Выпуск #8/2016
С.Ванцов, А.Медведев, З.Маунг Маунг, О.Хомутская
Надежность процесса сверления печатных плат, понятие отказа
Надежность процесса сверления печатных плат, понятие отказа
Просмотры: 936
Сверление отверстий в печатных платах – сложный процесс, обусловленный наличием в зоне резания разнородных по реологическим характеристикам материалов: стекла, полимера и медной фольги. Поломка сверла, потеря качества просверленного отверстия – события, квалифицируемые как отказ технологического процесса. В статье рассматривается процесс сверления с позиций обеспечения его надежности.
Теги: avionics drill bits failure failure probability process failure reliability авионика вероятность возникновения отказа надежность отказ отказ технологического процесса сверла
Традиционно, обсуждая вопросы надежности технических систем, к которым, в частности, относятся и производственные системы, исследуют такие физические аспекты, как применение качественных материалов, соблюдение технологической дисциплины, проблемы контроля и управления качеством и т. п. Результатом этих исследований являются рекомендации, имеющие качественный характер. Для получения количественных характеристик надежности необходимо использовать строго формализованные механизмы расчета.[1]
ГОСТ 27.002-2009 "Надежность в технике. Термины и определения" вводит понятие надежности как "свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания". При этом под готовностью понимается "способность изделия выполнить требуемую функцию при данных условиях в предположении, что необходимые внешние ресурсы обеспечены". А под безотказностью понимается "способность изделия выполнить требуемую функцию в заданном интервале времени при данных условиях". Обратим внимание на два аспекта данного стандарта:
• устанавливаемая в нем терминология ориентирована на разрешение различных юридических вопросов, касающихся надежности, на что указывают как прямые отсылки, содержащиеся в тексте, так и установление соответствий терминологии на русском и английском языках. Все это делает затруднительным использование данного материала в производственной практике. Фактически это означает, что данный стандарт позволяет разрешать различные конфликтные ситуации между поставщиком и потребителем в случае возникновения у последнего претензий к качеству изделий или услуг. Однако приведенные в нем положения не дают возможности определять численные характеристики надежности изделий как при проведении производственных испытаний, так и в период их эксплуатации;
• вся введенная терминология касается изделия как "любой функциональной единицы, которую можно рассматривать отдельно", так и услуг (сервисного обслуживания техники). Однако любое изделие является конечным результатом производственного, в частности, технологического процесса. Поэтому, заботясь о надежности изделия, невозможно игнорировать надежность процессов его получения. Безусловно, можно получить надежное изделие при ненадежном процессе, но такой результат будет совершенно случайным.
Пожалуй, первое и наиболее полное определение надежности технологического процесса дано А.С.Прониковым [1]: "Надежность технологического процесса – свойство обеспечивать изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени установленные требования к ее качеству". Надежность технологического процесса связана со структурой процесса, применяемыми методами контроля и надежностью выполнения отдельных технологических операций.
Ключевым моментом для определения количественных характеристик надежности является понятие отказа технологической операции.
Под отказом технологического процесса или технологической операции будем понимать потерю способности обеспечивать качество или объемы изготавливаемой продукции в соответствии с требованиями технической документации. Отказ – это случайное событие, возникающее под влиянием ряда случайных факторов.
Известно, что на межсоединения на печатных платах приходится примерно 30% отказов [2]. Значительная часть этих отказов так или иначе связана с качеством переходных отверстий в МПП и монтажных отверстий в ДПП. Качество отверстий, подготовленных к металлизации, обеспечивается в подавляющем большинстве случаев в процессе сверления. Отказ этого процесса определяется двумя случайными событиями:
• поломкой сверла;
• достижением состояния отверстия, не удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям качества.
Поломка сверла равновероятно может наступать как при сверлении первого отверстия на плате, так и любого последующего. Поэтому вероятность отказа процесса сверления в результате поломки сверла можно считать подчиняющейся закону равномерного распределения.
Плотность распределения отказов в этом случае будет иметь вид:
,
где t – текущее время; tн – время сверления одного отверстия; R – объявленный поставщиком гарантированный ресурс (стойкость) сверла.
Обсуждение вопроса о законе распределения события, связанного с потерей качества просверленного отверстия, невозможно без рассмотрения механизма возникновения такого рода отказов.
Процесс сверления реализуется циклически (рис.1). Критичным с точки зрения отказа по критерию качества является достижение сверлом температуры стеклования Тg материала наполнителя диэлектрического основания.
Время сверления одного отверстия на современном оборудовании составляет менее 1 с. При этом время нагревания сверла, то есть собственно время сверления, занимает примерно две трети времени цикла. Оставшееся время занимает процесс ускоренного, по сравнению со скоростью подачи, процесса извлечения сверла. В это время сверло охлаждается (охлаждение может быть как естественным, так и принудительным).
В процессе сверления сверло тупится, за счет чего по мере роста количества последовательных циклов нагревания-остывания все более нагревается. Связующее композита платы в зоне сверления становится все более пластичным, наволакивается на спиральные дорожки сверла, налипает на них и препятствует остыванию сверла во время принудительного обдува.
В одном из циклов сверления температура сверла становится выше температуры стеклования. При этом, как уже отмечено, связующее печатной платы становится пластичным и увлекается за сверлом. На входе и выходе сверла из отверстия возникают буртики эпоксидной смолы, поднятие и разрыв медной фольги, что является существенным дефектом печатной платы. С точки зрения хода производственного процесса такой дефект трактуется как достижение предельного состояния сверла. Таким образом, достижение температуры стеклования в одном из циклов сверления можно считать отказом процесса сверления.
Достижение предельного состояния реализуется в виде двух процессов. Первый их них представлен на рис.2.
В этом случае достижение температуры стеклования осуществляется исключительно за счет износа сверла (принимается, что сверло полностью остывает до исходной температуры за время перехода от отверстия к отверстию). Нарастание износа ведет к увеличению крутизны характеристики кривой нагревания.
Второй возможный механизм достижения температуры стеклования представлен на рис.3. В этом случае достижение температуры стеклования будет осуществлено быстрее, чем при реализации механизма на рис.2.
Для уточнения механизмов развития отказов следует решить следующие задачи:
• установление зависимости нарастания температуры во время цикла сверления одного отверстия;
• установление функции охлаждения сверла во время его увода и перехода к следующему циклу сверления;
• установление функции нарастания температуры при переходе от цикла к циклу.
Объединение обоих механизмов нарастания температуры сверла при использовании партии однотипных сверл порождает семейство огибающих, показанных на рис.4.
Каждая огибающая представляет собой функцию нарастания температуры при сверлении отверстий одним сверлом. Семейство образуется в виде конкретных функций при последовательном сверлении партии печатных плат на одном станке или при одновременном сверлении той же партии на нескольких станках. Образованное семейство функций позволяет статистически оценивать разброс технологических характеристик сверл в пределах одной партии и, как следствие, прогнозировать стойкость сверл, а, следовательно, вероятность возникновения отказа процесса сверления отверстий.
Возможный вид обработки кривых рис.4 для получения статистических характеристик динамики роста температуры для партии сверл показан на рис.5.
В каждый момент времени разброс максимальных значений температуры в цикле нагревание-охлаждение будет подчиняться, исходя из условий существования, нормальному закону распределения. В соответствии с мгновенным распределением закон распределения моментов достижения огибающими температуры стеклования будет соответствовать асимметричному нормальному. В этом случае плотность распределения отказов по критерию качества отверстий будет иметь вид:
,
где σот – среднеквадратичное отклонение моментов возникновения отказов по критерию качества; K – текущее количество просверленных отверстий.
Медианное значение моментов наступления отказов по критерию качества логично соотнести с заявленным поставщиком сверл ресурсом. Тогда
.
Анализируя представленные на рис.5 статистические характеристики, можно сделать вывод, что вероятность возникновения отказа по критерию качества слева от медианного значения превышает вероятность справа от него. Поэтому с учетом вероятности отказа по критерию поломки можно утверждать, что отказ процесса сверления наступает раньше, чем будет достигнут заявленный поставщиком сверл ресурс.
Это приводит к обязательному в конкретном производстве подбору технологами момента времени замены сверла с учетом как характеристик материала основания печатной платы, так и технологических режимов сверления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проников А.С. Надежность машин. – М.: Машиностроение, 1978. 592 с.
2. Медведев А., Семенов П. Концепция развития российского производства печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 1. С. 12–18.
3. Медведев А.М., Печатные платы. Механическое сверление. А.М.Медведев // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 8. С. 74–81.
4. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2 / Косилова А.Г., Мещеряков Р.П. – М.: Машиностроение, 1986. 495 с.
ГОСТ 27.002-2009 "Надежность в технике. Термины и определения" вводит понятие надежности как "свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания". При этом под готовностью понимается "способность изделия выполнить требуемую функцию при данных условиях в предположении, что необходимые внешние ресурсы обеспечены". А под безотказностью понимается "способность изделия выполнить требуемую функцию в заданном интервале времени при данных условиях". Обратим внимание на два аспекта данного стандарта:
• устанавливаемая в нем терминология ориентирована на разрешение различных юридических вопросов, касающихся надежности, на что указывают как прямые отсылки, содержащиеся в тексте, так и установление соответствий терминологии на русском и английском языках. Все это делает затруднительным использование данного материала в производственной практике. Фактически это означает, что данный стандарт позволяет разрешать различные конфликтные ситуации между поставщиком и потребителем в случае возникновения у последнего претензий к качеству изделий или услуг. Однако приведенные в нем положения не дают возможности определять численные характеристики надежности изделий как при проведении производственных испытаний, так и в период их эксплуатации;
• вся введенная терминология касается изделия как "любой функциональной единицы, которую можно рассматривать отдельно", так и услуг (сервисного обслуживания техники). Однако любое изделие является конечным результатом производственного, в частности, технологического процесса. Поэтому, заботясь о надежности изделия, невозможно игнорировать надежность процессов его получения. Безусловно, можно получить надежное изделие при ненадежном процессе, но такой результат будет совершенно случайным.
Пожалуй, первое и наиболее полное определение надежности технологического процесса дано А.С.Прониковым [1]: "Надежность технологического процесса – свойство обеспечивать изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени установленные требования к ее качеству". Надежность технологического процесса связана со структурой процесса, применяемыми методами контроля и надежностью выполнения отдельных технологических операций.
Ключевым моментом для определения количественных характеристик надежности является понятие отказа технологической операции.
Под отказом технологического процесса или технологической операции будем понимать потерю способности обеспечивать качество или объемы изготавливаемой продукции в соответствии с требованиями технической документации. Отказ – это случайное событие, возникающее под влиянием ряда случайных факторов.
Известно, что на межсоединения на печатных платах приходится примерно 30% отказов [2]. Значительная часть этих отказов так или иначе связана с качеством переходных отверстий в МПП и монтажных отверстий в ДПП. Качество отверстий, подготовленных к металлизации, обеспечивается в подавляющем большинстве случаев в процессе сверления. Отказ этого процесса определяется двумя случайными событиями:
• поломкой сверла;
• достижением состояния отверстия, не удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям качества.
Поломка сверла равновероятно может наступать как при сверлении первого отверстия на плате, так и любого последующего. Поэтому вероятность отказа процесса сверления в результате поломки сверла можно считать подчиняющейся закону равномерного распределения.
Плотность распределения отказов в этом случае будет иметь вид:
,
где t – текущее время; tн – время сверления одного отверстия; R – объявленный поставщиком гарантированный ресурс (стойкость) сверла.
Обсуждение вопроса о законе распределения события, связанного с потерей качества просверленного отверстия, невозможно без рассмотрения механизма возникновения такого рода отказов.
Процесс сверления реализуется циклически (рис.1). Критичным с точки зрения отказа по критерию качества является достижение сверлом температуры стеклования Тg материала наполнителя диэлектрического основания.
Время сверления одного отверстия на современном оборудовании составляет менее 1 с. При этом время нагревания сверла, то есть собственно время сверления, занимает примерно две трети времени цикла. Оставшееся время занимает процесс ускоренного, по сравнению со скоростью подачи, процесса извлечения сверла. В это время сверло охлаждается (охлаждение может быть как естественным, так и принудительным).
В процессе сверления сверло тупится, за счет чего по мере роста количества последовательных циклов нагревания-остывания все более нагревается. Связующее композита платы в зоне сверления становится все более пластичным, наволакивается на спиральные дорожки сверла, налипает на них и препятствует остыванию сверла во время принудительного обдува.
В одном из циклов сверления температура сверла становится выше температуры стеклования. При этом, как уже отмечено, связующее печатной платы становится пластичным и увлекается за сверлом. На входе и выходе сверла из отверстия возникают буртики эпоксидной смолы, поднятие и разрыв медной фольги, что является существенным дефектом печатной платы. С точки зрения хода производственного процесса такой дефект трактуется как достижение предельного состояния сверла. Таким образом, достижение температуры стеклования в одном из циклов сверления можно считать отказом процесса сверления.
Достижение предельного состояния реализуется в виде двух процессов. Первый их них представлен на рис.2.
В этом случае достижение температуры стеклования осуществляется исключительно за счет износа сверла (принимается, что сверло полностью остывает до исходной температуры за время перехода от отверстия к отверстию). Нарастание износа ведет к увеличению крутизны характеристики кривой нагревания.
Второй возможный механизм достижения температуры стеклования представлен на рис.3. В этом случае достижение температуры стеклования будет осуществлено быстрее, чем при реализации механизма на рис.2.
Для уточнения механизмов развития отказов следует решить следующие задачи:
• установление зависимости нарастания температуры во время цикла сверления одного отверстия;
• установление функции охлаждения сверла во время его увода и перехода к следующему циклу сверления;
• установление функции нарастания температуры при переходе от цикла к циклу.
Объединение обоих механизмов нарастания температуры сверла при использовании партии однотипных сверл порождает семейство огибающих, показанных на рис.4.
Каждая огибающая представляет собой функцию нарастания температуры при сверлении отверстий одним сверлом. Семейство образуется в виде конкретных функций при последовательном сверлении партии печатных плат на одном станке или при одновременном сверлении той же партии на нескольких станках. Образованное семейство функций позволяет статистически оценивать разброс технологических характеристик сверл в пределах одной партии и, как следствие, прогнозировать стойкость сверл, а, следовательно, вероятность возникновения отказа процесса сверления отверстий.
Возможный вид обработки кривых рис.4 для получения статистических характеристик динамики роста температуры для партии сверл показан на рис.5.
В каждый момент времени разброс максимальных значений температуры в цикле нагревание-охлаждение будет подчиняться, исходя из условий существования, нормальному закону распределения. В соответствии с мгновенным распределением закон распределения моментов достижения огибающими температуры стеклования будет соответствовать асимметричному нормальному. В этом случае плотность распределения отказов по критерию качества отверстий будет иметь вид:
,
где σот – среднеквадратичное отклонение моментов возникновения отказов по критерию качества; K – текущее количество просверленных отверстий.
Медианное значение моментов наступления отказов по критерию качества логично соотнести с заявленным поставщиком сверл ресурсом. Тогда
.
Анализируя представленные на рис.5 статистические характеристики, можно сделать вывод, что вероятность возникновения отказа по критерию качества слева от медианного значения превышает вероятность справа от него. Поэтому с учетом вероятности отказа по критерию поломки можно утверждать, что отказ процесса сверления наступает раньше, чем будет достигнут заявленный поставщиком сверл ресурс.
Это приводит к обязательному в конкретном производстве подбору технологами момента времени замены сверла с учетом как характеристик материала основания печатной платы, так и технологических режимов сверления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проников А.С. Надежность машин. – М.: Машиностроение, 1978. 592 с.
2. Медведев А., Семенов П. Концепция развития российского производства печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 1. С. 12–18.
3. Медведев А.М., Печатные платы. Механическое сверление. А.М.Медведев // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 8. С. 74–81.
4. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2 / Косилова А.Г., Мещеряков Р.П. – М.: Машиностроение, 1986. 495 с.
Отзывы читателей
