Современные методы обеспечения качества и надежности электронных модулей и блоков

Я в жизни не видел, чтобы человеческое лицо
из веселого так быстро становилось мрачным.

Джером К. Джером

Соотношение цена/качество выпускаемой продукции интересует каждого производителя приборов, так как является одним из важнейших параметров, определяющих конкурентоспособность выпускаемой продукции. Основные факторы, влияющие на себестоимость продукции в производстве — стоимость комплектующих, компонентов, материалов (ККМ) и трудоемкость изготовления. При мелкосерийном многономенклатурном производстве существенное влияние на себестоимость оказывает также трудоемкость технологической подготовки производства.

Для обеспечения высокого уровня автоматизации технологической подготовки производства с целью снижения ее трудоемкости и повышения качества необходимо гарантировать соответствующий уровень технологичности, тестопригодности и ремонтопригодности новых разрабатываемых изделий. Анализируя опыт передовых российских и зарубежных компаний, обеспечивающих высокое качество разработки новых изделий, можно отметить, что они работают на базе стандартов предприятий, устанавливающих правила и ограничения при проектировании и производстве. Стандарты эти, как правило, разрабатываются, согласовываются и внедряются специально выделенным квалифицированным персоналом, на котором также лежит задача актуализации этих документов.

Учитывая необходимость постоянного увеличения уровня доходов квалифицированного персонала, единственным верным путем оптимизации расходов при обеспечении запланированного уровня качества и надежности выпускаемой продукции является максимальная автоматизация технологических процессов с использованием современного технологического, инспекционного, испытательного и контрольно-измерительного оборудования. Только таким образом можно оптимизировать численность персонала и расходы на его содержание при обеспечении достойного уровня доходов, предотвращающего текучку кадров.

Выбор применяемых электронных компонентов (в пределах ограничительных перечней) является прерогативой и ответственностью разработчиков. Стоимость ККМ может быть оптимизирована в процессе планомерной работы с поставщиками. Важно, чтобы в процессе переговоров обсуждались и учитывались не только коммерческие вопросы (цена, сроки, условия поставки и платежа), но также и качество поставляемых ККМ. В противном случае регулярные поставки компонентов с повышенным уровнем дефектности неизбежно приведут к росту количества несоответствующей продукции (см. табл. 1) и резко увеличат затраты на проведение ремонтов в процессе производства и гарантийный период.

Основные типы дефектов

Дефекты можно разделить на следующие группы:

– ошибки разработчиков;

– бракованные компоненты и комплектующие;

– технологические дефекты.

Дефекты, связанные с ошибками разработчиков (схемотехников, программистов и конструкторов) должны быть выявлены и устранены в процессе испытаний, предшествующих постановке изделий в серийное производство (см. рис. 1).

Рис. 1. Дефекты, связанные с ошибками схемотехников: неэффективная схема защиты от грозового разряда (а); и конструкторов: расположение переходных отверстий в пределах контактных площадок (б, в)

Дефекты компонентов и комплектующих

В таблице 1 показано, какой процент выхода годных печатных узлов (модулей) можно ожидать при различном качестве поступающих на производство компонентов. Хорошо видно, что если начать выпуск сложных печатных узлов (с числом компонентов около 400) при обговоренной договором поставки дефектности 0,1%, выход годных (с первого прохода) составит около 67% (см. выделенную в таблице строку). Это означает, что 33% выпускаемых печатных узлов придется ремонтировать. При отсутствии эффективных средств автоматической диагностики и локализации дефектов, трудоемкость ремонта печатных узлов указанной сложности, по опыту, составит не менее часа. В условиях среднесерийного производства (производительность сборочного оборудования — 10 тыс. компонентов в час) в ремонт ежечасно будет поступать (10000/400)⋅0,33=8 модулей. Значит, для ремонта понадобится не менее восьми высококвалифицированных наладчиков.

Таблица 1. Выход годных (с первого прохода) печатных узлов в зависимости от качества используемых компонентов

			Количество компонентов в модуле
			50	100	200	300	400
Планируемый (обговоренный в контрактах на поставку) уровень дефектности компонентов	0,97	Выход годных модулей	21,8%	4,8%	0,26%	0,01%	0,005%
		Количество дефектных компонентов в модуле	1,5	3	6	9	12
	0,98	Выход годных модулей	36,4%	13,3%	1,8%	0,23%	0,03%
		Количество дефектных компонентов в модуле	1,0	2,0	4,0	6,0	8,0
	0,99	Выход годных модулей	60,5%	36,6%	13,4%	4,9%	1,8%
		Количество дефектных компонентов в модуле	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0
	0,999	Выход годных модулей	95,1%	90,5%	81,9%	74,1%	67,0%
		Количество дефектных компонентов в модуле	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4
	0,9999	Выход годных модулей	99,5%	99,0%	98,0%	97,0%	96,0%
		Количество дефектных компонентов в модуле	0,005	0,01	0,02	0,03	0,04

Такой подход никак нельзя назвать современным. Для выпуска качественной и надежной продукции при сохранении оптимальной себестоимости необходимо отбраковывать несоответствующие компоненты и комплектующие на этапах проведения квалификации производителей и поставщиков и входного контроля (см. рис. 2).

Рис. 2. Дефекты электронных компонентов, выявленные при проведении входного контроля: соединительные проводники на поверхности корпуса (а); дефект разварки на матрицу выводов (б); деформированные шариковые выводы (в); неудовлетворительное совмещение слоев печатной платы (г)

Технологические дефекты

Рис. 3. Технологические дефекты, связанные с низким качеством пайки, хорошо выявляются в рентгеновских лучах

Для диагностики и локализации технологических дефектов (см. рис. 3) каждому предприятию, исходя из характера и серийности выпускаемой продукции и условий ее применения, необходимо:

– разработать оптимальную стратегию контроля, позволяющую выявлять дефекты как можно ближе к месту их вероятного возникновения;

– разработать программу по реализации выбранной стратегии контроля, включающую выбор оптимального набора инспекционного, контрольно-измерительного и испытательного оборудования;

– внедрить на предприятии новый типовой технологический процесс, включающий испытания, инспекционные и контрольно-измерительные операции, предусмотренные выбранной стратегией контроля.

В таблице 2 показано, какой тип оборудования подходит для диагностики и локализации того или иного типа дефектов.

Критерии оценки достижения запланированного уровня качества и надежности

Критерием качества выпускаемой продукции может служить уровень дефектности при приемке. Например, планируемый максимальный уровень несоответствующей продукции при приемке — 1000 ppm (тысяча дефектных изделий на миллион — или, в данном случае, одно бракованное изделие на тысячу годных).

Надежность продукции хорошо отражает число возвратов по гарантии. Например, планируемый максимальный уровень возвратов несоответствующей продукции в гарантийный период — не более 100 ppm (один возврат на 10 тыс. изделий).

При оценке уровня автоматизации технологического процесса и культуры производства в мировой практике часто используется критерий количество годных изделий с первого прохода (без ремонтов). Например, планируемое количество годных печатных узлов с первого прохода — не менее 95%. Этот критерий используют, как правило, при оценке работы высокопроизводительных автоматических сборочных линий в условиях среднесерийного и массового производства. Контрольные замеры производят в середине большой партии.

Важным критерием, определяющим себестоимость и качество выпускаемой продукции, является стоимость проведения ремонтов на производстве и в гарантийный период. Этот критерий универсален, в том числе, и для многономенклатурных мелкосерийных производств. Необходимо учитывать следующие обстоятельства:

– стоимость и трудоемкость диагностики и локализации дефекта составляет, как правило, до 90% всего объема ремонтных работ. Представьте себе поиск неисправности на печатном узле, где установлено 1000 компонентов, а общее число паяных соединений — около 4000. Сколько времени потребуется наладчику для локализации дефекта? Какова должна быть его квалификация? Какой процент печатных узлов не будет восстановлен? Какова стоимость компонентов, необходимых для ремонта? По отзывам наших клиентов, средняя трудоемкость подобной работы — 9 нормо-часов, а средняя стоимость ремонта — 50 долл.;

– стоимость ремонта повышается на порядок при пропуске дефектного (потенциально дефектного) изделия на следующую стадию производства. Другими словами, если на этапе входного контроля стоимость обнаружения дефектного компонента приблизительно равна цене самого компонента, то на этапе сборки печатных узлов стоимость диагностики и локализации дефектного компонента повышается в 10 раз;

– стоимость диагностики и локализации дефектов тем ниже, чем ближе инспекционная и/или контрольная операция находится к месту наиболее вероятного их возникновения. Если, например, монтируются дорогостоящие или сложные, многовыводные компоненты (например, микросхемы в корпусах BGA), то особое внимание следует уделить контролю качества нанесения паяльной пасты, чтобы резко снизить вероятность возникновения дефектов паяных соединений под корпусами и свести к минимуму потребность ремонта.