРЭА ЭМ1 входят в состав электронных модулей второго уровня разукрупнения - блочных каркасов (ЭМ2), а последние в состав конструкций наивысшего, третьего уровня разукрупнения (ЭМ3) - шкафов, стоек, контейнеров, пультов [5].
В общем объеме всей разнообразной БРЭА ЭМ1 составляют не менее 7 0-85% структурных элементов, поэтому можно считать, что именно они и должны рассматриваться как основные объекты, для которых в первую очередь и необходимо определять их функциональные характеристики [6].
Защиту от внешних механических и климатических дестабилизирующих факторов осуществляют конструкции второго и третьего уровня, оборудованные системами вибро-удароизоляции и поддержания необходимого температурного режима. Но на элементы конструкции ЭМ1 также действуют вибрационные и ударные нагрузки, и необходимо выяснить, какие элементы конструкции могут выйти из строя под действием этих факторов., для чего необходимо исследовать возникновение тех механических напряжений, которые могут привести к разрушению и появлению отказов, а именно:
элементы несущей конструкции ЭМ1 - печатная плата и каркас;
электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и функциональные узлы (ФУ).
выводы ЭРЭ и ФУ;
паяные соединения выводов.
Элементы электронной структуры почти никогда не выходят из строя под действием механических факторов, потому что они сами рассчитаны на перегрузки существенно большие, чем могут возникнуть в ЭМ1 при эксплуатации. Так, например, интегральные микросхемы (ИМС) серии К500 допускают вибрационные перегрузки до 40 д, ударные до 1000 д, для других ИМС они меньше, но также достаточно велики (вибрационные 20 д, ударные - 150 д). Вибрационные перегрузки, могущие возникнуть на объектах разных групп РЭА (наземной, морской, авиационной и ракетной), согласно требованиям нормативных документов не превышают 10 д, ударные - 150 д.
Элементы несущих конструкций СКМ1 (каркасы, панели) имеют значительные запасы прочности и выносливости по отношению к напряжениям, возникающим в них при действии вибраций и ударов. Практика эксплуатации БРЭА показывает, что отказов таких элементов при нормированных значениях механических дестабилизирующих факторов не бывает.
Также достаточно прочны пластины - основы ячеек и МС, о чем свидетельствуют результаты
экспериментальных исследований и имитационного моделирования [2].
Детальный анализ показывает, что объектами, прочность и выносливость которых могут быть определяющими для надежности ЭМ1, являются выводы и паяные соединения последних, выполненные на основе печатных плат. Наиболее ответственным элементом в производстве ЭС являются конструкционные аспекты создания новой техники, в частности, производственный контроль как его наиболее ответственная часть.
Печатная плата определяет механическую прочность электронного узла, смонтированного на ней, поскольку служит одним из несущих элементов конструкции всего устройства. При этом, именно печатная плата ответственна за электромагнитную совместимость (ЭМС), быстродействие, терморежимы электрорадио элементов и др. Печатная плата БРЭА является крайне важным звеном, и многие конструкционные вопросы надежности прямо или косвенно связаны с ней.
Современные тенденции развития БРЭА требует дальнейшего совершенствования методов контроля на базе использования высокопроизводительных автоматических средств. Необходимость использования такого контроля диктуется и ростом числа неизбежных дефектов по мере увеличения плотности компоновки и уровня интеграции ЭС. Тем более, что по мере увеличения количества компонентов на плате наблюдается увеличение числа дефектов, которые нужно обнаружить, локализовать и устранить известными приемами ремонта. В особой степени это касается надежности межсоединений.
Анализ показывает, что усталостные малоцикловые разрушения возможны только при переходе в область пластических деформаций, и чем глубже температурные деформации уходят в область пластических деформаций, тем раньше начинаются отказы соединений в процессе эксплуатации. В работе [9] начало пластических деформаций обнаруживается как появление гистерезиса в диаграмме температура-сопротивление элемента цепи. При этом существенно влияние толщины металлизации сквозных отверстий на температуру, соответствующую началу пластических деформаций.
Отсутствие контроля существенно снижает информативность состояния производства и надежности межсоединений. Возрастание стоимости конструкций межсоединений (печатных плат, печатного и проводного монтажа), связанное с их усложнением и возрастанием требований к надежности, обуславливает поиск новых и совершенствование существующих неразрушающих диагностических методов и средств контроля [7].
Различают функциональный, параметрический и диагностический методы контроля межсоединений. При функциональном контроле, когда проверяется только правильность соединений и разобщений, остается не выявленной значительная часть латентных (скрытых) дефектов, которые впоследствии могут привести к отказам. Поэтому функциональный контроль используется только в хорошо организованном устойчивом производстве простых монтажных изделий. Его отличают простота и очень высокая производительность автоматических средств контроля, что дает функциональному контролю известное преимущество перед другими видами контроля [8].
В отличие от функционального, параметрический контроль межсоединений по критериям качества позволяет не только выявить значительную часть дефектов, но и идентифицировать нарушения технологической дисциплины в производстве. Однако и после параметрического контроля остается не выявленной еще значительная группа так называемых латентных (скрытых) дефектов, наличие которых не сказывается на результатах контроля сопротивления изоляции или контролируемой цепи. Оставшиеся не выявленными параметрическим контролем дефекты межсоединений наряду с элементной базой определяют уровень снижения эксплуатационной надежности электронного оборудования.
Локальные ослабления межсоединений проявляют себя преимущественно при неординарных воздействиях. Реакции на них контролируемого элемента анализируется средствами «диагностического» контроля. Использование такого принципа контроля позволяет прогнозировать стойкость межсоединений к экстремальным воздействиям или к условиям длительной эксплуатации, сопровождающейся во времени глубокими процессами старения материалов, протекающими наиболее быстро по местам не-однородностей - дефектов. Своевременное выявление таких дефектов и последующий ремонт с повторением диагностического контроля позволяет уменьшить уровень дефектности межсоединений.
Физическую основу диагностических методов контроля составляют исследования физических характеристик объекта и обнаружения таким образом несовершенства его структура. Эти методы базируются на результатах исследований физических процессов, приводящих к отказам межсоединений.
Разработка практических методов диагностического контроля соединений и изоляции связана в первую очередь с решением проблемы электрической коммутации многих цепей по специальной програм-
мам, разработанной с использованием средств вычислительной техники, большое число контролируемых цепей в ПП современных и перспективных электронных систем авионики вызывает необходимость использования высокопроизводительных методов теплового возбуждения и выявления реакции элементов соединений на это возбуждение. Требования к высокой достоверности контроля межсоединений и настоятельная необходимость автоматизации операций контроля служит основанием для преимущественного использования электрических методов проверки.
В заключение следует подчеркнуть обязательную необходимость оценки максимальных перегрузок элементов, компоновки печатной платы с точки зрения ЭМС и обеспечения терморежимов силовых ЭРЭ и прецизионных узлов. Необходимо оценить подверженность прецизионных и высокоимпедансных цепей наведенной помехе. Нужно проанализировать стойкость изделия к ударам и вибрациям, в случае сомнений, провести хотя бы прикидочный статический и модальный анализ. Все это позволит повысить надежность изделий ракетно-космической и авиационной техники на ранних стадиях их создания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Старосельский, В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники. М.: ЮРАЙТ Высшее образование, 2009 год. - 463 с.
2. Скубилин, М.Д. Электронная техника: производство и применение/ М.Д. Скубилин, В.В. Поляков// ТТИ - ЮФУ, 2010 г. - 375 с.
3. Скворцов, А.А. Особенности электростимулированного разрушения алюминиевой металлизации при наличии диэлектрических ступенек на поверхности кремния/ А.А. Скворцов, В.В. Рыбин, С.М. Зуев//Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 6, - С. 73-79.
4. Везенов, В.И. Основы процессно-ориентированного управления проектами информационных систем. / В.И. Везенов, О.Г. Светников, А.И. Таганов. Под ред. проф. Корячко В.П.// - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 320 с.
5. Юрков, Н.К. Технология производства электронных средств/Н.К.Юрков//СПб. - 2014. 460 с.
6. Уваров, Б.М Определение показателей надежности электронной аппаратуры при частичных отка-зах/Б.М. Уваров, Ю.Ф. Зиньковский//Наука i техн^а Пов^ряних Сил Збройних Сил Укра!ни.- 2014, - №
2(15).- С. 119 - 126.
7. Медведев А.М., Мылов Г.В. Концепции обеспечения надежности входного контроля материалов и комплектующих, поступающих в производство //Надежность. - 2013. - № 1 - С. 28-36.
8. Методы обнаружения и локализации латентных технологических дефектов бортовой радиоэлектронной аппаратуры (Монография)/ В.Б.Алмаметов, А.В.Затылкин, А.В.Григорьев, И.И. Кочегаров, Н.К.Юрков// Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - 184 с.
9. Производство гибких и гибко-жестких плат. Часть 6. Специальные средства контроля и испытания печатных плат/ Г.В. Мылов и др.//Технологии в электронной промышленности, № 1, 2009 - с. 11-21.
10. Мылов, Г.В. Модели, методы и инструментальные средства автоматизированного проектирования трехмерных электрических межсоединений в системах авионики/ Г.В.Мылов//Докт. диссерт. Рязань, 2017, - 286 с.
УДК 621.396.96
Полтавский1 А.В., Юрков2 Н.К., Нефедьев2 Д.И., Гриншкун1 А.В.
1ФГБОУ ВО «Институт математики, информатики и естественных наук» МГПУ, Москва, Россия 2ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ
В статье предлагается информационная модель и алгоритмы распознавания образов с применением средств цифровой электронной вычисли-тельной техники в структурах информационно-измерительных и управляющих систем робототехнических комплексов
Введение
В настоящий период времени, в задачах информационного моделирования, в частности, структурах информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) при наблюдениях за различными объектами применятся различные алгоритмы обработки данных по принимаемым входным сигналам с оптических и радиолокационных приемников, радиационных и других электронных датчиков. Эталонами для распознавания объектов устройствами и приборами наблюдения и средства внимания ИИУС являются различные строительные сооружения - здания, аэродромы, капониры, корабли, подводные лодки, танки, БМП, различные ЛА, очаги пожаров и т. д. Само обследование области поиска объектов-целей производится путем организации управления наблюдениями с помощью мониторинговых и поисковых средств обнаружения. Отсюда следует то, что ключевыми задачами для организации процессов управления наблюдениями в многоцелевой ИИУС являются обнаружение и распознавание объектов поиска.
Информационная модель распознавания образов в ИИУС
Многолетняя практика применения моделей и алгоритмов исследований в области ИИУС показывает, что для решения задач поиска и идентификации информационных процессов применяют, в основном, корреляционно-экстремальные системы обнаружения и оценки состояния объектов поиска, а также системы обнаружения и распознавания их, которые основаны на методах признакового распознавания. Идентификация таких процессов наблюдения за объектами оценивается, прежде всего, основными показателями обработки информации - точности измерений при заданных характеристиках для вероятности обнаружения, т. е. вероятности правильного (неправильного) обнаружения при определенной точности измерения координат объекта-цели. Информационная модель процесса обнаружения объекта-цели, по существу, является частным случаем от всего процесса наблюдения и распознавания образов, так как окончательное принимаемое решение
