Во времена плановой экономики на промышленных предприятиях существовало понятие «выход годных». Это был важный показатель рентабельности интегральной технологии, поэтому на него были соответствующие регламенты и стандарты. В настоящее время этот термин менее популярен, предприятие ведёт учёт брака внутри себя, и использование каждой технологии определяется её выгодой с точки зрения бизнеса.
Естественное развитие электроники – это постоянное увеличение плотности топологического рисунка и поиск новых материалов. Примером может служить гибкая «гибридная электроника», получившая поддержку Американского военного ведомства [1, 2]. В ходе работ в МИЭТ независимо от западных коллег сформировано отечественное аналогичное направление высокоплотной технологии микроузлов, использующее различные полимерные материалы [3].
Разработка и внедрение новых технологий в электронике сопровождается рядом трудностей, одна из которых – низкий процент выхода годных, считается, что подобная технология «не зрелая». Однако для высокоточных изделий, характеризующихся меньшими размерами топологических элементов, большей слойностью и топологиечкой площадью вероятность дефектов выше, чем для традиционных.
Для подробного рассмотрения проблемы введём понятия и переменные. Существует печатное изделие, для удобства прямоугольной формы. S – топологическая площадь изделия (со сторонами a и b). Весь рисунок топологии состоит из условных элементов, с потенциальной ошибкой. N – число условных элементов в единице площади. X – вероятность ошибки на условном элементе. Z – расчётное количество брака.
Количество брака (Z) есть вероятность ошибки в условном элементе (X) умноженное на число таких элементов (N).
Z = X*N; (1)
N = S*Nk;
Где N – зависит от класса точности изделия, согласно ГОСТ Р 53429-2009 “Печатные платы. Основные параметры конструкции” (N1 – для 1 класса точности, N2 – для второго и т.д. до N7), а X – зависит от технологии, базовых материалов, оборудования, персонала и случайности.
В зависимости от класса точности будет изменяться размер элементов топологического рисунка. Для оценки числа условных элементов с потенциальной ошибкой удобно привязать переменную Nk к величине допустимого размера проводник/зазор в зависимости от класса точности (Lk).
Значения Lk:
L1 = 750 мкм =0,75 мм,
L2 = 450 мкм =0,45 мм,
L3 = 250 мкм =0,25 мм,
L4 = 150 мкм =0,15 мм,
L5 = 100 мкм =0,1 мм,
L6 = 75 мкм =0,075 мм,
L7 = 50 мкм =0,05 мм.
Nk = (a/Lk)*(b/Lk) = S/Lk2;
Исходя из (1) имеем:
Z = X*N = X*S*(S/Lk2) = X*(S2/Lk2); (2)
Согласно (2) количество брака пропорционально квадрату топологической площади, при прочих равных условиях. Рассмотрим подробнее вероятность брака Z в зависимости от класса точности k. Исходя из (2) имеем:
Zk~1/Lk2; (3)
Подставим в (3) значения Lk (в мм), получаем:
Z1 ~ 1/0,752 = 1/0,5625 = 1,78..;
Z2 ~ 1/0,452 = 1/0,2025 = 4,94..;
Z3 ~ 1/0,252 = 1/0,0625 = 16;
Z4 ~ 1/0,152 = 1/0,0225 = 44,44;
Z5 ~ 1/0,12 = 1/0,01 = 100;
Z6 ~ 1/0,0752 = 1/0,005623 = 177,84..;
Z7 ~ 1/0,052 = 1/0,0025 = 400.
Фактически выведено значение потенциального количества брака (Zn) в условных единицах, в зависимости от класса точности изделия, согласно ГОСТ Р 53429-2009. Количество брака увеличивается с увеличением класса точности – примерно в 2 раза, при переходе на 1 класс (для 1-3 класса в 4 раза).
Можно сделать вывод:
Расчётное количество брака на изделия по высокоплотным технологиям пропорционально квадрату топологической площади и увеличивается вдвое, при повышении на единицу класса точности изделия (согласно ГОСТ Р 53429-2009).
В ходе разработки и внедрения гибридных высокоплотных технологий, в МИЭТ совместно с соисполнителями были оптимизированы существующие технологические процессы (в том числе для печатной электроники), освоены и запущены новые, найдены и применены новые перспективные базовые материалы, наработан опыт по выпуску опытных изделий.
Рассмотрим производственную статистику по выпуску изделий печатной высокоплотной электроники. В ходе проведения совместных работ за период в половину года было изготовлено:
1) 50 устройств 100х100 мм2, соответствующих 7 классу точности (изделие 1);
2) 100 устройств 100х100 мм2, соответствующих 6 классу точности (изделие 2);
3) 50 устройств 100х100 мм2, соответствующих 5 классу точности (изделие 3);
4) 100 устройств 100х50 мм2, соответствующих 5 классу точности (изделие 4);
Из них для изделия 1 годными по параметрам оказались 10 шт., для изделия 2 – 66 шт., для изделия 3 – 45 шт., для изделия 4 – 95 шт. Соответственно, практический выход годны за период составил:
1) Изделие 1: p1 = 10/50 = 20%; 80% брак;
2) Изделие 2: p2 = 66/100 = 66%; 34% брак;
3) Изделие 3: p3 = 40/50 = 80%; 20% брак;
4) Изделие 4: p4 = 95/100 = 95%; 5% брак.
Сравним с теоретическими значениями, вычислив практические показатели увеличения брака (Zp) при переходе от технологии 5 класса точности к 6 (Zp6/Zp5), от 6 класса к 7 (Zp7/Zp6) и в рамках одного класса при увеличении площади в 2 раза (Zp2S/ZpS).
Теоретические значения:
Z7/Z6 = 400/177,84 = 2,25..;
Z6/Z5 = 177,84/100 = 1,7784;
Zp2S/ZpS = (2*S/S)2 = 4;
Практические значения:
Zp7/Zp6 = 80/34 = 2,35..;
Zp6/Zp5 = 34/20 = 1,7;
Zp2S/ZpS = 20/5 = 4;
Сравнив теоретические и практические значения можно сделать вывод о справедливости расчётов.
Итак, полученные данные могут быть применены на практике для внедрения новых высокоплотных и гибридных технологий: имея данные о выходе годных для выпускаемых электронных изделий можно спрогнозировать выход годных для изделий классом точности выше, с большей топологической площадью на этой же производственной базе.
Библиографический список
- Пентагон объявил о финансировании работ по созданию гибридного поколения электроники // Электронный ресурс. URL: http://ru.euronews.com/newswires/3064228-newswire/ (дата обращения 21.09.2015)
- Пентагон и Apple будут совместно создавать «умную» экипировку для солдат // Электронный ресурс. URL: http://style.rbc.ru/news/gadgets/2015/08/31/21838/ (дата обращения 21.09.2015)
- Константинов П.Н., Тимошенков С.П., Тихонов К.С. Исследование размерной стабильности базовых полимерных материалов для современных печатных плат // Инженерный вестник Дона. 2012. №4-1/ том 22.