Статьи, Обзоры, Аналитика

Актуальные проблемы российской электроники и способы их решения

Отечественные производители вынуждены иметь дело с множеством поставщиков комплектующих изделий и материалов. Если вывести за скобки ошибки и недоработки конструкторов, решающими факторами, влияющими на качество изделий, оказываются характеристики электронных компонентов. В статье рассматриваются способы их контроля.

Отечественная электронная промышленность во многом существенно отличается от промышленности других развитых стран. Эти отличия заключаются и в значительно меньшем (к сожалению) объёме производства, и в подавляющем преобладании импортных электронных компонентов, и в номенклатуре производимой продукции. В то же время требования к качеству выпускаемой продукции зачастую оказываются выше, чем в среднем для продукции иностранных производителей. Дело в том, что значительная доля отечественного электронного оборудования выпускается для оборонной или аэрокосмической промышленности, где предъявляются повышенные требования к допустимым условиям эксплуатации и надёжности функционирования, а оставшаяся часть зачастую должна эксплуатироваться в жёстких условиях российского климата. Ещё более усложняют ситуацию относительно малые объёмы выпускаемого оборудования, не идущие ни в какое сравнение с крупносерийным выпуском устройств широкого применения — телевизоров, компьютеров, мобильных телефонов и т.д., производство которых в большой мере монополизировано компаниями из Юго-Восточной Азии. Та же часть серийной продукции широкого потребления, которая выпускается на российских предприятиях, практически полностью основана не только на импортных комплектующих, но и на использовании иностранных схемных и конструктивных решений. Следует учитывать и то, что ограниченность выпуска разнообразных изделий небольшими сериями означает значительное расширение номенклатуры комплектующих изделий и сложность организации поставок, особенно непосредственно от изготовителей электронных компонентов. Ещё одной проблемой зачастую становятся политические обстоятельства, когда поставки прерываются из-за государственных ограничений. В результате службам снабжения часто приходится иметь дело с множеством разнообразных поставщиков, а производству — искать замену отсутствующим компонентам. В то же время при попытке снизить себестоимость готовых изделий снабженцы часто обращают максимум внимания на цену комплектующих, считая гарантии качества и надёжность поставщика малозначимым фактором.

В связи с этими обстоятельствами возникает вопрос: как обеспечить должное качество и надёжность поставок выпускаемых изделий при минимальных затратах?

Ликвидация зависимости от импорта комплектующих едва ли возможна в ближайшем будущем. Более того, отечественные поставщики, даже производя востребованные компоненты, далеко не всегда в состоянии обеспечить стабильность и самих поставок, и надлежащего их качества (в т.ч. по причине зависимости от поставок импортных материалов для производства). В то же время относительно малые объёмы выпуска не позволяют им конкурировать по цене с иностранными поставщиками. Сокращение номенклатуры также маловероятно, поскольку спрос на отечественные радиоэлектронные изделия год от года растёт: импортозамещение в этой области становится всё более насущной потребностью. В результате отечественные производители вынуждены иметь дело с множеством поставщиков комплектующих изделий и материалов.

Если вывести за скобки ошибки и недоработки конструкторов, решающими факторами, влияющими на качество изделий, оказываются характеристики электронных компонентов. Рассмотрим подробнее способы их контроля.

В подавляющем большинстве случаев характеристики компонентов и условия их правильной эксплуатации в полной мере учитываются разработчиками, а изготовители компонентов обеспечивают соответствие реальных характеристик указанным в справочниках. Однако и отечественные, и зарубежные производители электронной техники всё чаще сталкиваются с контрафактными компонентами. Это явление получило довольно широкую известность после нескольких неудач с запусками отечественных искусственных спутников и проблем с реализацией некоторых оружейных контрактов, когда причиной выхода электронной аппаратуры из строя по заключениям соответствующих комиссий стало использование ненадлежащих компонентов. Для борьбы с этим явлением принимаются соответствующие меры на государственном уровне. Например, с 1 января 2014 г. начал действовать Государственный стандарт ГОСТ 24297-2013 «Верификация закупленной продукции. Организация проведения и методы контроля».

Следует, однако, учитывать, что существует несколько разновидностей контрафактной продукции, значительно отличающихся по своим характеристикам и возможным способам их выявления.

Рассмотрим эти разновидности. В общем случае контрафактной называют поддельную продукцию, проданную под видом настоящей часто по гораздо более низкой цене. При этом такая продукция может оказаться:

перемаркированной и аналогичной по функциям продукцией другого производителя;

бывшей в употреблении настоящей продукцией, полученной методами групповой отпайки с выброшенной аппаратуры;

абсолютным фальсификатом (когда в корпус требуемого типоразмера помещается имитатор компонента заведомо худших параметров — например, в корпус конденсатора большой ёмкости на высокое напряжение помещается конденсатор той же или меньшей ёмкости на меньшее напряжение).

Как же сказывается на качестве конечной продукции использование различных видов контрафакта и как его выявлять, а также каким образом такие комплектующие могут попасть на склад производителя электронных приборов?

Пример перемаркированной продукции показан на рисунке 1. В этом случае возможны два варианта: это либо компонент, выпущенный той же или другой известной компанией, но отличающийся более простым исполнением: например, микросхема, предназначенная для использования в коммерческом диапазоне температур 0–70°С, а не в промышленном или военном (–10…105°С или –40…125°С, соответственно), либо незаконная копия, выпущенная с нарушением патентов, которые принадлежат оригинальному поставщику. Основной риск производителя аппаратуры при этом состоит в том, что любая проверка собранного изделия в нормальных условиях может не выявить фальсификат, однако в рабочих условиях с большой вероятностью аппаратура выйдет из строя.

Рис. 1. Маркировка контрафактной и оригинальной микросхемы

В то же время с помощью входного контроля по электрическим параметрам определить качество комплектующих также удаётся далеко не всегда, особенно в случае сложных изделий типа микроконтроллеров, АЦП/ЦАП или СВЧ-схем. Фактически возможность в полной мере проверить работоспособность появляется только после монтажа компонента на плату и использования внутрисхемных методов контроля.

Контрафактные комплектующие третьего типа (см. рис. 2) чаще всего выявляются на стадии входного контроля, поскольку таким образом подделывают, как правило, достаточно простые по конструкции детали (например, конденсаторы большой ёмкости на высокие напряжения) с малым количеством выводов и простой схемой включения. Дело в том, что поставщики контрафактных деталей в подавляющем большинстве случаев стремятся к тому, чтобы уменьшить вероятность и отдалить момент выявления контрафакта, для чего необходимо обеспечить правильное функционирование изделия хотя бы в первые секунды после включения. Очевидно, что в случае подмены микросхемы другой ИС с тем же корпусом и количеством выводов, но другого назначения, это ни в коем случае не произойдёт, в то время как те же конденсаторы могут в течение короткого времени выдержать существенную перегрузку. Также совершенно очевидно, что использование таких деталей приведёт к выходу из строя готового изделия в самые короткие сроки.

Рис. 2. Поддельный электролитический конденсатор

С точки зрения потребителя, самым опасным и самым безопасным в одно и то же время, как бы парадоксально это ни звучало, является использование бывших в употреблении комплектующих. Безопасность определяется тем, что в большинстве случаев такие комплектующие действительно соответствуют параметрам, заявленным изготовителем (т.к. они действительно им изготовлены и протестированы!). Опасность же этого типа контрафактной продукции в том, что без длительных испытаний невозможно выявить ее степень износа и, следовательно, хоть как-то гарантировать надёжность работы. В то же время почти невозможно какими-либо методами определить, что деталь является контрафактной.

Итак, перечислим основные последствия использования контрафактных деталей:

неработоспособность собранного устройства сразу же после завершения монтажа;

выход устройства из строя при отклонении условий эксплуатации от нормальных;

досрочный выход устройства из строя из-за непредвиденной временной деградации компонентов.

В данном случае под выходом из строя понимается не только полная неработоспособность, но и ухудшение характеристик, которое выходит за пределы, оговорённые в документации на устройство. Всё это влечёт за собой не только прямые финансовые потери, связанные с заменой неисправных узлов и приборов, но и значительно более существенные репутационные. Отметим, что репутацию поставщика ненадёжной техники потерять достаточно легко, а её восстановление требует огромных временных и денежных затрат. Следовательно, любому изготовителю следует принимать любые возможные меры для предотвращения выпуска некачественных изделий.

Первой из таких мер следует считать работу с надёжными и проверенными поставщиками. Фактически этот способ является самым надёжным, хотя и он не даёт 100%-й гарантии отсутствия контрафактных комплектующих. Однако в условиях быстрой смены номенклатуры выпускаемых изделий и малой их серийности, как уже упоминалось, зачастую приходится прибегать и к услугам недостаточно проверенных поставщиков. В этом случае единственным методом обеспечения высокого качества конечных изделий остаётся многоступенчатый контроль на всех этапах изготовления, начиная с входного контроля комплектующих и заканчивая многоточечным контролем электрических параметров как установленных компонентов, так и узлов и изделий в целом. Совершенно очевидно, что чем ранее будет выявлен дефект, тем меньше станут затраты на его устранение. Аппаратура же для тестирования должна удовлетворять нескольким критериям: во-первых, она должна быть максимально автоматизирована для исключения человеческих ошибок. Во-вторых, она должна обеспечивать максимально простую перенастройку при смене типа тестируемого устройства. В-третьих, она должна обладать достаточно высокой производительностью, чтобы не увеличивать длительность производственного цикла и, наконец, в-четвёртых, быть достаточно гибкой для установки её (или модификаций) как на крупных, так и на средних или небольших сборочных предприятиях.

В этом отношении крайне интересной представляется продукция компании SPEA, особенно линейки 40xx.

Рассмотрим особенности автоматов внутрисхемного тестирования из этой линейки, делающие их особенно привлекательными для отечественных производителей электронной аппаратуры.

В первую очередь, следует упомянуть широкий спектр измерений, которые можно выполнять с помощью этого оборудования. Все автоматы семейства измеряют основные характеристики установленных на плату радиоэлементов: сопротивление, ёмкость, индуктивность, напряжение (в т.ч. пороговые напряжения МОП-транзисторов), токи (в т.ч. токи утечки). Кроме того, в них предусмотрено формирование различных тестовых сигналов, аналоговых и цифровых последовательностей, а также выполнение задач внутрисхемного программирования. В результате помимо выполнения типовых задач тестирования — выявления обрывов и коротких замыканий в цепях, контроля номиналов и отклонений от них, правильности полярности и работоспособности отдельных компонентов в рабочих режимах — обеспечивается полный контроль функционирования. Сложные методики контроля позволяют также выявлять скрытые дефекты сложных компонентов, например непропаи при установке ИС в корпусах BGA и разъёмов, повреждения ИС от статического электричества, деградацию и утечки, внутренние физические повреждения и т.д. Особо следует отметить специфическую конструкцию игольчатых контактов, обеспечивающую надёжное соединение аппаратуры тестирования не только со специально выделенными конструкторами устройств точками тестирования, но и напрямую с выводами установленных компонентов, в т.ч. с защитными покрытиями. Именно это позволяет свободно контролировать все компоненты и режимы, а не только заранее предусмотренные разработчиками.

Более того, наличие в составе установки оптической инспекции позволяет контролировать наличие или отсутствие отдельных компонентов на плате или неправильную их установку, а достаточно высокое разрешение этих датчиков — выявлять контрафактные компоненты по отклонениям от заданной маркировки.

Повышению эффективности контроля способствует использование в датчиках высокоточных (16 разрядов) и скоростных (до 750 изм/с) АЦП, сигналы которых обрабатываются DSP, что позволяет производить измерения узловых комплексных импедансов (т.н. NZ-тест). Именно это до пяти раз сокращает время измерений и позволяет производить контроль ВЧ-цепей, а также выявлять скрытые дефекты без подачи основного питания на исследуемый модуль. Особенно существенно сокращение времени контроля, т.к. современные устройства отличаются всё большей сложностью, что значительно увеличивает количество контролируемых параметров и точек контроля. Например, для надёжного контроля одной из конструкций с 1490 цепями при обычном тестировании требуется произвести примерно 18000 измерений, что требует примерно 15 мин, тогда как NZ-тест требуется выполнить всего 1489 раз, что занимает всего 80 с.

Разнообразие конструктивных исполнений и большое количество точек контроля требует использования «плавающих щупов» (flying probes), которые с высокой точностью и скоростью перемещаются в необходимое положение. Отличительной чертой автоматов SPEA 40xx является использование вместо шаговой винтовой подачи линейных электродвигателей для позиционирования по всем трём осям. Помимо обеспечения высокой скорости и точности, такие приводы значительно снижают объём работ по техническому обслуживанию и уменьшают износ и шумность привода, что существенно увеличивает не только скорость, но и объём тестирования без его значительного удорожания.

Той же цели служит конструкция блока фиксации, позволяющая вручную или автоматически подавать и точно позиционировать в рабочую зону автомата самые разнообразные платы, в т.ч. сложной формы, а также использовать плавающие щупы с обеих сторон плат. Все эти конструктивные решения наряду с соответствующим программным инструментарием для управления процессом тестирования направлены на минимизацию затрат при контроле множества разнообразных устройств. Следует заметить, что линейный автоматический загрузчик с управлением по интерфейсу SMEMA позволяет легко встраивать его в конвейерные линии различной ширины, а съёмный загрузчик челночного типа — автоматизировать тестирование изделий сложной формы. Ещё более расширяет спектр возможностей опция облёта щупами высоких компонентов, позволяющая автоматизировать тестирование плат с высотой установленных компонентов до 95 мм (в отличие от типичных 40 мм).

Ещё одной уникальной отличительной чертой линейки является количество каналов при одновременных подключениях к тестируемому устройству. Автоматы обеспечивают одновременное подключение до 248 аналоговых, 48 цифровых и более 100 силовых каналов, причём допускается использование т.н. «мультипробников» с размещением на одном пробнике нескольких плавающих контактов с расстоянием между ними от 2,54 мм. Совместное их использование с игольчатыми пробниками позволяет уменьшить время позиционирования и, следовательно, тестирования в целом.

Наконец, ещё большую свободу использования обеспечивает наличие в линейке устройств с разными возможностями, что позволяет выбрать устройство, наилучшим образом соответствующее типу и объёмам производства. Сравнительные характеристики производимых автоматами видов тестов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Виды тестирования в зависимости от модели автомата

Автоматы серии 4020 (см. рис. 3) наилучшим образом подходят для опытного и мелкосерийного производства, отличаясь отсутствием дорогостоящих устройств автоматической загрузки и востребованных только в крупносерийном производстве функций (например, внутрисхемного программирования). Всё это позволяет заметно снизить стоимость автомата, делая его доступным для приобретения даже относительно небольшими предприятиями.

Рис. 3. Автомат тестирования Spea 4020

Автоматы серии 4030 (см. рис. 4), рассчитанные на интеграцию в конвейерные сборочные линии, отличает повышенная производительность и возможность комплексирования нескольких устройств, что увеличивает доступное количество точек и процедур тестирования при увеличении масштабов и номенклатуры производства, позволяя оптимизировать затраты.

Рис. 4. Автомат тестирования Spea 4030

Наиболее же мощные автоматы серии 4060 обеспечивают самый широкий диапазон возможных тестов, удовлетворяя потребности крупных производителей. Они позволяют выбирать самый эффективный набор тестов как при мелкосерийном, так и при крупносерийном производстве с самой широкой номенклатурой.

Заключение

Современное изготовление электроники требует использования самых качественных компонентов и тщательного контроля производства на всех его стадиях, что невозможно реализовать без помощи достаточно сложных автоматизированных средств контроля. В то же время частая смена моделей и требование повысить конкурентоспособность продукции заставляет производителей искать наиболее эффективные методы контроля, которые обеспечивают только самые совершенные автоматы тестирования, наиболее точно отвечающие действительным потребностям. Именно такими свойствами отличаются автоматы серии 40хх компании SPEA, на которые мы советуем обратить особое внимание. В первую очередь, они интересны тем, что являются единственной серией автоматов, в которых реализована технология распознавания контрафакта по недокументированным параметрам. И это единственные тестеры с летающими пробниками, которые внесены в Госреестр средств измерения. Соответственно, их можно использовать для оценки качества изделий техники специального назначения.

Источник: журнал «Электронные компоненты»