Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 2, стр. 206-210

ВВЕДЕНИЕ

Радиоэлектронная отрасль одна из самых высокотехнологичных отраслей России, которая представлена в основном продукцией специального и двойного назначения. К примеру, радиотехнические средства космической аппаратуры, традиционно относятся к высоконаукоемким, доля затрат на отраслевую науку в отгруженной продукции которой составляет свыше 10%. Радиоэлектроника в составе наземно-космических радиотехнических систем является ключевым звеном с которой связано множество проблем обеспечения безопасности ракетно-космической техники, риски катастроф, аварий, отказов ракетоносителей и космических летательных аппаратов [1].

Высокая степень наукоемкости, конструктивная и технологическая сложность радиоэлектронных средств космической аппаратуры обусловливают риски и угрозы безопасности ракетно-космической техники на всех этапах жизненного цикла [2].

1. АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К СОВРЕМЕННОМУ ПРОИЗВОДСТВУ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Анализ статистики причин и последствий отказов космических аппаратов показывает, что основная их доля приходится на радиоаппаратуру (табл. 1), в которой чаще всего происходят отказы элементной базы и печатных плат (табл. 2).

Поскольку основные риски и причины отказов закладываются на этапе производства, одной из важнейших задач обеспечения качества является анализ и испытание для подтверждения соответствия перспективным требованиям многослойных печатных плат (МПП) с межслойными соединениями, которые составляют основу современной радиоаппаратуры космического назначения.

Мировой опыт показывает, что высокотехнологичная продукция редко имеет возможность обеспечения каждого этапа производственного процесса. Компании специализируются на одном бизнес-процессе. В настоящее время выделяют две бизнес-модели производства электроники.

1. Собственное производство – производственный цикл от маркетинга до поставки продукции происходит в рамках одного предприятия. Осуществляется выпуск собственной продукции.

2. Контрактное производство – независимая организация, которая на собственных мощностях производит продукцию по заказу (контракту). Изделие изготавливается и соответствует конструкторской документации заказчика. Как правило, собственная продукция не производится.

Технический уровень современного производства печатных плат должен обеспечивать их изготовление со стабильными характеристиками в соответствии с конструкторской документацией. Технический уровень конкретного производства определяется значением коэффициента технического уровня предприятия, расчет которого ведется по методики национального стандарта ГОСТ Р 53432-2009 [3], требования которого распространены на организации и предприятия, изготавливающие печатные платы для использования в радиоэлектронной аппаратуре. Оценка коэффициента технического уровня производителя печатных плат производится по пяти показателям.

Коэффициент технического уровня (КТУ) производителя печатных плат определяют как сумму баллов (по ГОСТ Р 53432-2009) по формуле

Для оценок повторяемости, воспроизводимости и правильности технологического процесса изготовления многослойных печатных плат (МПП) применяется следующее уравнение статистической модели:

где y – результат измерений, относительно которого предполагается, что он может быть вычислен по соответствующей функции; μ – (неизвестное) математическое ожидание идеальных результатов; δ – смещение, присущее методу измерений; B – лабораторная составляющая смещения; – отклонение от номинального значения x_i; c_i  – коэффициент чувствительности, равный ${{\partial y} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial y} {\partial {{x}_{i}}}}} \right. \kern-0em} {\partial {{x}_{i}}}};$ e – случайная погрешность в условиях повторяемости.

Предполагается, что B и e подчиняются нормальному распределению.

2. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МПП С МЕЖСЛОЙНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

В радиоэлектронных системах, в том числе специального и двойного назначения, чаще всего происходят отказы следующих элементов:

1) элементная база (в том числе не предназначенная для эксплуатации в заданных условиях или выполненная по бессвинцовой технологии [4]);

2) печатная плата и проводящий рисунок.

Продолжающееся усложнение современной радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов, одновременно с тенденцией по микроминиатюризации вынуждает разработчиков все чаще переходить на сложные многослойные и повышенной плотности печатные платы. Усложняются и методы контроля печатных плат. Особенно в части наиболее достоверного контроля металлизации МПП с межслойными соединениями. Самый доступный на сегодняшний день метод исследования и контроля металлизации – металлографический анализ металлизации при помощи микрошлифов. Металлографические исследования по соответствующим методикам позволяют с максимально достоверной точностью выявлять различные дефекты: нарушение формы геометрии элементов проводящего рисунка, подтравы металлизации, сколы, разрывы металлизации, полости и другие дефекты.

Поскольку спектр возможных дефектов широк, то возникают различные задачи [5, 6]: 1) наблюдение малоконтрастных элементов, чаще носящих скрытый характер (закись меди, наличие включений, царапин, разрывов); 2) наблюдение высококонтрастных элементов, поглощающих свет (дефекты металлизации, сколы, разрывы, полости).

Для металлографического исследования различных по характеру дефектов, предлагается использовать комбинацию из двух методов: исследование в светлом и темном поле [6]. Примеры исследования микрошлифов МПП с различными дефектами приведены на рис. 1–3. Исследование проводилось с помощью металлографического микровизора μVizo-МЕТ-221 с линейным увеличением от 10 до 4000 крат, методами “работа в темном поле” и “работа в светлом поле”. Для диагностики межслойных соединений плат применялось увеличение от 50…200 крат, которое позволяло при необходимости достигать точности измерения толщины металлизации покрытий ±0.7 мкм (при тщательном соблюдении всех требований к изготовлению микрошлифов). Исследовано 20 различных типов конструкций МПП с различным количеством слоев.

Рис. 1.

Разрыв сквозного металлизированного отверстия: a – метод “работа в темном поле”; б – метод “работа в светлом поле”.

Рис. 2.

Полость в металлизированном отверстии и закись меди: a – метод “работа в темном поле”; б – метод “работа в светлом поле”.

Рис. 3.

Нарушение электрического соединения в глухом отверстии: a – метод “работа в темном поле”; б – метод “работа в светлом поле”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, представлена статистика по отказам сложных радиоэлектронных систем по уровням конструкторской иерархии. Наибольшее число отказов приходится на элементную базу и проводящий рисунок печатных плат. Учитывая широкий спектр возможных производственных дефектов проводящего рисунка плат, предложен комбинированный металлографический метод исследования, заключающийся в проведении оптического контроля слоев плат двумя методами работы: в светлом и темном поле. Сочетание двух методов исследования позволило с высокой достоверностью наблюдать как малоконтрастные, так и высококонтрастные элементы, поглощающие свет по микрошлифам.