CC BY
82Каким быть российскому
производству электроники?
Аркадий МЕДВЕДЕВ, д. т. н., профессор МАИ
medvedevam@bk.ru
Электроника, информационные технологии, управление, приборная автоматика, средства коммуникаций — техническая база высоких технологий. Их ядром являются технические и программные средства обработки информации и вычислений. Вооруженность этими средствами, полнота их использования определяют облик современного общества.
Предисловие
Доля электроники, вовлеченная в мировое производство и потребление, растет с каждым годом. Как часть информационных и телекоммуникационных технологий — основной составляющей высокотехнологичной экономики и социальной сферы — она составляет не менее 70%, в других отраслях экономики — до 60%, в автомобильной сфере — до 20%, научном приборостроении — до 40%, авиации — до 55%. Передовые достижения в разработке электроники тесно связаны с действующими мировыми экономическими показателями:
• темпы роста объемов производства радиоэлектронной продукции значительно выше темпов роста валового продукта в целом;
• одно рабочее место в производстве электроники инициирует создание до 4 рабочих мест в других отраслях;
• среднемировой срок окупаемости вложений в производство электроники составляет не более 2 лет (сборочно-монтажное производство при наличии заказов окупается за 6-8 месяцев).
Ведущие компании при существенной финансовой поддержке государства (до 50%), вкладывают в развитие этого направления значительные средства. В стоимостном выражении мировая радиоэлектронная отрасль в 4,4 раза превосходит производство нефти, бензина и минерального сырья, в 2,4 раза — грузоперевозки и в 2,2 раза — производство электричества и газа, в 2,7 раза — производство химических веществ, удобрений и пластиков. Европейские страны вкладывают в производство электроники около 30 млрд евро, в США вложение только государственных средств составило $10 млрд, в Японии — $17 млрд. Китай уже реализовал программу развития микроэлектроники стоимостью $10 млрд. Япония ежегодно выкладывает до $40 млрд на вооружение своей армии самой совершенной электроникой.
На фоне сказанного состояние российской электроники весьма плачевно. Ее доля на ми-
ровом рынке упала до уровня 0,23%. Значительно ослаблены позиции отечественных производителей электроники на внутреннем рынке — доля импортируемой элементной базы составляет 65% от общего объема продаж.
Усугубляет ситуацию также и утрата производства отечественного технологического оборудования, материалов и инструмента, необходимых для обновления производств. А поставки по импорту приводят к их удорожанию на 70%, что также ослабляет конкурентоспособность российского производства относительно импорта.
Дополнительными причинами отставания отечественных средств электроники можно назвать:
• недостаточно высокий уровень электронной компонентной базы;
• низкий уровень технологичности проектируемой аппаратуры, степени ее унификации и стандартизации;
• низкий уровень микроминиатюризации;
• слабая пригодность устройств к условиям автоматизированных процессов сборки в мелкосерийном и серийном производстве;
• низкий уровень действующих САПР по проектированию электронных изделий;
• отсутствие научно-технических центров, способных создавать новые конструкции, оптимизированные по всем параметрам технологичности, создавать и отрабатывать новые технологии, ориентированные на автоматизированные производства;
• отсутствие в отрасли автоматизированных цехов и заводов по производству электронной продукции на современном уровне;
• отсутствие современной системы отечественной стандартизации и, как следствие, несоблюдение стандартов.
Тем не менее, в России еще сохранился научно-технический потенциал и творческие научные кадры, способные при соответствующих финансово-экономических условиях и правильной программно-организационной политике выйти на мировой уровень по техническим характеристикам наиболее акту-
альной радиоэлектронной аппаратуры двойного применения и бытового назначения.
Развитие радиоэлектроники в России является государственной задачей, так как оно полностью отвечает декларированным путям преобразования экономики, обеспечивает решение технико-экономического совершенствования разработки и производства аппаратуры, систем специального и общего назначения, укрепляет технологическую независимость.
Введение
Со времен создания первых средств информационной и вычислительной техники (электронных, магнитных, релейных, пневматических, химических, оптических) главная тенденция ее развития состоит в микроминиатюризации и повышении функциональности компонентов. Эта тенденция проявилась в изобретении транзисторов с последующей их интеграцией в микросхемы. Успехи технологии полупроводниковых микросхем создали для микроэлектроники приоритет в обработке информации и вычислений. Только в средствах коммуникации полупроводниковая электроника уступает волоконно-оптической технике.
Постоянное совершенствование микроэлектронной технологии, рост степени интеграции микросхем, увеличение функциональной насыщенности электронной аппаратуры, повышение производительности вычислительных процессов требуют увеличения плотности печатного монтажа, освоения новых технологий сборочно-монтажного производства, усиления технологического обеспечения надежности. Современные требования к электронным приборам и оборудованию заставляют все эти процессы идти с все возрастающей скоростью.
Кардинально изменился подход к созданию электронной аппаратуры, которая должна одновременно обеспечивать высокое быстродействие, расширенный динамический диапазон, относительно малое энергопотребление, высокую чувствительность, повышен-
ную стойкость к воздействию внешних факторов.
Постоянно увеличивается сложность конструкций средств информационной и вычислительной техники, как и технологии их реализации. Совершенствование известных технологий сопровождается привлечением новых, без которых сегодня невозможно изготовить сложный электронный узел. Растущие конструктивно-технологические требования к электронной аппаратуре особенно четко установились именно в области информационной и вычислительной техники, поскольку увеличение производительности процессов обработки информации и вычислений находится в непосредственной зависимости от плотности межсоединений — время переключения элементов интегральных схем стало соизмеримым с задержкой сигналов в линиях связи. Можно сказать, что основная тенденция развития технологий производства информационной и вычислительной техники — увеличение плотности межсоединений вслед за увеличением интеграции и миниатюризации электронных компонентов.
Рынок оборудования для производства печатных плат
Подъем экономики России в последние 5 лет не обошел стороной небольшой по объемам предложений, но важный для развития высоких технологий сегмент рынка оборудования для производства печатных плат. Переход на новую элементную базу, разработка новых изделий и возросшие требования к точности стимулировали модернизацию существующих производств электроники. Появился интерес к инвестированию в создание новых производств печатных плат. Быстро выросли и набрали силу новые игроки на этом рынке, что привело к существенному изменению структуры спроса и предложения и появлению совершенно новых продуктов.
Перелом наступил на рубеже столетий. Появившиеся относительно недавно в России инжиниринговые компании начали предлагать в качестве рыночного продукта производителям электроники разработку технологической части рабочих проектов становления и развития производств. Были проведены оценка ситуации на предприятиях радиоэлектронного комплекса, накопление информации о производителях технологического оборудования и их продукции, разработке методик расчета экономической эффективности, сравнительный анализ различных технических и проектных решений, выбор базовых технологий. На основании этой информации были разработаны типовые проекты производств различной мощности, обеспечивающие оптимизацию экономических показателей проектов: снижение затрат, минимизацию издержек производства, повышение конкурентоспособности готовой продукции.
Сегодня на основе анализа технических требований к готовой продукции, текущего состояния производства, расчета экономических показателей различных вариантов реализации с учетом ограничений желаемой стоимости проекта, пространства производственных помещений, состояния систем экологической безопасности наши заказчики получают проект, оптимизированный по сформулированным критериям, включающий полный комплект технической, технологической и эксплуатационной документации. К поставке на российский рынок была предложена широкая гамма совершенного оборудования и технологий, подобного производству азиатских стран, которая позволила им совершить впечатляющий рывок в производстве электронных модулей и «задушить» конкурентов соотношением цена/качество. Анализ издержек производства, расчет амортизационных отчислений различных вариантов комплектования оборудования в производственные линии, тщательная проработка вопросов технологического обеспечения процессов дали впечатляющие маркетинговые преимущества новым интеграторам производства. В совокупности с поставками на рынок расходных и базовых материалов и инструмента, определяющими базу цен и качество для технологического и экономического проектирования и гарантирующими достижение расчетных показателей проектов, новый подход к созданию и развитию производств электроники оставил практически не у дел прежних поставщиков оборудования. Розничная продажа оборудования позволяла им не обращать особого внимания на калькуляцию собственных затрат, предоставляя множество возможностей для поддержания высоких цен. Продвигая на рынок в качестве основного продукта проекты производств, эти компании смогли перейти на оптовые цены на оборудование и сохранить их даже при продаже отдельных единиц оборудования, что обвалило рынок монопольно высоких цен европейских производителей.
Реализуемый таким образом подход к развитию и становлению производства электроники обладает несомненными конкурентными преимуществами для производителей по сравнению с использованием собственных проектов, которые можно сформулировать следующим образом.
1. Целью проектирования является создание производств при заданных требованиях к техническим параметрам электронной продукции, обеспечивающих конкурентные ценовые преимущества производителям на рынке электроники. В рыночных условиях экономическая эффективность любых производств, наряду с качеством продукции, играет решающую роль в создании конкурентоспособной продукции. Способность производить качественный товар при минимальных издержках явля-
ется условием существования и развития любого предприятия.
2. Не связанные эксклюзивными договорами разработчики проектов включают в базы данных оборудования все имеющееся в мире современное оборудование для практически безграничной оптимизации различных параметров типовых проектов.
3. Разработчики проектов предлагают заключать договоры с заказчиками на полный комплекс работ по созданию и развитию производства электроники, включающий разработку технического задания и документации рабочего проекта, поставку и пу-ско-наладку оборудования, запуск технологических процессов и выпуск установочной партии, вывод производств на проектные параметры, обучение персонала, создание современной системы управления качеством, складские запасы запчастей для оперативного обеспечения гарантийного обслуживания и полноценной технической поддержки.
4. Резкое (на 30-50%) удешевление реализации проектов за счет применения оптовых цен и использования оптимизированных линеек оборудования, быстрый запуск и выход на проектные показатели производства.
Благодаря применению типовых проектов резко сокращается время и затраты на создание заказного проекта с учетом всех требований заказчика. Такая работа занимает от 3 до 5 недель и стоит от 100 до 200 тысяч рублей. Цена зависит от состава работ (разработка бизнес-плана, степень детальности расчета показателей, удаленность для выполнения экспертизы текущего состояния производства заказчика). В стандартном случае заказчик получает разработанное техническое задание на проектирование на основании проведенной экспертизы существующего производства, проектные решения по комплексу технических средств и предлагаемым технологическим решениям, расчет затрат на проведение всего комплекса работ, подробный расчет прямых расходов на выпуск готовой продукции по всей номенклатуре с учетом амортизационных отчислений. В случае продолжения работ по реализации проекта затраты на разработку проекта учитываются как предоплата за поставку оборудования и комплекс услуг.
Понимая текущее финансовое состояние предприятий радиоэлектронного комплекса, особое внимание инжиниринговые компании уделяют поиску возможных источников финансирования проектов производства электронных изделий. Конкретный и оформленный в соответствии с международными стандартами бизнес-план, разработанный для заказчика на базе согласованного проекта, позволяет свести к минимуму время на подготовку пакета документов для получения банковского кредита. Кроме этого, инжиниринговые компании привлекают ряд крупных банков для инвестирования
средств в радиоэлектронную промышленность через лизинговые схемы. Для уменьшения риска инвесторов и, соответственно, уменьшения стоимости лизинга для предприятий они предлагают договоры обратного выкупа оборудования с лизинговыми компаниями. Для инжиниринговых компаний такие обязательства являются естественными, поскольку они, во-первых, являются операторами такого оборудования на рынке, а, во-вторых, в перспективе это позволит сформировать вторичный рынок современного оборудования.
Структурная перестройка промышленности в России подходит к концу. После предстоящей приватизации все предприятия обретут новых собственников, и перед ними, со всей остротой, встанут вопросы модернизации и развития производства. Хочется надеяться, что новый менеджмент предприятий сможет выбрать правильную стратегию развития производства, обеспечивающую достижение оптимальных технических и финансовых результатов. Инструмент для подготовки и реализации проектов развития производств электроники уже готов.
Стратегия обновлений
В отечественной и зарубежной практике ведется непрерывный поиск новых и совершенствование известных методов межсоединений. Ежемесячно публикуются сотни патентов, описывающих новые процессы и операции, претендующих на новое слово в технологиях электронной аппаратуры. Среди достижений в технологии монтажа появлялись и методы, изобретение которых сопровождалось значительной рекламой, но на практике они оказались маловыгодными или ненадежными, или нашли ограниченное применение. Ежегодные международные конференции, симпозиумы по международной стандартизации способствуют отбору выверенных решений, на основе которых родились базовые технологии. Именно для базовых общепринятых технологий разрабатываются и поставляются оборудование и материалы, создаются новые стандарты. На их основе строятся новые производства с многомиллионными вложениями капитала.
Сохранение конкурентоспособности электронной продукции сегодня далеко не простая задача. Гнет ценовой политики конкурентов, изменяющиеся стандарты, быстрый моральный износ изделий — вот только несколько факторов, определяющих конкурентоспособность электронных устройств на современном рынке. Чтобы сохранить на нем лидерство, необходимо предлагать дешевые изделия, легко подгоняемые под требования заказчика в процессе проектирования и пригодные для быстрого освоения крупносерийного производства.
Сегодня в условиях рыночной экономики особенно важно проявлять профессионализм
в инвестировании производства, поскольку каждая, даже, казалось бы, малозначительная ошибка может привести к большим экономическим потерям. Поэтому, если задаваться целью модернизации производства с расчетом на будущее, чтобы вложенные средства не обесценились уже на этапах завоевания рынка, нужно четко определить свои приоритеты в разделении производства рыночной продукции и для этого нужно совершенно определенно знать современные достижения производства и тенденции его развития. Они не обязательно должны состоять в новых принципах технологий. Гораздо важнее проследить состояние принципов производства.
Например, что нового можно сказать о технологических принципах производства односторонних печатных плат? Согласитесь, все как много лет назад. А принципы производства изменились до неузнаваемости, и только с одной целью — уменьшить себестоимость продукции. Достигается это полной автоматизацией процесса, начиная от загрузки плат в линию, высечки заготовки из листа, штамповки отверстий и пазов, трафаретной печати на всех операциях формирования рисунка, струйного травления рисунка, нанесения маски до валкового облуживания монтажных элементов и вакуумной упаковки.
Тактика обновлений
Крупные мероприятия по комплексной модернизации, тем более становлению производства, происходят не так уж часто, чтобы иметь для этого постоянно действующую специальную службу информационного обслуживания и анализа рынка оборудования. Наиболее достоверная информация о необходимых мероприятиях для проведения такой модернизации, как правило, черпается из других внешних источников:
1. Изучение опыта других предприятий, которые уже произвели обновление технологической базы. Но, как правило, они видят в вас потенциальных конкурентов и не спешат делиться с полной информацией.
2. Изучение рекламной информации, представляемой отечественными фирмами-поставщиками оборудования на внутри-российских и международных семинарах, конференциях, выставках оборудования и материалов.
3. Загранкомандировки специалистов предприятия для ознакомления с зарубежным производством. Но после первых же вопросов там сразу поймут, что имеют дело с профессионалами и потеряют желание делиться с нужными вам секретами (knowhow).
4. Заказ технического проекта модернизации производства у инжиниринговой фирмы со всеми составляющими, свойственными инженерному проекту, как то: описание новых технологий, необходимые для их реализации дополнительные оборудование,
сбалансированное по производительности, материалы и инструмент, технологические планировки размещения оборудования, квалификационные требования к персоналу, технико-экономические показатели проекта, объем капитальных затрат, себестоимость типовой продукции, маркетинг рынка, прибыль, рентабельность и окупаемость проекта.
Сегодня выверенное решение по модернизации производства можно получить только от профессионального коллектива, повседневно занимающегося этими вопросами и отвечающего за конечный результат. Выбор профессионального партнера — наиболее сложная задача. В России проще назвать «флагманов» по напрасно затраченным финансовым ресурсам, вложенным в обновление производства, без достижения обещанных результатов. Причиной таких неудач является отсутствие комплексного подхода к реконструкции производства и отсутствие ответственности партнеров за полученный результат после поставки оборудования. За этими неудачами следуют метания от одного партнера-поставщика оборудования к другому, излишнее дублирование оборудования на ответственных операциях, дополнительная покупка оборудования для исправления ошибок и неизбежное обращение, в конце концов, к профессиональному коллективу инжиниринговой фирмы.
Профессиональные фирмы-интеграторы не ограничивают свою деятельность поставкой оборудования, они поставляют технологический процесс, где оборудование является лишь составной частью комплексного проекта. Они владеют оценкой современного состояния и ближайшей перспективы развития технологий электронных изделий, чтобы при капитальных вложениях в развитие производства оптимизировать затраты на комплектование производства оборудованием — наиболее капиталоемкой составляющей инвестиций в обновление производства — с расчетом на будущее.
Рост производства в российской электронной промышленности — неизбежный процесс, который уже начинают признавать и иностранные экономисты. Например, по оценкам общепризнанного американского маркетолога Вальтера Кастинга [1], по темпам роста производства электроники Россия занимает второе место среди европейских стран — 8,2% в 2003 г., 6,8% в 2004 г. и 8,6% в 2005 г. (на первом месте Чешская республика — 11%), по объемам производства печатных плат Россия в Европе на третьем месте — $465 млн (на первом месте Германия — $958 млн, на втором Италия — $482 млн). Конечно, Юго-Восточная Азия и по темпам роста и по объемам производства электроники намного опережает Европу и США. Но интеллектуальный потенциал в развитии электроники остается приоритетным на Западом, в том числе и в России.
Место российского производства электроники на внутреннем и мировом рынке
Чтобы правильно сориентироваться и использовать свои несомненные преимущества на международном рынке разделения труда, россиянам приходится оглядываться и на Запад, и на Восток. В чем эти преимущества?
Первые
У нас остался еще инженерный потенциал, способный поднять и освоить в производстве любые сложные технологии. Это очень важно, что мы еще хорошо понимаем все новые технологические тонкости и готовы их осваивать при наличии соответствующего оборудования и материалов. При этом российские технологи мыслят более широко, воспринимая новые технологические принципы во всем комплексе проблем, что недоступно большинству иностранных специалистов. На российском рынке труда в последнее время обнаруживается потребность в молодых кадрах с достойными предложениями зарплаты. И это вселяет надежду на дальнейшую поддержку и развитие нашего интеллектуального потенциала.
Вторые
В России относительно дешевые энергоресурсы и трудозатраты. Так, в цене продукта в Германии стоимость трудозатрат составляет 40%, в Китае 8%, в России 12...14%. Зато в Китае энергоресурсы составляют 36%, а у нас всего лишь 7...9%.
Тем не менее, массовое производство электроники перемещается в Юго-Восточную Азию. Но структура продукции говорит о том, что туда перемещается производство интеллектуально относительно простой продукции. В результате перемещения производства электроники в США объемы производства упали с $11,5 млрд в 2000 г. до $5,5 млрд в 2004 г., в Европе — с $5,4 до $3 млрд. В то же время наблюдаемый в ЮВА подъем с $12 млрд до $18 млрд происходит в основном за счет перемещения сюда производства простых продуктов массового спроса.
России можно попробовать соревноваться с Китаем в сборке электронных изделий, но ее судьба не в этом. Пока русские не утратили инженерный интеллект, лучшим продуктом для рынка могут быть программноаппаратные средства, в которых «железо» по стоимости составляет лишь 25%, остальное — программный продукт. Но если говорить только об электронной промышленности, то наше место в разделении рынка — производство сложных изделий, недоступных китайцам по интеллекту и недоступных японцам, европейцам и американцам по цене. Это возможно за счет дешевых энергоресурсов, относительно низких трудозатрат и высокого уровня образования. Такое положение России признают в откровенных бесе-
дах те же европейцы и, тем более, китайцы, считая нас технологически образованнее их.
Общая постановка задачи обновления производства электронных изделий
Проектирование монтажных изделий идет вслед за развитием элементной базы, которая движется по пути увеличения интеграции, производительности и функциональности. Этот процесс характеризуется увеличением плотности активных элементов на кристалле примерно на 75% в год, а это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении количества их выводов на корпусе на 40% в год [3]. Отсюда постоянно растущий спрос на новые методы создания корпусов, а вслед за этим — на увеличение плотности межсоединений на печатной плате. На рис. 1 показаны направления развития корпусных технологий, а на рис. 2 — пример развития корпусов с матричной системой выводов, из которого наглядно видна необходимость в уплотнении межсоединений на печатной плате и, в частности — в увеличении слойности и разрешения рисунка для размещения всех необходимых связей между монтажными элементами [4].
В результате общих тенденций площадь монтажных подложек уменьшается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры на 10-20% в год. Эта тенденция поддерживается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа: ширины проводников и зазоров, отверстий и контактных площадок, пространственного (послойного) распределения межслойных переходов за счет использования сквозных, глухих, слепых отверстий (рис. 3). Все это серьезно влияет на облик производства печатных плат: увеличивается стоимость основных фондов, объем прямых издержек, временной цикл производства. В конечном итоге все это приводит к увеличению себестоимости плат. С другой стороны, условия конкуренции диктуют необходимость уменьшения рыночной стоимости электронных изделий.
Что касается технического уровня технологий печатных плат (ПП), сборки и монтажа компонентов, то они вынуждены развиваться параллельно и теми же темпами, что и за рубежом, поскольку диктуются в первую очередь конструкциями корпусов компонентов. Это, конечно, не означает, что все производства будут перестраиваться под изготовление электронных изделий с высокой плотностью компоновки. Около 80% объемов будут загружены производством обычных, ставших уже привычными, изделий с использованием обычных компонентов. Направленность обновлений в этой части производства в ос-
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Рис. 1. Рост уровней плотности компоновки (снизу вверх): монтаж в отверстия (Through Hole), поверхностный монтаж (Leaded SMT), матричная система шариковых выводов (BGAs), многокристальные модули (MultiChip), монтаж микрокорпусов (CSPs),
МКМ по технологии flip+chip (FC/Waver Level),
МКМ по технологии стапелирования (Stacked Chip)
Количество выводов
шо
1000 -S^L/4LT
f EPBGA
800
0,8 мм
*)60 —/^lU L Mechanica
i рвА ^ drill /
1,27 n ta 1,27 mi*
\1,00 m^I.OO мм^
^00
4L/6L/8L^\ FC BGA % ' Bump pitch Ball pitch 0,20 мм 1,00 мм
J,25 мм 1,22 мм^
5L73L7 L2BGA SBGA VBGA ] 1,27 мм
L 1.00 к
0,80 мм 0,60 мм
>10,0
Мощность рассеивания, Вт
Рис. 2. Рост семейства BGA+компонентов в сторону увеличения количества выводов
Таблица 1. Численные характеристики МПП (по рис. 3)
Минимальный размер, мм
Сегодня Завтра Послезавтра
Характеристики рисунка
А Ширина проводника на внешней поверхности 0,1 0,075 0,05
В Зазор на внешней поверхности 0,1 0,085 0,062
С Ширина проводника на внутреннем слое 0,1 0,075 0,025
D Зазор на внутреннем слое 0,1 0,085 0,062
| Характеристики сквозных отверстий
H Диаметр сверления сквозного отверстия 0,25 0,2 0,2
I Контактные площадки сквозного отверстия 0,55 0,5 0,4
J Отношение толщины платы к диаметру сквозного сверления 10 15 20
| Характеристики глухих отверстий
Е Диаметр глухого отверстия 0,1 0,075 0,025
F Контактная площадка основания глухого отверстия 0,25 0,2 0,05
G Контактная площадка входа глухого отверстия 0,3 0,25 0,05
J Отношение глубины к диаметру глухого отверстия = 1 = 1 = 1
K Диаметр верхнего глухого отверстия 0,175 0,15 0,075
L Диаметр нижнего глухого отверстия 0,1 0,075 0,025
Р Контактная площадка верхнего глухого отверстия 0,375 0,325 0,25
| Характеристики слепых отверстий
М Глубина металлизированного слепого отверстия 0,2 0,15 0,1
N Диаметр сверления слепого отверстия 0,25 0,2 0,2
О Контактные площадки слепого отверстия 0,55 0,5 0,4
новном будет состоять в снижении себестоимости продукции, в обновлении парка оборудования, подвергнувшемуся физическому и моральному износу.
Но любое обновление, если на него выделяются средства, целесообразно строить из соображений создания высокотехнологичного производства, в котором можно было бы изготавливать изделия по высоким проектным нормам, недоступным большинству конкурирующих предприятий. Поэтому производители электронных изделий рано или поздно встают перед задачей перевооружать производство под новые потребности рынка.
Чтобы сориентироваться в планах на будущее, рассмотрим наметившиеся тенденции развития технологий электронных изделий. В первую очередь нужно знать перспективы в развитии конструкций печатных плат (табл. 1).
Создание собственного производства
Как можно быстро получить заранее выверенное решение по комплектованию производства? С чего начать разговор с поставщиками технологий, оборудования, материалов и инструмента? Как оценить финансовые возможности в удовлетворении запросов?
Такие вопросы всегда возникают при намерении предприятий создать или обновить свое производство.
Рост промышленного производства последние 3 года, планы интеграции России в мировую экономику делают актуальными вопросы технического переоснащения отечественных предприятий. При этом особое положение радиоэлектронной индустрии в экономике и политике современной державы переоценить невозможно.
Производство российской радиоэлектроники серьезно пострадало в предыдущее де-
сятилетие. Бурный рост мирового производства электронной продукции привел к сокращению сроков моральной амортизации технологического оборудования до 2-3 лет и полному переоснащению производств каждые 5 лет. Российские предприятия радиоэлектронного комплекса оснащены оборудованием 15-20-летней давности и в принципе не способны производить конкурентоспособную продукцию.
Собственное производство — предпочтительный вариант в ситуации неопределенности и неустойчивости российского рынка печатных плат и электронных модулей, свойственной нынешнему времени. Положительные стороны создания собственного производства — возможность управления ресурсами для минимизации производственных затрат и времени вывода изделий на рынок, выпуск изделия любыми партиями, оперативное реагирование на изменения рыночной конъюнктуры, перестройка производства под новые задачи. Для справедливости нужно оговорить и отрицательные стороны организации собственного производства: большие начальные затраты, трудности в организации производственного процесса, комплектование и обучение персонала, налаживание бесперебойных поставок базовых и расходных материалов, комплектующих, их складирование в надлежащих условиях, входной контроль, оснащение лаборатории для испытаний изделий по общепринятым стандартам. Сторонние изготовители снимают с вас большую часть этих проблем. Однако вы лишаетесь возможности оперативного управления производством собственных изделий и отдаете часть своей прибыли стороннему изготовителю. Еще один фактор взаимоотношений со сторонним изготовителем — соблюдение сроков выполнения заказов. Это особенно важно, когда размещенный на стороне заказ идет на комплектование более сложного комплекса и несвоевременность
поставок от стороннего изготовителя может привести к существенным временным и финансовым издержкам.
Заказчиками новых проектов производства являются более тысячи предприятий радиоэлектронного, оборонного, телекоммуникационного комплексов, множество мелких предприятий, желающих получить доступ к совершенному оборудованию, технологиям и материалам для ведения успешной производственной и коммерческой деятельности.
Что касается проектных организаций, то для них важно иметь возможность оперативного внесения изменений при отработке проектов. Как правило, любой проект проходит несколько итераций, и размещение заказов на экспериментальные изделия обходится дорого. Если учесть, что на взаимоотношениях между авторами проектируемого изделия и изготовителем существенно сказываются бюрократические рогатки, свойственные России, можно понять, насколько тормозится продвижение проектов на рынок или выполнение госзаказов.
Если такого рода доводы склоняют к созданию собственного производства, первым шагом должен стать выбор интегратора, способного предложить комплексное решение и обеспечить максимальную открытость проекта производства. Выбирая его, заказчик рассчитывает найти профессиональный коллектив, способный гарантировать оптимальный вариант комплектования производства под заданные требования, качество оборудования с приемлемой стоимостью, соблюдение сроков поставок и пуска оборудования, обучение персонала и комплексный пуск производства. Хорошо, когда интегратор (исполнитель комплексного проекта производства) проявляет заинтересованность в снижении стоимости комплекта оборудования, уменьшении стоимости производственных затрат, обеспечении необходимого уровня качества и устойчивости производства, как если бы оно было его собственным.
Что должен дать добросовестный интегратор (инжиниринговая компания) заказчику:
• Перечень оборудования с указанием его основных характеристик, опций и цен в России.
• Расчет производственных мощностей каждой операции для обеспечения сбалансированности проекта под заданные производительности и технический уровень производства.
• Характеристики технологического процесса по всем основным операциям, включая время их выполнения.
• Калькуляцию по базовым и расходным материалам, отражающую расходы на первоначальную загрузку процесса и текущее обеспечение процессов в течение года.
• Расходы на потребление ресурсов.
• Расчет себестоимости продукта производства.
Таблица 2. Последовательность в реализации проектов
Время, недели ЗАКАЗЧИК Интегратор-Исполнитель проекта
Запрашивает интегратора о возможности комплектования производства определенным видом продукции Высылает заказчику опросный лист: реквизиты предприятия; планируемые объемы производства; характеристики сложности продукции
Заполняет и отправляет исполнителю опросный лист Предоставляет заказчику типовое решение, близкое к запросу заказчика.
Рассматривает свои финансовые возможности и целесообразность запуска проекта Оформляет проектное задание (ПЗ), отправляет для согласования заказчику
Корректирует и согласовывает ПЗ с интегратором Согласовывает ПЗ с заказчиком
Заключает договор на разработку аван-проекта. Участвует в разработке аван-проекта, отвечая на уточняющие запросы интегратора. Согласовывает аван-проект по составу и стоимости комплекта оборудования Подписывает договор на разработку аван-проекта. Разрабатывает аван-проект по проектному заданию с предоставлением полной информации по реализации производства
Согласовывает и подписывает договор по полному объему работ. Подписывает договор на оплату этапа 01. «Разработка технического проекта» Представляет проект договора с этапами выполнения работ: 01. Технический проект 02. Поставка оборудования 03. Запуск процесса 04. Изготовление установочной партии 05. Испытания
Согласовывает технический проект. Находит исполнителя строительно-монтажного проекта Разрабатывает технический проект. Передает заказчику данные по оборудованию и требованиям к помещениям для строительно-монтажного проекта
Подписывает договор на оплату этапа 02. «Поставка оборудования» Оплата поставок оборудования, транспортные и таможенные операции (логистика). Ожидание поставок оборудования от фирм-поставщиков (2-3 месяца). Согласование строительно-монтажного проекта. Представление перечня и технических заданий на технологическую оснастку. Приемка строительно-монтажных работ. Обучение рабочего персонала в учебно-производственном центре
10 Разработка строительно-монтажного проекта с размещением оборудования и технологических обвязок
11
12
13
14 Строительно-монтажные работы. Проектирование технологической оснастки
15
16
17
18
19 Приемка строительно-монтажных работ. Аттестация технологической оснастки
20
21 Приемка оборудования. Подписывает договор на оплату пуска оборудования и процесса (этап 03). Автономный пуск оборудования. Фирменное обучение по ряду позиций поставок Приемка оборудования на площадях заказчика. Автономный пуск оборудования
22
23 Комплексный пуск производства с выпуском пробных партий изделий. Оформление технологической документации. Обучение рабочего персонала в условиях производства
24
25
26 Подписывают договор на изготовление установочной партии (этап 04). Изготовление установочной партии изделий. Приемо-сдаточные испытания изделий по нормативной документации РФ
27
28
29 Подписывают договор на проведение испытаний и оценку результатов испытаний (этап 05). Проведение типовых испытаний изделий по нормативной документации РФ. Анализ результатов испытаний. Утверждение протоколов испытаний, технологической документации. Аттестация рабочих мест и рабочего персонала. Предъявление протоколов испытаний аудитору для сертификации по ИСО9003
30
31
32
• Оценку рентабельности и окупаемости
проекта производства.
• Организацию технической поддержки проекта на оговоренный срок.
На российском рынке производства печатных плат наибольшее распространение получают проекты, ориентированные на платы высокого класса сложности. В качестве градаций производств используется общепринятая характеристика — производительность, выраженная в размере обрабатываемой площади (м2) или количестве устанавливаемых компонентов в час. Безусловно, на стоимости проекта сказывается и технический уровень производства (класс точности), и уровень автоматизации основных и контрольных операций. Например, автоматы оптического контроля и электрического тестирования стоят по сотне тысяч долларов. Стоимость фотоплоттеров и сверлильных станков зависит от их точности, производительности и дополнительно выполняемых функций (сверление глухих отверстий, скрайбирование и т. д.).
В сборочно-монтажном производстве основой градации может быть скорость установки компонентов в час. При этом важно,
что индивидуальность процессов определяется разнообразием продуктов производства: монтаж в отверстия, чисто поверхностный монтаж, смешанный монтаж во всем его многообразии.
Конечно, трудно подобрать подходящее решение, не зная конкретного объекта производства. Поэтому предлагаемые предпро-ектные решения ориентированы на смешанный монтаж. При этом формовку и пайку компонентов с осевыми и аксиальными выводами предлагается выполнять с использованием формовочных машин и паяльных станций. Но самая трудоемкая и ответственная операция — установка компонентов на плату — должна производиться или установщиками с целеуказателями, или полуавтоматами с самообучением, или на автоматах. Все зависит от заданной производительности, сложности электронных компонентов и электронного модуля.
Последовательность взаимоотношений заказчика и исполнителя заказного проекта можно оптимизировать, как показано в таблице 2. Хочется подчеркнуть, что наличие у интегратора типовых решений позволяет начать работу с заказчиком «с места в карь-
ер», сокращая время проработки конкретных решений до двух недель.
Предлагаемые фирмой-интегратором (инжиниринговой фирмой) типовые и заказные проекты производств печатных плат и электронных модулей имеют тщательно просчитанное финансово-экономическое обоснование выбора оборудования и технологии планируемых производств. При необходимости интегратор составляет подробный бизнес-план предлагаемых проектов, предоставляет отработанные варианты их финансирования, предлагает источники необходимых финансовых ресурсов.
Обширные международные связи инжиниринговой компании позволяют использовать в проектах лучшие технологические решения, получившие сегодня общемировое признание, и это подтверждает готовность к выбору наилучших решений интересующих заказчика проблем.
Инженерное обеспечение производства электроники
Сближение норм проектирования электронных изделий и уровня микроэлектроники обусловило необходимость в обеспечении соответствующих им условий производства по температуре, влажности, обеспыленнос-ти и др. Зачастую, задаваясь целью создать производство высокого класса точности, ограничиваются инвестициями в обновление оборудования, но не учитывают, что увеличение разрешения рисунка сопровождается воспроизведением частиц пыли, а на точности позиционирования сказываются и температура, и влажность в помещении, и виброзащищенность оборудования. Сегодня еще не сложились общепринятые нормы проектирования производственных помещений, поэтому и отсутствуют соответствующие стандарты. Часто в строительно-монтажные проекты производства электроники закладываются ослабленные требования к инженерному обеспечению, сообразуясь с ограниченными финансовыми возможностями. Но в конечном итоге это существенно сказывается на эффективности производства: снижении выхода годных, больших трудозатратах на обнаружение и исправление брака, уменьшении уровня надежности из-за неизбежного пропуска дефектов или близких к ним ослаблений межсоединений.
Теперь уже можно уверенно сказать, что наметилась положительная тенденция: реконструкция российских предприятий электроники и ее направленность — создание высокотехнологических производств малой и средней серии, чтобы создать здоровую конкуренцию зарубежным производителям. В этой области российские предприятия, сохранившие интеллектуальный потенциал своего персонала, имеют возможность занять свою нишу на международном рынке разделения труда, соревнуясь с Западом по цено-
Рис. 4. Выделение чистых зон в чистых помещениях (характерно для микроэлектроники, но не приемлемо для производства ПП и ЭМ)
вым категориям, а с Юго-Восточной Азией — по техническому и интеллектуальному уровню проектов электронных изделий.
Производство электроники начинается с печатных плат, сравнимых по значимости с цементом в строительстве. Это производство — наиболее сложное по разнообразию используемых в нем физических и химических процессов, требующих высокопрофессионального персонала с разносторонней специализацией. Это и наиболее капиталоемкое производство с относительно медленной окупаемостью вложений — порядка трех лет. Это и наиболее подвижная часть производства электроники: поколения технологий печатных плат меняются каждые пять-шесть лет, что вынуждает за период возврата вложенных средств создавать накопления для последующего обновления производства.
В этих условиях важно не ошибиться с выбором проектных решений, с выбором поставщиков оборудования и инженерного обеспечения производства. Технические проекты, которые у многих на виду, уделяют основное внимание составу оборудования для переоснащения производства, но, как правило, совсем не оговаривают инженерное обеспечение производства. Мало того, существовавшие ранее нормативные документы, устанавливающие требования к санитарногигиеническим нормам проектирования производств, утратили свою силу и безнадежно устарели. Новых документов нет. Поэтому предлагается начать обсуждение норм инженерного обеспечения производства электроники в надежде на то, что, в конце концов, это поможет создать российский стандарт и покончить со сложившейся неопределенностью в этом вопросе. Начать предлагается с печатных плат, изготовление которых наиболее сложно в электронике.
Для достижения высокого технического уровня печатных плат недостаточно укомплектовать производство прецизионным оборудованием, обязательным становится дополнительное инженерное обеспечение ус-
ловий производства — создание термозон с контролируемой атмосферой по запыленности, температуре и влажности.
Обоснование инженерных норм Требования по ограничению к запыленности относятся к участкам фотошаблонов и фотолитографии, так как воспроизводимость проводников и зазоров для плат 4-5 и выше классов точности становится соизмеримой с размерами пылинок в обычной атмосфере. Недостаточный уровень вакуумной гигиены приводит к обвальному браку прецизионных плат или к большому объему ретуши на обычных платах.
Требования по стабильности температуры и влажности относятся ко всем участкам, отвечающим за прецизионность размеров и совмещение рисунка схем: фотошаблоны, экспонирование, проявление, сверление, совмещение слоев, прессование. Значения температуры и влажности должны не только укладываться в узкий диапазон, но и быть одинаковыми на этих участках. Иначе изменения линейных размеров фотошаблонов, заготовок плат и оборудования приведут к рассов-мещению элементов многослойных структур и появлению брака или потенциальным источникам отказов.
К условиям инженерного обеспечения современного производства относят много факторов, первостепенными из которых являются:
1. Степень чистоты воздуха производственных помещений, оцениваемая концентрацией взвешенных частиц.
2. Время восстановления чистоты помещения до исходного уровня после кратковременного превышения допустимого значения.
3. Расход воздуха (кратность воздухообмена).
4. Скорость воздушного потока.
5. Однородность скорости воздушного потока.
6. Однонаправленность воздушного потока.
7. Избыточное давление воздуха.
8. Номинальная температура воздуха.
9. Точность поддержания заданного значения температуры
10. Относительная влажность воздуха.
11. Точность поддержания заданного значения влажности.
12. Уровень акустических шумов.
13. Освещенность.
14. Аэроионизация воздуха.
15. Уровень вибрации.
16. Напряженность электрических полей.
17. Напряженность магнитных полей.
Чистые помещения и чистые зоны В производстве печатных плат трудно выделить чистые зоны, как это практикуется в микроэлектронном производстве (рис. 4). Специфика производства печатных плат (ПП) и электронных модулей (ЭМ) (габариты и объемы продукции) диктуют в первую очередь требования к чистым помещениям — основной среде производства [3, 4].
Источников загрязнений помещений с вакуумной гигиеной так много, что одно их перечисление заняло бы много места. В первую очередь это, конечно, внешняя среда. Поэтому предприятия микроэлектроники строят в зонах с природной чистотой (пример тому г. Зеленоград под Москвой), а чистые помещения изолируются от внешней среды. Но и изолированность не избавляет чистые помещения от угрозы загрязнений, внутренние источники запыленности требуют постоянной фильтрации воздуха. Персонал (рис. 5), его одежда, а также стены и полы, продукты и отходы производства, технологические материалы, документация и инструмент, естественный приток воздуха — все это мощные источники загрязнений.
Международный стандарт ИСО 14644 (Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды) и аутентичный ему межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 14644 [4-10] содержат исчерпывающую информацию по обеспечению чистоты воздуха и степени концентрации взвешенных частиц в чистых помещениях:
• Часть 1. Классификация чистоты воздуха (табл. 3.)
Таблица 3. Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам для чистых помещений и чистых зон
Класс чистоты Предельно допустимое число частиц в 1 м3 воздуха размером, равным и превышающим, мкм
ИСО 14644-1 ГОСТ Р 50766-95 0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 5,0
ИСО-1 Р 1 10 2
ИСО-2 Р 2 100 24 10 4
ИСО-3 Р 3 (1) 1000 237 102 35 8
ИСО-4 Р 4 (10) 10000 2370 1020 352 83
ИСО-5 Р 5 (100) 100000 23700 10200 3520 832 29
ИСО-6 Р 6 (1000) 1000000 237000 102000 35200 8320 293
ИСО-7 Р 7 (10000) 352000 83200 2930
ИСО-8 Р 8 (100000) 3520000 832000 29300
ИСО-9 Р9 (1000000) 35200000 8320000 293000
• Часть 2. Требования к контролю и мониторингу для подтверждения постоянного соответствия стандарту.
• Часть 3. Метрология и методы испытаний.
• Часть 4. Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию.
• Часть 5. Эксплуатация.
• Часть 6. Термины и определения.
• Часть 7. Специальные устройства обеспечения чистоты.
В приложении В (справочное) к стандарту ГОСТ ИСО 14644-4-2002 приведены примеры требований к чистым помещениям в производстве медицинской продукции и микроэлектроники. Но современные требования вакуумной гигиены к производству ПП и ЭМ нигде не оговорены.
Чистое помещение — дорогостоящее сооружение, стоимость которого возрастает с увеличением уровня чистоты. Поэтому класс чисто-
ты назначают, сообразуясь с заданной точностью воспроизведения рисунка по ГОСТ 23751.
Требования по стабильности температуры и влажности Эти требования относятся ко всем производственным помещениям, где выполняются операции, обеспечивающие точность размеров и позиционирования элементов, будь то совмещение элементов межсоединений в многослойных структурах печатных плат, позиционирование сверления, установка компонентов на печатную плату. Значения температуры и влажности должны не только укладываться в узкий диапазон, но и быть одинаковыми для всех помещений, где точность позиционирования — основное условие производства. ■
Продолжение следует
Литература
1. Custer W. Custer Consulting // USA, EIPC Winter Conference Salzburg 2007 February 8 & 9 2007, Salzburg, Austria.
2. Printed Circuit Handbook // Combs/ 5th Ed.
3. Уайт В. Технология чистых помещений: Основы проектирования, испытаний и эксплуатации/ Пер. с англ. М.: «Клинрум». 2002.
4. Пректирование чистых помещений/ Под ред. В. Уайта/ Пер. с англ. М.: Клинрум». 2004.
5. ГОСТ ИСО 14644-1-2002 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха.
6. ГОСТ Р 51752-2001 Чистота промышленная. Обеспечение и контроль при разработке, производстве и эксплуатации продукции.
7. ГОСТ Р ИСО 14644-2-2001 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 2. Требования к контролю и мониторингу для подтверждения постоянного соответствия ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000.
8. ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 4. Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию ГОСТ 12.1.005-88. «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».
9. МУ 3.3.2.056 «Определение класса чистоты производственных помещений и рабочих мест». М.: Госкомсанэпиднадзор России. 1996.
10. ГОСТ 25991 «Боксы и кабины пылезащитные с ламинарным потоком воздуха».
