Содержание к диссертации
Введение
1. Проблематика обеспечения качества электронных модулей (ЭМ) 16
1.1 Структура корабельной информационно – управляющей системы, построенной на функционально завершенных электронных модулях 16
1.2 Анализ характеристик отказов модулей по результатам испытаний и эксплуатации 24
1.3 Система менеджмента качества продукции ОПК при производстве и испытаниях. Анализ стандартов 1.4 Постановка задачи исследования 43
1.5 Выводы по разделу 47
2. Теоретические основы исследования в предметной области 50
2.1 Системный подход к постановке на производство электронных модулей с позиции качества 50
2.1.1 Общие положения 50
2.1.2 Зарубежная практика обеспечения качества производства 51
2.1.3 Позиция отечественных производителей
2.2 Теоретические обоснования стратегии выборочного контроля 61
2.3 Теоретические основы по исследованию параметрической надежности электронного модуля 72 2.4 Анализ статистических методов управления качеством производства 86
2.5 Случайные величины и погрешности в системе контроля качества производства модулей 2.5.1 Погрешности измерений 99
2.5.2 Случайные значения входных данных при тестировании модулей 108
2.6 Выводы по разделу 112
3. Методы пооперационного контроля качества производства электронных модулей 115
3.1 Входной контроль ПКИ 115
3.1.1 Общие положения 115
3.1.2 План построения входного контроля ПКИ 119
3.1.3 Особенности приемки МПП на входном контроле 128
3.2 Контрольные карты Хотеллинга при управлении процессом пайки электрорадиоэлементов 132
3.3 Конструкция теплостока модулей Red Stone. Контроль качества производства 149
3.3.1 Общие положения 149
3.3.2 Построение интегрального радиатора 150
3.3.3 Тепловое сопротивление воздушного зазора в кондуктивной конструкции 156
3.3.4 Контроль качества изготовления клина
3.4 Способ бесконтактного обнаружения потенциально ненадежных микросхем в составе модуля 164
3.5 Метод оценивания параметрической надежности электронного модуля на выходном контроле 176
3.5.1 Постановка задачи 176
3.5.2 Описание предлагаемого метода 179
3.5.3 Результаты анализа экспериментов 187
3.6 Выводы по разделу 189
4. Оценивание параметров технологической тренировки модулей 192
4.1 Виды нагрузок при технологической тренировке 192
4.2 Определение рациональной длительности технологической тренировки 204
4.3 Метод определения коэффициентов влияния внешних нагрузок на ресурс 215
4.4 Выводы по разделу 223
5. Анализ компонентов управления надежностью как категории качества при производстве модулей 224
5.1 Общие положения 224
5.2 Метод достижения максимальной безотказности изделия в условиях ограничений на материальные затраты 228
5.2.1 Задача о минимизации функции 229
5.2.2 Повышение максимальной вероятности безотказной работы изделия при планировании производства 231
5.3 Управление рисками в процессе создания электронной продукции 235
5.4 Метод прогнозирования показателей долговечности по результатам испытания модуля 256
5.4.1 Постановка задачи 256
5.4.2 Оценка ресурса аппаратуры 259
5.4.3 К вопросу о соотношении между ресурсом и сроком службы 266
5.5 Комплексная методика контроля качества электронных модулей в процессе производства и испытаний 276
5.6 Выводы по разделу 281
Заключение 284
Список использованных источников
- Анализ характеристик отказов модулей по результатам испытаний и эксплуатации
- Позиция отечественных производителей
- План построения входного контроля ПКИ
- Метод оценивания параметрической надежности электронного модуля на выходном контроле
Анализ характеристик отказов модулей по результатам испытаний и эксплуатации
Требование высокой надежности аппаратуры является ключевым параметром при эксплуатации ответственной по назначению аппаратуры, к которой относятся и изделия ВМФ. Однако, анализ характеристик отказов, поступивших от предприятий – изготовителей и эксплуатирующих организаций, показывает, что причин снижения показателей надежности достаточно. Такое характерно не только для отечественной практики, но и для ведущих фирм США.
Из анализа отказов выявлено пять основных причин их возникновения: - нередко низкий уровень системного проектирования, являющийся источником потока извещений на изменения; - конструкторские изменения не всегда своевременно доводятся до производства; - отсутствие адекватных методик испытаний; - отсутствие тщательного контроля производственных процессов; - запаздывание при подготовке квалифицированного персонала по новым технологиям. Приведем несколько примеров подчас огромных потерь даже при наличии только части из этих причин, по материалам, предоставленным предприятием “Компас” (г. Москва).
При производстве истребителей F-22A (компания Lockheed Martin) обнаружены различные существенные недостатки, включая производственные дефекты, что привело к дополнительному инвестированию в 400 млн. долларов и возврату на доработку более 30% самолетов. Аналогично, при производстве кораблей - доков класса LPD-17 привели к задержке в 3 года по завершению ОКР и дополнительным затратам в 846 млн. долларов. Основная причина - низкий контроль качества производства: - при сварке титановых труб отсутствовал контроль коррелируемых параметров: t дуги и скорости нанесения шва; неполнота документации по контролю технологии нанесения препятствующих скольжению покрытий.
В качестве альтернативы приводится положительный пример. Практическая ликвидация такого рода причин позволила компании Space System / LorueLLC обеспечить своей продукции на космическом борту бесперебойную работу порядка 80 тысяч часов.
Кроме указанных выше причин, характерных для отечественного машиностроения, следует добавить и экономические факторы, присущие судостроению и кораблестроению на современном переходном этапе.
1. Строительство ВМФ осуществляется на основе как долгосрочных, так и среднесрочных планов различного характера, включая: государственную программу вооружения, федерально-региональные и ведомственные целевые программы, отдельные контракты, федеральные целевые программы развития и т.п., которые слабо скоординированы между собой.
2. Перспективные задачи развития электронного вооружения флота основываются на ожидаемых научно-технических достижениях. Однако финансирование НИР на государственном уровне осуществляется недостаточно, заставляя предприятия организовывать эти работы из собственных средств. В этих условиях продолжительность отдельных исследовательских работ выходит за рамки временных интервалов, определяемых на строительство кораблей, что сказывается как на сроках, так и на технических характеристиках. В итоге необходимость модернизации и отсюда дополнительного финансирования назревает весьма скоро.
3. Проектирование и строительство современных средств ВВСТ ВМФ вместо срока в 5 лет, являющихся сложившимся эталоном на международном рынке оружия, может занимать до 15 лет, причем причин задержек имеется предостаточно, включая неравномерность финансирования. Отсюда, естественно, финансовые потери у предприятий (штрафы, санкции, отказы в продолжении контрактов от зарубежных заказчиков).
4. Эксплуатация корабля долгая – до 30 лет, естественно, оборудование не только изнашивается, но и морально стареет. Поэтому при проектировании и строительстве корабля необходима некоторая избыточность для обеспечения проведения модернизации. Это требует дополнительных и начальных финансовых вложений, но приносит прибыль при осуществлении доработок в процессе модернизации.
5. Серийность проектов кораблей крайне низка, а подчас производятся единичные выпуски. Отсюда уникальность ряда приборов, временные задержки их поставки, трудности с ЗИПом и, как следствие, повышенные финансовые расходы.
6. Большая кооперация при проектировании и строительстве кораблей. Отсюда большое число договоров и контрактов со смежниками, которые приводят к временным накладкам, переносам сроков, допсоглашениям. Это также приводит к некоторым финансовым потерям. Естественно все это, мягко говоря, не прибавляет качество изделиям.
К этому следует добавить проблемы качества поставляемой субподрядчиками продукции, связанные в основном с надежностью. Все перечисленное выше подчеркивает проблемность обеспечения контроля качества входящих покупных изделий и продукции собственного производства корабельного приборостроения, которая требует научно-технического обоснования.
Для современной морской аппаратуры сложность достижения заданных требований по надежности повышается в связи с широким использованием изделий микроэлектроники, имеющие повышенную чувствительность к климатическим факторам, к качеству разработки и изготовления аппаратуры, условиями ее эксплуатации и др.
Позиция отечественных производителей
В этом подразделе не рассматриваются экономические аспекты и не ставится под сомнение качество проекта. Одним из критериев качества является надежность, которое разделяется на свойства: безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность. Высокие показатели этих свойств имеют большие значения для изделий ВМФ, в основном, по двум причинам: - корабли флота несут длительную автономную службу; - изделия ВМФ имеют устойчивый спрос на международном рынке оружия. Если первая позиция очевидна и никогда не подвергалась сомнению, то вторая проявилась в начале XXI века. Очевидно, уровень качества производства и является одним из залогов в надежности изделий в эксплуатации.
Качество – весьма сложная и противоречивая философская категория. Не случайно в настоящее время известно более 100 определений этого понятия, например, “Качество – это соответствие совокупности присущих характеристик изделия требованиям потребителя, качество – это когда к Вам возвращается заказчик, а не Ваша продукция, дорого не присутствие качества, а когда о нем не вспоминают”. Итак, надежность наряду с функциональной пригодностью является одним из основных критериев качества. При этом сложилась практика применения терминов: дефект - брак производства; несоответствие - брак проекта. Основы качества продукции регламентированы стандартами ИСО серии 9000. При этом в процессе постановки изделий на производство применяются следующие известные методы [ 24 ]: FMEA - анализ видов и последствий потенциальных отказов; APQP - перспективное планирование качества продукции; PPAP - процесс согласования производства компонентов (части).
При использовании этих методов цикл разработки и постановки продукции на производство сокращается, процесс наладки серийного выпуска ускоряется, качество продукции улучшается.
Первый этап APQP процесса - планирование, разработка концепции и плана обеспечения качества продукции.
При этом создается команда, которая руководит процессом и не только на этом этапе, но и далее вплоть до постановки на производство и серийного выпуска.
В качестве “переводчика голоса потребителя” на язык технических требований используется входящий метод QFD (развертывание функции качества). Обозначим методологию QFD: учитывает установленные и ожидаемые требования потребителей (заказчиков в нашем случае); обеспечивает кратчайший путь к достижению высокого качества; двидит модернизацию продукции. При этом включаются три профиля качества: базовое; требуемое; желаемое. Основным инструментом методологии QFD являются матричные диаграммы, включающие ключевые элементы и корреляционную матрицу связи технических характеристик продукции и интересов потребителей (Заказчиков).
На втором этапе APQP процесса - проектирование и разработка продукции вплоть до системы технического обслуживания и ремонта.
Третий этап - разработка технологии и методов контроля качества производства. Ключевые технологические операции отмечаются специальными символами в документации. Здесь российские специалисты впервые столкнулись с термином “бережливое производство”.
Недостатки методологии APQP процесса: длительный срок освоения методологии QFD; большая трудоемкость методологии; требование высоко профессиональной подготовки исполнителей; необходимость наличия творчества и изобретательности у занятых специалистов в команде. Метод FMEA FMEA трактуется как метод анализа видов и последствий потенциальных отказов. В России был издан соответствующий стандарт ГОСТ Р 5184.2 - 2001 [ 25 ].
Метод охватывает по техническому изделию следующие процедуры: анализ и доработка проекта при необходимости; процесс изготовления; правила эксплуатации и хранения; системы техобслуживания и ремонта. Метод подчас используется и группой по реализации методологии APQP процесса.
Кратко сущность метода FMEA состоит в том, что эксперт прогнозируют наиболее критические потенциальные дефекты изделия. Эти дефекты анализируются, выявляются по потенциальным причинам и предпринимаются корректирующие мероприятия. Работа экспертов позволяет сократить дорогостоящие эксперименты по доработке конструкции, заменив их моделированием в САПР. Как всегда в подобном случае создается FMEA - команда (рекомендуется до 8 человек), стиль работы - “мозговой штурм”.
Результатом деятельности команды является протокол анализа видов причин и последствий дефектов. Заметим, что дефектов потенциальных, а не “всплывших” во время эксплуатации. В протоколе для каждого потенциального дефекта производится количественная оценка по трем выражаемых в баллах критериям: значимость S, определяемая с точки зрения тяжести последствий дефекта; вероятность О возникновения дефекта, определяемая долей продукции с дефектом данного вида; вероятность D обнаружения дефекта или его причины до проявления его последствий в эксплуатации. Для каждого из этих показателей в стандартах приведены рекомендуемые 10-бальные шкалы оценок [26]. Рекомендуемая форма протокола FMEA приведена в стандарте [27]. В упрощенном виде это показано на рис. 2.1. После получения экспертных оценок значений S, O, и D вычисляют приоритетное число рисков ПЧР: ПЧР = SOD .
План построения входного контроля ПКИ
Каким образом, используется четыре основных подхода к решению задачи статистического управления? Ответ - путем контроля отклонений производственного процесса [49]. Первый, базирующийся на критерии Неймана-Пирсона, применяется для одномерной независимой гауссовской случайной последовательности (контрольная карта Шухарта). Второй подход используется для многомерного статистического контроля с коррелированными показателями качества при помощи контрольной карты Хотеллинга. Третий подход основан на многократном применении последовательного анализа Вальда и реализован на практике в виде контрольных карт кумулятивных (накопленных) сумм. Четвертый подход базируется на экспоненциальном сглаживании (карты экспоненциально взвешенных скользящих данных). Третий и четвертый подход используется для обнаружения и анализа малых смещений параметров процесса, что также для нашего случая сборки и монтажа модулей неактуально (малые смещения - величины в десятые доли т).
Процесс производства электронных модулей для специальной техники требует сочетания как одномерного, так и многомерного контроля, но с относительно грубыми допусками на пороговые значения оценки.
Проведенный анализ источников по проблеме статистического контроля технологических процессов показывает, что вопросы одномерного контроля изучены достаточно глубоко и уже где-то используются в производстве. Исследования по многомерному при коррелированных показателях статистическому контролю на сегодняшний день носят разрозненный характер. Обычно в отечественной и в зарубежной практике многомерный контроль подменяется независимым контролем нескольких показателей, что может привести к серьезным ошибкам.
Итак, целью данного аналитического обзора, в основном, является многомерный статистический контроль технологического процесса изготовления электронных модулей по количественному признаку, а не по шаблону или калибру (альтернативные данные).
Статистический контроль на основе контрольных карт Шухарта. Контрольные карты одномерного показателя процесса при количественных данных в общем случае делятся на четыре вида [27]: средних и размахов (Х - и R - карты); средних и стандартных отклонений (Х - и S - карты); медиан и размахов (Me - и R - карты); индивидуальных значений и скользящих размахов (Х - и MR - карты). Как видно, используются двойные карты, показывающие изменение среднего значения и рассеивание контролируемого параметра процесса. Вмешательство в технологический процесс требуется тогда, когда контролируемый показатель еще удовлетворяет техническим нормативным требованиям, но статистика свидетельствует о наличии неслучайных (неординарных) воздействий. Контрольная карта Шухарта - графическое изображение такого контроля. При установке верхней границы UCL (Upper Control Limit) и нижней LCL (Lower Control Limit) используем индекс воспроизводимости С который при нормальном распределении показателя равен: С = (UCL - LCL) / 6ег. При Ср=1 вероятность брака составляет 0,27%, т.е. один ложный выброс на 270 статистических выборок, т.е. Ср показывает связь между характеристиками технологического процесса и допуском по документации.
Рассмотрим использование карт Шухарта при многомерном контроле. Пусть Х - карты Шухарта используются для одновременного контроля д показателей качества Х1,Х2,...,Х (одновременно ведется д карт для каждого из показателей X.: j = 1...р).
Случай, когда эти показатели некоррелированы, подробно рассмотрел Т. Андерсон еще в 60-х годах прошлого века [50]. Статистический контроль сводится к построению карт по каждому показателю pj индивидуально, их содержание сводится в общий набор. При наличии выброса (нарушение технологического процесса) в любой карте показатель pj выводится по схеме “или” на экране оператора.
Однако, если контролируемые показатели качества оказываются заметно взаимозависимыми, то определение совместного уровня значимости (вероятности ложной тревоги) невозможно при контроле по отдельным показателям, коррелированными между собой. Проиллюстрируем это на примере двух показателей. Пусть А1 - событие, состоящее в попадании показателя Х1 в доверительную область, А2 - аналогичное событие для показателя Х2; при независимых событиях вероятность попадания обоих показателей в доверительную область равна: Р(А1А2) = Р(А1 )Р(А2), а в случае зависимых показателей по известной формуле теории вероятностей равна: Р(А1А2) = Р(А1)Р(А2/ А1). Определение условной вероятности Р(А2/А1) попадания показателя Х2 в заданную область в предположении, что Х1 уже находится в ней, практически нереально даже для двух показателей.
Метод оценивания параметрической надежности электронного модуля на выходном контроле
Известно, что для цифровых устройств 8090% мощности потребления рассеивается в виде теплоты, что является исходным фактором при решении задачи передачи теплоты от модуля ЭМ1 далее в конструкцию [96].
В конструктиве «Red Stone» типоразмера 6U стандарта «Евромеханика» (типовое решение для АПЛ при модернизации) для съема теплоты с элементов модуля применяются интегральные радиаторы из сплава алюминия, при конструировании которого необходимо учесть два фактора: среднее рассеяние мощности по площади печатной платы модуля составляет 0,050,07 ВТ/см2, допустимая температура Si кристалла составляет 150ОС. Алюминий (его сплавы) выбран в качестве материала для радиатора по двум аргументам: минимальная масса, высокий коэффициент теплопроводности.
Минимизация массы - важнейшее условие конструирования бортовой аппаратуры. В условиях АПЛ масса несущих конструкций достигает 70% от общей массы радиоэлектронной аппаратуры. Коэффициент теплопроводности алюминия и его сплавов ат [кал/(ссмОС)] составляет 0,290,37, у стали 0,10-0,14 и только у меди (и ее сплавов) 0,54. Однако, поскольку металл интегрального радиатора подвержен в конструкции «Евромеханики» механическим колебаниям, то со временем появляются микротрещины. Рост последних определяется особенностями микроструктуры марки металла, условиями окружающей среды и т.д. Срок службы радиатора при вибровоздействиях определяется числом циклов до разрушения, которое может выдержать конструкция при заданном уровне механической нагрузки и внешних условиях. 14 Усталостные характеристики конструкции радиатора снимаются экспериментально на группе образцов при знакопеременной повторяющейся нагрузке т как функция числа циклов Рис. 3.20 - Усталостные характеристики рис.3.20. алюминиевого радиатора
При определении срока службы вычисляются собственная резонансная частота f0, динамические напряжения Рд в конструкции радиатора и изгибающие напряжения у. Далее по рис.3.20 находим число циклов разрушения n, отсюда и сроки службы t = n/f0. Количество теплоты, удаляемое от поверхности модуля S естественной конвекцией без установки радиатора, в общем случае составит [97]: S . Q = a —-At-с, где Q [Вт], S [cм2 ], - длина пути теплового потока [см], д = t - tкор - разность температур между окружающей средой и температурой на корпусе ИМС, с - постоянная, зависящая от ориентации поверхности модуля (колеблется в пределах 0,30,55).
На рис. 3.21 приведена диаграмма распределения температуры вдоль электронного модуля ЭМ1, установленного в блок (модуль ЭМ2). Температуры tвх, tвых привязаны к внешним сторонам блока, tокр установившаяся температура воздуха между модулями. Поскольку в конструкции АПЛ имеем естественную конвекцию воздуха, то tокр определяется теплом от корпусов, установленных на печатную плату ИМС. Температура на корпусе ИМС определяется соотношением: t = R Р 1кор - к-к имс , где -к [град/Вт] - тепловое сопротивление «корпус-кристалл» (параметр из ТУ), Римс - средняя мощность, рассеиваемая ИМС.
В итоге образуется температурная ступенька At = tкор - tокр, выделяемую при этом теплоту с корпуса ИМС площадью Sк по основанию можно оценить по выражению [97] бимс = 4,2 10-4 hс Sк At, где hс=0,25(55At/к )1/4 - коэффициент кондуктивной теплоотдачи от корпуса микросхемы, Sк[см2] - размеры ИМС по площади, Практически эта величина составляет несколько Вт и перепад температур At от модуля в целом, без применения специальных мер, составляет до 30О С. Указанные числовые значения недопустимы, т.к. приводят к отказу ЭРИ. Единственным реальным выходом является установка интегрального радиатора, который позволяет переносить теплоту от микросхем модуля в систему общего теплостока. При этом необходимо обеспечить (по опыту ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат») Аґ 6-=-7oC [98].
Рассмотрим алгоритм проектирования радиатора, который предназначен для реализации на ПЭВМ в САПР РСАD. Исходными данными этого алгоритма является образмеренная топология расположения элементов на плате и параметры механического станка. В результате работы необходимо получить файл для фрезерного станки с ЧПУ, на котором изготавливается радиатор.
Алгоритм данной программы представлен на рис.3.23, фотография радиатора (в качестве примера) для модуля БТ 62-401 представлена на рис. 3.22. Приведем краткую характеристику основных блоков алгоритма. Блок «Анализ конфигурационного файла» - в данном блоке разрабатываются исходные данные по масштабу чертежа, диаметрам отверстий, анализа таблицы параметров инструмента и станка с ЧПУ и т.д. Блок «Настройка параметров» - несет ответственность за подготовку параметров внутри самой программы. Блок «Выбор входного файла» - обрабатывает РСВ файл. Блок «Создание PDF-файла» - осуществляет формирование PDF- файла путем запуска программы PDIF- out, входящей в САПР РСАD. Блок «Определение базовой точки радиатора» - выполняет функцию создания точки начала координат, необходимой для дальнейшей «привязки» координат вырезов и отверстий в радиаторе. Блок «Определение границ радиатора и координат вырезов» -функционирование данного блока заключается в автоматическом обсчете координат отверстий и координат вырезов, грубо прорисованных конструктором. Блок «Определение координат отверстий в радиаторе» - в данном блоке учитываются отверстия с разрешенным типом и не попадающие внутрь вырезов. Блок «Определение для каждого типа отверстия необходимого параметра» -работа данного блока заключается в определении рекомендуемого диаметра отверстия с учетом выбранного метода металлизации. Блок «Коррекция значений диаметров пользователем» - функция данного блока заключается в предоставлении таблицы соответствия номера инструмента его диаметру, в которой пользователь имеет возможность провести коррекцию. Блок «Создание текстового файла с информацией для создания радиатора» - в файле данного блока указываются координаты границ радиаторов, координаты вырезов, диаметры и координаты отверстий, а также количество отверстий каждого типа.