7 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ

7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 7. 1 Понятие о технологическом процессе изготовления электронных устройств Технологический процесс изготовления электронной аппаратуры представляет собой сложный комплекс действий исполнителей и оборудования по преобразованию исходных материалов и комплектующих элементов в готовое изделие. Технологические процессы изготовления конкретного электронного устройства базируется на типовых технологических процессах. К типовым технологическим процессам блока, субблока и функционального узла относятся: 1) входной контроль комплектующих; 2) технологическая тренировка комплектующих элементов и узлов; 3) сборка; 4) электрический монтаж; 5) технический контроль монтажа и сборки; 6) защита изделия от влияния внешней среды; 7) технологическая тренировка изделия; 8) регулировка (настройка) изделия; 9) испытания изделия; 10) выходной контроль. 1

Операцией называется часть технологического процесса, выполняемая над определенной деталью (или совокупностью нескольких деталей или сборочных единиц) одним рабочим (или отдельной группой рабочих) непрерывно и на одном рабочем месте. Операция технологического процесса – основная единица производственного планирования. На основе суммирования на отдельные операции определяют потребности в рабочей силе, планируют загрузку оборудования и др. Основными документами при разработке технологических процессов являются технологические карты. На предприятиях, выпускающих электронные устройства, применяют в основном технологические карты двух видов: маршрутные и операционные. Установкой называют часть операции, выполняемую при одном закреплении детали, а также сборочной единицы. Позицией называют каждое новое положение детали или сборочной единицы относительно оборудования при одном из закреплении. Переходом называют часть операции, установки или позиции, выполняемую без изменения места обработки, инструмента и технологического режима. Технологические процессы разрабатывают на основе ряда документов: деталь -ных и сборочных чертежей, электромонтажных схем, технических условий и др. Основными документами при разработке технологических процессов являются технологические карты. На заводах, производящих электронные изделия, применяют в основном технологические карты двух видов: маршрутные и операционные. 2

Маршрутные карты определяют последовательность прохождения обрабатываемой единицы (детали, узла, устройства) по цехам и содержит описание операций, производимых над ней, без выделения каждой операции отдельным документом. Операционные карты разрабатывают отдельно на каждую операцию. Они содержат полный перечень всех переходов с подробным изложением данных о режимах, методике технического контроля, геометрических и других параметрах, измерениях и испытаниях. Операционная карта, как правило, содержит эскизный чертеж, изображающий деталь или узел, с указанием мест обработки, способа закрепления, размещения инструмента. В операционную карту включены сведения об изделии, необходимые как рабочим, так и работникам отдела технического контроля, позволяющие при работе обходиться без чертежей. В технологических инструкциях, помимо технологических режимов даются физические и химические обоснования процессов, имеющих место при обработке, излагается последовательность монтажа, настройки и испытания электронного устройства. 3

7. 2 Параметры технологического процесса изготовления электронных устройств К основным параметрам технологического процесса изготовления электронного устройства, а также его частных технологических процессов относят: - точность; - надежность; - экономичность; - производительность. Точность технологического процесса. Под точностью технологического процесса понимают степень соответствия изготовленного изделия требованиям технических условий. Причинами несоответствия выходных параметров являются неизбежные производственные погрешности, являющиеся следствием отклонения режимов технологических процессов отклонений значений величин резисторов, конденсаторов, транзисторов, микросхем от требуемых и т. д. Выходной параметр изделия представляет собой функцию нескольких переменных (параметров схемных элементов), т. е. где N – выходной параметр схемы; q 1, q 2, q 3, … qi – параметры элементов схемы. 4

Для функции нескольких переменных при условии ее дифференцируемости по формуле полного дифференциала можно записать Переходя от дифференциалов к конечным приращениям при условии малости последних Разделив (3) на (1), получим искомое выражение в общем виде, которое после математических преобразований можно записать уравнение погрешности выходного параметра здесь А 1, А 2, А 3, … , Аi - коэффициенты перед производственными погрешностями параметров входящих элементов; 5

Надежность технологического процесса. Под надежностью технологического процесса понимают способность процесса обеспечивать выпуск изготавливае -мых изделий в полном соответствии с технической документацией, т. е. годных изделий. Надежность технологического процесса чаще всего понимают как вероятность того, что в результате технологического процесса изготавливаемое изделие будет годным. Технологический процесс состоит из ряда технологических операций и потому надежность технологического процесса равна произведению надежности операций где Нi – надежность i-той операции; К – общее количество операций. Экономичность технологического процесса. Себестоимость изделия слагается из стоимости основных материалов, заработной платы производственных рабочих и суммы косвенных затрат, исчисляемых в процентах к заработной плате. При выборе варианта технологического процесса отпадает необходимость в расчете полной себестоимости, величина которой зависит от варианта технологического процесса. 6

Производительность технологического процесса Производительность процесса определяется количеством деталей или узлов (изделия), изготавливаемых в единицу времени (час, смену). Повышение производительности труда достигается рядом факторов, таких как: 1) повышение технологичности конструкций электронных устройств; 2) специализация производства; 3) технический прогресс в области заготовительного производства; 4) повышение производительности при сборочно-монтажных работах; 5) внедрение технологических процессов и специальной технологической аппаратуры при регулировочно-настроечных работах; 6) применение средств вычислительной техники технологической подготовке производства. 7

7. 3 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ По влиянию на формирование количественных показателей функциональных узлов все технологические операции условно могут быть разбиты на три основные группы: - активные формирующие; - активные преобразующие; - пассивные операции. К активным формирующим относят такие операции, в процессе которых формируется данный количественны показатель (выходной параметр) функционального узла. Для функциональных узлов, спроектированных на дискретных элементах, такими операциями являются сборочно-монтажные операции: сборка, пайка. К активным преобразующим относят такие операции, в результате воздействия которых изменяется количество рассматриваемого показателя (выходного параметра) узла, хотя структура показателя остается неизменной (т. е. меняется только величина параметра, а не сам параметр узла). Примерами таких операций могут служить заливка, обволакивание, технологическая тренировка, термоциклирование и др. К пассивным операциям относят такие, которые непосредственно не влияют на количественные показатели изделий (например, покраска, маркировка и др. ). 8

Технологический процесс производства функциональных узлов можно представить в виде структурной схемы, состоящей из цепочки последовательных звеньев. Каждую из активных операций технологического процесса можно привести к схеме, состоящей из входных характеристик, объекта производства и выходных характеристик. x 1 x 2 xi xn ТО-1 y 11 y 21 yj 1 yk 1 y 12 ТО-2 y 22 yj 2 yk 2 y 1 m y 2 m ТО-m yjm ykm Входными характеристиками формирующих операций могут быть параметры комплектующих элементов или их погрешности; для преобразующих операций – выходные параметры, измеренные на выходе предыдущей операции, или их погрешности. Выходными характеристиками могут являться абсолютные значения выход -ных параметров узлов и блоков, измеренные непосредственно после операции, или погрешности (абсолютные или относительные) выходных параметров. Различают функциональную и технологическую точность. 9

Функциональная точность определяется как требуемая точность выходных параметров системы, обеспечивающая ее нормальное функционирование согласно техническим условиям. Требуемая точность задается допуском, т. е. предельным отклонением выходных параметров. Технологическая точность – это реально существующая точность выходных параметров функциональных узлов в процессе их изготовления при выбранном варианте технологии, характеризующаяся вариацией параметров. Функциональная точность Как правило, функциональная точность аппаратуры блоков известна, а функциональная точность узлов и блоков рассчитывается. При этом должно обеспечиваться соотношение: где δN - половина поля допуска на выходной параметр электронной системы по ТУ; δi - половина поля допуска на выходной параметр i-того функционального узла; f – функция, характеризующая взаимосвязь выходного параметра электронной системы с параметрами ее узлов, блоков и (или) элементов. 10

- Суммарный допуск на выходной параметр электронной системы δN может быть разбит на составляющие в зависимости от вида воздействий на них (механических, температурных, временных и т. д. ). Каждая из составляющих суммарного допуска может быть представлена как: ………………… где - половины полей производственных допусков (для нормальных условий) на выходные параметры электронного устройства и его функциональных узлов (блоков); - половины полей температурных допусков на выходные параметры электронного устройства и его функциональных узлов; - половины полей допусков на выходные параметры электронного устройства и его функциональных узлов (блоков), учиты-вающих старение элементов. 11

Технологическая точность – это реально существующая точность выходных параметров функциональных узлов в процессе их изготовления при выбранном варианте технологии, характеризующаяся вариацией параметров. Технологическая точность определяется точностью процесса изготовления и точностью параметров комплектующих изделий (деталей, функциональных узлов, блоков). В общем случае необходимо добиваться того, чтобы технологи-ческая точность не превышала функциональную. В некоторых случаях такое соотношение выполнить невозможно или экономически нецелесообразно. Тогда возникает ситуации, когда в процессе изготовления возможен технологический отход. На практике это выражается в наличии изделий, которые не удовлетворя-ют требованиям документации и эти изделия отбраковываются. В связи с этим возник термин «выход годных» , который представляет собой отношение коли-чества годных изделий после измерения параметров после операции к количес-тву изделий или их компонентов, поступивших на операцию. Вариации параметров в процессе производства зависят от производственных погрешностей. Под производственными погрешностями понимаются отступления от номинальных данных, указанных в технической документации. Погрешности могут быть случайными и систематическими. При одновременном воздействии факторов, вызывающих погрешности, в общем случае вариация параметров изделия, как случайных величин, может быть оценена их кривой распределения. 12

Мерой технологической точности являются ее количественные показатели, характеризующие поле отклонений, а именно, размах Rx или среднеквадратическое отклонение σх: где - среднее значение величины. Оценка рассеивания с помощью относительного среднеквадратического отклонения, т. е. коэффициента вариации V(x): где Мх – центр группирования отклонений. Наиболее полной оценкой технологической точности является аналитическое выражение закона распределения погрешностей параметров. Чаще всего пользуются аппроксимацией реальных распределений тем или иным видом канонического распределения (законами Гаусса, Релея, Максвелла, Симпсона, равновероятностным распределением, распределением Вейбулла и т. п. ). 13

На законы распределения производственных погрешностей существенно влияют условия возникновения погрешностей. Будем считать, что имеют место следующие условия возникновения погрешностей: 1. Производственная погрешность представляет собой сумму частных погрешностей, которые вызываются действием большого числа случайных и некоторого числа систематических первичных факторов. 2. Число случайных факторов и параметры вызванных ими частных погрешностей не изменяются во времени. 3. Среди частных погрешностей нет доминирующих, т. е. все случайные факторы по своему влиянию на общую погрешность составляют величины одного порядка. 4. Все случайные факторы взаимно независимы, что является характерным для тех случаев, когда рабочий не имеет возможности влиять на работу оборудования в процессе изготовления детали, т. е. при автоматически работающем оборудовании. 5. Для всех экземпляров деталей остаются одинаковыми как число систематических факторов, так и значения вызванных ими частных погрешностей. 14

Погрешности, возникшие при описанных условиях распределяются по закону Гаусса, который также называют законом нормального распределения. где - плотность распределения; х – отклонение от центра группирования; σ - среднее квадратичное отклонение, являющееся мерой рассеивания отклонений. х 0 Кривая распределения по закону Гаусса 15

Если имеются систематические причины, вызывающие постоянное смещение отклонений на величину М(х), то полное рассеивание для всей партии по-прежнему распределяется по кривой Гаусса, но с центром группирования смещенным относительно первоначального на М(х). σ Δ 0 i δi х σ δi Характеристики поля допуска Δ 0 i – координата середины поля допуска i-того элемента относительно номинального значения; δi – половина абсолютной величины поля допуска i-того элемента. Считая номинальное значение параметра детали за начало координат, это требование к настройке можно записать: М(х) = Δ 0 i. 16

Если среди причин, вызывающих производственные погрешности, имеется доминирующий фактор, равномерно изменяющийся во времени, то полное рассеивание отклонений погрешностей одной производственной партии должно соответствовать закону равной вероятности. При наличии замедленного изменения во времени сильно доминирующего фактора полное рассеивание отклонений одной производственной партии должно подчиняться закону равномерно возрастающей вероятности. Для производства электронных устройств характерно смешение партий деталей. В этом случае могут быть получены разнообразные кривые распределения, вид которых определится неоднородностью партий. 0 Кривая распределения по закону Максвелла х 0 х Кривая распределения с наличием смешения различных партий комплектующих 17

7. 4 Методы анализа производственных погрешностей Для анализа производственных погрешностей используется два основных метода: статистический и расчетно-аналитический. Статистический метод анализа производственных погрешностей основан на большом числе наблюдений и позволяет получить данные, характеризующие погрешность, которая возникает в результате взаимодействия ряда факторов, на основе измерения одной или нескольких партий изделий, полученных в определенных условиях. Таким образом, статистический метод позволяет определить результирующую погрешность, но не дает возможности выявить причинные зависимости. Расчетно-аналитический основан на выявлении (аналитическим или экспериментальным путем) функциональных зависимостей между производственными погрешностями и причинами их возникновения. Расчетно-аналитический и статистический методы не исключают, а дополняют друга, поэтому на практике их необходимо сочетать. 18

7. 4. 1 Статистический метод анализа производственных погрешностей Статистический метод можно включает в себя следующие действия: 1) наблюдения изучаемого узла (измерение параметров, определение свойств и т. п. ); 2) группировка полученного при наблюдениях статистического материала; 3) сводка результатов наблюдения и вычисления параметров распределения изучаемого узла; 4) анализ параметров распределения изучаемого узла. Вычисление характеристик распределения погрешностей проще и удобней производить не по данным вариационного ряда, а по данным, предварительно сгруппированным в интервалы значений. Приближенно число интервалов вычисляют по формуле где N – число элементов в исследуемой партии. Ширину интервалов выбирают с учетом числа интервалов по формуле 19

№ интер вала 1 Границы интервала Середина интервала Частота Частость mj mj /n хmin + Δх хmin + 2Δх m 1/n m 2/n 3 хmin - 0, 5Δх ÷ хmin + 1, 5Δх ÷ хmin + 2, 5Δх m 3/n … ………………. . K хmax - 0, 5Δх ÷ хmax + 0, 5Δх хmax ……………. m. K ……………… m. K/n Σ N 1, 0 2 20

7. 4. 2 Расчетно-аналитические методы оценки производственных погрешностей Расчетно-аналитические методы расчета производственных погрешностей параметров узлов, блоков и устройств: - метод максимума-минимума; - метод квадратичного сложения; - метод, использующий основные положения теории вероятности. Метод максимума-минимума - производится арифметическое суммирование предельных отклонений от всех факторов. Отдельно складываются все плюсовые отклонения и все отдельно – минусовые. Этот метод при довольно разнообразных и вполне реальных комбинациях погрешностей элементов схемы дает преувеличенные значения производственной погрешности выходного параметра (1, 5 -10 раз). Метод квадратичного сложения подразумевает суммирование предельных отклонений параметров элементов схемы квадратичное, т. е. через корень квадратный из суммы их квадратов. Недостатком метода является трудности учета и правильного суммирования величин, характеризующих центры группирования отклонения элементов схемы и поле допуска, а также квадратичное суммирование предельных, а не среднеквадратических отклонений. Результаты расчетов этого метода дает заниженные (примерно в 1 -6 раз) значения производственной погрешности выходного параметра. Метод, использующий основные положения теории вероятности предусматривает применение, в соответствии с теорией вероятностей, следующих правил суммирования независимых составляющих отклонения выходного параметра: - алгебраическое суммирование величин, характеризующих центры группирования погрешностей, т. е. средних значений; - квадратическое суммирование величин, характеризующих рассеяние погрешности, т. е. среднеквадратических отклонений. 21

7. 5 Методы определения коэффициентов влияния в уравнениях погрешности выходных параметров функциональных узлов 7. 5. 1 Экспериментальный метод При использовании этого метода данные получаются по результатам эксперимента. Сущность метода вытекает из рассмотрения уравнения погрешности выходного параметра Уравнение является линейным и позволяет анализировать действие каждой погрешности отдельно, считая, что параметры других элементов не имеют производственных погрешностей. Из уравнения погрешности выходного параметра видно, что при малом отклонении одного из параметров от номинального значения и сохранении постоянными других значений параметров схемных элементов производственная погрешность выходного параметра будет определяться только погрешностью одного параметра одного схемного элемента, тогда откуда Методом малых приращений сравнительно быстро определяют значения коэффициентов влияния, особенно для тех погрешностей параметров схемных элементов, которые оказы-вают сильное влияние на погрешность выходного параметра 22 функционального узла.

7. 5. 2 Расчетный метод Метод частных производных предполагает наличие аналитического выражения, связывающего выходной параметр с производственными погрешностями. Разложив уравнение в ряд Тэйлора (ограничиваясь членами первого порядка малости), вычитая из него выходной параметр, переходя к конечным приращениям и деля полученное выражение на исходное для выходного параметра, получим: Таким образом, имея аналитическое выражение выходного параметра функционального узла и произведя его дифференцирование, можно получить уравнение погрешности этого параметра с вполне определенными значениями коэффициентов влияния. Определять коэффициенты влияния методом дифференцирования сложно и трудоемко. Вывод уравнения погрешности выходного параметра функционального узла, содержащего 6÷ 10 деталей, связан с достаточно громоздкими преобразованиями и вычислениями. 23

Метод раздельного дифференцирования предполагает наличие аналитического выражения выходного параметра узла как функция параметров схемных элементов. Пользуясь этим методом, можно, не прибегая к нахождению частных производных, определять коэффициенты влияния в уравнениях погрешности выходного параметра по определенным правилам, которые легко доказываются, если взять полный дифференциал заданной функции выходного параметра и разделить его на исходное выражение. 24

7. 6 Точность и устойчивость технологических процессов Кривая распределения и поле допуска Мх – центр группирования отклонений; σх - среднеквадратическое отклонение; Δх – координата середины поля допуска элемента относительно номинального значения; δх – половина абсолютной величины поля допуска i-того элемента. 25

Для оценки точности ТП нужно оценить отклонение среднего значения вели-чины от номинала. Отклонение считается незначимым, если выполняется неравенство где - номинальное значение исследуемого параметра, взятое из ТУ или по маркировке элементов; t - уровень значимости, который определяется из условия требуемой надежности выводов. Обычно принимают t =3, что соответствует надежности выводов р = 0, 9973 при нормальном распределении. Коэффициент αi характеризует несимметричность распределения отклонений параметров схемного элемента относительно середины поля допуска, т. е. откло -нение среднего значения от Мх, выраженное в долях поля допуска Коэффициент относительного рассеивания Кi служит мерой сравнения величины рассеивания i-того элемента схемы с величиной поля допуска по ТУ. Его величину вычисляют по формуле 26

Качество электронного устройства зависит от состояния технологического процесса, его устойчивости и точности. Полная устойчивость технологического процесса означает, что колебания проверяемых признаков качества точно соответствуют кривым нормального распределения, причем среднее значение проверяемого признака качества постоянно совпадает с центром поля допуска, а все отклонения располагаются в контрольных границах, меньших, чем поле допуска. 27

Общее распределение параметров складывается из мгновенного распределения размахов R 1, R 2, …, Rn, которое является результатом воздействия случайных причин, а также изменения положения центра группировки (центра настройки) под действием систематических причин. Коэффициент смещения процесса относительно середины допуска определяется по формуле где Δ 0 i – середина поля допуска; 2δ – величина поля допуска. 28

Показатель точности процесса определяется по формуле где R – величина размаха. Величина К 2 характеризует соотношение между физической точностью работы оборудования и допуском на контролируемый параметр. Если 0, 6 < К 2 ≤ 0, 85, то точность процесса достаточна и удовлетворяет требова -ниям статистического контроля. При К 2 > 0, 85 необходимо увеличить точность обработки или расширить поле допуска. При К 2 < 0, 60 точность процесса чрезмерная и работа может быть выполнена на менее точном оборудовании. Степень устойчивости процесса по параметру измеряется коэффициентом К 3, определяемым по формуле 29