Исследование и разработка методов повышения качества и надежности пьезоэлектрических резонаторов

Рост объемов производства устройств мобильной связиприборостроениякриптографиисистем управления движением летательных аппаратов и наземного транспортанавигационных и радиолокационных систем, радаровбортовых эталонов частоты, времени и вычислительных комплексовсистем обнаружения терпящих бедствие объектов, устройств низовой и правительственной связибазовых станций и ретрансляторовбытовой и военной техники, а также большое количество других важнейших отраслей науки, промышленности и транспорта требуют увеличения объемов производства и расширения номенклатуры разнообразных видов пьезоэлектрических резонаторов на объемных акустических волнах.

Практика контроля качества и надежности пьезоэлектронной продукции, сложившаяся в последние годы, не обеспечивает требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. На российском рынке появилось большое количество дешевых резонаторов которые относятся к наиболее низкой категории качества — так называемым «коммерческим» изделиям. Их дешевизна обеспечивается за счет использования упрощенных технологий, низкосортных конструкционных и технологических материалов и корпусов, отсутствием входного и пооперационного контроля. Такие изделия могут применяться в простейшей продукции: дешевых игрушках, сувенирах, устройствах разового или кратковременного использования. Анализ этих изделий показывает, что в большинстве своем они негерметичны, изготовлены с серьезными отклонениями от общепринятых технологий и не могут выполнять функции стабилизации или селекции частоты. Количество брака в предоставленных для анализа изделиях составляет от 20% до 80%. В основном это изделия импортного производства.

Изделия «индустриального» назначения стоят в 2−3 раза дороже. Они изготавливаются с контролем на определяющих технологических операциях и поставляются после 100% контроля ОТК на соответствие параметрам, указанным в технических условиях. Эта система обеспечивает поставку изделий, при которой брак не превышает 0,01%.

Изделия «военного» и особенно «космического» назначения изготовляются со 100% контролем основных конструкционных и технологических материалов и комплектующих, с большим количеством контролируемых параметров и характеристик, регулярным проведением периодических испытаний на больших выборках. Надежность таких изделий значительно выше.

В Российской Федерации выпуск специальной продукции в 2009 году вырос на 11,7% по отношению к прошлому году, продукция специального назначения составила около 71,9% всего промышленного производства [1].

Объем производства научно-технической продукции (НТП) незначительно увеличился (на 0,1%) по сравнению с прошлым годом. В том числе объем продукции специального назначения снизился на 1,2%, а гражданского назначения, наоборот, вырос на 8,1%. Удельный вес научно-технической продукции специального назначения в общем объеме НТП составляет 85,1%. Удельный вес НИОКР, выполняемых в интересах обороны и безопасности, в общем объеме НИОКР составил почти 87%.

Одной из важнейших задач, встающих перед разработчиками, является повышение качества выпускаемых изделий всех категорий качества [2]. Но особые требования к качеству изделий, их надежности и долговечности предъявляют к изделиям, входящим в состав аппаратуры военного назначения, авиационной и космической техники.

С этой целью ведущими мировыми научными и производственными центрами ведутся интенсивные исследования по разработке новых методов повышения качества пьезоэлектронных устройств и увеличения их надежности.

Активно возрождаемая в настоящее время сертификация систем обеспечения качества способствует повышению не только эксплуатационной надежности, но и технического уровня изделий пьезотехники [3]. Ряд основополагающих документов, позволяющих создать на предприятиях пьезотехники современную систему обеспечения качества и повысить технический уровень выпускаемой продукции, разработан и внедряется 22 ЦНИИИ Минобороны России и «Электронстандартом». Разработанная система управления качеством ставит своей основной целью создание продукции высокого качества при минимуме затрат. Сочетание высококвалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров с современной производственной базой позволяет решать постоянно усложняющиеся задачи оперативной разработки и организации производства высококачественных пьезоэлектрических резонаторов высокого технического уровня.

При оценке качества на предприятиях пьезоэлектроники России применяются требования, принятые в международных стандартах серии ИСО 9000 и в комплексе новых стандартов России «Климат 7», в который входят ГОСТ РВ 20.57.412−97 [4] (требования к системе качества и производств). Понятно, что наиболее высоким уровнем эффективности систем качества обладают предприятия, прошедшие сертификацию своей системы контроля и обеспечения качества продукции военного и космического назначения.

Постановлением Правительства Российской Федерации от 26 ноября 2007 г. № 809 «О федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008;2015 [5] четко обозначено, что сектор рынка, связанный с созданием военной и специальной электронной компонентной базы и радиоэлектроники, способен обеспечить небольшую, но стабильную загрузку российской радиоэлектронной промышленности. Анализ государственной программы вооружения показывает, что к 2015 году ежегодный объем серийных закупок электронной компонентной базы и радиоэлектроники будет составлять более 30 млрд. рублей в год.

Таким образом, актуальность данной работы посвящена решению важной проблемы: совершенствованию технологии и повышению качества производства миниатюрных кварцевых резонаторов в широком диапазоне частот от единиц килогерц до сотен мегагерц [6]. Эти изделия широко востребованы для различных видов радиоэлектронной аппаратуры, приборов и устройств космического, военного и гражданского назначения. Миниатюризация, повышение надежности, добротности, стабильности частоты и сопротивления при высоких уровнях внешних воздействий (удары, вибрации, температуры, радиация и др.) сегодня являются важнейшими требованиями для обеспечения развития производства и потребления кварцевых резонаторов, используемых в приборостроении, автоматике, специальной технике, метрологии, изделиях широкого потребления. Мировое потребление пьезоэлектрических резонаторов сегодня оценивается миллиардами штук в год (в денежном выражении более 15 млрд. долларов в год). Особо востребованы резонаторы в миниатюрном исполнении. Поэтому в России и других промышленно развитых странах (особенно в Японии и США) ежегодно проводятся исследования и разработки, направленные на повышение электрических и эксплуатационных параметров, а также работы по созданию высоконадежных и миниатюрных кварцевых резонаторов.

Проводимые в рамках настоящей работы исследования посвящены одной из наиболее важных проблем совершенствования параметров, повышения надежности и качества миниатюрных пьезоэлектрических резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ).

Рисунок1 Миниатюрные резонаторы на ОАВ.

На рисунке 1 представлены миниатюрные резонаторы на ОАВ в различных корпусах.

Существующие традиционные методы оценки надежности пьезоэлек-тронных устройств значительно снижают оперативность производства и оценку качества выпускаемых предприятиями отрасли изделий, что в 2−3 раза увеличивает сроки их поставок предприятиям-потребителям. Модернизация технологических процессов, использование новейших видов производственного и метрологического оборудования, оптимизация входного контроля технологических и конструкционных веществ и материалов, применение автоматических средств в различных производственных процессах и измерениях позволяют оптимизировать не только технологию и конструкцию изделий, но и повысить достоверность используемых методов оценки качества и эксплуатационной надежности изделий пьезотехники [7].

В работе приводятся экспериментально-теоретические основы обеспечения высокой надежности пьезоэлектрических резонаторов, повышения выхода годной продукции, делаются аналитические оценки способов повышения достоверности испытаний. Автором аргументируются предлагаемые способы сокращения испытаний, анализируются технологические средства и надежность эксплуатации используемого оборудования и измерительной техники, предлагаются научно обоснованные и экспериментально подтвержденные сокращения времени испытаний. Приводится большой статистический материал.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью всестороннего анализа методов повышения качества и надежности миниатюрных пьезорезонаторов при различных видах воздействий, а также вызвана растущей сложностью и объемами производства изделий акустоэлектро-ники.

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые проведены испытания долговременной стабильности частоты и стабильности к воздействиям внешних дестабилизирующих факторов с использованием современной комплектации и технологических материалов.

В диссертационной работе проведены ускоренные испытания кварцевых миниатюрных резонаторов среза AT на основе усовершенствованных вероятностно-статистических моделей для расчета долговременной стабильности частоты.

По результатам испытаний ужесточены нормы на допустимые долговременные изменения частоты.

Установлена взаимосвязь качества искусственных монокристаллов кварца со стабильностью параметров и качеством изготовленных в серийном производстве пьезоэлектрических резонаторов.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

— разработанный метод контроля гладкости ТЧХ позволил осуществлять оперативное управление качеством производства- -повышена воспроизводимость технологического процесса и качества изготовления резонаторов- -разработаны и откорректированы более 50 стандартов предприятий (организаций), позволившие улучшить качество и надежность разрабатываемых и изготавливаемых изделий акустоэлек-троники;

— расширен верхний диапазон рабочих частот резонаторов на колебаниях сдвига по толщине с 150 МГц до 270 МГц- -на основании разработанных технологических процессов и предложенных методов контроля снижена себестоимость изготавливаемых изделий;

— за счет усовершенствования методов электротермотренировки (ЭТТ) уменьшено время проведения испытаний и повышена достоверность прогноза старения до 50 000 часов;

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная в процессе исследования модернизированная технология производства миниатюрных кварцевых резонаторов на объемных акустических волнах внедрена на предприятиях: ОАО «Пьезо» (г. Москва), ОАО «Лит-Фонон» (г. Москва), ЗАО «Заводь Метеорит-Н» (г. Москва), ООО «Фирма Микросистемы» (пос. Малаховка, Московской обл.), ЗАО «Этна» (г. Москва).

На этих предприятиях с участием автора разработано и внедрено более 50 стандартов, регламентирующих обеспечение и контроль качества выпускаемых изделий пьезотехники.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Пе-зо-2008» (Москва — 2008) и «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис — 2008), а также на заседаниях НТС кластера «Группа предприятий «Пьезо» (г.Москва), предприятия ОАО «Лит-Фонон» (г.Москва), семинарах МГУПИ, ЗАО «Этна» (г.Москва), ООО «Фирма Микросистемы» (пос. Малаховка, Московской обл.), ЗАО «Завод Метеорит-Н» (г.Москва), ОАО «Метеор» (г.Волжский, Волгоградской обл.).

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений, содержит фотографии, схемы, рисунки и таблицы.

В первой главе рассмотрены вопросы качества кварцевых резонаторов и его составляющие. Установлено, что наряду с высокими потребительскими свойствами изделий пьезоэлектроники, уровнем электрических параметров и функциональными возможностями, миниатюрностью и стабильностью важное значение имеют системы обеспечения качества и надежности поставляемой продукции, используемые на предприятиях.

Во второй главе обосновываются требования к основным параметрам, методам контроля качества, рассмотрены особенности конструкции и технологии производства миниатюрных резонаторов, предназначенных для длительной эксплуатации при повышенных воздействиях внешних факторов.

Третья глава посвящена выбору системы контролируемых параметров пьезоэлектрического резонатора. Одним из основных параметров, контролируемых при производстве изделий пьезотехники, является температурно-частотная характеристика (ТЧХ), контроль гладкости которой служит методом оценки качества миниатюрных кварцевых резонаторов.

В чевертой главе обосновывается необходимость введения групповых методик электротермотренировок (закалки) в технологическом процессе производства резонаторов высокой стабильности, рассмотрены групповые методики электротермотренировки (ЭТТ), даются рекомендации по ЭТТ. Приводится методика ускоренной оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов на основе вероятностно-статистических моделей.

В приложениях приведены: акты внедрения результатов диссертационной работы и стандарты предприятий по системе менеджмента качества.

Обзор литературы.

В Советском Союзе большое внимание уделялось вопросам повышения качества и надежности. Многие авторы в своих работах обращали внимание вопросам повышения качества промышленно выпускаемых кварцевых резонаторов [8, 9, 10, 11, 12]. Но самые серьезные вопросы в отношении качества и надежности ставило перед наукой Министерство обороны. И НПО «Фонон», ведущая организация по пьезоэлектронике, выполняло по заказу Министерства электронной промышленности и Министерства обороны научно-исследовательские работы (НИР) по данной тематике. В частности были проведены НИР «Полет — 87» «Исследование надежности пьезоэлектрических приборов и электромеханических фильтров» [13] в которой приведены значения отказов отдельных типов, групп и классов изделий, определенные путем обобщения результатов испытаний на надежность и результатов экспериментальных исследований. В работе представлены данные по отказам изделий на испытаниях с указанием основных видов и причин отказов, приведены статистические характеристики распределений параметров — критериев годности. НИР «Риф — 11» «Апробирование и совершенствование методов ускоренной оценки долговечности кварцевых резонаторов» [14] в которой апробировались методики ускоренной оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов. Ставились задачи исследований перспективных методов прогнозирования надежности, в частности метод распознавания образов. НИР «Русло-Неман» «Исследование путей совершенствования методов оценки надежности (безотказности, долговечности) изделий пьезотехники» [15] в задачи которой входила разработка методик индивидуального прогнозирования на основе информативных параметров и методов неразрушающего контроля. В данной работе дается заключение, что значительное влияние на процессы, определяющее значение частоты при испытаниях кварцевых резонаторов, оказывает воздействие повышенной температуры, особенно в диапазоне свыше плюс 60 °C. Влияние других климатических факторов (пониженных температур, повышенного и пониженного давления, влаги и т. д.) внешней среды на параметры изделий пьезотехники было исследовано в [16, 17, 18, 24]. В частности, результаты комплексных исследований показали, что воздействие холода на параметры резонаторов незначительно, температурное циклирование приводит к небольшим разнонаправленным уходам частоты, причем резонаторы выдерживают в 20^-30 раз больше температурных циклов, чем регламентировано техническими условиями (ТУ) на изделие.

Испытания на механические воздействия (виброи ударопрочность, виброи удароустойчивость, одиночные удары, линейные ускорения и акустические шумы) согласно [19, 25], также не приводят к столь существенным изменениям параметров изделий пьезотехники, которые имеют место при воздействии повышенных температур. В то же время при повышенных механических воздействиях в ряде случаев могут возникать катастрофические (полные) отказы, которые свидетельствуют о значительном отклонении от технологического процесса или о несовершенстве конструкции изделия. В ряде работ исследовалось влияние электрической нагрузки на долговременную стабильность частоты резонаторов путем сравнительных испытаний изделий в рабочем режиме (под нагрузкой) и режиме хранения [20, 23, 27]. Было определено, что электрическая нагрузка при мощностях рассеивания на резонаторах не более 2 мВт (максимальная мощность по ТУ) практически не оказывает влияния на долговременную стабильность параметров резонаторов.

Накопленная информация по влиянию внешних воздействующих факторов на параметры изделий пьезотехники однозначно показывает, что наибольшее влияние на изменение параметров оказывает воздействие повышенных температур.

В [16, 21] было выдвинуто предположение о том, что изменение параметров изделий пьезотехники после каждого вида воздействия не зависят от предыдущего воздействия.

Для подтверждения выдвинутых предположений были проведены исследования влияния механических воздействующих факторов на безотказность и долговечность кварцевых резонаторов [22, 25, 26]. Для этого ряд групп резонаторов перед испытанием на долговечность был подвергнут воздействию как одного вида, так и целого комплекса механических факторов. Затем эти резонаторы вместе с резонаторами, не подвергавшимся воздействиям, были испытаны на долговечность. Полученные результаты позволяют утверждать, что как отдельные виды, так и комплекс механических нагрузок не оказывает существенного влияния на безотказность и долговечность кварцевых резонаторов. В то же время воздействие температур свыше плюс 60 °C приводит к существенному увеличению скорости изменения частоты резонаторов при испытании на надежность (безотказность и долговечность).

Анализ работ по надежности кварцевых резонаторов предыдущего поколения (в стеклянных корпусах, значительными массогабаритными параметрами) позволяет исследовать вопрос показателей качества и надежности современных миниатюрных кварцевых резонаторов. В этих работах были определены основные направления повышения качества и надежности пьезоэлектрических резонаторов, заложен фундамент дальнейшего развития одной из составляющих электроники — акустоэлектроники.

Выводы:

Из данных, приведенных на рис. 1+28, следует, что тренировать резонаторы при плюс 120 °C в течение 168 ч совсем не обязательно. Достаточно это делать в течение 3,5+4 суток (85+100ч). Дальнейшее повышение температуры термотренировки и увеличение её длительности не всегда приводит к положительным результатам. В частности термотренировка при плюс 120 °C в течение двух недель (336ч) привела к значительным непредсказуемым изменениям частоты отдельных резонаторов. К ещё более катастрофическим последствиям привело увеличение температуры термотренировки до плюс 150 °C в связи с тем, что это температура приближается к температуре полимеризации клея.

Проведенные эксперименты подтвердили адекватность и целесообразность замены испытаний резонаторов в течение 41 суток при температуре плюс 85 °C на испытания при плюс 120 °C в течение трёх суток с экстраполяцией полученных данных на срок испытаний 500 ч и 1000 ч при температуре плюс 85 °C. Следует отметить, что этот вывод справедлив для резонаторов конструкций типа РК456 в корпусах типов МИ, МД и МДУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании данных приведенных в работе можно сделать следующие основные выводы:

1. Проведен анализ современного состояния и перспективы развития рынка высокопрочных и высоконадежных кварцевых резонаторов в миниатюрном корпусе.

2. Определены основные дестабилизирующие факторы (температура и механические воздействия) на долговременную стабильность кварцевых резонаторов в миниатюрном исполнении для разработки стандартов организаций по системе менеджмента качества.

3. Разработано и откорректировано более 50 стандартов организаций, регламентирующих процессы изготовления высокоустойчивых к внешним воздействиям пьезоэлектрических резонаторов.

4. Определены критерии выбора высококачественного сырья, обеспечивающего высокую технологичность и экономические показатели при производстве резонаторов повышенной стабильности, такие как добротность исходного сырья не менее 1,8−106.

5. Разработан и внедрен в производстве контроль гладкости тем-пературно-частотной характеристики (ТЧХ) как метод оценки качества миниатюрных кварцевых резонаторов, позволяющий осуществлять оперативный контроль производства.

6. Разработан и внедрен в производство метод оценки долговременной устойчивости частоты резонаторов, обеспечивающий оперативный и надежный прогноз стабильности частоты за длительный период эксплуатации резонаторов (более 50 тыс. часов).