Реферат: Системные критерии технического уровня и качества изделий

В конце 80-х годов контроль качества распространился на другие сферы деятельности человека, такие как образование, медицина и т.д. Контроль качества, далеко выйдя за пределы сферы производства, стал универсальным. Поэтому термин "всеобщий контроль качества" (TQC), переставший отражать сущность явления, в начале 90-х годов было предложено заменить на термин "универсальный контроль качества" (UniversalQualityControl - UQC), в основе которого остались те же 7 инструментов качества.

ХХI век должен положить конец разногласиям и жесткой конкуренции между странами. Мировая экономика должна прийти в равновесие. Развитые страны помогут развивающимся реализовать свои возможности. Качество изделий всех стран должно стать таким, чтобы их покупали во всем мире. И в этом существенную роль должен играть UQC.

2. Требования к конструкциям ЭС и показатели их качества

При решении задач конструирования заказных БИС и кристаллов СВЧ ИС решаются задачи операции входного контроля исходных данных, покрытия, компоновки, взаимного расположения компонентов при минимуме числа пересечений, трассировки, контроля топологии, изготовления рисунков фотошаблонов и их оригиналов.

Главное, что надо отметить, это то, что радиоинженер-конструктор-технолог является пользователем средств вычислительной техники, а не их разработчиком и программистом, поэтому ему нужны основы этих знаний, чтобы грамотно решать свои задачи по автоматизированному конструированию.

К основным требованиям, предъявляемым к конструкциям ЭС относятся высокое качество энергоинформационных (электрических) показателей, надежность, прочность, жесткость, технологичность, экономичность и серийноспособность конструкции при малой материалоемкости и потребляемой мощности.

Конструкции, отвечающие этим требованиям, должны обладать минимальными массой m, объемом V, потребляемой мощностью Р, частотой отказов l, стоимостью С и сроком разработки Т, должны быть вибро- и ударопрочны, работать в нормальном тепловом режиме и иметь достаточно высокий для производства процент выхода годных изделий.

Показатели, характеризующие эти качества, могут быть разбиты на следующие группы: абсолютные (в абсолютных единицах), комплексный (безразмерный, обобщенный), удельные (в удельных величинах) и относительные (безразмерные, нормированные).

К абсолютным показателям относят массу конструкции, ее объем, потребляемую мощность, частоту отказов, стоимость и срок разработки. Иногда эту группу показателей называют материальными (М) показателями, отвечающими на вопрос, из чего и как сделано устройство. Группу же энергоинформационных параметров в этих случаях называют функциональными (Ф) показателями, которые отвечают на вопрос для чего и что может делать устройство. Из этих двух групп могут быть получены более общие показатели качества такие, как комплексный показатель и удельные показатели качества.

Комплексный показатель качества представляет собой сумму нормированный частных материальных показателей со своими "весовыми" коэффициентами, как коэффициентами значимости этого параметра на суммарное качество конструкции:

К=j_m m_o +j_V V_o +j_l l_o +j_P P_o +j_C C_o +j_T T_o , (1)

где m_o , V_o , l_o , P_o , C_o , T_o – нормированные значения материальных параметров относительно заданных по техническому заданию либо отношения этих материальных параметров для разных сравнительных вариантов конструкции,

j_m , j_V , j_l , j_P , j_C , j_T – коэффициенты значимости частных материальных параметров, определяемые методом экспертных оценок, обычно их значение выбирают в пределах от 0 до 1.

Выражение (1) показывает, что чем меньше каждый из материальных параметров, тем выше качество конструкции при одних и тех же функциональных параметрах. Коэффициенты значимости определяются группой экспертов (желательно в количестве не менее 30 человек), которые в зависимости от назначения и объекта установки РЭС присваивают каждый то или иное значение коэффициента значимости параметрам. Далее их результаты оценки суммируются, определяются средние значения и среднеквадратичные этих коэффициентов, находятся допустимые поля отклонений и по ним устраняют "промахи" экспертов, которые исключают из общей суммы и далее повторяют те же операции обработки данных. В результате получают средние, "достоверные" значения этих коэффициентов, и тем самым и само уравнение для расчетов.

Пример 1 Для бортового ракетного РЭС выбрать лучший вариант из двух методов конструирования РЭС: на печатных платах с корпусированными ИС широкого применения или на металлических рамах с бескорпусными микросборками.

Примем значения коэффициентов значимости для ракетных РЭС следующими: j_m =1; j_V =j_l =0,8; j_C =0,5; j_P =0,4; j_T =0,5. Поскольку потребляемая мощность РЭС при переходе от корпусированной ИС к ее бескорпусному варианту не меняется, то четвертую составляющую в уравнении (11.1) исключим. Для упрощения расчетов не будем учитывать и срок разработки. Из литературы известно, что при выборе второго варианта масса уменьшается в 3 раза, объем – в 5 раз, частота отказов – в 2 раза, а стоимость увеличивается в 3 раза. Тогда в первом варианте значения всех нормированных показателей (самих относительно себя) будут равны 1, а во втором варианте составят соответственно m_o =0,33; V_o =0,2; l_o =0,5 и C_o =3. комплексный показатель качества для первого и второго варианта будет равен соответственно

К₁ =1*1+0,8*1+0,8*1+0,5*1=3,1 и К₂ =1*0,33+0,8*0,2+0,8*0,5+0,5*3=2,4.

Таким образом, лучшим вариантом является второй.

К удельным показателям качества конструкции относят удельные коэффициенты конструкций: плотность упаковки элементов на площади или в объеме, удельную мощность рассеивания на площади или в объеме (теплонапряженность конструкции), удельную массу (плотность) конструкции, величину истечения газа из объема конструкции (степень герметичности),

Удельные коэффициенты оценивают прогресс развития новых конструкций по сравнению с предыдущими аналогами и прототипами. Они выражаются как k=М/Ф и для каждого из типов радиоустройств или болков имеют конкретное выражение размерности величин. Так для антенных устройств, если для них в качестве основного параметра взять массу, удельный коэффициент k_А =m/G[кг/ед.усиления], где G – коэффициент усиления антенны; для передающих устройств k_пер =m/Р_вых [кг/Вт], где Р_вых – выходная мощность передатчика. Поскольку передающие устройства характеризуются большим количеством функциональных параметров (коэффициентом усиления, коэффициентом шума, полосой пропускания, выходной мощностью и др.), то функциональная сложность и качество выполняемых функций для микросборочных конструктивов может быть оценено количеством разработанных микросборок (n_МСБ ), тогда k_пер =m/ n_МСБ [кг/МСБ]. Аналогично можно рассчитать удельные коэффициенты и по отношению к другим материальным параметрам и получить для сравнения аналогов их величины, выраженные в [см³ /ед.усиления], [см³ /Вт], [см³ /МСБ], [руб/ед.усиления], [руб/Вт], [руб/МСБ] и т.п. Такие оценки наиболее наглядны и не требуют доказательств, что лучше а что хуже без всяких эмоций.

Плотность упаковки элементов на площади или в объеме оценивается следующими выражениями g_S =N/S и g_V =N/V, где N – количество элементов, S и V – занимаемые ими площадь или объем соответственно. Количество элементов определяется как N=N_ИС *n_э +n_ЭРЭ , где N_ИС – количество ИС в устройстве, n_э – количество элементов в одной ИС (кристалле или в корпусе), n_ЭРЭ – количество навесных электрорадиоэлементов в конструкции ячейки, блока, стойки. Плотность упаковки является главным показателем уровня интеграции конструктивов того или иного уровня. Так если для полупроводниковых ИС с объемом кристалла в 1 мм³ и количеством элементов в нем равным 40 единиц, g_ИС =40*10³ эл/см³ , то на уровне блока цифровых РЭС g_б =40 эл/см³ . Происходит это за счет того, что кристаллы корпусируются, далее корпусированные ИС рзмещаются на плате с известным зазором и при компоновке ФЯ в блок опять-таки появляются дополнительные зазоры между пакетом ФЯ и внутренними стенками корпуса. Да и сам корпус имеет объем (объем стенок и лицевой панели), в котором нет полезных (схемных) элементов. Иначе говоря, при переходе с одного уровня компоновки на другой происходит потеря (дезинтеграция) полезного объема. Как будет сказано ниже, коэффициент дезинтеграции определяется отношение суммарного объема к полезному объему. Для блока цифрового типа он выражается как q_V =V_б /N_ИС *V_ИС , где V_ИС – объем одной микросхемы (либо бескорпусной, либо корпусированной в зависимости от метода конструирования). Учтя это выражение, можно записать, что

g_б = (N_ИС *n_э )/(q_V * N_ИС *V_ИС )=g_ИС / q_V , (2)

где g_ИС =n_э / V_ИС – плотность упаковки элементов в ИС.

Как показано выше, в бескорпусных ИС цифрового типа малой степени интеграции эта величина составляет 40 тыс.эл./см³ . При установке бескорпусных ИС в корпус, например IV типа, происходит увеличение объема примерно в 200 раз, а при установке корпусированных ИС на плату и далее компоновке их в объеме корпуса еще в 5 раз, т.е. суммарный коэффициент дезинтеграции составляет уже 10³ , при этом и получается g_б =40 эл/см³ , что характерно для блоков III поколения РЭС цифрового типа.

Из выражения (2) следует, что конструирование цифровых устройств высокой интеграции требует от разработчика не только применения БИС и СБИС, но и достаточно компактной компоновки. Для конструкций аналоговых ЭС, где не наблюдается четко выраженных регулярных структур активных элементов, где их число становится соизмеримым или даже меньшим, чем число пассивных навесных ЭРЭ (обычно одну аналоговую ИС "обрамляют" до 10 пассивных элементов: конденсаторов вместе с катушками и фильтрами), коэффициенты дезинтеграции объема еще более возрастает (в 3…4 раза). Из этого следует, что сравнивать конструктивы разного уровня иерархии и различных по назначению и принципу действия нельзя, т.е. этот показатель качества для всех ЭС не является универсальным. К тому же добавим, что если в одной компактной конструкции применили ИС малой степени интеграции (до 100 элементов на корпус), а в другой – плохо скомпоноввнной, но на БИС, то может оказаться по этому показателю, что вторая конструкция лучше, хотя явно видно, что она хуже. Поэтому в случае применения элементной базы разной степени интеграции сравнение конструкций по плотности компоновки неправомерно.

Таким образом, плотность упаковки элементов в объеме конструктива является действительной оценкой качества конструкции, но пользоваться этим критерием для сравнения надо грамотно и объективно.

Удельная мощность рассеивания определяет тепловую напряженность в объеме конструктива и рассчитывается как Р_{уд.расс} =Р_расс /V, где Р_расс @(0,8…0,9)Р для цифровых регулярных структур. В аналоговых, в особенности в приемоусилительных ячейках и блоках, мощности рассеивания и теплонапряженности невелики и тепловой режим обычно бывает нормальным и с большим запасом по этому параметру. В устройствах цифрового типа это, как правило, не наблюдается. Чем выше требования на быстродействие вычислительных средств, тем больше величина потребляемой мощности, тем выше теплонапряженность. Для РЭС на бескорпусных МСБ эта проблема еще более усугубляется, так как объем при переходе от III к IV поколению уменьшается, как было отмечено выше, в 5…6 раз. Поэтому в конструкциях блоков цифрового типа на бескорпусных МСБ обязательным является наличие мощных теплоотводов (металлических рамок, медных печатных шин и т.п.) В некоторых случаях в бортовых РЭС применяют и системы охлаждения, выбор типа которых проводится по критерию удельной мощности рассеивания с поверхности блока (Р¢_{уд.расс} =Р_расс /S, Вт/см² ). Для блоков цифрового типа III поколения допускаемая тепловая напряженность составляет 20…30 Вт/дм³ в условиях естественной конвекции и при перегреве корпуса относительно среды не более, чем 40 ^О С, а для блоков IV поколения порядка 40 Вт/дм³ и более.

Удельная масса конструкции выражается как m¢=m/V. Этот параметр ранее считался за главный критерий оценки качества аппаратуры и далее было условное деление конструкций на "тонущую РЭА" (m¢>1 г/см³ ) и "плавающую РЭА" (m¢<1 г/см³ ). Если конструкция была тонущая, то считали, что она компактна и хорошо скомпонована (мало воздуха и пустот в корпусе). Однако с появление IV поколения конструкций РЭС, где преобладающей долей массы являлись металлические рамки и с более толстыми стенками корпус (для обеспечения требуемой жесткости корпуса при накачке внутрь его азота), даже плохо скомпонованные ячейки оказывались тонущими. И чем больше и впустую расходовался металл, тем более возрастал этот показатель, переставший отражать качество компоновки и конструкции в целом. Поэтому для сравнения качества конструкций по этому критерию отказались, но он оказался полезным для решения другой задачи, а именно, распределение ресурса масс в конструктивах.

Величина истечения газа из объема конструкции оценивает степень ее герметичности и определяется как