Типовая схема сборки микросборки

В настоящее время Микроэлектроника является важнейшим направлением в создании средств вычислительной техники, радиотехники и автоматики.

Основополагающая идея микроэлектроники – конструктивное объединение элементов электронной схемы, что приводит к тесной взаимосвязи схемотехнических, конструкторских и технологических решений при создании интегральных микросхем (ИМС). Главная задача всех этапов проектирования – это обеспечение высокой надежности ИМС. Это заключается в устойчивой работе при низких уровнях мощности (малая допустимая мощность рассеяния), в условиях сильных паразитных связей (высокая плотность упаковки) и при ограничениях по точности и стабильности параметров элементов. Потенциальная надежность ИМС оценивается с учетом возможностей выбранного структурно-топологического варианта ИМС и его технологической реализации.

Конструктор определяет оптимальную топологию, выбирает материалы и технологические методы, обеспечивающие надежные электрические соединения, а также защиту от окружающей среды и механических воздействий, с учетом технологических возможностей и ограничений. Подбирается наилучшая структура технологического процесса обработки и сборки, позволяющая максимально использовать отработанные, типовые процессы и обеспечивать высокую производительность труда, минимизировать трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требований.

Для обеспечения качества и надежности ИМС должны быть разработаны методы контроля на всех этапах производства, в частности входного контроля основных и вспомогательных материалов и комплектующих изделий, контроля в процессе обработки, межоперационного контроля полуфабрикатов и выходного контроля изделий.

Гибридные интегральные микросхемы (ГИМС) – это интегральные микросхемы, в которых пассивные элементы выполняются по толстопленочной или тонкопленочной технологии, а активные элементы являются навесными. Такой метод проектирования ИМС обеспечивает большие производственно-экономические выгоды и расширяет схемотехнические возможности выбора оптимальных режимов работы ИМС. Степень миниатюризации ГИМС определяется количеством используемых навесных компонентов, для реализации которых необходима определенная площадь, и геометрическими размерами пленочных элементов. ГИМС создаются на подложке с хорошими изоляционными свойствами, поэтому материал подложки не оказывает влияния на электрические связи элементов.

ГИМС заняли доминирующее положение в устройствах СВЧ, причем, как показывает опыт, для устройств, работающих на частотах до 1ГГц, с успехом можно применять толстопленочную технологию, поскольку она не требует жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пленочных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология. ГИМС применяются также в тех случаях, когда требуется получить конденсаторы большей емкости или резисторы, предназначенные для работы с большими электрическими мощностями.

Микроэлектронная аппаратура используется в различных отраслях техники, актуально ее использование для авиации.

Микроминиатюризация - это уменьшение габаритов, веса, снижение энергопотребления.

Обоснование производства микросборок

Современные приборы требуют уменьшения габаритных размеров и массы конструкции, повышения надежности и качества, идентичности параметров, снижения затрат и себестоимости. ГИМС удовлетворяет всем этим требованиям. Сегодня микросборки широко применяются в авиационной промышленности, например в системах топливопитания и автоматического регулирования двигателями. На такие микросборки возлагается огромная ответственность как за нормальное функционирование воздушного судна, так и за жизнь экипажа и пассажиров, летящих на нем. Например, при неправильной работе, либо при отказе таких микросборок нарушится нормальное функционирование системы топливопитания, соответственно, подача топлива в двигатели самолета прекратится и произойдет авиакатастрофа. Следовательно, к микросборкам предъявляются очень высокие требования предъявляются к микросборкам. Они должны быть, в первую очередь, надежными, высокоточными, должно быть высокое быстродействие, малые масса и габариты, длительное время безотказной работы и их производство должно быть экономически выгодным.

Высокая технологичность производства достигается за счет высокой квалификации рабочих, использования современного оборудования, и применения продуманного технологического процесса. Очень важно, чтобы рабочий, работающий на сборке, относился к выполняемой работе очень ответственно, так как человеческий фактор в значительной степени влияет на выпуск работоспособной продукции.

Для того, чтобы более подробно разобраться в причинах возникновения дефектов при производстве микросборок, необходимо рассмотреть технологический процесс их сборки. Технологический процесс, применяемый на ОАО «Стар», достаточно современный, однако, даже на таком предприятии при сборке микросборок возникают дефекты.

ОАО «СТАР» - предприятие, на котором проходили практику студенты ПАТа. В настоящее время ОАО «СТАР» единственное в России предприятие, которое самостоятельно создает и поставляет для эксплуатации комплексные системы автоматического управления, содержащие насосы топливопитания двигателя, цифровые электронные регуляторы «с полной ответственностью» (FADEC) и резервную гидромеханическую часть.

Такими были сложнейшие разработки с цифровыми регуляторами двигателей для истребителя-перехватчика МИГ-31, для пассажирских самолетов нового поколения ИЛ-96-300, ТУ-204, ТУ-214, ИЛ-114, АН-38. За последние годы создана и сертифицирована комплексная САУ-2000 для винтомоторной установки среднемагистрального самолета АН-140.

В 2002 году предприятие приступило к созданию перспективных электронных цифровых систем без гидромеханического резерва на основе новых структурных принципов, современных технологий, больших и сверхбольших интегральных схем.

Разрабатывается электронная САУ для двигателя вертолетов различного назначения на базе вертолета Ка-60, а также САУ для турбовинтовых двигателей самолетов местных авиалиний. С начала 90-х годов ОАО «СТАР» занимается созданием САУ для наземных газотурбинных установок, используемых для газоперекачивающих агрегатов, передвижных и блочных электростанций.

Также предприятие занимается производством гидромеханических и электронных агрегатов, изготовлением двухсторонних и многослойных печатных плат, в том числе методом сквозной металлизации (размер - до 510*360 мм, 3-4 класс плотности). Созданы гибридные интегральные микросхемы (микросборки) более 30 типов различного функционального назначения. Размер подложки до 60*48 мм, разрешающая способность 0. 1 мм. Использована тонкопленочная технология и бескорпусная элементная база. Продукция предприятия ОАО «СТАР» действует более чем на 50 типах воздушных судов.

ЭИСМ – экспериментально-исследовательский сектор микроэлектроники - участок, на котором проходила практика. На этом участке осуществляется сборка микросборок, а также монтаж радиоэлементов на печатную плату.

Типовая схема сборки микросборки

Говоря об устройстве микросборки, достаточно посмотреть из каких деталей она состоит, и в каком порядке эти детали устанавливаются.

Процесс сборки следующий:

1) Металлическое основание корпуса проверяют на отсутствие дефектов.

2) Производится проверка платы на отсутствие дефектов. Наносят клей на нижнюю часть платы и устанавливают ее на основание корпуса, сушат в сушильном шкафу.

3) Активные компоненты приклеивают на контактные площадки, сушат в сушильном шкафу.

4) Производят сварку золотых выводов с контактными площадками, что предполагает в дальнейшем функциональный контроль.

5) Всю конструкцию закрывают крышкой корпуса и заваривают на установке лазерной сварки. Производят контроль герметичности, а также контроль по техническим условиям и маркируют.

Объект исследования – микросборка ТЛ. 001

Назначение

Микросборка «Устройство контроля питания ТЛ 001» 8Т3. 410. 001 предназначена для формирования сигнала готовности питания «RAU» при напряжении на шине «+5V» выше 4,6В и снятия сигнала «RAU» при напряжении на шине «+5V» ниже 4,5В. Микросборка производит контроль напряжения на шине «+15V» и обеспечивает снятие сигнала «RAU», если напряжение на шине недостаточно для нормального функционирования микросборки.

Технические характеристики

Таблица 3.

Наименование параметра Буквенное обозначение Норма Температура, ºС

Не менее Не более

1. Напряжение отпускания по входу «+15V», В Uотп. 1 9,44 10,86 от –60 до +70

2. Напряжение гистерезиса по входу «+15V», В Uг. 1 0,89 1,11

3. Напряжение отпускания по входу «+5V», В Uотп. 2 4,469 4,532

4. Напряжение гистерезиса по выходу «+5V», В Uг. 2 0,090 0,110

5. Выходное напряжение высокого уровня, В U¹вых 4,6 -

6. Выходное напряжение низкого уровня, В Uºвых - 0,1

7. Ток потребления по входу «+15V», мА Iпот - 10

Функциональный состав

Микросборка содержит функциональные узлы:

- Стабилизатор напряжения: C1,DV1,R1-R4,R6-R8,VD1,VT2,VT3;

- Узел контроля состояния стабилизатора напряжения: R5,VT1;

- Узел сравнения: C2,DV2-DV4,R9-R18,R20,VT4;

- Усилитель мощности: R19,R21-R23,VT5,VT6.

Принцип действия

Стабилизатор напряжения формирует на конденсаторе C1 стабилизированное напряжение (10(1)В, которое используется для питания узла сравнения. Запуск стабилизатора напряжения осуществляется током резистора R4. Ток резистора R4 попадает через резистор R8 на базу транзистора DV1. 2. Транзистор DV1. 2 открывается. Коллекторный ток транзистора DV1. 2 передается транзистором VT2 на базу транзистора VT3 и открывает его. Конденсатор C1 заряжается через транзистор VT3 до напряжения (11(1)В, при котором напряжение на выходе делителя R1,R2 становится равным напряжению на стабилитроне VD1. При этом отпирается транзистор DV1. 1 и забирает избыток тока транзистора DV1. 2 обеспечивая стабилизацию напряжения на конденсаторе C1.

Узел контроля состояния стабилизатора напряжения фиксирует момент выхода стабилизатора напряжения в режим стабилизации. При выходе стабилизатора напряжения в режим стабилизации открывается транзистор VT1 и включает ток через транзисторы DV3. 1 и DV3. 2 узла сравнения, разрешая выдачу сигнала «RAU». Положительная обратная связь через резистор R3 обеспечивает переключательный режим работы транзистора VT1, исключая промежуточные состояния сигнала управления узлом сравнения. Включение транзистора VT1 сопровождается снижением выходного напряжения стабилизатора напряжения на (1,0(0,1)В. Узел сравнения производит формирование сигнала «RAU» при достижении напряжения на шине «+5V» порогового значения. Узел сравнения представляет собой двухкаскадный дифференциальный усилитель постоянного тока с положительной обратной связью, на один вход которого через делитель R9-R12 подается напряжение со стабилитрона VD1, на другой – напряжение с шины «+5V» через цепь R16,С2, обеспечивающую фильтрацию ВЧ помех. Диод DV4 защищает переход эмиттер – база транзистора DV2. 2 от обратного напряжения в случае, когда напряжение на шине «+5V» отсутствует. Положительная обратная связь осуществляется через резистор R10 и обеспечивает переключательный режим работы транзистора VT4.

При напряжении на шине «+5V» выше напряжения на выходе делителя R9-R12 происходит включение транзистора VT4. Ток транзистора VT4 усиливается транзисторами VT5,VT6, и на выходе микросборки формируется сигнал «RAU» высокого уровня.

Цель исследовательской работы

- выявление и систематизация причин производственных отказов микросборок;

- предлагаемый перечень мероприятий по устранению выявленных отказов.

Анализ производственных отказов

Гипотеза

Отклонения от техпроцесса сборки микросборки возможны по следующим причинам:

- Неполный входной контроль (проверка оснований и крышек металлостеклянных корпусов на отсутствие дефектов, перечисленных в соответствующих инструкциях);

- Нарушение условий техпроцесса по микроклимату в помещении;

- Нарушение режимов сварки (по температуре, длительности и силе прижимания сварного электрода);

- Отклонения от техпроцесса, обусловленные субъективными факторами;

- Несовершенство технологического оборудования.

Для объективной оценки гипотезы были собраны, систематизированы производственные отказы за период с 01. 06. 04 по 01. 03. 05.

В результате проделанной работы были выявлены следующие виды отказов:

- Конструкторские отказы

- Технологические (производственные) отказы

- Эксплуатационные отказы

Более подробно остановимся на рассмотрении производственных отказов, обусловленных отклонением от технологического процесса при сборке.

Выявлено 3 основных производственных отказа: механическая поломка платы (т. к. она очень хрупкая), неудовлетворительное микроконтактирование электрических контактов и плохая герметичность корпуса. На рисунке 11 показано их примерное соотношение в процентном варианте.

Далее будут описаны причины возникновения этих отказов и способы их предотвращения, а для наглядности представлены рисунки.

1) Механическая поломка

Обусловлена возникновением напряженно-деформированных участков на плате, что появляются в результате некачественного склеивания платы с корпусом и приклеивания активных радиоэлементов. Напряженно-деформированные участки (они изображены волнами) можно увидеть на интерферограмме, полученной с помощью лазерного микроинтерферометра.

Для устранения механических поломок необходимо равномерное нанесение клея с помощью специального микроскальпеля.

2) Неудовлетворительное микроконтактирование

Отсутствие контактов в электрических соединениях при сварке золотых выводов в результате загрязнения контактной площадки.

На рисунке приведены оптические изображения удовлетворительного и неудовлетворительного микросварных соединений, изображения получены с помощью оптического микроскопа Е-Carl Zeiss Jena. По таким изображениям сложно отличить удовлетворительный контакт от неудовлетворительного.

Определить качество микросварки помогают лазерные фотоакустические комплексы ЭМ-6041Э и ФМ-3М. У качественного микросварного соединения зона В (зона контакта) темных тонов, а у некачественного – она светлых тонов.

Для обеспечения надежного электрического контакта при сварке необходимо тщательное промывание контактных площадок с последующим контролем под микроскопом, а также настройка на требуемый режим и чистая поверхность сварочного жала установки ультразвуковой сварки. Очень сильно на качество сварки влияет микроклимат в помещении, т. к. летом становится очень жарко и рабочему сложно работать.

3) Неудовлетворительная герметичность корпуса

Возникает при лазерной сварке в результате ошибок оператора.

Для обеспечения герметичности при лазерной сварке корпуса необходима точная настройка лазерного луча по кромке крышка – корпус.

Обработка статистической информации

Статистические данные

Сбор данных проводили в период с 01. 06. 04 по 01. 03. 05. В таблицах периоды наблюдения сгруппированы в кварталы по 3 месяца.

Таблица 2.

Кварталы

Производство микросборок

Лето Осень Зима

Июнь Июль Август

Таблица 3.

Вид отказа Кварталы Среднее значение

Лето Осень Зима

Кол. % Кол. % Кол. % Кол. % Механическая поломка 7 1,7 2 1,1 3 0,7 4 1,2 Неудовлетворительный электрический контакт 5 1,2 3 1,7 4 0,9 4 1,3 Неудовлетворительная герметичность 4 1,0 1 0,6 3 0,7 2,6 0,8 Сумма 16 3,9 6 3,2 10 2,3

По результатам собранной информации построены столбиковые диаграммы, дающие наглядное представление о распределении отказов за наблюдаемый период по видам и величинам. Диаграммы имеют логарифмическую шкалу, т. к. процент отказов незначителен.

Результаты обработки статистических данных

1) Статистика показывает, что наибольший процент отказов - 1,7% составляет механическая поломка платы, наименьшая процентная доля отказа приходится на неудовлетворительную герметичность.

2) По расчетам выявлено, что среднее значение по всем видам отказов не превышает 1,1%;

3) Наибольший средний процент отказов – это отказы электрических контактов (до 1,3%);

4) Наименьший средний процент отказов – это неудовлетворительная герметичность (до 0,8%).

Расчет вероятности безотказной работы P(t) микросборки

Количество микросборок, собранных летом составляет: Nл=412 шт. , из них количество отказавших, nл = 16 шт. ;

Количество микросборок, собранных осенью составляет Nо=178 шт. , из них отказавших, nо = 6 шт. ;

Количество микросборок, собранных зимой составляет Nз=445 шт. , из них отказавших , nз = 10 шт.

P(t) = (N-n)/N(1) где N – количество собранных микросборок n – количество отказавших микросборок

P(t)1 = (412-16)/412 = 0,96, что составляет 96%

P(t)2 = (178-6)/178 = 0,97, что составляет 97%

P(t)3 = (445-10)/445 = 0,98, что составляет 98%

Расчет подтверждает высокую вероятность безотказной работы микросборок, что обусловлено низким процентом производственных отказов.

Заключение

В данной работе была представлена последовательность сборки микросборки, проведен анализ технологического процесса сборки по трудоемкости, анализ производственных отказов, возникающих при сборке, и представлены способы их предотвращения и устранения. Подтвердилась гипотеза по возникновению отклонений от технологического процесса сборки из-за нарушения микроклимата в производственных помещениях, а также по вине сборщика. Очень важно чтобы у сборщика была высокая квалификация, и он ответственно относился к выполняемой работе.

Анализ отказов показал, что максимальный процент отказов не превышает 2%. Вероятность безотказной работы колеблется в диапазоне от 0,96 до 0,98, что соответствует требованиям к авиационной технике.

В соответствии с поставленной целью был проведен анализ и систематизация отказов микросборок, а также выдвинуты предложения по их устранению. Подтвердилась гипотеза по возникновению отклонений от технологического процесса сборки из-за нарушения микроклимата в производственных помещениях, а также по вине сборщика.

В основном отказы обусловлены человеческим фактором, т. е. квалификацией сборщика и его личной ответственностью.