eng
Выпуск #10/2022
Ш. Шугаепов, Е. Ермолаев, В. Егошин, Е. Шакирова
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АО «ЗПП» КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АО «ЗПП» КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
Просмотры: 891
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.221.10.52.56
Рассмотрено метрологическое обеспечение АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП»). Отмечено, что в обеспечении высоких качественных показателей разрабатываемой продукции первостепенная роль принадлежит достоверным измерениям технических параметров: без правильно выполненных измерений нельзя судить о качестве и надежности изделий.
Рассмотрено метрологическое обеспечение АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП»). Отмечено, что в обеспечении высоких качественных показателей разрабатываемой продукции первостепенная роль принадлежит достоверным измерениям технических параметров: без правильно выполненных измерений нельзя судить о качестве и надежности изделий.
Теги: dilatometer metal-ceramic package metrological support x-ray fluorescence analyzer дилатометр металлокерамический корпус метрологическое обеспечение рентгенофлуоресцентный анализатор
Метрологическое обеспечение АО «ЗПП» как инструмент повышения
качества продукции
Ш. Шугаепов 1, Е. Ермолаев 2, В. Егошин 3, Е. Шакирова 4
Значительную долю российского рынка металлокерамических изделий для электроники занимает продукция АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») – ведущего отечественного предприятия радиоэлектронной отрасли, обладающего уникальным технологическим процессом производства многослойных керамических структур для металлокерамических подложек, плат и корпусов для интегральных микросхем любой сложности. Все последние годы АО «ЗПП» разрабатывает инновационные продукты, а также ведет активную работу по выходу на потребительский рынок и увеличению доли продукции гражданского назначения. Более того, расширяется общая география продаж, предпринимаются меры по наращиванию экспорта, ведутся работы по импортозамещению. В обеспечении высоких качественных показателей разрабатываемой продукции первостепенная роль принадлежит достоверным измерениям технических параметров: без правильно выполненных измерений нельзя судить о качестве и надежности изделий.
Достоверность результатов измерений зависит от выбранных методов и средств измерений, а также от правильных обработки и анализа полученных результатов, что должно обеспечить их единство и требуемую точность. Каждый шаг производства и выпуска готовой продукции требует соответствующего уровня развития метрологического обеспечения. Это касается любой стадии создания продукции: изготовления, испытаний, контроля, эксплуатации и др. Оснащение предприятия современными средствами измерений и внедрение соответствующих им методик приводит к повышению качества выпускаемой продукции.
В АО «ЗПП» основной акцент сделан на разработку и освоение в производстве новых типов металлокерамических корпусов (МКК) для интегральных микросхем, способных отвечать современным требованиям микроэлектроники.
Технологический процесс изготовления МКК представлен на рис. 1.
МКК – это комплекс деталей, предназначенных для сборки электрорадиоизделий (ЭРИ), обеспечения требуемого внутреннего объема, электрических связей кристалла, теплопередачи и защиты от внешних воздействий.
Преимущества керамики:
способность образовывать вакуумно-плотные соединения с металлами и их сплавами;
минимальные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ (109–1010 Гц) при температурах до 500–700 °C (773–973 К);
высокая электрическая прочность в различных средах (воздух, вакуум, жидкие диэлектрические среды) при постоянном напряжении и переменном напряжении с большой длительностью импульсов;
хорошая химическая стойкость и устойчивость к воздействию различных климатических факторов (влаги, морской воды, тумана, грибковой плесени), а также нейтральность к восстановительным и окислительным газам, радиационная стойкость и устойчивость к плазме;
высокая механическая прочность при нагреве и охлаждении до отрицательных температур в условиях вибрации;
способность выдерживать большие градиенты температуры, местные перегревы, быстрые изменения температуры и многократные термические удары.
МКК выполняет много функций, которые необходимо контролировать с помощью измерений: эффективный отвод и рассеивание тепла, выделяемого при работе микросхемы; электрическая изоляция полупроводниковых кристаллов; герметизация соединений; защита схемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений (рис. 2).
Корпус должен иметь минимальные индуктивности выводов и межвыводные емкости, быть согласованным по частотным характеристикам с системами, в которых работают СВЧ-схемы. Он должен обеспечивать удобство монтажа микросхемы и надежность крепления при монтаже в аппаратуре; обладать коррозионной стойкостью; иметь малую массу при высокой прочности и жесткости; быть простым и дешевым в изготовлении; сохранять целостность конструкции в условиях значительной вибрации и ударных ускорений.
Результаты метрологических измерений используют также для своевременного выявления и предупреждения ошибок и дефектов, допущенных при проектировании. Поэтому при разработке продукции проводят различного рода испытания опытных образцов в лабораториях, а также в реальных условиях эксплуатации. При этом основными средствами получения информации являются различные измерительные приборы, системы и комплексы.
Одно из современных средств измерений в АО «ЗПП» – высокотемпературный дилатометр (рис. 3), который предназначен для измерений линейных приращений и температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) твердых, пастообразных, порошкообразных и жидких материалов. Дилатометр предоставляет точную информацию о расширении или сжатии во время термической обработки керамики. В частности, понимание процесса выгорания связующего вещества в процессе обжига и влияния добавок в процессе спекания необходимо при изготовлении керамических материалов.
Дилатометр представляет собой автоматизированный аппаратный комплекс, состоящий из:
измерительного блока, в состав которого входят устройство изменения температуры и измерительная система;
системы контроля;
персонального компьютера и вспомогательного оборудования.
Горизонтально расположенное устройство изменения температуры предназначено для обеспечения рабочего диапазона температур исследуемого образца в соответствии с программой измерений. Для дилатометра это две взаимозаменяемые печи:
кварцевая печь (20–1 150 °C);
печь из карбида кремния (20–1 600 °C).
Согласно технологическому регламенту на изготовление образцов для испытания керамической массы, образцы в количестве не менее пяти штук передают в испытательный центр с сопроводительными листами.
Температура исследуемого образца, в зависимости от рабочего диапазона температур, измеряется термопарами различного типа. Измерительная система предназначена для измерения и регистрации изменений линейных размеров образца. Исследуемый образец устанавливается в держателе, который помещается в нагревательное устройство. Во время нагревания образец расширяется, смещает толкатель, чье перемещение измеряется при помощи оптического датчика. На экран монитора выводятся все текущие экспериментальные и расчетные данные.
Управление процессом измерения и обработки выводимой информации в дилатометре осуществляется с IBM-совместимого персонального компьютера с помощью специального программного комплекса. Программным образом осуществляется настройка дилатометра, выбор режимов и установка параметров эксперимента, градуировка, управление работой, обработка выходной информации, печать и архивирование результатов измерений. Во всех частях программного обеспечения, где требуется ввод какой-либо величины, в программе имеется соответствующее методикам и стандартам установочное значение параметра, принимаемое по умолчанию. На рис. 4 представлен график измерения температурного коэффициента линейного расширения металлокерамического образца, переданного в испытательный центр для испытаний.
Результаты, которые могут быть получены при измерении на дилатометре:
линейное термическое pасширение;
температурный коэффициент линейного расширения;
объемное расширение;
стадии сжатия;
точка (температура) размягчения;
влияние влажности;
фазовые переходы;
температуры и стадии спекания;
изменение плотности;
влияние добавок и сырья;
температура разложения (например, органического связующего);
анизотропное поведение;
оптимизация процесса обжига.
Встроенная термоаналитическая экспертиза – это программа для идентификации и интерпретации результатов дилатометрических измерений. Она включает несколько библиотек с сотнями измерений различных материалов, начиная от керамики, неорганики, металлов и сплавов до полимеров или органических материалов. Идентификация позволяет определять неизвестные образцы по формам уже измеренных кривых. Это открывает уникальную возможность сравнивать известные образцы со множеством других образцов и позволяет делать выводы о качестве материала, что дает возможность с помощью современного метрологического оборудования достигать высокого качества продукции.
Еще одним средством измерения в АО «ЗПП», которое помогает обеспечить большой процент продукции высокого качества, является рентгенофлуоресцентный анализатор (рис. 5). Он предназначен для измерений толщины покрытия, определения концентрации растворов, составов сплавов. Инновации в полупроводниковой промышленности и современные тенденции ведут к тому, что необходимо разрабатывать сложные платы с более высокой плотностью компонентов, которые нуждаются в очень высокой точности контроля металла, обеспечивая надежную функциональность изделия, именно поэтому так необходим анализатор в производстве МКК.
Измерение множества мелких элементов, таких как плата с 1 000 элементов, некоторые из которых менее 100 мкм, уже не является чем-то новым, а количественное исследование нескольких слоев металлического покрытия легко достижимо с применением системы рентгенофлуоресцентного (XRF) анализа. Проводится быстрый неразрушающий анализ химического состава и толщины покрытий на любых основаниях в диапазоне элементов от Al до U. Высокая точность и скорость измерения позволяют проводить 100%-ный контроль качества готовых изделий и 100%-ный входной контроль при заказе нанесения покрытия или при изготовлении печатных плат. Анализатор дает огромные возможности для выполнения анализа и документирования результатов точного контроля качества покрытий (рис. 6).
В ходе метрологического обеспечения испытаний образцов продукции необходимо выполнение следующих мероприятий:
установление соответствия достигнутой точности измерений параметров и характеристик образцов продукции значениям, определенным при проектировании, и при необходимости формирование дополнительных предложений по повышению уровня метрологического обеспечения, в частности, уточнение номенклатуры параметров, подлежащих измерению и контролю;
использование аттестованных методик измерений и поверенных средств измерений, надзор за их состоянием и правильностью применения;
проведение метрологической экспертизы конструкторской и технологической документации в целях анализа и оценки технических решений и уровня метрологического обеспечения разрабатываемых образцов продукции.
В ходе метрологического обеспечения производства образцов продукции достигаются требуемые показатели качества с помощью объективного измерительного контроля каждой операции технологического процесса, повышения производительности за счет автоматизации процессов измерений и измерительного контроля, увеличения стабильности технологических процессов и снижения затрат на устранение или переделку брака.
Высокое качество выпускаемой продукции зависит от стабильности производства, невозможной без достоверной информации о качестве исходных материалов, сырья, полуфабрикатов, режимах и параметрах технологических процессов. Вся эта информация, получаемая с помощью разнообразных измерений, является основой управления качеством выпускаемой продукции. ●
качества продукции
Ш. Шугаепов 1, Е. Ермолаев 2, В. Егошин 3, Е. Шакирова 4
Значительную долю российского рынка металлокерамических изделий для электроники занимает продукция АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») – ведущего отечественного предприятия радиоэлектронной отрасли, обладающего уникальным технологическим процессом производства многослойных керамических структур для металлокерамических подложек, плат и корпусов для интегральных микросхем любой сложности. Все последние годы АО «ЗПП» разрабатывает инновационные продукты, а также ведет активную работу по выходу на потребительский рынок и увеличению доли продукции гражданского назначения. Более того, расширяется общая география продаж, предпринимаются меры по наращиванию экспорта, ведутся работы по импортозамещению. В обеспечении высоких качественных показателей разрабатываемой продукции первостепенная роль принадлежит достоверным измерениям технических параметров: без правильно выполненных измерений нельзя судить о качестве и надежности изделий.
Достоверность результатов измерений зависит от выбранных методов и средств измерений, а также от правильных обработки и анализа полученных результатов, что должно обеспечить их единство и требуемую точность. Каждый шаг производства и выпуска готовой продукции требует соответствующего уровня развития метрологического обеспечения. Это касается любой стадии создания продукции: изготовления, испытаний, контроля, эксплуатации и др. Оснащение предприятия современными средствами измерений и внедрение соответствующих им методик приводит к повышению качества выпускаемой продукции.
В АО «ЗПП» основной акцент сделан на разработку и освоение в производстве новых типов металлокерамических корпусов (МКК) для интегральных микросхем, способных отвечать современным требованиям микроэлектроники.
Технологический процесс изготовления МКК представлен на рис. 1.
МКК – это комплекс деталей, предназначенных для сборки электрорадиоизделий (ЭРИ), обеспечения требуемого внутреннего объема, электрических связей кристалла, теплопередачи и защиты от внешних воздействий.
Преимущества керамики:
способность образовывать вакуумно-плотные соединения с металлами и их сплавами;
минимальные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ (109–1010 Гц) при температурах до 500–700 °C (773–973 К);
высокая электрическая прочность в различных средах (воздух, вакуум, жидкие диэлектрические среды) при постоянном напряжении и переменном напряжении с большой длительностью импульсов;
хорошая химическая стойкость и устойчивость к воздействию различных климатических факторов (влаги, морской воды, тумана, грибковой плесени), а также нейтральность к восстановительным и окислительным газам, радиационная стойкость и устойчивость к плазме;
высокая механическая прочность при нагреве и охлаждении до отрицательных температур в условиях вибрации;
способность выдерживать большие градиенты температуры, местные перегревы, быстрые изменения температуры и многократные термические удары.
МКК выполняет много функций, которые необходимо контролировать с помощью измерений: эффективный отвод и рассеивание тепла, выделяемого при работе микросхемы; электрическая изоляция полупроводниковых кристаллов; герметизация соединений; защита схемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений (рис. 2).
Корпус должен иметь минимальные индуктивности выводов и межвыводные емкости, быть согласованным по частотным характеристикам с системами, в которых работают СВЧ-схемы. Он должен обеспечивать удобство монтажа микросхемы и надежность крепления при монтаже в аппаратуре; обладать коррозионной стойкостью; иметь малую массу при высокой прочности и жесткости; быть простым и дешевым в изготовлении; сохранять целостность конструкции в условиях значительной вибрации и ударных ускорений.
Результаты метрологических измерений используют также для своевременного выявления и предупреждения ошибок и дефектов, допущенных при проектировании. Поэтому при разработке продукции проводят различного рода испытания опытных образцов в лабораториях, а также в реальных условиях эксплуатации. При этом основными средствами получения информации являются различные измерительные приборы, системы и комплексы.
Одно из современных средств измерений в АО «ЗПП» – высокотемпературный дилатометр (рис. 3), который предназначен для измерений линейных приращений и температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) твердых, пастообразных, порошкообразных и жидких материалов. Дилатометр предоставляет точную информацию о расширении или сжатии во время термической обработки керамики. В частности, понимание процесса выгорания связующего вещества в процессе обжига и влияния добавок в процессе спекания необходимо при изготовлении керамических материалов.
Дилатометр представляет собой автоматизированный аппаратный комплекс, состоящий из:
измерительного блока, в состав которого входят устройство изменения температуры и измерительная система;
системы контроля;
персонального компьютера и вспомогательного оборудования.
Горизонтально расположенное устройство изменения температуры предназначено для обеспечения рабочего диапазона температур исследуемого образца в соответствии с программой измерений. Для дилатометра это две взаимозаменяемые печи:
кварцевая печь (20–1 150 °C);
печь из карбида кремния (20–1 600 °C).
Согласно технологическому регламенту на изготовление образцов для испытания керамической массы, образцы в количестве не менее пяти штук передают в испытательный центр с сопроводительными листами.
Температура исследуемого образца, в зависимости от рабочего диапазона температур, измеряется термопарами различного типа. Измерительная система предназначена для измерения и регистрации изменений линейных размеров образца. Исследуемый образец устанавливается в держателе, который помещается в нагревательное устройство. Во время нагревания образец расширяется, смещает толкатель, чье перемещение измеряется при помощи оптического датчика. На экран монитора выводятся все текущие экспериментальные и расчетные данные.
Управление процессом измерения и обработки выводимой информации в дилатометре осуществляется с IBM-совместимого персонального компьютера с помощью специального программного комплекса. Программным образом осуществляется настройка дилатометра, выбор режимов и установка параметров эксперимента, градуировка, управление работой, обработка выходной информации, печать и архивирование результатов измерений. Во всех частях программного обеспечения, где требуется ввод какой-либо величины, в программе имеется соответствующее методикам и стандартам установочное значение параметра, принимаемое по умолчанию. На рис. 4 представлен график измерения температурного коэффициента линейного расширения металлокерамического образца, переданного в испытательный центр для испытаний.
Результаты, которые могут быть получены при измерении на дилатометре:
линейное термическое pасширение;
температурный коэффициент линейного расширения;
объемное расширение;
стадии сжатия;
точка (температура) размягчения;
влияние влажности;
фазовые переходы;
температуры и стадии спекания;
изменение плотности;
влияние добавок и сырья;
температура разложения (например, органического связующего);
анизотропное поведение;
оптимизация процесса обжига.
Встроенная термоаналитическая экспертиза – это программа для идентификации и интерпретации результатов дилатометрических измерений. Она включает несколько библиотек с сотнями измерений различных материалов, начиная от керамики, неорганики, металлов и сплавов до полимеров или органических материалов. Идентификация позволяет определять неизвестные образцы по формам уже измеренных кривых. Это открывает уникальную возможность сравнивать известные образцы со множеством других образцов и позволяет делать выводы о качестве материала, что дает возможность с помощью современного метрологического оборудования достигать высокого качества продукции.
Еще одним средством измерения в АО «ЗПП», которое помогает обеспечить большой процент продукции высокого качества, является рентгенофлуоресцентный анализатор (рис. 5). Он предназначен для измерений толщины покрытия, определения концентрации растворов, составов сплавов. Инновации в полупроводниковой промышленности и современные тенденции ведут к тому, что необходимо разрабатывать сложные платы с более высокой плотностью компонентов, которые нуждаются в очень высокой точности контроля металла, обеспечивая надежную функциональность изделия, именно поэтому так необходим анализатор в производстве МКК.
Измерение множества мелких элементов, таких как плата с 1 000 элементов, некоторые из которых менее 100 мкм, уже не является чем-то новым, а количественное исследование нескольких слоев металлического покрытия легко достижимо с применением системы рентгенофлуоресцентного (XRF) анализа. Проводится быстрый неразрушающий анализ химического состава и толщины покрытий на любых основаниях в диапазоне элементов от Al до U. Высокая точность и скорость измерения позволяют проводить 100%-ный контроль качества готовых изделий и 100%-ный входной контроль при заказе нанесения покрытия или при изготовлении печатных плат. Анализатор дает огромные возможности для выполнения анализа и документирования результатов точного контроля качества покрытий (рис. 6).
В ходе метрологического обеспечения испытаний образцов продукции необходимо выполнение следующих мероприятий:
установление соответствия достигнутой точности измерений параметров и характеристик образцов продукции значениям, определенным при проектировании, и при необходимости формирование дополнительных предложений по повышению уровня метрологического обеспечения, в частности, уточнение номенклатуры параметров, подлежащих измерению и контролю;
использование аттестованных методик измерений и поверенных средств измерений, надзор за их состоянием и правильностью применения;
проведение метрологической экспертизы конструкторской и технологической документации в целях анализа и оценки технических решений и уровня метрологического обеспечения разрабатываемых образцов продукции.
В ходе метрологического обеспечения производства образцов продукции достигаются требуемые показатели качества с помощью объективного измерительного контроля каждой операции технологического процесса, повышения производительности за счет автоматизации процессов измерений и измерительного контроля, увеличения стабильности технологических процессов и снижения затрат на устранение или переделку брака.
Высокое качество выпускаемой продукции зависит от стабильности производства, невозможной без достоверной информации о качестве исходных материалов, сырья, полуфабрикатов, режимах и параметрах технологических процессов. Вся эта информация, получаемая с помощью разнообразных измерений, является основой управления качеством выпускаемой продукции. ●
Отзывы читателей
