Контроль качества и надежности продукции с применением физико-технического анализа (ФТА)
Методические основы ФТА
Под физико-техническим анализом понимается применение физических методов и средств для установления причин отказов.
Рациональное использование результатов ФТА позволяет количественно оценивать показатели качества и надежности и осуществлять необходимые мероприятия по их повышению.
В общем случае оценка качества и надежности изделий с использованием ФТА основывается на следующих основных положениях.
1-е положение заключается в том, что объект анализа и методы, средства анализа рассматриваются как общая система. Реализация этого положения требует накопления и использования статистической информации о повторяемости в условиях возникновения отказов и создания специальных форм записи данных, пригодных для непосредственного ввода в ЭВМ; глубокого исследования причин возникновения отказов, основанного на использовании новейшего оборудования; организации анализа как единого процесса, в котором во взаимосвязи должны осуществляться действия исследовательского, конструктивно-технологического и другого характера.
2-е положение состоит в том, что в результате анализа должны быть выявлены все отказовые дефекты и (или) деградационные процессы. Для реализации этого положения необходимо обеспечить полное описание возможных дефектов (деградационных процессов) с оценкой степени опасности каждого дефекта, с тем, чтобы осуществить оптимальный выбор
средств ФТА, позволяющих в совокупности обнаруживать (с требуемой достоверностью) все «опасные» дефекты; контроле-пригодность объекта анализа для каждого из используемых средств ФТА; техническую (в том числе и метрологическую) совместимость объекта и средств анализа.
3-е положение заключается в том, что в результате анализа должны быть обеспечены требуемые достоверности установления причин, видов и механизмов развития дефектов, а также — образования отказовых ситуаций (т. е. степени «опасности» дефекта). Для реализации этого положения практически необходимо сочетание различных видов анализа с моделированием процессов деградации и дефектообразования и с прогнозированием развития дефектов (деградационных процессов).
Полное описание возможных дефектов должна содержать соответствующая модель контролируемого изделия, так как дефектом является каждое отклонение от требований нормативнотехнической документации. Перечень возможных дефектов должен содержаться в соответствующем классификаторе дефектов.
ФТА промышленных изделий проводится в последовательности, указанной на рис. 1.
1. Вертикальная декомпозиция контролируемого изделия, т. е. его представление в виде элементарных звеньев. В качестве таких звеньев могут выступать как простейшие изделия (резистор, конденсатор, транзистор в радиоэлектронике, шарик подшипника, болт, гайка, мембрана — в машиностроении и т. п.), так и зоны однородных материалов (покрытие, основной металл). Для каждого элементарного звена должны быть априорно установлены ожидаемые внешние воздействия (т. е. «заполнен» банк данных блока 4 на рис. 1) и прочностные характеристики (т. е. «заполнен» банк данных блока 3 на рис. 1 для всех воздействий, указанных в блоке 4).
2. Определение отказовых дефектов и деградационных процессов. Перечень этих дефектов' и деградационных процессов должен содержаться в соответствующем классификаторе дефектов. Поэтому блок 2 реализует процесс поиска 1-го дефекта (деградационного процесса в пространстве трех видов координат), соответственно сформированных блоками 1, 3, 4.
3. Обобщение данных о дефектах и деградационных процессах (блоки 2, 7) и их представление в виде моделей физики отказов (блок 5).
4. Экспериментальная проверка выбранной модели физики отказа путем использования испытаний (блок 10), выбора методов и средств ФТА (блок 6) и проведение ФТА (блок 9) испытанных изделий с последующей проверкой (блок 8) априорной гипотезы о распределении отказов, даваемом блоком 5 (проверка моделей физики отказов) на основе апостериорных данных от блоков испытаний (блок 10) и физико-технического анализа (блок 9). Полученное в блоке 8 апостериорное распределение отказов элементарных звеньев дает возможность определить как показатели «индивидуального» качества и надежности каждого проконтролированного изделия, так и статистические значения этих показателей для контролируемых совокупностей изделий.
5. Агрегирование (объединение) данных о качестве и надежности элементарных звеньев изделия (полученных для каждого звена в блоке 8) и получение на этой основе характеристик качества и надежности изделия в целом (блок 11).
Классификация дефектов и деградационных процессов. Необходимую для построения блока 2 классификацию дефектов и деградационных процессов в изделиях можно осуществлять по различным признакам, в совокупности образующих полную картину отступлений от требований нормативно-технических документов. Эта классификация тесно связана с системным описанием свойств объекта ФТА, т. е. с его системной моделью.
Поскольку для построения банков данных о дефектах их классификаторы должны быть машинно-ориентированными, то возникает задача рационального кодирования обозначений дефектов. С этой целью дефекты характеризуются рядом свойств, объединяемых в группы. Каждой группе (соответственно — категории, виду) дефектов присваивается соответствующий код. Например, могут быть сформированы следующие группы (категории, виды) дефектов:
01 — нарушение геометрии элементов (011 — размеров, 012 — местоположения, 013 — ориентации);
02 — нарушение сплошности элементов (021 — поверхностные, 022 — подповерхностные, 023 — объемные, 024 — трещины, 025 — пустоты, 026— волосовины и т. п.);
03 — нарушение состава (031 — химического — элементного, 032 — физического — компонентного);
04 — нарушение структуры элементов (041 — кристаллической, 042 — молекулярной, 043 — атомной, 044— геометрической, микроскопической, 045 — фазовой);
05 — нарушение свойств элементов (051 — физических, 052 — химических);
06 — нарушение характеристик физических полей в элементах (061 — электрических, 062 — магнитных, 063 — электромагнитных, 064 — гравитационных).
Для дальнейшего развития кодирования дефектов необходимо каждому виду дефекта придать количественную характеристику, т. е. определить некоторую систему координат, в которой «здоровое» изделие будет описываться как совокупность однородных конечных малых размеров элементов. В выбранной системе координат каждый 1-й элемент характеризуется: своим местоположением, геометрией, составом и структурой материала;
наличием электрического, магнитного и других полей;
диэлектрическими, магнитными и другими свойствами материала.
Обозначим индексом 0 значение данного вектора, соответствующего норме. Дефекты будут характеризоваться отличиями в фактических и требуемых по норме значений вектора, а также изменениями в этих отличиях в пространстве и во времени. В практике оценки качества и надежности изделий обычно применяется более обобщенная характеристика дефектов по размещению и динамике изменения. По размещению дефекты делятся на поверхностные и объемные (иногда дополнительно выделяют группу подповерхностных дефектов). По динамике изменения дефекты делятся на статические (не изменяющиеся с течением времени), динамические (изменяющиеся по детерминированным временным зависимостям) и статистические (изменяющиеся стохастически).
Кроме того, в качестве классификационного признака используются процессы (явления), вызвавшие возникновение дефекта: коррозия, электрический или тепловой пробой и т. п.
Классификация деградационных процессов обычно осуществляется по термодинамической характеристике (например, диффузии), по процессу разрушения (например, деструкции) или характеру повреждения (сдвигу и т. п.).
Модели физики отказов, на использовании которых основываются количественные оценки качества и надежности по результатам ФТА, должны в совокупности описывать все свойства объекта анализа. Полное описание этих свойств включает представления:
структуры изделия в целом, свойств и взаимосвязей его элементов, что определяет возможные внутренние состояния объекта анализа;
целей (задач) и областей (условий) использования изделия и факторов, способствующих или препятствующих достижению этих целей, что определяет применимость этих изделий для решения определенных задач в конкретных условиях (например, возможность использования измерительного прибора с требуемой точностью в условиях больших колебаний напряжения сети, наличия вибрации стенда и электромагнитных помех);
реакции изделия на внешние воздействия и его взаимодействия с внешней средой и другими изделиями, чем определяется техническая совместимость различных изделий при их совместной работе;
возможности разделения изделия на минимально-самостоятельные элементы, на основе которого могут решаться задачи унификации, комплектации и типизации технологических процессов изготовления;
последовательностей изменения внутреннего состояния изделия в процессе нормального функционирования или при воздействиях, вызывающих внеплановые деградационные процессы, повреждения, разрушения, отказы.
Эти представления могут быть объединены в модели — нормативную, знаковую и диагностическую.
Под нормативной моделью понимается описание свойств изделий, вытекающих из нормативно-технической документации. Нормативная модель представляет собой перечень определяющих параметров, условий их измерения и пределов допустимых изменений. Нормативной моделью определяется категория «открытых» дефектов.
Под диагностической моделью понимается описание внутренних деградационных процессов, протекающих в изделии и вызывающих дефекты. Диагностическая модель представляет собой перечень диагностических параметров, условий их контроля и, в возможных случаях, допустимые пределы изменения.
Знаковая модель отражает связь между нормативной и диагностической моделями. Эта модель может строиться на основе анализа влияния внутренних процессов комплектующего изделия на работоспособность объекта ФТА в целом или путем установления непосредственной (детерминированной или стохастической) связи между определяющими и диагностическими параметрами.
Связь между введенными моделями и реальным состоянием изделия определяется теми текущими ситуациями, в которых обусловлено обеспечение качества изделия. Текущие ситуации — это совокупность внешних воздействий и внутренних процессов в изделиях.
Диагностические модели можно разделить на две группы: модели объектов технической диагностики и модели физики отказов. Модели физики отказов делят на следующие группы по основному принципу, используемому при их построении:
параметрические, основанные на экспериментальном или теоретическом определении детерминированной или стохастической связи между параметрами изделия, определяющими его состояние (функционирования, работоспособности, отказа), и параметрами, определяющими внешние воздействия (время, вид, интенсивность или спектр);
квантово-механические, построенные на основе анализа элементарных актов и последствий взаимодействия материала изделия (его атомов и молекул) с внешними воздействиями;
термодинамические, использующие энергетические или энтропийные соотношения.
Рассмотрим параметрические модели физики отказов. Для построения банков таких моделей рекомендуется кодировать:
внутренние факторы (химический состав, структура вещества, реологическое состояние — текучесть и вязкость вещества, упругие свойства, механические внутренние напряжения, тепловые свойства, тепловые напряжения, электрические свойства, электрические напряжения);
внешние факторы (высокая температура, низкая температура, изменение температуры, высокое давление внешней среды, низкое давление внешней среды, изменение давления, механические вибрации, относительное ускорение, гравитационное поле, электромагнитное поле, радиоактивное излучение, химические реагенты);
основные механизмы отказов: механические (прилипание, спекание, истирание, изнашивание, замазывание, забрызгивание, сублимация, релаксация, механический гистерезис, дрейф и сдвиг, разбаланс, динамические перегрузки, резонанс); электрические (дугообразование, утечка, пробои, эрозия, обрыв, перегрузка тока, короткие замыкания, пьезоэлектрический и тензометрический эффекты, вторичный ток); тепловые (тепловое расширение и пробой, плавление, испарение); оптические (засвечивание, разрушение от облучения); магнитные (магнитный гистерезис, перемагничивание, размагничивание, намагничивание); радиационные (образование точечных дефектов, перегрев, плавление, засвечивание, изменение состава, полимеризация, деструкция, сшивание); физико-химические (коррозия, диффузия, старение, карбонизация, декарбонизация).
Кодирование по перечисленным факторам позволяет с учетом специфики изделий накапливать параметрические модели и использовать для оценок качества и надежности. Однако существуют ограничения области применения этих моделей из-за необходимости корректирования коэффициентов модели при сравнительно небольших отклонениях свойств материалов и условий производства или применения от принятых в расчете, а также экспериментального определения этих коэффициентов для каждой партии изделий при их серийном производстве.
В связи с развитием автоматизации проектирования и управления производством параметрические модели стали приобретать характер подслеживающих (подстраивающихся) или адаптивных моделей. Их структура и коэффициенты автоматически изменяются по мере поступления измерительной информации о свойствах материалов конкретных партий изделий.
Существует две группы квантово-механических моделей: статистики рампада и статистики Ферми для элемент тарных актов.
В модели статистики распада последствие взаимодействия внешнего воздействия с изделием условно представляется цепью Маркова ^ (?) с непрерывным временем ?; множеством состояний этой цепи являются числа О, 1, ..., п\ предполагается, что переходы из состояния I возможны только в состояние /' > (. Состояния интерпретируются как типы дочерних ядер или их энергетические состояния. Состояние 0 соответствует исходному ядру. Марковский процесс описывает элементарный акт взаимодействия, последствиями которого являются превращения исходного ядра. Распады различных ядер исходного образца являются независимыми марковскими процессами. Предположим, что при т = 0 вероятность пребывания в состоянии ^ (? + Н) есть Р (? + К). Обычно предполагается, что процесс начинается с ядра в состоянии О, т. е. Р0 (0) = 1. Математическое ожидание (?) и дисперсия /)ф7- (?) числа ядер ф, находящихся в состоянии, если в образце было N ядер, выражаются следующими формулами.
Если каждому состоянию / приписать определенный дефект (из классификатора дефектов), то Мф7- (?) и ^Ц)^ (?) будут описывать математическое ожидание и дисперсию числа дефектов данного вида в рассматриваемом изделии в момент времени ?.
Используя далее изложенную в т. 2 настоящего справочника (с. 142—143) теорию марковских однородных процессов и представляя развитие дефекта путем последовательных стадий (как это имеет место, например, в процессе образования, движения и ветвления трещины), можно определить распределение вероятностей дефектов Ру.
Для оценки качества и надежности по этой модели необходимо знать среднее число и дисперсию числа попаданий в заданное состояние за время.
Рассмотренная модель статистики распада является априорной информацией и позволяет строить оценки результатов измерения выходных параметров средствами ФТА двух видов:
спектрометрическими приборами, фиксирующими энергетические спектры потоков элементарных частиц, электромагнитных или фононных излучений, т. е. электронными микроскопами, оже-спектрометрами, ионными, рентгеновскими и масс-спектрометрами, приборами для контроля акустической эмиссии и т. п.;
счетчиками различных типов, фиксирующими временное распределение количества частиц и квантов, возникающих в контролируемом изделии в результате внешних воздействий или внутренних процессов, т. е. счетчиками радиоактивных излучений и измерителями интенсивности потоков фоно-нов (акустических импульсов) при акустической эмиссии.
Термодинамические модели отражают зависимости между внешними и внутренними параметрами объектов ФТА. В качестве внутренних параметров могут использоваться термодинамические силы, в качестве внешних — энтропия или энергия взаимодействия объекта ФТА с внешней средой.
Термодинамические силы определяются разностью или градиентами соответствующих физических величин (температуры, массовых концентраций, механических напряжений и т. д.) и характеризуют степень неоднородности (неравновесности) физической структуры объекта. Относительно свойства надежности величины Х^ могут быть интерпретированы как дефекты структуры или потенциалы отказов объекта. Потенциалы Х^ являются причиной необратимых физико-химических процессов различного вида в объеме объекта ФТА. В свою очередь, эти процессы обусловливают потенциальную, а при достижении определенных границ (порогов) и реальную ненадежность объекта. Исходя из структуры и содержания термодинамических соотношений и иерархического представления технических систем, можно построить термодинамическую модель формирования отказов.
В такой модели интегральными характеристиками индивидуальной ненадежности объектов являются характеристики накопленной энтропии 5 физической структуры объекта. Изменение энтропии может служить интегральным по объему и механизмам физико-химических процессов базовым термодинамическим критерием потенциальной ненадежности. Эта величина может быть интерпретирована как скорость необратимого изменения интегрального состояния или интегральных параметров объекта для реальных условий его взаимодействия с внешней средой:
где у — интегральные параметры или термодинамические функции состояния объекта.
Такой интегральный подход отличается от локальных методов ФТА и является физической основой интегральных методов и средств ФТА или интегральной диагностики технических объектов.
Необратимые изменения физического состояния технических систем являются следствием второго закона термодинамики или неравновесного характера физической структуры объектов. Интегральный процесс изменения во времени энтропии может быть представлен в виде:
где В& — коэффициенты, определенные для данного объекта и заданных внешних условий; тд — время релаксации необратимых процессов. Выражение (4) допускает различную аппроксимацию в зависимости от масштаба т&. Для относительно малых значений соответствующих начальному этапу (эволюции объекта), т. е. этапу максимального проявления дефектов или потенциалов отказов и «внеплановых» деградационных процессов, допустимо представление (4) в форме» некоторой аппроксимирующей экспоненты: где Вн — коэффициент начального этапа эволюции; тн — постоянная времени начального этапа.
Для относительно больших значений , соответствующих «плановым» деградационным процессам стационарного этапа эволюции, при условии допустима аппроксимация в виде, где В — постоянный коэффициент стационарного этапа, характеризующий интегральную скорость процесса эволюции.
Модели (4)—(6) являются общими с учетом (3) и достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами для различных технических систем. В данном случае рассматривается детерминированная составляющая (тренд) процесса изменения свойств объекта ФТА.
Характер изменения физического состояния объектов как по общему виду, так и по порядку времен совпадает с изменением статистической кривой интенсивности отказов к (?) для совокупности однотипных объектов. Такое совпадение не случайно является следствием общности механизмов изменения по критериям. Из термодинамической модели формирования отказов следует, что необратимые изменения физического состояния проявляются как процессы изменения работоспособности объектов. Исходя из изложенного запишем выражение для вероятности отказа в предельном случае:
где К — порог, пересечение которого вызывает отказ; Т — обобщенный фактор внешней среды; ? — фактор времени.
Введя в явном виде 5 (/), например, из (4)—(6) можно получить решение уравнения (8) для изменения состояния объекта с учетом деградации его параметров. Для сложных объектов решение такой задачи целесообразно с использованием ЭВМ. Например, для радиоэлектронных устройств такая задача решается обычно методом имитационного моделирования типовых электронных схем с использованием стандартных алгоритмов и программ.
Время выработки ресурса, где 5 — критическое значение накопленной энтропии. Практически целесообразно оценивать и прогнозировать I* по критическим значениям термодинамических параметров объекта. Такие критические значения могут быть найдены экспериментально или методом моделирования на ЭВМ. Для сложных объектов система моделей вида (8) может оказаться слишком объемной даже для машинного анализа, В этом случае целесообразно интегральное термодинамическое представление объекта по типу основного энергетического процесса.
Например, для электрических или электронных систем целесообразно представление в виде обобщенного управляемого импеданса по цепям питания в координатах тока и напряжения питания. Подобные интегральные термодинамические представления обладают большей информативностью и меньшим числом параметров состояния относительно функциональных представлений технических объектов. Эти обстоятельства являются решающими с точки зрения задач контроля качества и надежности.
Обобщенная термодинамическая модель является моделью энергетического и энтропического баланса внешних Аеу и внутренних термодинамических параметров или функций состояния объектов. Из такой модели можно выделить конкретные термодинамические модели с непосредственными диагностическими параметрами для задач ФТА. Классификационная схема основных термодинамических моделей представлена на рис. 3. Флуктуационные модели можно рассматривать как частный случай эволюционных моделей, считая, что флуктуационные процессы являются мелкомасштабными эволюционными процессами. Диагностическими параметрами флуктуационных моделей являются временные, амплитудные и спектральные характеристики флуктуаций (шумов) различной физической природы. Примерами практического применения флуктуационных методов ФТА является акустическая диагностика механизмов и шумовая диагностика изделий электронной техники.
Диагностический смысл моделей типа в задачах ФТА заключается в оценке влияния внутренних дефектов и процессов на внешние параметры или функции состояния технических объектов. Система таких термодинамических функций включает статические и динамические составляющие энергетических, энтропийных и тепловых процессов. Примерами практического применения статических моделей являются интегральная диагностика изделий электронной техники по параметрам вольт-амперных характеристик, тепловые методы ФТА, основанные на анализе распределения температуры по поверхности и объему объекта, гистерезисные методы интегральной диагностики конструкционных материалов и радиоэлектронных устройств. Динамические модели являются производными от статических моделей. Наиболее характерными динамическими диагностическими параметрами являются тепловые постоянные времени технических объектов, получаемые как решения уравнений теплопроводности во временной области при тепловом воздействии на объект. Тепловые постоянные времени могут с различной степенью эффективности интегрально характеризовать качество разнообразной промышленной продукции. Различие в тепловых постоянных времени отдельных объектов сложных изделий является методической основой декомпозиции и агрегирования таких изделий как объектов ФТА.
Термодинамические модели взаимно дополняют друг друга. Поэтому термодинамические методы ФТА могут комплексно применяться в задачах контроля качества и надежности промышленной продукции на этапе производства, испытаний и эксплуатации.
Основными характеристиками объектов ФТА, определяющими выбор конкретных методов и средств анализа, являются размеры, форма и контроле-пригодность изделия; внешние, внутренние факторы, обусловливающие возникновение отказов и их механизмы. Важно учитывать наличие дефектоопасных зон или воздействий, структуру (резервирование, много-режимность использования, отказоустойчивость, ре-программирование) и возможность анализа объекта в рабочем состоянии.
Наиболее эффективно ФТА может быть использован для оценки качества и надежности относительно простых изделий, с минимальным ресурсом или с низкой сохраняемостью. Например, в двигателях внутреннего сгорания, работающих с высокими динамическими и тепловыми нагрузками, сравнительно малым ресурсом обладают поршневые кольца. Модель физики отказа кольца может быть представлена уравнением Аррениуса. Работоспособность кольца во многом определяется глубиной и качеством легирования и термообработки его поверхности, поэтому для выбора средств анализа необходимо указать геометрию (диаметр, толщину, глубину закалки и т. п.) кольца и дать характеристику механических, тепловых свойств, состава и структуры поверхностного (закаленного, легированного) слоя и основного металла. Для выбора процедуры ФТА необходимо учесть, что кольцо — объект однорежимного использования со структурой без резервирования, может подвергаться ФТА только в нерабочем состоянии.
Кинескоп для дисплея представляет собой сложное изделие, состоящее примерно из 100 деталей (сборочных единиц), в процессе изготовления которого используется около 600 технологических и контрольных операций. Все отказовые дефекты кинескопа обусловливаются большой совокупностью различных причин, поэтому для его описания используется ряд моделей физики отказов. Ресурсные отказы кинескопа связаны, главным образом, со снижением эмиссионной способности термокатода.
Работоспособность термокатода во многом определяется структурой его поверхности и распределением активного вещества по глубине оксидного слоя. Этими характеристиками будет определяться выбор средств анализа. Оксидный катод кинескопа является системой однорежимного использования со структурой без резервирования, которая может анализироваться в рабочем режиме (по характеристикам яркости, контрастности, цветности наблюдаемого изображения), в специальном контрольном режиме (по наблюдению за тест-таблицей на экране или по измерениям определенных электрических и световых параметров), а также во внерабочем состоянии. Наибольшее число отказов вызывается процессом деградации в слоистой структуре с полупроводниковым, металлическим и диэлектрическими слоями. В основном характер процесса деградации — детерминированный. Контролю подлежат электрические, оптические и радиационные (эмиссия электронов) параметры.