книги / Надежность микросборок

Введение

Проблема надежности всегда стояла перед челове­ чеством. С незапамятных времен люди стремились к созданию надежных изделий и орудий труда. Укрепляя камень на палке, они старались сделать это надежно, Т. е. так, чтобы изготовленное ими орудие не отказало в критический момент. Так было всегда. Однако надеж­ ность изделий и орудий труда обычно обеспечивалась за счет увеличения запаса прочности материалов и ре­ зервирования элементов и устройств. Человек долгое время находился только на Земле, и такие вопросы, как ограничением м.ассы, объема и другие ужесточающие факторы, не имели решающего значения при разработке и изготовлении аппаратуры. Существовавшая пробле­ ма надежности изделий не была явной, удовлетворя­ лась косвенно и не вырастала до размеров самостоятель­ ной проблемы.

С появлением больших технических систем, сложно­ го станочного парка, летательных айпаратов, подводно­ го и надводного флота с многочисленными системами жизнедеятельности и управления, космических, элект­ ронных и микроэлектронных изделий, вычислительных комплексов различных поколений проблема надежности стала выходить из своего «подпольного», нелегального положения и сейчас занимает одно из ведущих мест как в науке, так и в разработке и производстве различных видов больших и малых изделий разнообразного назна­ чения — от систем, обеспечивающих обороноспособ­ ность страны, до элементов домашнего обихода, и ве­ щей личного потребления.

Первоначально казалось, что проблема надежности может быть решена на каком-то определенном этапе, например, конструкторской проработки, Стоит конструк­

тору сделать «хорошую» конструкцию, подобрать соот­ ветствующие материалы, и надежная работа изделия будет обеспечена. На деле оказалось иначе. Одна и та же конструкция может быть по-разному изготовлена, она может эксплуатироваться в разных условиях (кли­ матических и механических нагрузках), а может дли­ тельное время находиться на хранении и т. д. Отсюда возникает необходимость в испытаниях изделий: опыт­ ных, установочных, типовых, периодических, на надеж­ ность, долговечность, срок службы.

Проблема надежности изделий становится пробле­ мой номер один. Иногда с нее и из-за нее начинается разработка изделий, аппаратуры, устройств, приборов, установок, систем.

При разработке систем с высокой степенью инте­ грации и миниатюризации вопросы конструирования не всегда занимают авангардное положение, а постепенно уступают свои позиции технологии, и иногда технолог становится разработчиком, а не исполнителем воли кон­ структора. Такая тенденция особенно ярко проявляется при изготовлении изделий микроэлектроники. Наиболее полно это выражается в микросборках.

Усложнение современной радиоэлектронной аппара­ туры сопровождается повышением требований к надеж­ ности ее работы, уменьшению массы и объема и сни­ жению трудоемкости изготовления. Удовлетворить эти требования может микроэлектроника — электронные устройства с высокой степенью миниатюризации. Одна­ ко вопросы надежности элементов и изделий микроэлек­ троники остаются по-прежнему актуальными.

Изменились изделия, часть конструкторов стала раз­ работчиками сложнейшей аппаратуры и тончайших эле­ ментов, где вопросы прочности уступили первенство во­ просам надежной и долгосрочной их работы, а качест­ венное выполнение каждой операции стало залогом на­ дежной работы всего изделия. С развитием радиоэлект­ ронной и микроэлектронной аппаратуры и больших сложных систем, состоящих из тысяч и сотен тысяч деталей и элементов, каждое из которых не всегда одно­ значно представляет сложную систему с несколькими входами и выходами и имеет не единственное примене­ ние в данной сложной системе, вопросы надежности и долговечности заняли приоритетное положение.

Все больше приходится иметь дело со сложными

системами, что означает и множество элементов, неболь­ шое число связей между ними. От исследования доста­ точно простых, хорошо организованных систем наука и производство перешли к изучению систем сложных, под­ час плохо организованных или слабо надежных и не­ долговечных. Это явилось одной из причин того,, что подход к'надежности не мог оставаться прежним. Поя­ вилась потребность в разработке специальных методов расчета и испытаний надежности как отдельных эле­ ментов, так и систем в целом. Надежность сама стала объектом исследования, и, надо сказать, объектом очень сложным, разнообразным, требующим различных ме­ тодов исследования и соответствующей аппаратуры. В настоящее время надежность — это часто мероприятие, в котором участвует большой коллектив разных специа­ листов. Высокая техническая оснащенность и хорошо развитый математический аппарат — вот что харак­ теризует надежность — науку сегодняшнего дня. Обес­ печение требуемой надежности любого изделия, связан­ ное с теоретическими исследованиями на каждом эта­ пе разработки, и проведение достаточно длительных ис­ пытаний на надежность требуют больших ассигнова­ ний. Темпы роста ассигнований не могут оставаться по­ стоянными — они должны снижаться. Поэтому необ­ ходимо повысить эффективность работ по расчету на­ дежности и оптимизации испытаний на надежность.

Конструирование и/изготовление микросборок суще­ ственно отличаются от производства дискретных изде­ лий. При этом надежность микросборок значительно выше, чем у аналогичных устройств из дискретных эле­ ментов, что обусловлено резким уменьшением числа сое­ динений, вспомогательных конструктивных элементов, ничтожной массой пленок и их надежным контактом

çповерхностью подложки, стерильностью производства

иуменьшением ручного труда. Однако последующий монтаж компонентов и сборочные работы создают пред­ посылки для получения дефектных или ненадежных мик­

росборок.

С точки зрения надежности любую микросборку можно представить в виде сложной системы, состоящей из множества различных элементов и узлов, обладаю­ щей определенной структурой, обеспечивающей надеж­ ную работу всей микросборки, содержащей заданную избыточность, резервирование и другие виды конструк­

тивных и технологических решений, способствующих сохранению надежности микросборки в период эксплуа­ тации.

В отличие от сложных систем микросборка представ­ ляет собой законченное, единое целое изделие, часто не подлежащее восстановлению. Отсюда возникают трудности оценки и обеспечения надежности микросбо­ рок на всех этапах их существования.

Качество и надежность

В большинстве случаев о надежности продукции упо­ минают, говоря о ее качестве. Что такое качество? Под качеством продукции мы понимаем совокупность свойств, определяющих степень ее пригодности для ис­ пользования по назначению. Каждой вещи, изделию, виду продукции в зависимости от ее назначения свой­ ственны свои особые, присущие только ей показатели качества.

Для продуктов питания важно, чтобы они были све­ жими, питательными, вкусными. Качество обуви опре­ деляется ее прочностью, эластичностью кожи, удобст­ вом колодки, ее соответствием моде. Пригодность каж­ дой вещи, изделия определяется не каким-либо однйм свойством, а совокупностью свойств. Обувь, например, может быть прочной, но если она не соответствует мо­ де, она уже менее пригодна для использования и, сле­ довательно, качество ее ниже.

Наоборот, чем лучше данное изделие может быть использовано по своему прямому назначению, чем боль­ ше оно удовлетворяет нас по всем своим признакам и свойствам, тем выше и его качество.

Человек всегда стремился создавать изделия хоро­ шего качества. Известен указ Петра I, показывающий, какое значение он придавал качеству изготовляемого оружия.

«§ 1. Повелеваю хозяина Тульской оружейной фабрики Корнилу Белоглаза бить кнутом и сослать в рабо­ ту в монастыри, понеже он, подлец, осмелился вой­ ску государеву продать негодные пищали и фузеи. Старшину олдермана Фрола Фукса бить кнутом и ’сослать в Азов, пусть не ставит клейма на плохие ружья.

§2. Приказываю ружейной канцелярии из Петербурга переехать в Тулу и денно и нощно блюсти исправ­ ность ружей. Пусть дьяки и подьячие смотрят, как олдерман клейма ставит, буде сомнение возьмет, самим проверять и смотром и стрельбою. А два ружья каждый месяц стрелять пока не испортят­ ся. Буде заминка в войске приключится, особливо при сражении, по недогляду дьяков и подьячих, бить оных кнутами нещадно по оголенному месту; хозяину — 25 кнутов и пени по червонцу за ружье;

старшего олдермана бить до бесчувствия; старшего дьяка — отдать в унтер-офицеры; дьяка — отдать в писари; подьячего — лишить воскресной чарки сроком на один год.

§3. Новому хозяину ружейной фабрики Демидову по­ велеваю построить дьякам и подьячим избы, дабы не хуже хозяйской были. Буде хуже, пусть Деми­ дов не обижается, повелю живота лишить.

Петр I».

Почти четыре тысячи лет назад в Вавилоне суще­ ствовал закон, что, если построенный архитектором дом развалится и при этом погибнет его владелец, архитек­ тор подлежит смертной казни. Если погибнет не только владелец дома, но и члены его семьи, смертной казни подлежат и члены семьи архитектора.

Необходимость неуклонного повышения качества отг носится не только к товарам широкого потребления, но и к машинам, аппаратуре, приборам и другим техниче­ ским устройствам и изделиям производственного назна­ чения. Каждому из них присущи свои особые свойства, рпределяющие их качество. Например, для станка важ­ ны точность, производительность, степень автоматиза­

и т. д.; для полупроводниковой большой интегральной схемы (БИС) — транзисторная структура, напряжение пробоя, граничная частота, удельная паразитная ем­

Но свойства машины или другого технического из­ делия проявляются лишь в процессе работы. Поэтому какими бы отличными начальными характеристиками ни обладала микросборка, как бы высоки ни были пас­ портные характеристики точности, они еще не могут полностью характеризовать ее качество, они характе­ ризуют лишь ее технические возможности. Чтобы пол­ ностью оценить ее качество, нужно не только знать по­ казатели точности, но и способность микросборки со­ хранять эти показатели в процессе работы в течение более длительного времени.

Свойство изделия обеспечивать нормальное выполне­ ние заданных функций, т. е. работать в течение опреде­ ленного времени с сохранением первоначальных техни­ ческих характеристик в пределах заданных допусков, и называется надежностью.

Надежность должна быть обязательным свойством любой машины, аппаратуры, прибора. Но являясь лишь одним из свойств изделия, надежность существенно от­ личается от всех его других свойств.

Большинство свойств изделия могут быть не связа­ ны друг с другом. Например, высокопроизводительный станок может обладать низкой точностью; автомобиль — иметь высокую скорость и большой расход. горючего, БИС —" малые размеры и высокую стоимость произ­ водства- и т. д.

В отличие от этого надежность связана со всеми свойствами изделия, характеризует проявление всех его показателей качества в процессе работы. С другой сто­ роны, сама по себе надежность еще не означает высо­ кого качества изделия; оно может быть очень надежно, но обладать весьма низкими техническими характери­ стиками. Однако если изделие не обладает необходи­ мой надежностью, то все его высокие технические дан­ ные теряют свое практическое значение, так как они не могут быть полноценно использованы в работе.

Предположим, создан новый пассажирский самолет, который по своим техническим характеристикам значи­ тельно превосходит все ранее выпускавшиеся. Большая мощность моторов обеспечивает высокую скорость, удач­ на его конструкция, в салоне предусмотрены все удоб­ ства и комфорт для пассажиров. Но нет уверенности в том, что узлы или агрегаты самолета не выйдут в по­ лете из строя. Желающих лететь на таком самолете не

Ненадежность любого устройства обусловливается множеством самых различных, часто случайных факто­ ров. Поэтому при исследовании надежности использу­ ют математический аппарат теории вероятностей. От­ сюда вероятность безотказной работы устройства в те­ чение заданного времени при последовательном соеди­ нении элементов равна произведению вероятностей без­ отказной работы всех этих элементов.

Рассмотрим пример. Двум конструкторам поручили разработать аналогичные по назначению приборы из де­ талей одинаковой надежности, характеризуемой вероят­ ностью безотказной работы 0,99. Первый конструктор использовал всего 40 таких деталей, а второй — 100. Если оба конструктора применяли последовательное соединение деталей, общая надежность первого прибора будет характеризоваться вероятностью его безотказной работы 0,9940=0,66, т. е. можно ожидать, что только 66% таких приборов проработает безотказно в течение заданного срока, а 34% — это ненадежные приборы.

Общая же надежность второго прибора, в котором использованы 100 таких деталей, будет характеризо­

образом, надежность любого технического устройства зависит не только от качества используемых в нем эле­ ментов, но и от их количества.

Так электронно-вычислительные машины (ЭВМ) со­ держат сотни тысяч (всего, например, 900 тыс.) раз­ личных элементов, надежность которых абсолютно не равна единице, а каждый элемент состоит, например, из 10 видов материалов или составляющих более мелких элементов, и каждый из этих элементов проходит 10

'=90 000 000), т. е. 90 млн. причин, которые обусловли­ вают ненадежность изделия.

И действительно, на первый взгляд надежность та­ ких машин — дело безнадежное. На самом деле, слож­ нейшие вычислительные машины выпускаются и рабо­ тают.

Причинами ненадежности сложных систем и комп­ лексов может быть отсутствие единых требований к элементам, изготовленным на разных предприятиях. Эти