Автоматизация управления процесса поверхностной термодиффузии межсоединений многослойных печатных плат при обеспечении требуемых параметров надёжности

Актуальность работы. Современный этап развития машиностроения позволяет перейти на новый уровень надёжности и энергосбережения систем управления приводных двигателей станков с числовым программным управлением (ЧПУ) при интеграции достижений математического моделирования с комплексной автоматизацией подготовительных операций в автоматизированной системе технологической подготовки производства (АСТПП).

При использовании аналоговых систем управления приводных вентиль-но-реактивных двигателей станков с ЧПУ значительное влияние на надёжность всей системы оказывала надёжность отдельных электронных элементов из-за их большого количества. В современных микроконтроллерных системах управления количество электронных элементов сведено к минимуму и значительное влияние на их надёжность оказывает достаточно большое количество межсоединений многослойных печатных плат (МПП), на долю которых приходится около 52−58% случаев отказа систем управления.

Выявлено, что при интенсивности отказов межсоединений МПП порядка 10″ 6 — 10″ 7 ч" 1 параметры надёжности системы управления вентильно-реактивного двигателя на 50−60% определяется надёжностью межсоединений МПП, тогда как при интенсивности отказов порядка 10″ 8 ч" 1 эта величина составляет 7−10%. Однако имеющиеся технологические процессы изготовления МПП не всегда позволяют достичь требуемой интенсивности отказов межсоединений в единичном и мелкосерийном производстве на предприятиях машиностроительного профиля, не имеющих дорогостоящих высокоточных поточных линий изготовления МПП. Указанные параметры надёжности межсоединений МПП могут быть достигнуты за счёт введения технологической операции термодиффузионной обработки. При этом улучшаются показатели работоспособности станков с ЧПУ и время работы оборудования по назначению. Как следствие снижается прямой и косвенный ущерб от отказов межсоединений МПП в системах управления приводными двигателями в станках с.

ЧПУ. В результате применения межсоединений с требуемыми значениями параметров надёжности экономический эффект на одном из машиностроительных предприятий составил 1,34 млн руб. в год.

Таким образом, обеспечение требуемых значений параметров надёжности межсоединений МПП с использованием автоматизированного процесса поверхностной термодиффузии является актуальным.

Цель работы. Обеспечение требуемых значений параметров надёжности межсоединений МПП, применяемых для построения систем микроконтроллерного управления вентильно-реактивными двигателями, с определением режимов процесса поверхностной термодиффузии в автоматизированной системе технологической подготовки производства (АСТПП).

Объект исследования. АСТПП многослойных печатных плат микроконтроллерных систем управления вентильно-реактивными двигателями в части, касающейся изготовления межсоединений.

Предмет исследования. Математическое моделирование параметров надёжности межсоединений МПП с учётом корреляционной взаимосвязи электрических сопротивлений межсоединений слоев.

Методы исследования. Базируются на математическом аппарате век-торно-матричного исчисления, теории вероятностей, теории надёжности и статистического моделирования. Статистическими данными, используемыми в работе, являются полученные экспериментально значения электрического сопротивления межсоединений МПП и их надёжность. Также использовались полученные моделированием, распределённые по нормальному закону, корреляционно связанные случайные величины сопротивлений межсоединений МПП с заданными среднеквадратическими отклонениями (СКО) и коэффициентами корреляции.

Научная новизна результатов исследования заключается в том, что:

1. Разработан метод моделирования надёжностных параметров межсоединений МПП, отличающийся тем, что позволяет повысить точность обработки экспериментальных значений электрического сопротивления межсоединений с помощью регрессионного анализа, учесть взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений слоев МПП приведением к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы.

2. Предложена методика решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, отличающаяся тем, что позволяет для заданных значений параметров надёжности получить значение допустимого электрического сопротивления межсоединений с учётом взаимосвязи электрических сопротивлений межсоединений слоёв МПП.

3. Построен алгоритм функционирования автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП в части выбора режимов термодиффузионной обработки, отличающейся тем, что позволяет определять режимы технологического процесса изготовления для получения межсоединений требуемой надёжности с применением термодиффузионной обработки.

Практическая ценность и результаты внедрения работы Основные результаты работы внедрены в ОАО «Электроагрегат» г. Курск, а именно: использованы в автоматизированной системе технологической подготовки производства микроконтроллерных систем управления.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-технической конференции в «on-line chate» по адресу: http//conf.volpi.ru (г. Волгоград, 2004 г.) — научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации 2005» (г. Курск, 2005 г.) — Международной научно-практической конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий, Инноватика -2006» (г. Сочи, 2006 г.) и др.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, учитывающий взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений различных слоёв МПП путём приведения к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы;

2. Методика решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений Ml 111, позволяющая для заданных параметров надёжности межсоединений определить допустимое начальное электрическое сопротивление межсоединений Ml 111 с учётом взаимосвязи сопротивлений межсоединений слоев;

3. Алгоритм функционирования автоматизированной системы технологической подготовки производства МПП в части выбора режимов термодиффузионной обработки в части технологической операции термодиффузионной обработки, позволяющий определять режимы технологического процесса изготовления для получения межсоединений требуемой надёжности с применением термодиффузионной обработки.

Содержание диссертации раскрывается в четырёх разделах.

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и задачи исследования, дана общая характеристика выполненной работы, раскрыта научная новизна и практическая значимость исследований.

В первом разделе проведён анализ современной научно-технической и производственной базы моделирования надёжностных параметров межсоединений МПП на основе отечественных литературных источников. Излагаются основные положения расчета параметров надёжности. Рассмотрены общие вопросы построения математических моделей. Приведено описание методов повышения точности моделирования параметров надёжности межсоединений МПП. На основании выводов по первому разделу сформулированы основные задачи исследования.

Во втором разделе диссертации разрабатывается метод математического моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, учитывающий корреляционную взаимосвязь значений электрического сопротивления межсоединений МПП слоёв. Разработан метод моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, учитывающий взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений различных слоёв МПП путём приведения их к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы. Предложена методика решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений, результатом которой являются значения допустимых сопротивлений межсоединений МПП, распределённых по поверхности МПП для каждого слоя при заданных параметрах надёжности межсоединений.

В третьем разделе проведена оценка адекватности математической модели надёжности межсоединений МПП, достоверности процесса моделирования значений параметров надёжности межсоединений и точности решения обратной задачи моделирования. Для этого проводилось вычисление квадратичных форм отклонений значений электрического сопротивления межсоединений относительно их математического ожидания с учётом и без учёта их корреляционной взаимосвязи, проведено имитационное моделирование электрических сопротивлений межсоединений МПП с различным коэффициентом корреляции. Определено рассеяние значений начального электрического сопротивления межсоединений по поверхности МПП.

В четвёртом разделе разработан алгоритм функционирования автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) МПП в части технологической операции изготовления межсоединений. Рассмотрено построение автоматизированной системы контроля, определяющей соответствие надёжности межсоединений по начальным значениям электрического сопротивления межсоединений предъявляемым требованиям. Разработана автоматизированная подсистема управления процесса поверхностной термодиффузией межсоединений, позволяющая улучшить параметры надёжности межсоединений МПП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе зарегистрировано две программы в Реестре программ для ЭВМ и одна заявка на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы из 97 наименований, 6 приложений, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 26 таблиц.

123 ВЫВОДЫ.

1. Основным результатом исследований, приведённых в данном разделе, является разработка автоматизированных средств, позволяющих изготавливать межсоединения МПП с заданными параметрами надёжности и включающих:

— автоматизированную систему технологической подготовки производства;

— автоматизированную подсистему управления процессом поверхностной термодиффузии;

— автоматизированную систему контроля.

Разработанная АСТПП отличается тем, что позволяет выбрать режимы технологических переходов операции изготовления межсоединений МПП для достижения требуемой надёжности.

2. Разработан блок микроконтроллерного управления процессом термодиффузионной обработки, позволяющий автоматизировать технологическую операцию термодиффузии межсоединений с оптимизацией по времени и выбором режима обработки. В процессе работы автоматизированной подсистемы управления процессом поверхностной термодиффузии автоматизировано определяются режимы термодиффузионной обработки для достижения заданных требований надёжности межсоединений МПП.

3. В процессе работы АКС формируются методика и критерии приёма межсоединений МПП отделом технического контроля предприятия для заданных требований надёжности. В качестве критерия приёма межсоединений выступает значение и допустимый интервал рассеяния сопротивления межсоединений, полученные во втором и третьем разделах работы.

4. Разработано основное программное обеспечение подсистем АСТПП в пакете прикладных программ «Matcad 11» без глубокой проработки сервисных программ (подготовка технологических документов и другие).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Установлено, что существующие методы оценки параметров надёжности межсоединений МПП не учитывают взаимосвязь значений электрического сопротивления межсоединений слоёв, что существенно снижает достоверность оценки параметров надёжности межсоединений МПП в системах управления вентильно-реактивных двигателей.

2. Разработан метод моделирования надёжностных параметров межсоединений МПП, отличающийся тем, что позволяет учесть взаимосвязь электрических сопротивлений межсоединений МПП приведением к некоррелированному виду с помощью фундаментальной матрицы, а также повысить точность их измерения выравниванием значений электрических сопротивлений межсоединений по кривой полиномиальной регрессии.

3. При моделировании параметров надёжности межсоединений МПП установлено, что без учёта взаимосвязи их электрических сопротивлений расчётное значение наработки до отказа межсоединений МПП завышается на порядок и более.

4. Выявлена закономерность распределения сопротивления межсоединений по поверхности платы, учёт которой позволил уменьшить рассеяние экспериментальных значений электрического сопротивления межсоединений МПП до 30%.

5. Предложена методика решения обратной задачи моделирования параметров надёжности межсоединений МПП, отличающаяся тем, что позволяет для заданных значений параметров надёжности получить значения допустимого электрического сопротивления межсоединений с учётом взаимосвязи электрических сопротивлений межсоединений слоёв МПП.

6. Установлено, что без учета взаимосвязи электрических сопротивлений межсоединений моделирование параметров надёжности межсоединений адекватно только при малой корреляции данных, тогда как с учётом взаимосвязи — адекватно при любой корреляции значений сопротивлений.

7. Установлено, что при равенстве квадратичных форм электрических сопротивлений межсоединений и коэффициенте парной корреляции г >0,2 целесообразно вести расчёт с учётом корреляционной взаимосвязи сопротивлений межсоединений МПП отдельных слоёв, тогда как при описании области рассеяния сопротивлений межсоединений отдельных слоёв без учёта их корреляционной взаимосвязи последняя остаётся неизменной. При коэффициенте парной корреляции г < 0,2 целесообразно вести расчёт без учёта корреляционной взаимосвязи электрических сопротивлений межсоединений МПП, так как погрешность вычисления области рассеяния сопротивлений межсоединений будет соответствовать погрешности измерительных приборов.

8. Построен алгоритм функционирования автоматизированной системы подготовки производства межсоединений МПП, отличающаяся тем, что позволяет определять режимы технологического процесса изготовления для получения межсоединений требуемой надёжности с применением термодиффузионной обработки.

9. Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что учёт взаимосвязи значений электрического сопротивления межсоединений Ml 111 позволяет более точно рассчитать надёжность изделия, откорректировать сроки гарантийных обязательств, процесс термодиффузионной обработки межсоединений позволит улучшить значения их параметров надёжности.

10. Прикладное значение диссертационной работы заключается в том, что применение ее результатов позволяет решить широкий круг задач машиностроительного и приборостроительного производства, в частности в интегрированной микроэлектронной аппаратуре, а именно получение продукции с требуемыми надёжностными показателями. Результаты диссертации можно применять в машиностроении, текстильной промышленности, радиоэлектронной промышленности, микроэлектронике.

Задачи дальнейших исследований.

1. Повышение точности моделирования параметров надёжности межсоединений МПП за счёт учёта автокорреляционной связи между значениями электрического сопротивления межсоединений разных испытательных циклов в виде автокорреляционной функции.

2. Повышение точности определения начального электрического сопротивления межсоединений для заданных параметров их надёжности путём проведения перераспределения величин разбросов сопротивлений с учетом корреляционной взаимосвязи между значениями электрических сопротивлений межсоединений отдельных слоёв МПП.

3. Оптимизирование автоматизированной подсистемы управления процессом поверхностной термодиффузии межсоединений МПП за счёт вывода аналитических выражений изменения электрического сопротивления межсоединений МПП в процессе их термодиффузионной обработки.