автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Обоснование и выбор конструктивно-технологических параметров электронной аппаратуры управления в горной промышленности

На правах рукописи

РГ5 ОД

- 8 СЕН 2000

ХАЗИН Марк Леонтьевич

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность: 05.13.07- "Автоматизация технологических процессов и

производств (промышленность)" 05.13.05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург -2000

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической академии

Научный консультант - доктбр технических наук, профессор Лапин Э.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вайсбурд P.A.

доктор технических наук, профессор Певзнер Л.Д.

доктор технических наук Харин Б.Н.

Ведущая организация -

Федеральное государственное унитарное предприятие НПО Автоматика.

Защита состоится " 7 " июля " 2000г. в_10 часов

на заседании диссертационного совета Д 063.03.01 при Уральской государственной горно-геологической академии (620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии.

Автореферат разослан" ^ " июня 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд.техн.наук, доцент

Прокофьев Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование горнотехнологических процессов и внедрение новых, более эффективных технологий невозможно без использования систем автоматического управления и обработки информации. Аппаратура систем управления технологическими и производственными процессами, транспортными и горными машинами представляет собой особый, современный класс оборудования на базе вычислительной техники, который в техническом отношении представляет собой электронный модуль или набор модулей различной сложности, как, например, компьютер, бортовая система управления горной машиной или блоки АСУ предприятия.

Ввиду того, что выход из строя модуля ведет к отказу блока или части системы управления, особое значение приобретает повышение надежности электронной аппаратуры и ее устройств. Особенно это относится к технологическим процессам в безлюдных выемках, горно-шахтному оборудованию повышенной опасности, агрегатам большой единичной мощности и т.п., среди которых доля оборудования с выработанным ресурсом составляет до 4060 %. Вследствие этого физический износ аппаратуры управления, защиты и сигнализации является основной причиной аварийных остановок оборудования и развития аварийных ситуаций. Отказы оборудования являются событиями случайными по моменту и месту возникновения, но имеют вполне определенные причины, которые вызваны физико-химическими процессами, протекающими в самих элементах и устройствах на различных этапах их жизненного цикла.

Основу любой электронной аппаратуры составляют печатные платы и узлы, из которых затем собирают модули, блоки и устройства. Существует много различных методов изготовления печатных плат. Традиционная суб-трактивная технология имеет принципиальные ограничения, не позволяющие улучшить технические характеристики изделий и приводящие к понижению механической и термической стойкости плат на 20-30 %, что уменьшает надежность электронной аппаратуры, особенности эксплуатации которой в горной промышленности связаны со значительными колебаниями тепловых и электромеханических нагрузок. Наиболее современной является аддитивная технология, однако в Российской Федерации этот метод пока не вышел за пределы отдельных опытных производств.

Для длительной и безотказной работы аппаратуры управления необходимы качественные материалы, элементы и устройства. В качестве элементной базы применяются высоконадежные изделия микроэлектроники, поэтому надежность как новой, так и действующей аппаратуры в целом будет определяться свойствами так называемого с точки зрения надежностных характеристик слабого звена. Физико-химические процессы, протекающие в материалах, элементах и устройствах и приводящие к отказам за время хранения,

транспортирования или эксплуатации горно-технологического оборудования очень сложны, природа их изучена недостаточно. Также практически не исследованы структура и физические свойства химически осажденного металла, определяющего конструктивно-технологические параметры печатных плат и модулей. В связи с этим при проектировании и изготовлении, эксплуатации и ремонте модулей и узлов аппаратуры управления возникает немало трудностей, связанных с особенностями технологических процессов в горной промышленности, условиями работы оборудования, различными климатическими условиями и требованиями, предъявляемыми к аппаратуре. Поэтому более надежную и компактную аппаратуру, изготовленную на основе аддитивной технологии, необходимо приобретать исключительно за рубежом.

Привлечение в данной работе зависимостей, объединяющих конструктивно-технологические параметры модулей и устройств, модели слабого звена и развитие критериев оптимальности на основе фундаментальных физических закономерностей, позволяет конкретизировать и обобщить направление повышения надежности электронной аппаратуры управления, учитывающее особенности ее эксплуатации в горной промышленности, совершенствовать методики расчетов, проектирования и инженерных оценок технических решений.

Связь темы диссертации с государственными программами.

Данная работа выполнена в соответствии с постановлениями ГКНТ и Госплана СССР от 21.10.85 № 593/228 и ГКНТ от 30.08.85 № 355, в соответствии с научно-технической программой 01.05.03 "Разработка теоретических основ построения и проектирования многоуровневых интегрированных систем, включающих сложные управляющие и вычислительные комплексы, роботы и робототехнические системы, автоматизированные рабочие места и другие средства информатики", в рамках комплексной научно-технической программы "Надежность конструкций" (приказ № 659 от 13.11.81 Минвуза РСФСР), программой ГКНТ по проблеме 0.09.05-МП-Фольга, в рамках г/б темы "Развитие теории прогноза технического состояния и надежности сложных механических систем горного оборудования", утвержденной на 1999-2001 гг. в соответствии с тематическим планом Министерства образования (раздел 06.02 "Наука"; № гос. рег.01990010840).

Объект исследования. Аппаратура управления в горной промышленности и ее узлы, техническую основу которых составляют электронные модули и блоки различной сложности, в т.ч. и функционально законченные устройства типа компьютера или бортовой системы управления.

Цель работы. Научное обоснование рациональных конструктивно-технологических параметров электронных блоков, устройств и модулей, обеспечивающих в сложных условиях горной промышленности повышение надежности аппаратуры управления в целом.

Идея работы. Заключается в использовании комплексного подхода к исследованиям надежности технических объектов и состоящего в выявлении слабых звеньев и изучении процессов их изменения до предельного состояния, отражающих закономерности появления отказов и учитывающих особенности эксплуатации горно-технологического оборудования.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и численные методы исследования, математическое и физическое моделирование, лабораторные и промышленные испытания, а также классические и современные методы исследования свойств и структуры материалов.

Научные положения, выносимые на защиту.

Установленные закономерности изменения параметров электронных устройств и физического состояния элементов, обусловленные особенностями горно-технологических условий и режимов эксплуатации оборудования и позволяющие разработать модель рабочего состояния модулей.

Использование квазистатического режима расчета напряженно-деформированного состояния слабого звена электронной аппаратуры, соответствующего процессам монтажа, ремонта, испытаний и предельным режимам эксплуатации наземного и подземного оборудования.

Закономерности появления отказов электронной аппаратуры управления в горной промышленности, деформационные и физико-химические процессы, протекающие в устройствах, элементах и материалах вследствие различных внешних воздействий, носящих случайный характер, за время эксплуатации, транспортирования, ремонта и хранения горно-технологического оборудования.

Научно обоснованные критерии и положения, связывающие конструктивно-технологические параметры электронных модулей с особенностями эксплуатации (включая предельные режимы) и ремонта, условиями транспортирования, хранения и испытаний аппаратуры управления в горной промышленности.

Научная новизна.

Разработана модель рабочего состояния модулей и узлов, учитывающая конструктивно-технологические параметры печатных плат, свойства применяемых материалов и их изменения от различных воздействий в процессе эксплуатации, транспортирования и хранения электронной аппаратуры управления горно-технологического оборудования.

Разработаны модели предельного состояния и расчетные схемы слабого звена, позволяющие получать распределение полей напряжений, деформаций и температур за время монтажа, эксплуатации, ремонта и испытаний модулей электронной аппаратуры горных машин и оборудования.

Получены аналитические выражения, связывающие основные показатели надежности элементов электронной аппаратуры с закономерностями изменения их структуры и физико-химического состояния при процессах,

протекающих в материалах и устройствах при различных воздействиях и изменяющих их свойства и параметры за время эксплуатации, хранения, транспортирования, ремонта и испытаний оборудования в сложных условиях горной промышленности.

Проведено обоснование конструктивно-технологических параметров элементов аппаратуры управления на основе комплексного исследования физико-механических свойств и структуры химически осажденных сплавов. Определены стадии деформации, установлены "структурный" эффект толщины, аномальный характер изменения удельного электросопротивления элементов при механических воздействиях, а также применимость уравнения Петча-Холла для области ультрамелкозернистых материалов.

Исследованы физико-химические закономерности появления отказов (разрушения) слабых звеньев электронной аппаратуры управления за время ее эксплуатации, транспортирования, ремонта и хранения в широком диапазоне электромеханических и тепловых воздействий, характерных для открытых и подземных горных работ.

Предложены критерии смены механизма деформации (толщинолом-кость) и наступления предельного состояния элементов, показатель годности и метод определения граничных значений конструктивно-технологических параметров модулей, учитывающие особенности эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности.

Разработана методика, определяющая соотношения особенностей эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности с условиями испытаний модулей и устройств, имеющих различные конструктивно-технологические параметры.

Предложен и обоснован комплекс решений по созданию научно-технического задела для развития аддитивной технологии изготовления печатных плат в Российской Федерации.

Практическая ценность.

Разработана методика, позволяющая выявить месторасположение опасного сечения слабого звена модулей электронной аппаратуры и связывающая условия отказа элемента с конструктивно-технологическими параметрами плат и различными воздействиями в процессе эксплуатации, хранения, транспортирования, ремонта и испытаний горно-технологического оборудования.

Установлено, что толщину печатных проводников электронной аппаратуры можно уменьшить от 35 до 25-20 мкм, что позволит сократить время технологического процесса изготовления плат и снизить их стоимость на 2030 % при значительной экономии цветных металлов, что в свою очередь обуславливает снижение стоимости аппаратуры в целом, при тех же характеристиках надежности.

Разработаны модели, имитирующие функциональные характеристики печатных плат, изготовленных по различным технологиям, серийно выпускаемой аппаратуры автоматизации водоотливов УАВ и автоматизации вентиляторных установок УКАВ-2, а также аппаратуры учета и контроля показателей работы экскаватора-драглайна ЭШ 20.90, основанные на композиции двух законов Вейбулла и позволяющие адекватно описать состояние аппаратуры управления на всех этапах жизненного цикла оборудования.

Показано, что применение аддитивной технологии изготовления печатных плат позволяет исключить сложную биметаллическую конструкцию проводников в опасном сечении, повысить надежность аппаратуры управления за счет структурного и функционального резервирования и устранить экологически вредные технологические операции.

Установлена корреляция между физико-механическими свойствами, структурой элементов и конструктивно-технологическими параметрами печатных плат, .на основе чего проведена оптимизация технологии изготовления фольги для печатных элементов электронной аппаратуры.

Разработаны способы, соответствующие методики и оборудование, а также алгоритм функционирования автоматизированной системы неразру-шающего контроля конструктивно-технологических параметров элементов модулей и устройств электронной аппаратуры при их изготовлении, эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте и проведении испытаний.

Показано математическим и физическим моделированием, подтверждено лабораторными и промышленными испытаниями, что учет выводов и рекомендаций, полученных в работе, позволяет повысить надежность электронной аппаратуры управления в горной промышленности за счет уменьшения частоты и интенсивности отказов слабого звена в 2-4 раза и повышения гамма-процентного срока службы оборудования в целом.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований свойств и структуры материалов и элементов, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа, математического и физического моделирования с экспериментальными данными и промышленными испытаниями, а также статистической обработкой результатов экспериментальных и теоретических исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12 % с доверительной вероятностью 0,95.

Реализация выводов и рекомендаций.

Основные научные положения работы, в т.ч. модель рабочего состояния модулей, модели предельного состояния слабого звена, соответствующие процессам монтажа, ремонта и экстремальным условиям эксплуатации, обоснование граничных значений конструктивно-технологических параметров элементов модулей, нашли свое применение при ремонте, модернизации, наладке и эксплуатации аппаратуры управления щековых дробилок СМД-117,

приборов контроля температуры подшипников дробилок типа КСМ, метал-лоискателей ЭМИ-6 на АООТ "Уралнеруд"; аппаратуры автоматизации главных водоотливов шахт и вентиляторных установок на ОАО "СУБР"; электронного комплекса контроля и регулирования температуры и влажности "Иней", комплекса средств автоматического контроля холодильных машин КС А, комплекса регистрации и регулирования технологических процессов на комбинате "Горный"; на участке добычи и переработки алюминий-содержащих шлаков ЗАО "Корпорация Европа". Результаты исследования структуры и физических свойств материалов использованы при разработке технологического процесса получения медной фольги для изготовления печатных плат на комбинате АО "Уралэлектромедь" и в институте УНИПРО-МЕДЬ. Методики измерения, расчетов и контроля переданы Уманскому заводу "Мегомметр", Омскому электромеханическому заводу, Воронежскому объединению "Электросигнал", Кировскому машиностроительному заводу, предприятиям п/я В-2588, п/я Р-6118, п/я Р-6704. Научные, методические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс УТТТА в дисциплинах "Надежность и диагностика систем управления", "Надежность систем автоматизации", "Надежность и неразрушающие методы контроля".

Экономический эффект от внедрения указанных научно-технических разработок по уровню цен на 1998 г. составляет 1161 тыс.руб.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IV Республиканской конференции молодых ученых (Таллин, 1981), Республиканской научно-технической конференции "Системы и устройства радиотехники, автоматики и автоматизированного проектирования" (Свердловск, 1982), Всесоюзном семинаре "Новые методы технологии изготовления печатных плат" (Москва, 1982), Зональном семинаре "Прогрессивные методы гальванических покрытий деталей машин" (Курган, 1983), семинаре "Новые технологические процессы в технологии изготовления печатных плат" (Свердловск, 1983), Уральской конференции "Актуальные вопросы электрохимической технологии и защиты металлов" (Свердловск, 1983), II Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение" (Москва, 1983), Всесоюзном семинаре "Гальванотехника в промышленности" (Москва, 1985), VII Республиканской конференции "Химическая физика и физическая химия" (Таллин, 1987), X Юбилейной школе УрО РАН "Расчет и управление надежностью больших механических систем" (Ильмены, 1995), Международной конференции "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий" (Сочи, 1998), Уральской научно-практической конференции по метрологии (Екатеринбург, 1998). -

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 35 работ.

б

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и приложения. Она содержит 273 страницы машинописного текста, 45 таблиц и 47 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, защищаемые научные положения и результаты.

1 ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Развитие автоматизации производственных и технологических процессов на шахтах, рудниках и карьерах России тесно связано с этапами механизации и автоматизации горных работ. С середины 70-х годов наряду с совершенствованием средств горной автоматики и расширением области использования систем автоматического управления все шире стала применяться вычислительная техника как для построения оперативно-диспетчерских систем, так и для АСУ технологическими процессами шахт, рудников и карьеров, а с 80-х годов наряду с применением мощных ЭВМ в горной промышленности стали применяться мини- и микроЭВМ, что обусловило развитие электронной аппаратуры управления (ЭАУ). Существенный вклад в развитие автоматизации горных работ внесли ученые горных вузов России В.Ф.Бырька, Л.Г.Мелькумов, С.А.Волотковский, А.А.Иванов, О.А.Залесов, В.Т.Зароднюк, Л.Д.Певзнер, А.Е.Троп, В.М.Чермалых и др.

Анализ работ, посвященных совершенствованию и повышению надежности ЭАУ в горной промышленности, показал, что характерными тенденциями развития являются:

• все более широкое применение вычислительной техники;

• переход на цифровые системы управления на элементной базе изделий микроэлектроники;

• повышение плотности монтажа электронных модулей и расширение их функциональных возможностей;

• микроминиатюризация аппаратуры управления;

• применение новых материалов и технологий для изготовления модулей и узлов электронной аппаратуры с улучшенными конструктивно-технологическими параметрами.

Сложные условия эксплуатации аппаратуры управления в горной промышленности могут привести к отказу модуля, электронного блока или части системы управления. Отказ горного электронного оборудования, средств и устройств шахтной автоматики, систем управления горных машин большой единичной мощности ведет к нарушениям технологического процесса, что

может быть причиной возникновения аварии, материальный ущерб от которой может значительно превышать стоимость отказавшего устройства. Вследствие этого особое значение приобретает повышение надежности аппаратуры управления и ее узлов.

При нынешнем объективном состоянии экономики горнодобывающие предприятия находятся в значительно худших условиях, чем предприятия технического профиля, например машиностроительные или радиотехнические (производство монопродукта, невозможность его конвертации, сложности с ремонтной базой, особенно для электронного оборудования). В целом состояние аппаратуры управления на горных предприятиях остается неудовлетворительным, планы технического перевооружения и обновления основных фондов не выполняются, темпы старения оборудования опережают его воспроизводство. Поэтому в настоящее время физический износ аппаратуры управления, защиты и сигнализации является основной причиной развития аварийных ситуаций. В этих условиях эффективным средством повышения надежности ЭАУ является проведение сбалансированной политики регламентного технического обслуживания, диагностики и ремонта. Задачи диагностирования состоят в выявлении неразрушающими методами отклонений технических характеристик элементов соединений, которые потенциально могут привести к изменению конструктивно-технологических параметров и отказу электронного оборудования. Для реализации комплекса работ по этим направлениям необходимо наличие специальной организации сервисного обслуживания, диагностики и экспертной оценки оборудования.

Таким образом, для повышения надежности действующей и проектируемой электронной аппаратуры управления в горной промышленности необходим комплексный подход, учитывающий выявление слабых звеньев, физико-химические закономерности появления отказов и особенности эксплуатации горно-технологического оборудования.

2 ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Особенности технологических процессов в горной промышленности заключаются в высокой степени их "консервативности", что связано со значительным временем, необходимым для создания рудника, шахты или карьера, и длительным сроком их эксплуатации, который в 4-5 раз превышает срок службы аппаратуры управления. Поскольку действующую шахту, рудник или карьер не перестроить, то технологический процесс добычи полезных ископаемых на данном предприятии практически не изменяется со временем, вследствие чего нет необходимости в существенном изменении функций аппаратуры управления. Особенности технологических процессов, условия работы горных машин и технологического оборудования обуславливают сле-

дующие особенности эксплуатации электронной аппаратуры в горной промышленности:

• наличие высоких и низких температур,

• повышенную влажность и запыленность воздуха,

• химически агрессивный состав шахтной воды и атмосферы,

• динамические нагрузки и вибрации,

• применение мощной аппаратуры и оборудования,

• специфику энергоснабжения и режимов работы,

• резкие колебания электромеханических нагрузок,

• влияние собственно горно-технологического оборудования.

Климатические условия эксплуатации аппаратуры, средств и устройств

автоматизации, их исполнение, стесненное рабочее пространство, состояние аппаратуры на горных предприятиях, особенности эксплуатации оборудования и технологических процессов определяют в совокупности следующие особенности технического обслуживания и ремонта аппаратуры:

• на предприятиях горной промышленности одновременно работают как релейно-контактные, так и бесконтактные полупроводниковые схемы на дискретных элементах, микросхемах, элементы с аксиальными, радиальными, планарными и штыревыми выводами, т.е. весь набор элементных баз;

• в системах управления одновременно работает аппаратура, выпускаемая серийно промышленностью в разное время, а также изготовленная силами ремонтного или собственно горного предприятия;

• значительная часть оборудования (40-60 %) - оборудование с выработанным ресурсом, так как покупка новой аппаратуры в современных экономических условиях является достаточно дорогостоящим мероприятием и не всегда под силу горному предприятию;

• практическое отсутствие сервисного обслуживания и технической диагностики для электронного оборудования.

Вследствие специфических условий работы в горной промышленности причинами отказов аппаратуры управления будут являться как внешние, так и внутренние факторы. К числу внешних относятся динамические и случайные нагрузки, их длительность и закономерности изменения во времени, изменение напряжения питающей сети, влияние внешней среды. Внутренние факторы обычно являются следствием действия внешних воздействий, а также связаны с физико-химическими изменениями материалов. Под действием внешних и внутренних факторов в элементах аппаратуры образуются напряжения и деформации, которые накапливаются в процессе эксплуатации, образуя петлю механического гистерезиса и формируя остаточную деформацию, пока не исчерпается запас прочности материала, элемента или устройства. Затем происходит разрушение, которое и проявляется в виде возникновения отказа модуля или устройства. Проведенный анализ отказов аппарату-

ры управления технологическими и производственными процессами, транспортными и горными машинами, средств и устройств автоматизации наземного и подземного оборудования показал, что они в значительной мере обусловлены нарушениями правил нормальной эксплуатации, процессами старения, износа, необратимыми физико-химическими изменениями свойств материалов, которые значительно ускоряются в связи с особенностями эксплуатации в горной промышленности.

Надежность модулей в значительной мере обусловлена свойствами применяемых радиокомпонентов и конструктивно-технологическими параметрами печатных плат. В качестве элементной базы применяются высоконадежные изделия микроэлектроники: цифровые и интегральные микросхемы, БИСы и микропроцессоры, поэтому надежность как новой, так и действующей аппаратуры в целом будет определяться качеством и свойствами слабого звена. Коммуникационные элементы являются менее надежными изделиями, чем микросхемы, резисторы или конденсаторы, поэтому слабое звено аппаратуры будет находиться среди них. В горной промышленности широкое распространение получили реле различного типа. Это, в основном, реле РКН, РСМ, РП-4, РП-7 и ряд других, характеризующихся недостаточной виброустойчивостью и отсутствием защиты от окружающей среды. В настоящее время применяются малогабаритные слаботочные реле РЭС-22, РЭС-42, РЭС-60 и др., в том числе и на базе магнитоуправляемых контактов (герконов). Герконы используются также в кнопках, тумблерах, переключателях и весьма чувствительны к кратковременным перегрузкам по току при замыкании и дуговым затяжкам при размыкании. Им свойственны также отказы типа сваривания и увеличения переходного сопротивления. •

Важным элементом средств автоматизации являются разъемы, из отказов которых наиболее часто встречаются уменьшение сопротивления изоляции ниже допускаемых норм, нарушение электрического контакта и герметичности. В печатных платах, применяемых в электронной технике, имеются плоские печатные проводники, контакты и металлизированные сквозные отверстия, осуществляющие сложные коммуникационные функции между радиокомпонентами, внутренними и наружными слоями основы, а также механическую поддержку навесных элементов. Поэтому наличие металлизированного сквозного отверстия (МСО) в печатных платах аппаратуры управления является функционально неизбежным.

На модуль, являющийся функционально готовым изделием или устройством, приходится одна или две печатные платы, два-три разъема, несколько реле и сотни МСО. Множество и миниатюрность элементов соединений ставят в зависимость от их надежности безотказность и эффективность эксплуатации электронной аппаратуры в целом. Поэтому металлизированное сквозное отверстие (вертикальный цилиндрический проводник) является одним из слабых звеньев электронной аппаратуры.

Применение изделий микроэлектроники, возможность выполнения печатных элементов, уменьшение габаритов аппаратуры обусловили появление видов отказов, специфических для электронной аппаратуры: замыкания между уровнями металлизации через трещины и дефекты в диэлектрических прослойках, обрывы металлизации на сложном ступенчатом рельефе поверхности основы, а также вследствие протекания диффузионных процессов и т.д. Другая причина отказов - образование концентрических трещин в местах соединения вертикального цилиндрического проводника с контактными площадками и в центральной части МСО. Отказы такого типа возникают обычно через 1-2 года эксплуатации блоков аппаратуры управления и систем обработки информации. Отказы оборудования являются событиями случайными по моменту и месту возникновения, но имеют вполне определенные причины, которые вызваны либо экстремальным сочетанием воздействий окружающей среды и сложными условиями эксплуатации в горной промышленности, либо заложены в самих элементах и устройствах, вследствие разброса неконтролируемых параметров технологического процесса их изготовления (рисунок 1).

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

В процессе монтажа, а впоследствии при ремонте или эксплуатации электронные модули систем автоматизации и аппаратуры управления подвергаются значительным тепловым и механическим воздействиям, что согласно Сотскову Б.С. можно записать следующим образом:

<30) = \а\!дХ= }[&1/3(Дх)1-д(Дх)/а , (1)

о о

где <30) - вероятность отказа,

Дх - запас прочности,

с'(Дх)/Э Ь скорость изменения запаса прочности вследствие протекания различных физико-химических процессов в элементах и материалах,

Зц/5(Дх) - вероятностные прочностные характеристики.

Под действием возникающих напряжений элемент деформируется первоначально упруго, а затем пластически за счет растяжения и изгиба. Такая знакопеременная нагрузка в области пластической деформации приводит к образованию петли механического гистерезиза, накоплению остаточной деформации в металле и уменьшению запаса прочности (Дх) элемента (рисунок 2). Анализ известных методик определения напряженного состояния печатных плат показал, что все они основываются на моделях статического процесса с применением диаграмм деформации идеально-упрутого или идеаль-

Условия функционирования аппаратуры

Окружающая среда

| Условия эксплуатации

Режимы работы горно-технологического оборудования

Требования к надежности аппаратуры

I

Конструкция

Г

Активные элементы

Реле

Разъемы

Выбор менее надежных ("слабых") элементов

Коммуникационные элементы

Металлизированное сквозное отверстие

Контакты

Схемное

решение

Пассивные элементы

Плоские печатные элементы

Р МГЧ'НШС 1

— Ртургп/птяпия пяппятгрнни нгсп^пляяний

но-пластичного материала, которые практически не учитывают изменения свойств реальных материалов и элементов при внешних воздействиях.

Для определения количественных показателей процесса использовали статическую нелинейную многомерную модель типа: у, =£,(к,д,м.т),

у2=Г2(К,(3,М,Т), (2)

Уз=£з(К,(2,М,Т), где у г, уг, Уз - прочностные, пластические и электрические свойства печатного элемента,

К - геометрические, 0 - теплофизические, М - механические характеристики системы.

Приэтом , М = Р3(Е,С,Т,ц,ств,5),

<3 = Р2(а, аД),

где Ь - толщина проводника,

гь г2, г - радиус цилиндрического проводника, контактной площадки и средний,

1 - половина толщины диэлектрической основы, а - коэффициент термического расширения, Е - модуль упругости, й - модуль сдвига,

5 - пластичность (относительная деформация),

ав - временное сопротивление разрыву (предел прочности),

ц - коэффициент Пуассона,

а - коэффициент температуропроводности,

X - коэффициент теплопроводности,

Т - температура.

В качестве расчетной схемы принята тонкомерная цилиндрическая оболочка с кольцами по краям, а условие совместимости деформаций кольца и цилиндра записано в виде равенства радиальных перемещений, углов поворота нормали и моментов. Продольные, радиальные и тангенциальные напряжения находятся по известным формулам:

ох =ТХ/1и-бМх/Ь2, ст, =Т(/11 + 6М,/112,

Тх =0.(<х5 -анкп, Мх=Х,,

В нашем случае . аг=0 (3)

Т, =2ГВ2(Х, +Х2УВ) + Р1Г М,=ЦМх.

В результате проведенных расчетов определены неизвестные силовые факторы X] и Х2:

X, = 21[|хР2 (г| / 2 - г* / 2 - ЬгН/ Ав)- ^г],

Х2 = 2цЬР2В1В2 / АЬ - 2ВР][|лР2 (г| / 2 - г,2 / 2 - ЬгН / Ав) - Р, г],

где А = ЬЕЬ - 12гОВ2 ; Р, = Ед ( а, - аи ) ДТ

Н = Е1| +8гОВ3 ; Р2 = 20дг1( ал г - ам ) ДТ / (г22 - г2,); I = 1,ОВ2/Ь(А-2НР); Б = Ь2Е1, + 12гОВ ; Ь - толщина проводника на контактной площадке (в случае аддитивной технологии Ь = Ь),

V - изгибная жесткость оболочки, I и В - геометрические характеристики сечения. Выражение (4), сохраняя адекватность модели, можно упростить. Тогда

X! =ЛцР2(г22-Г12)-РгГ],

Х2 =2ВП[рР2(г| -г12)-Р1т]/АЬ = 2Х1ВР/АЬ.

5 -^ 6 100 зоо

1.2

ОХЛа 1,0

300 -

0.8

200 /

100 -I 0.6

0 ' 1 !П\ 1 V 0.4

5 •О11 2 11\ б \ 100 зоо

.100 - 0.2

-200 -

-300 -

гг —; ^г —-р ХчМ

X X4,!

\И| 2

X XV л

ХХг^Х 1 кОй 2 а

1 1 1 1 1

1 - первое воздействие, 2- воздействие Рисунок 2 - Переходные характеристики изменения прочностных и пластических свойств элемента (проводника)

1-медный проводник; 2-диэлектрическое основание; А-А-опасное сечение Величины перемещений по осям г и ъ увеличены в 500 раз Рисунок 3 - Схематическое изображение деформации вертикального цилиндрического проводника (МСО) во время пайки

Эта модель позволяет дать количественную оценку напряженно-деформированного состояния слабого звена и учитывает реальные конструктивные параметры печатных плат, физические свойства материалов, дейст-

0.2

0 6

0,4

вующую температуру и т.д. Однако данная модель не учитывает развития процессов во времени, наличия радиокомпонентов, а также того, что электронный модуль представляет собой сложную многослойную конструкцию из чередующихся слоев диэлектрика и меди. Для учета всей полноты картины рассмотрели нелинейную многомерную динамическую модель типа:

у4 =г4(к,д,м,т,0,

У 5 =^(к,д,м,т,1), (6)

К = ^(и, г, 1,0, М = ¥6 (Е, О, Т, р, св, 5,0

где , ,

<2 = Р5(а,а,А.,Т,1), I-время.

Эта модель позволяет учитывать изменение реальных теплофизических и физико-механических свойств материалов, внешних воздействий, а также распределение температурных, деформационных и других полей во времени. В данной модели рассматривали несколько расчетных схем:

а) в качестве первой расчетной схемы приняли полый толстостенный цилиндр из диэлектрического материала, внутренняя и боковые поверхности которого покрыты слоем химически осажденной меди требуемой толщины (аддитивная технология);

б) схема 1, но слой химически осажденной меди имеет толщину 5-7 мкм, поверх которого проведено гальваническое наращивание меди до требуемой толщины (полуаддитивная технология);

в) схема 1 или 2, но поверх слоя меди на торцах цилиндра (контактных площадках) нанесен слой припоя и защитного покрытия;

г) схема 3, но во внутренней полости цилиндра коаксиально располагается ножка радиокомпонента, а зазор между ними заполнен припоем.

В условиях конвективного теплообмена с окружающей средой определение температурных полей сводится к решению известного дифференциального уравнения:

сИу(Х-егасПГ) = -~ (7)

а <л

при следующих начальных и граничных условиях:

Т = Т0 (г) при 1 = 10Д = 5Т/5п = а(Т-8), Т0- начальная температура элемента в момент времени ^ , 9 - температура окружающей среды, п - внешняя нормаль к поверхности элемента П, г - радиус-вектор точки элемента. Умножая уравнение (7) и граничные условия на вариацию температуры, получаем следующее выражение:

2 т 1 яг 1

+ 2 | ёТ Ыгёг + л:|а(Т - 29)Гг<18, (8) т а а з

ЭТГ (дТ дг) Чдг

если интегрирование проводить по площади меридионального сечения Р и его контуру 8. Вариационное уравнение (8) решается методом конечных элементов, а область меридионального сечения цилиндрического проводника разбивается N узловыми точками на М треугольных элементов. С учетом симметрии достаточно рассмотреть четверть меридионального сечения МСО (рисунок 1). Неизвестные значения температуры в вершинах треугольных элементов определяются из условия:

— = Z

ЗТ; т=1

J^l =0, i = I, 2, 3 ... N. (9)

ЭТ' Lm

dVUo . (10)

Дифференцирование выражения (9) по всем треугольным элементам дает систему алгебраических уравнений N-ro порядка относительно неизвестных значений температуры в узловых точках для момента времени t + At, при известном ее распределении в момент времени t.

Находящееся в естественном ненапряженном состоянии МСО подвергается действию неравномерного вдоль радиуса и по длине осесимметрично-го температурного поля Т (z, г). Определение напряженно-деформационного состояния МСО проводится для фиксированных моментов времени при соответствующих значениях температуры. При этом состояние в каждой точке элемента характеризуется компонентами тензоров напряжений аи , <зп, <зп , аа , деформаций еи, г„ , ert , и перемещениями u, w . Для решения задачи воспользовались вариационным уравнением Лагранжа, которое для рассматриваемого случая нагружения принимает вид:

i** Г 1

f -HSo +2f-rdT-3He0eT vL2 о V

Данное уравнение выражает принцип минимума потенциальной энергии Э элемента, что эквивалентно уравнениям равновесия и статическим граничным условиям. Функция пластичности vj/ = Г/ S нелинейно зависит от интенсивности деформаций (Г), поэтому уравнение (10) нелинейное. Полагаем, что скалярные свойства напряжений определяются выражением

S=f(r,T,t), (11)

которое не зависит от вида напряженного состояния и определяется экспериментально по кривым растяжения образцов при постоянной температуре. Зависимость интенсивности напряжений (S) от времени определяется величинами температуры и внешней нагрузки, а также продолжительностью работы устройства или средства автоматизации. Минимум выражения (10) находится методом конечных элементов. Разбиение тела на элементы осуществляется таким образом, чтобы каждый элемент состоял из одного материала, т.е. принадлежал только одному слою. Из условия минимума (10) получаем систему алгебраических уравнений для каждого значения перемещений в уз-

ловых точках, из решения которой определяются компоненты тензоров напряжений, деформаций и узловых перемещений:

= ХдЭт/ды1 =0, дЭ/дп; = £ЭЭт/Эи( =0 1= 1,2.....N (12)

т=1

В результате моделирования определено месторасположение опасного сечения слабого звена (рисунок 3). Экспериментальная проверка теоретических расчетов на основе разработанных моделей в лабораторных и промышленных условиях показала достаточно хорошее совпадение результатов расчетов и испытаний (с вероятностью 0,95 различия между данными расчетов и результатами экспериментов не являются значимыми, при дисперсии э2 = 7,43 10"3%2).

4 ВЫБОР КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Технологические процессы в горной промышленности осуществляются в шахтах и на поверхности, в карьерах и производственных помещениях. В процессе эксплуатации ЭАУ изменения в ее устройствах и элементах возникают как под действием технологических нагрузок, так и внешней среды. Для прогнозирования поведения модулей и блоков проведено моделирование условий эксплуатации аппаратуры управления при различных внешних воздействиях. Для этого воспользовались моделью, в основу которой положена динамическая модель предельного состояния:

У7 =Р,(К1.д.мьт.идХ

у5=^(К;,(3,М;,Т,и,0, (13)

у9=&,(К(,С>,М!,Т,и,0,

где и=ф(Т, г, ], 0,

Т - тепловые, Z- механические (удары, вибрации), I- химические (агрессивная среда) воздействия,

I = 0,1,2...п, при этом 1 = 0- соответствует исходному состоянию, 1 = 1 -монтажу модуля, а £ -1 (при [ > 1) - числу ремонтов.

Практически все виды внешних воздействий, действующих в процессе эксплуатации на оборудование, приводят к изменениям параметров элементов за счет образования в них напряжений и деформаций. В соответствии с этим находящееся в естественном ненапряженном состоянии слабое звено (МСО) подвергается действию неравномерного вдоль радиуса и по его длине осесимметричного теплового поля Т(г, г, г), поверхностной нагрузки Рп(Рп2,Рпг,0 на части поверхности П, и объемных сил Н (Нг, Нг, ').

Тогда уравнение (10) принимает следующий вид:

5Э = 5<М

— Не? + 2{—Гс1Г- ЗНе0ет 2 у

М- + [(Н^ + Нги)1У =0, (14)

где Рпь Рпг - проекции поверхностной силы Рп, действующей на поверхности платы с внешней нормалью й ;

Н:н Нг - проекции объемной силы Н, возникающей при ускорениях или перегрузках, на оси гиг.

Последующие после монтажа аппаратуры внешние воздействия приводят к накоплению остаточной деформации в элементе вплоть до исчерпания его запаса прочности, т.е. до разрушения элемента или отказа модуля, устройства или части системы управления. Аналитически данное условие записали следующим образом:

& = е, +е2 +.... + е„ = Ее|; (15)

¡=о

где е,- - приращение остаточной деформации на 1-м этапе работы, п - число циклов воздействия на аппаратуру на ¡-м.этапе. Величина е, определяется условиями монтажа модулей

е, =£,-2(1 + ц)СТэ/Е. (16)

В условиях горной промышленности при.эксплуатации ЭАУ в элементах аппаратуры возникает сложное напряженное состояние, поэтому необходимо рассматривать значения эквивалентных напряжений и деформаций: с, = {[( ау - ат )2 + ( ау - а„ )2 + ( ох - ап)2]/2}1/2

6, = {2 [(£у - е,)2 + ( еу - еп)2 + (е, - еп)2]}1/2 /3,

где ау, ап, стх> еу, е„, £г - упругие, пластические и термические напряжения и деформации соответственно. Тогда

8-еэ-2(1 + |1>гэ/Е+1Е|. (17)

¡=2

Полагая непрерывное изменение циклической нагрузки ах = {"(Ы), значения п = N и равномерное приращение остаточной деформации, имеем:

6 = еэ - 2(1 + ц)сг/Е + (И - 1)е„ , (18)

где N - число циклов, необходимых для полного исчерпания запаса прочности при режимах и условиях, соответствующих ¡-му этапу.

Согласно стандарту ГОСТ 23752-79 однослойная печатная плата должна выдержать не менее четырех, а многослойная - не менее трех перепаек. Тогда граничные значения конструктивно-технологических параметров (минимальные величины пластичности и предела прочности) проводников электронной аппаратуры составят соответственно:

50=еэ- 2(1 + (х)стз/Е + Зе„ = Еост + Зеп, а0 = К, а, = (а/стх) а,., §0 = -2(1 + ц)сэ/ Е + 2е„ = бост + 2еп \У0=5„ст„, (19)

где К3 - коэффициент запаса,

Op - разрушающее напряжение, сх - действующая нагрузка. Отсюда получаем: 80 = 2,5 %, ст0 = 370 МПа, W0 = (8-10) МДж/м3 .

Число ремонтов, которое может выдержать модуль, исходя из запаса прочности слабого звена, составит:

R = (N - 1)/2 = [8 - е, + 2(1 + ц)а/ Е] /2е„. (20)

Выражая запас прочности элемента через изменение его прочностных или пластических свойств, например, полагая Дх = Д5 = 8 - 50 и подставив выражение (17) в (1), получим уравнение связывающее показатели надежности аппаратуры управления с физико-химическими процессами, протекающими в материалах, элементах и устройствах за время эксплуатации, транспортирования и ремонта горно-технологического оборудования.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

В настоящее время ЭАУ разрабатывается на основе типовых и унифицированных модулей, ориентированных на конкретное или общее применение. При использовании в качестве навесных элементов микросхем и микропроцессоров контактные площадки на печатной плате настолько сближаются, что между ними нельзя проложить необходимое количество проводников в один слой и приходится использовать многослойные печатные платы (Ml Ш). Однако МПП характеризуются наименьшей технологичностью, а также максимальной трудоемкостью изготовления, которая на порядок выше, чем у ДПП, и возрастает с увеличением числа слоев.

Традиционным методом изготовления печатных плат является субтрак-гивная технология, при которой неизбежно боковое подтравливание проводников, вызывающее уменьшение их ширины на 50-60 мкм (при общей ширине 300-320 мкм) и площади сцепления с основой. Это понижает механическую и термическую прочность плат и модулей на 20-30 %, уменьшает надежность аппаратуры. Данная технология имеет принципиальные ограничения, не позволяющие повысить экономическую эффективность производства или улучшить технические характеристики изделий, и связана со значительным загрязнением окружающей среды отходами гальванических операций. Современным методом изготовления печатных плат является аддитивная технология, при которой требуемый рисунок печатной схемы получают химическим осаждением на диэлектрическую основу. В этом случае устранено гальваническое травление и, соответственно, загрязнение окружающей среды его отходами, а также ликвидировано боковое подтравливание. Последнее позволяет уменьшить ширину проводников до 150-80 мкм и, как следствие, снизить массу и габариты аппаратуры, повысить механическую и термическую прочность модулей, уменьшить стоимость их изготовления на 20-40% и

существенно повысить выход годных изделий. Так, например, аддитивная двусторонняя плата способна заменить 9-слойнуто плату, полученную по субтрактивной технологии, за счет уменьшения ширины проводников и выполнения переходных отверстий в шаге трасс.

Химическое осаждение проводится из сложных многокомпонентных систем. Для возможности получать надежные печатные элементы, удовлетворяющие сложным условиям эксплуатации электронной аппаратуры в горной промышленности, была проведена оптимизация составов растворов химического меднения. Для оптимизации аддитивной технологии проводили полные и дробные факторные эксперименты, включающие вариацию составов растворов металлизации, условий проведения процесса, наличия различных добавок и т.д. Полученные результаты были представлены в виде системы уравнений регрессии.

Лучшие показатели надежности аддитивных плат обеспечиваются за счет повышения структурной надежности слабого звена. Структурную схему звена можно представить в виде следующего основного соединения (рисунок 4). Повышение структурной надежности достигается за счет решения обратной задачи структурного резервирования - сокращения числа элементов в основном соединении, а также совмещения функций, выполняемых двумя элементами, одним.

—ш—Г^т—п~у-гп— -ГП—[Щ-

а б

технология изготовления: а - субтрактивная, б - аддитивная,

1 - межфазная граница диэлектрик - металл, 2 - плоский проводник,

3 - межфазная граница плоский проводник - цилиндрический проводник,

4 - цилиндрический проводник.

Рисунок 4 - Структурная схема слабого звена

Таблица 1 - Устойчивость плат к перепайкам

Растворы Временное Пластич- Удельное Удельная Число (пере-

меднения сопротивле- ность, % электросо- работа де- паек) термо-

ние разрыву, противление, формации, ударов до

МПа 108 Омм МДж/м3 разрушения

Базовый 300-350 2,0-2,4 2,8-3,4 6-8 3-4

Оптимизи-

рованные 520-550 3,7-4,5 2,1-2,2 16-18 7-8

460-480 4,8-5,4 2,0-2,1 ' 19-22 9-10

Примечание - Требование ГОСТ 23752-79 - 3-4 перепайки.

Таким образом, повышение качества электронной аппаратуры, изготовленной на основе аддитивных плат, достигается за счет повышения структурной надежности слабого звена. Такой подход позволяет обосновать и реа-

лизовать конструктивно-технологические возможности повышения надежности электронной аппаратуры за счет получения плоских и цилиндрических проводников платы в едином технологическом цикле, что позволяет изменить конструкцию слабого звена,и таким образом уменьшить образующиеся напряжения и деформации (таблица 1).

Экспериментальная проверка позволила определить точечные оценки й доверительные интервалы показателей надежности и подтвердила меньшую (в 2-4 раза) частоту и интенсивность отказов аддитивных печатных плат, что подтверждает возможности аддитивной технологии.

6 ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Надежность аппаратуры управления, средств и устройств автоматизации в значительной мере определяется свойствами элементов и материалов, которые являются проявлением особенностей их структуры, а также протекающими в них различными физико-химическими процессами за время эксплуатации, транспортирования или хранения оборудования. В связи с этим проводили изучение процессов зародышеобразования и роста кристаллитов.

Осаждение проводили на металлические (никель, сталь Х18Н9Т) и неметаллические (стекло, ситалл СТ-501-2, стеклотекстолит СТЭК) основы. За-родышеобразование начинается на каталитических участках поверхности с наибольшей плотностью активационного материала. Первоначально зародыши образуют агрегаты диаметром 2,5-5,0 нм на металлических и 15-20 нм на неметаллических основах, которые затем вырастают до величины 80-100 нм, после чего стремятся объединиться в протяженные цепи. Процессы зародышеобразования пленок на всех типах подложек протекают качественно аналогично, однако при осаждении на металлические основы зародыши мельче, а скорость кристаллизации выше за счет образования большего количества центров кристаллизации и большей разности потенциалов между осаждаемым металлом, восстановителем и реакционной поверхностью.

Срастание зародышей происходит за счет коалесценции, во время которой протекает процесс рекристаллизации, объединяющий значительное число первоначальных зародышей. Движущей силой процесса является уменьшение свободной энергии образца преимущественно за счет уменьшения энергии границ зерен (зародышей). Значительная разнозернистость пленок в момент образования сплошного слоя указывает на преимущественное протекание собирательной рекристаллизации. Сплошные слои меди, полученные в результате этих процессов, имеют гетерогенную структуру и характеризуются преимущественно хаотичной ориентировкой роста, в отличие от электрохимически осажденных осадков, растущих за счет диффузионного роста двумерных зародышей.

С ростом толщины элемента четче выявляется поликристаллическая структура металла и увеличиваются составляющие его зерна-кристаллиты. Начиная с толщины слоя химически осажденной меди 10-15 мкм, в исследуемых элементах намечается тенденция к образованию текстуры роста (110), которая усиливается с повышением толщины элемента. Этому же интервалу толщин соответствует стабилизация размеров зерен и пористости, а у столбчатой структуры намечается переход к равноосной. Дальнейшая кристаллизация меди протекает направленно, формируя плотный слой из почти равноосных текстурированных зерен, что проявляется в уменьшении разори-ентировки зерен, областей когерентного рассеяния, понижении микронапряжений и увеличении пластичности. Таким образом, в сформировавшемся медном проводнике при химическом осаждении можно выделить три структурные зоны: зародышевый слой (толщиной до 1 мкм), переходный слой, состоящий из разориентированных мелких кристаллитов или столбчатых кристаллитов (толщиной до 10 мкм), и рабочий слой, образованный текстуриро-ванными почти равноосными, близкими по размерам кристаллитами.

Рост кристаллов из раствора носит периодический характер, и каждый слой, являясь в какой-то момент времени поверхностным, обладает избыточной поверхностной энергией по отношению к объемным слоям. Вследствие этого поверхностные атомы, восполняя ненасыщенность связей, притягивают значительное число частиц, включающихся в покрытие. Следовательно, химически осажденные печатные элементы можно рассматривать как композиционный (ультрамикрокомпозиционный) материал, состоящий из металлической матрицы с равномерно распределенными по ее объему дисперсными частицами неметаллов с размерами 10-20 нм, т.е. сформировавшаяся структура представляет собой дисперсно-упрочненный материал (ДУМ), причем дисперсный наполнитель образуется за счет химических реакций непосредственно в процессе осаждения. Из модели ДУМ следует большая скорость деформационного упрочнения, высокие пределы прочности и текучести, а также мелкокристаллическая структура, что согласуется с экспериментом.

Повышение толщины элементов, увеличение средних размеров зерен изменяет и морфологию их поверхности, которая формируется агрегатами, образованными из десятков и сотен кристаллитов, образующих пирамидальные фигуры и спирали, что обусловлено дислокационньм механизмом их роста. Спиральный рост наблюдали, главным образом, на гранях с низкими индексами. Высота и ширина ступенек обычно изменялась от 10 до 30 нм и от 50 до 100 нм соответственно.

Микроструктуру толстых (при толщине свыше 25 мкм) печатных элементов исследовали съемкой на просвет после утонения образцов. На микрофотографиях четко видны мелкодисперсные зерна с размерами 0,21-0,25 мю* со сложным внутренним строением, большое количество двойников и дислокаций. Образование двойников происходило всегда, когда соседние кристал

литы располагались в направлениях {111} к общей границе. Измеренная величина плотности дислокаций составляет (2-7) 1014 м"2 , что сравнимо с данными для вакуумных конденсатов и холоднодеформированной меди, т.е. для материалов с искаженной структурой. Углы разориентировки между отдельными зернами велики и достигают до 10-15°. Характерной особенностью структуры являются значительные микронапряжения (до 200-300 МПа), превышающие предел текучести литой меди, и микродеформации (до 0,2-0,4%). Поскольку печатные элементы не подвергались предварительной деформации, то, следовательно, все дефекты и искажения структуры образуются непосредственно в процессе их роста.

В модели Эшби общая плотность дислокаций в материале равна

Р = Рс + Pg -

где рс - плотность статистически распределенных дислокаций, pg - плотность геометрически необходимых дислокаций. Как правило, общая плотность дислокаций пропорциональна степени пластической деформации. Если границы зерен рассматривать как аналогию плоских частиц, являющихся практически непроходимыми барьерами для дислокаций, то для ДУМ, в предположении однородного распределения дислокаций, можно записать

pg=4P/bd и рс= Бе" + р0, где d - имеет смысл размера зерна, р0- плотность дислокаций в бесконечно большом зерне, Г - сдвиговая деформация, b -вектор Бюргерса,

Б - характеризует генерацию статистически распределенных дислокаций. Заменяя Г через те (т - фактор Тейлора) и обозначив 4m7b через В, с учетом уравнения деформационного упрочнения получаем:

стт =of +cpGb(p„ +Aen +Bend-,)I/2 , (21)

где G - модуль сдвига, Ф - коэффициент, оу - напряжение трения. Рассмотрим возможные частные случаи:

1. При п = 1 и пренебрегая величиной р0= 0, данное выражение переходит в уравнение де Бейкеля для пластически деформированных металлов.

2. При А < Bd"1 (мелкозернистый материал), пренебрегая величиной р0 = 0 и обозначив {aGb){Bd* + pa)U7t = ky, получим уравнение Холла-Петча.

3. При А > Bd'1 (крупнозернистый материал) полученное выражение принимает вид

сгт = сг/+ (aGb)(A(? +р„)ш.

4. Поскольку размеры зерен изменяются пропорционально толщине элемента, то влияние первых будет аналогично влиянию толщины:

at = ст/ + abG{po + a,/h +■ a2£/h)m, .

5, Полагая величину приложенной деформации е = О, получаем выражение для определения напряжения, соответствующего началу пластической деформации:

с0= abG(p„ +- a/h + а,/И)ш.

Анализ уравнения (21) показывает, что наблюдаемые высокие прочностные свойства химически осажденной меди обусловлены высокой плотностью дислокаций и ультрамелкозернистой структурой, из чего также следует их невысокая пластичность, а также экспериментально наблюдаемая для различных материалов и сплавов обратно пропорциональная зависимость стт от h. Следовательно, уравнение (21) применимо в широком интервале размеров зерен и плотностей дислокаций.

Таким образом, физико-механические свойства печатных элементов (прочность, пластичность, электросопротивление) являются проявлением особенностей их структуры: ультрамелкого зерна, высокой плотности двойников и дислокаций. Изучение структуры и ее особенностей позволяет прогнозировать свойства и поведение элементов модулей и устройств при различных внешних воздействиях и обоснованно подбирать соответствующие материалы для определенных условий эксплуатации: блоки АСУ предприятия или бортовая СУ горной машины, наземное или шахтное оборудование.

7 ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Во всех реальных материалах имеются элементарные дефекты, оказывающие влияние на их макроскопические свойства и состояние. Процессы возникновения отказов в элементах ЭАУ часто определяются механизмами образования и кинетикой структурных дефектов, т.е. процессами их перемещения и скопления. Скорость протекания этих процессов связана с климатическими факторами, условиями эксплуатации, принятыми конструкторскими решениями и проявляется в величине напряжений и деформаций, образующихся в слабых звеньях.

Основная информация о материале при механических воздействиях может быть получена из диаграмм деформации. Из полученных данных следует, что при комнатной температуре деформация элементов протекает преимущественно в две стадии, при преобладании III стадии, а I стадия практически не наблюдается. С увеличением степени деформации величины показателя и коэффициента упрочнения, а также пластичность уменьшаются, а прочностные свойства элементов возрастают. Электросопротивление проводников изменяется по сложной зависимости: первоначально уменьшается, достигая минимума при деформации, равной 0,8-1,2%, в зависимости от

структуры, а затем возрастает, превышая первоначальные значения. Общее изменение электросопротивления составляет 8-16%, что является аномальным, т.к. известно, что для массивной меди электросопротивление при деформации возрастает, но не более чем на 5-6%. Первоначальное уменьшение электросопротивления проводников обусловлено упорядочением и перераспределением дислокаций, уменьшением концентрации вакансий, т.е. уменьшением эффективного сечения рассеяния носителей. При этом происходит переориентировка зерен и уменьшение полей деформации на их границах. При последующих воздействиях вид зависимостей сохраняется, но величина минимума на кривых постепенно сглаживается, т.к. в металле образуется стабильная дислокационная структура.

Изучаемые печатные элементы имеют повышенные доли упругой деформации и прочностные характеристики, превышающие аналогичные параметры массивной меди. Следует отметить, что если прочностные свойства химически и электрохимически осажденной меди достаточно близки, то пластические свойства отличаются в 2-3 раза, что связано с различием в их структуре. Повышенные в 4-5 раз значения предела текучести указывают на го, что отличия механических свойств химически и электрохимически осажденных элементов обусловлены их структурой, а не способом получения.

Значительная запыленность атмосферы горных предприятий приводит к абразивному износу элементов аппаратуры (проводников и контактов). Исследования износостойкости печатных элементов, полученных по субтрак-гивной и аддитивной технологиям, показали, что аддитивные проводники и контакты имеют износостойкость в 1,3-1,4 раза выше.

Из проведенного металлографического анализа следует, что обрыв проводящих цепей происходит из-за возникновения хрупких изломов, которые проходят по границе мелкозернистая - крупнозернистая структура, т.е. аа границе раздела химически осажденная - электрохимически осажденная ^катаная) медь. Изломы проявляются в виде межкристаллитных или транс-фисталлитных трещин и линий раздела между слоями меди. Наличие границы раздела неизбежно при субтрактивной технологии и отсутствует у плат, «готовленных по аддитивной технологии.

Толщину тонких (менее 1 мкм) пленок согласно Палатнику Л.С. можно эассматривать как квазитермодинамический параметр. Предлагается распро-ггранить это представление на область толстых пленок и фольг, на основами чего ввести критерий толщиноломкость, соответствующий толщине по-срытия при хрупко-вязком переходе (Ь* = (1хвп). Этот переход определяли из условия ств = стт, для чего применили параметр

11(Ь) = (а8-стт)/ств (22)

сак функцию толщины. Толщина Ь* зависит от структуры образца и не являйся его константой. Значение Ь' важно для определения запаса прочности 'онкомерной фольги и токонесущих дорожек гибридных микросхем. За кри-

терий хрупкого разрушения печатных элементов электронной аппаратуры приняли величину удельной работы деформации, соответствующую условию смены механизма деформации с хрупкого на вязкий:

б

. (23)

о

Проведенные расчеты и измерения показывают, что для исследуемых образцов величина Ь равна 0,8-1,0 мкм для химически осажденной и 0,6-2,4 -для электрохимически осажденной меди, а величина удельной работы деформации хрупко-вязкого перехода составляет 3-5 МДж/м3. Для гарантированного попадания в зону вязкого разрушения разрушающее напряжение должно превышать предел текучести, т.е. (Тр > 2сгт. Тогда удельная работа

деформации составит 6-10 МДж/м3, что согласуется с данными прочностных расчетов и экспериментальными результатами.

Измерения свойств образцов равной толщины при изменении ширины от 3 до 12,5 мм показали, что величины пластичности и предела прочности практически не изменяются. Следовательно, разрушение элементов происходит по вязкому механизму - развитием множества микротрещин размерами 110 мкм, а не отдельных случайных трещин. В последнем случае должна была бы наблюдаться зависимость измерений от ширины образца, связанная с изменением вероятности развития больших трещин при вариации размеров. С увеличением степени деформации толщина дефектной зоны возрастает и в тонком образце занимает весь объем, приводя к разрушению элементов, т.е. отказу электронных модулей и блоков аппаратуры управления. Кроме того, с уменьшением толщины возрастает пористость проводников. В этом состоянии возможно взаимодействие трещин по сечению образца, и возникает условие для локализации деформации. Показатель годности как критерий по выбору конструктивно-технологических параметров элементов записали через удельную работу деформации:

¡<6 вероятность отказа

6 — 8 вероятность безотказной работы 0,5; (24)

>8 вероятность безотказной работы Р(1:)>0,9.

Проверку качества и надежности элементов модулей проводили по условиям военного стандарта США (М1Ь-Р-555 1 ЮС): погружением в расплавленный припой на 10 с при температуре 288 °С. Результаты испытаний некоторых образцов приведены в таблице 2. Во всех случаях, когда удельная работа деформации превышала значения 8 МДж/м3, образования трещин в элементах не наблюдалось, и наоборот. Следовательно, удельная работа деформации как комплексная характеристика материала может быть использована

как показатель годности по выбору слабого звена (качественного и трещино-стойкого печатного элемента) для электронной аппаратуры управления.

Таблица 2 - Свойства печатных проводников

Временное сопротив- Пластич- Удельная работа де- Наличие трещин в

ление разрыву, МПа ность, % формации, МДж/м3 элементах после пайки

260 1,8 4,7 Да

216 3,2 5,7 Да

510 1,8 7,6 Да

435 2,2 9,1 Нет

213 7,1 12,6 Нет

410 3,4 13,9 Нет

579 4,3 20,6 Нет

530 4,8 21,1 Нет

478 5,5 21,8 Нет

460 8,2 37,6 Нет

Технологические процессы в горной промышленности протекают в различных климатических зонах, а ЭАУ подвергается воздействию высоких и низких температур. В зимнее время температура в карьерах понижается до -30, а на Крайнем Севере до -60 °С. Кроме того, применение высокоплотного монтажа, недостаточные условия вентиляции бортовых систем автоматизации приводят к тому, что в летнее время в процессе эксплуатации электронные блоки подвергаются действию температур до 90 °С и выше.

Влияние тепловых воздействий рассматривали в интервале температур 77 - 400 К. Проведенные измерения позволили определить температурный коэффициент сопротивления, который в зависимости от состава образцов составляет (2,8-3,4) 10"3 К'1. В диапазоне температур 290-420 К протекают процессы возврата и старения, которые происходят путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, перераспределения дислокаций вследствие консервативного скольжения без образования новых границ. Определенная из экспериментальных данных энергия активации процесса '70-80) кДж/моль позволяет оценить изменение свойств элементов модулей ЭАУ за время хранения. Результаты расчетов удовлетворительно совпадают : данными измерений свойств элементов модулей за время их хранения в течение 10 лет. При доверительной вероятности 0,95 различия между значениями результатов экспериментов и расчетов не являются значимыми при дисперсиях sl = 97,63 МПа2 и s^ =7,16 10"3 %2.

С дальнейшим увеличением температуры начинаются процессы рекри-:таллизации. Из описания кинетики процесса по уравнению Авраами следу-гт, что величина энергии активации рекристаллизации составляет 25-35 сДж/моль, что значительно меньше величины для литой меди (120-160

кДж/моль). Проведенная оценка величины движущей силы рекристаллизации дает значения 1-5 МДж/м3. Высокие значения движущей силы и малые величины энергии активации подтверждают наличие значительных искажений в структуре металла. На основании проведенных исследований предложена диаграмма, описывающая изменения физико-механических свойств печатных элементов при различных тепловых воздействиях.

При этом прочностные свойства образцов различного состава уменьшаются с повышением температуры по аналогичным зависимостям. Пластичность химически осажденных элементов монотонно возрастает с увеличением температуры или времени отжига, тогда как у электрохимически осажденных образцов - изменяется по параболической зависимости, достигая максимума при 680 К. Этому моменту соответствует увеличение размеров зерен в 4-6 раз, которые становятся сравнимыми с толщиной элемента. В этом случае нарушается условие структурного подобия и проявляется масштабный эффект, что приводит к уменьшению пластичности элементов и обуславливает меньшую надежность при тепловых воздействиях печатных плат, изготовленных по субтрактивной или полуаддитивной технологиям, а следовательно и аппаратуры управления в горной промышленности.

Проведенные исследования структуры и физико-механических свойств термообработанных элементов различной толщины выявили "структурный" эффект толщины. При увеличении толщины элементов от 10 до 60 мкм предел прочности практически не изменяется, тогда как предел текучести уменьшается от 220 до 70 МПа. Оказалось, что процессы укрупнения зерен весьма чувствительны к толщине элемента и усиливаются в 2,6-2,8 и 4,1-4,3 раза соответственно. Этот эффект обусловлен взаимодействием границ растущих зерен, т.к. размер зерна в направлении нормали к поверхности покрытия не может превысить его толщину, а также уменьшением вероятности образования центров рекристаллизации, что затрудняет перемещение дислокаций и приводит к уменьшению предела текучести.

Медленный нагрев и охлаждение, вибрации, линейные и круговые перемещения, колебания электромеханических нагрузок приводят к тому, что характер внешних воздействий является обычным для горнотехнологического оборудования. Циклическая нагрузка является более опасной, чем постоянная, т.к. при этом разрушение элементов происходит при напряжениях, меньших, чем временное сопротивление разрыву материалов. Вследствие этого более 80 % всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения. Важную информацию о ходе накопления пластической деформации и повреждений при усталости дает изучение петель механического гистерезиса в процессе испытаний. Долговечность изделий при усталости связана с величиной пластической деформации за цикл зависимостью Мэнсона-Коффина

Ы^Д8 = С ,

где Кг - число циклов до разрушения,

Ае- размах пластической деформации за цикл,

С — постоянная, хорошо согласующаяся с величиной истинной дефор-гации при статическом нагружении.

В области малоцикловой усталости решающим фактором является на-:опление пластической деформации, которая по мере увеличения длины ма-истральной трещины все в большей степени локализуется в ее окрестности. 1меющиеся данные позволяют заключить, что характер скольжения и особенности формирования дислокационной структуры качественно не отлича-этся от таковых для статического нагружения. Поскольку выше было пред-ожено в качестве критерия разрушения использовать удельную работу де-юрмации, то можно переписать зависимость Мэнсона-Коффина, которая :римет вид

^ = / ,

(25)

где 1¥1п и - удельная работа деформации, необходимая для разру-1ения элемента при нормальных условиях (запас прочности) и совершаемая нешними воздействиями, соответственно.

При циклических тепловых, механических или других воздействиях в лементах аппаратуры возникают напряжения и деформации, которые изме-:яются во времени, даже если величины нагрузок неизменны. Из рассмотрена зависимости компонентов скоростей деформации от компонентов наряжений в опасном сечении слабого звена получили время до разрушения лементов по хрупкому, вязкому и хрупко-вязкому механизмам:

К

Р хв

1вр{1-[1

-1

(26)

=

1р =[(т + 1)А<0]-

Механизм отказа или вид разрушения элементов определяется по соот-ошению: напряжение вид разрушения

> 0* вязкое

*

я О хрупко - вязкое , (27)

*

< О хрупкое

-]1/(п-ш)

_2Ап(т +1)_

_к(п-тХ2 + ц)(ц2-Ц + 1)(п+')/2.

ахо- начальное осевое напряжение, являющееся функцией конструк-ивно-технологических параметров платы, условий эксплуатации, внешних оздействий и определяемое из модели рабочего состояния;

А, к, п и ш - коэффициенты, зависящие от материала и температуры.

Поскольку при разрушении элемента наступает его отказ, то полученное значение времени можно рассматривать как наработку до отказа.

Таким образом, хотя отказ элемента модуля является случайным событием, но причины, обуславливающие его появление, связаны с определенными физическими и физико-химическими процессами, происходящими в материалах и устройствах на разных этапах их жизненного цикла. При этом в элементах модулей образуются напряжения и деформации, которые накапливаются в процессе эксплуатации оборудования, образуя петлю механического гистерезиса и формируя остаточную деформацию, пока не исчерпается запас прочности материала или элемента. Затем происходит разрушение, которое и проявляется в виде возникновения отказа модуля, устройства или части системы управления.

8 ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Отсутствие соответствующих стандартов, методического обеспечения и теоретически обоснованных требований к граничным значениям конструктивно-технологических параметров элементов существенно затрудняет работу по контролю качества плат и аппаратуры, изготовленных на разных предприятиях. Для повышения достоверности контроля аппаратуры управления с единых методологических позиций были проанализированы качественные и количественные методы разрушающего контроля печатных элементов, применяемые в промышленности и лабораторной практике. Выявлено, что при контроле качества таких миниатюрных изделий, как проводники модулей, следует учитывать влияние масштабного эффекта, пренебрежение которым при использовании существующих методик приводит к ошибкам и разбросам результатов измерений в 2-3 раза. На основании проведенного анализа выбраны оптимальные форма и размеры образцов и показано, что лучшие результаты (для разрушающих методов) дает метод испытания на растяжение при учете масштабного эффекта.

Поскольку свойства печатных элементов в значительной мере определяют надежность электронной аппаратуры, то их необходимо контролировать. В случае аддитивной технологии сразу получаем диэлектрическую основу с нанесенным схемным рисунком. Здесь необходимо наличие образцов-свидетелей, у которых покрытие отделяется от основы и направляется на контроль, что усложняет процедуру и искажает результаты измерений вследствие протекания процессов пластической деформации в металле при отделении проводника от основы. Поэтому решающую роль должны играть методы неразрушающего контроля при сохранении за разрушающими методами функции выборочной проверки.

В результате многочисленных измерений свойств проводников толщи-гой 20-40 мкм и годных для промышленного применения были установлены :орреляционные зависимости между временным сопротивлением разрыву пределом прочности), пластичностью и микротвердостью меди:

ств = 187,44 + 0,75Нц, 5 = (1,49 + 0,0028 Нц)1'2 (28)

при условиях Нц = 200-1000 МПа, ста = 200-600 МПа и б-> 2%. Также 1ыла получена зависимость между микротвердостью и шириной полувысоты «фракционного профиля (В):

Нц = 2800В - 1200 . (29)

При внешних воздействиях в элементах модулей образуются напряже-[ия и деформации, приводящие к образованию микротрещин. При длитель-гом или циклическом воздействии эти микротрещины растут, сливаются и |бразуют трещину. Когда трещина в проводнике, растущая от поверхности в лубину слоя, достигнет величины, при которой толщина проводника ■меньшится до критической (толщиноломкость), произойдет разрушение лемента, т.е. отказ модуля. В процессе роста трещины локальное сечение [роводника уменьшается, а его электросопротивление возрастает. По пред-оженной номограмме можно, измерив текущее электросопротивление про-одника, определить изменение его толщины, а следовательно, и запаса [рочности. Тогда средняя наработка на отказ элемента модуля составит:

Тср = (h - h')/ v = (h - h')/ v0 exp[-(U0 - уст,) kT] , (30)

где v - скорость развития трещины, U0 - энергия процесса зарождения и роста микротрещин, ал - локальные напряжения у трещины, у - коэффициент перенапряжения в пластической зоне. Изменение вероятности безотказной работы составит:

P(t) = PD(t) exp[-b(l-IVR)], (31)

где Ro, R - начальное и текущее электросопротивления проводника,

b - коэффициент, зависящий от структуры и типа материала. На основе данных методов разработан алгоритм функционирования ав-оматизированной системы контроля конструктивно-технологических пара-[етров печатных элементов модулей электронной аппаратуры при их изго-овлении, техническом обслуживании и ремонте.

Одним из важнейших способов повышения надежности при изготовле-ии аппаратуры управления и ее узлов, особенно сложных и эксплуатируемое в жестких условиях горной промышленности, является проведение все-торонних испытаний как на стадии отработки опытного образца, так и в роцессе серийного изготовления изделий. Прямые испытания электронной ппаратуры неэффективны по многим причинам. Комплексный подход к ценке надежности ЭАУ, совмещающий вероятностный, статистический одход с проникновением в физическую сущность процессов, позволяет про-

водить ускоренные испытания и на основе данных о протекающих физико-химических процессах разрабатывать имитационные модели надежности. "

Для определения соотношения особенностей эксплуатации ЭАУ в горной промышленности с условиями испытаний предложен коэффициент ускорения (ку), показывающий, во сколько раз время испытаний (при условиях испытаний) уменьшается по сравнению со временем эксплуатации аппаратуры. Коэффициент ускорения определяется из соотношения

Ы? \УИ

- и (32)

к = у ЫУ

е ууэ

где N} и N" - число циклов до разрушения в условиях эксплуатации и испытаний соответственно,

и Wи - удельная работа деформации, необходимая для разрушения элемента в условиях эксплуатации и испытаний соответственно и определяемая из модели рабочего состояния.

На основании предложенных методик было проведено математическое и физическое моделирование влияния условий и времени эксплуатации на надежность узлов электронной аппаратуры. На основе композиции двух распределений Вейбулла методом статистического моделирования алгоритмическим генерированием на ЭВМ псевдослучайных чисел были разработаны имитационные модели надежности печатных плат, изготовленных по различным технологиям, серийно выпускаемой аппаратуры автоматизации водоотливов УАВ, аппаратуры автоматизации вентиляторных установок УКАВ-2, а также разработанной на кафедре АПП УПТА профессором Носыревым М.Б. и доцентом Карякиным А.Л. аппаратуры учета и контроля показателей работы шагающего экскаватора ЭШ 20.90. Композиционный закон распределения позволяет адекватно описывать все время эксплуатации изделий: от периода приработки до старения аппаратуры (рисунок 5).

Рисунок 5 - Показатели надежности системы учета и контроля показателей работы экскаватора-драглайна ЭЩ 20.90, изготовленной на основе субтрактивных (1) и аддитивных (2) плат

Анализ моделей позволяет выявить влияние конструктивно-технологических параметров, внешних воздействий и определить показатели надежности. Из полученных результатов следует, что наиболее существенное влияние на напряженное состояние МСО оказывает толщина проводника и диэлектрической основы. Поскольку увеличение толщины проводника технологически и экономически невыгодно, то уменьшение напряжений и деформаций в МСО, т.е. повышения надежности узлов аппаратуры, можно достигать за счет применения диэлектрических оснований малой толщины (меньше 1,5 мм) с возможно более низким коэффициентом термического расширения. Весьма перспективными материалами в этом качестве для аппаратуры управления в горной промышленности являются полиимид, керамика и металлические сплавы. Следует также отметить, что расположение плоских печатных проводников вблизи МСО, уменьшение шага размещения отверстий на плате и соотношения высота/диаметр МСО сдерживает развитие деформаций и расширение диэлектрической основы, повышает стабильность и надежность модулей и устройств аппаратуры. Изменение конструкции слабого звена (исключение биметаллических проводников) также обуславливает большую устойчивость модулей к воздействиям вибраций, колебаниям тепловых и электромеханических нагрузок при эксплуатации горнотехнологического оборудования. Это проявилось в том, что при прочих равных условиях такие показатели надежности, как интенсивность и частота отказов, были в 2-4 раза ниже, а гамма-процентный срок службы выше у электронной аппаратуры и средств автоматизации, изготовленных на основе аддитивных печатных плат. Это подтвердилось при испытаниях щековых дробилок СМД117, приборов контроля температуры подшипников дробилок КСМ на АООТ "Уралнеруд" и ЗАО "Корпорация Европа", аппаратуры автоматизации главных водоотливов шахт и вентиляторных установок на ОАО "СУБР", а также при математическом моделировании условий работы системы учета и контроля шагающего экскаватора ЭШ 20.90. Внедрение методик и систем контроля позволило увеличить межремонтный период работы электронной аппаратуры управления, в результате чего получен экономический эффект в размере 1.161. ООО руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе теоретического обобщения известных и разработки' новых научных положений, базирующихся на комплексном учете факторов и закономерностей, определяющих надежность аппаратуры управления в горной промышленности, решена важная научно-техническая проблема разработки методов оценки, моделирования и контроля заданных свойств элементов электронной аппаратуры при ее эксплуатации, ремонте, транспортировании и хранении. Разработан комплекс конст-

руктивно-технологических решений, обеспечивающих повышение надежности как действующего, так и проектируемого горно-технологического оборудования, а также создан задел для развития аддитивной технологии в Российской Федерации. Данные решения можно распространить также на электронную аппаратуру управления процессами и аппаратами в других отраслях промышленности.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные выводы, результаты и рекомендации:

1. Показано, что в связи с уникальной особенностью горной промышленности (высокой "консервативностью" горно-технологических процессов) невозможно полностью изменить технологию горного производства, и, следовательно, нет необходимости в существенном изменении функций аппаратуры управления. В настоящих экономических условиях покупка новой аппаратуры является весьма дорогостоящим мероприятием и не всегда под силу горному предприятию. Поэтому повышение надежности и снижение энергоемкости действующей АСУ ТП возможно в основном за счет ремонта и модернизации электронной аппаратуры управления в рамках применяемой технологии добычи полезных ископаемых.

2. Установлены особенности эксплуатации и ремонта аппаратуры управления в горной промышленности. На основе анализа условий работы и типов отказов активных, пассивных и коммуникационных элементов средств и устройств автоматизации наземных и подземных горных машин, технологического и производственного оборудования выявлены виды отказов, специфические для электронной техники, и слабое звено аппаратуры.

3. Разработаны модели предельного состояния элементов электронной аппаратуры. Качественная модель объясняет закономерности изменения их физического состояния, а статическая и динамическая позволяют учесть конструктивно-технологические параметры модулей, используемые материалы и изменение их свойств в процессе монтажа, ремонта, эксплуатации или испытаний оборудования. Установлено месторасположение опасного сечения печатных элементов. Сравнение данных расчетов, лабораторных и промышленных испытаний показывает достаточно хорошую сходимость результатов (при доверительной вероятности 0,95 дисперсия составляет б2 = 7,43 10"3 %2).

4. Разработана модель рабочего состояния модулей, учитывающая влияние различных внешних воздействий, их характер и длительность, а также конструктивно-технологические параметры печатных плат на надежность электронной аппаратуры за время эксплуатации, транспортирования и хранения горно-технологического оборудования.

5. Проведено физико-химическое обоснование конструктивно-технологических параметров печатных плат электронной аппаратуры на основе изучения структуры и физико-механических свойств химически осажденного металла - печатных элементов. Разработана методика определения

граничных значений конструктивно-технологических параметров элементов и запаса прочности слабого звена. В качестве критерия по выбору параметров плат для аппаратуры управления предложен показатель годности.

6. Установлено, что особенностями структуры являются ультрамелкое зерно, высокая плотность двойников и дислокаций, а также значительные величины микронапряжений и микродеформаций. Определены значения энергии активации возврата (70±5 кДж/моль) и рекристаллизации (25±5 кДж/моль), и показано, что их малые значения обусловлены особенностями структуры. Предложена модель структуры, связывающая особенности кристаллического строения и физико-механические свойства элементов с конструктивно-технологическими параметрами печатных плат и устройств.

7. Исследованы физико-химические закономерности появления отказов, деформации и разрушения элементов электронной аппаратуры при различных внешних воздействиях, с учетом особенностей эксплуатации горнотехнологического оборудования. Установлено, что разрушение (отказ) элементов протекает по вязкому или хрупкому механизму, в зависимости от их <онструктивно-технологических параметров и внешних воздействий. Пред-чожен критерий смены механизма деформации - параметр толщиноломкость.

8. Установлены закономерности влияния высоких и низких температур, длительного хранения, циклической нагрузки и запыленности атмосферы на конструктивно-технологические параметры модулей. Показано, что совместное использование соотношения Мэнсона-Коффина и показателя годности тозволяет определять долговечность аппаратуры при разнообразных внешних воздействиях по результатам предварительных испытаний. Разработана методика, определяющая соотношения особенностей эксплуатации элек-гронной аппаратуры в горной промышленности с условиями испытаний мо-хулей и устройств, на основе зависимостей, отражающих физико-химические (акономерности появления отказов. (При доверительной вероятности 0,95 зазличия между значениями результатов экспериментов и расчетов не явля-отся значимыми при дисперсиях =108,32 МПа2 и =6,61 10'3%2).

9. Получены аналитические модели, связывающие основные показате-ш надежности элементов электронной аппаратуры с физико-химическими ¡акономерностями появления отказов при эксплуатации, транспортировании I хранении оборудования в различных климатических зонах, с величиной и сарактером внешних воздействий, а также с процессами, протекающими при том в материалах, элементах и устройствах и изменяющих их свойства и па->аметры.

10. Разработаны модели, имитирующие функциональные характери-:тики печатных плат, изготовленных по различным технологиям серийно спускаемой аппаратуры автоматизации водоотливов УАВ и автоматизации ¡ентиляторных установок УКАВ-2, а также аппаратуры учета и контроля подателей работы экскаватора-драглайна ЭШ 20.90, основанные на компози-

ции двух законов Вейбулла и позволяющие адекватно описать состояние аппаратуры управления на всех этапах жизненного цикла оборудования, включая периоды приработки и старения.

11. Разработаны способы, методики и алгоритм функционирования автоматизированной системы неразрушающего контроля конструктивно-технологических параметров элементов модулей электронной аппаратуры при ее изготовлении, техническом обслуживании, ремонте, хранении и испытаниях. Методики позволяют определить предельное состояние элементов, оценить их запас прочности и повысить надежность оборудования в целом за счет временного резервирования.

12. Исследованы технологические возможности и предложены рекомендации по повышению надежности действующей и проектируемой аппаратуры управления. Показано, что применение аддитивной технологии позволяет повысить надежность аппаратуры управления вследствие уменьшения частоты и интенсивности отказов в 2-4 раза и повышения гамма-процентного срока службы оборудования в целом как при выпуске новых, так и при ремонте или модернизации узлов действующей аппаратуры управления, работающей в сложных условиях горной промышленности, а также устранить экологически вредные технологические операции.

13. Установлено, что толщину аддитивных проводников можнс уменьшить от 35 до 25-20 мкм, что позволяет сократить время изготовления печатных плат и уменьшить их стоимость на 20-30% , при значительной экономии цветных металлов, по сравнению с выпускаемыми по традиционной технологии, что в свою очередь вызывает снижение стоимости электронной аппаратуры в целом, при тех же характеристиках надежности.

14. Показано, что учет моделей рабочего и предельного состояний элементов позволяет обоснованно выбирать конструктивно-технологические параметры электронной аппаратуры для определенных условий эксплуатации: блоки АСУ предприятия или система управления горной машиной, наземное или подземное оборудование. Данные модели могут быть применень и для описания поведения других элементов электронной аппаратуры у средств автоматизации при различных внешних воздействиях.

15. Результаты работы использованы при ремонте, модернизации, наладке и эксплуатации аппаратуры управления щековых дробилок СМД-117 приборов контроля температуры подшипников дробилок типа КСМ, метал-лоискателей ЭМИ-6 на АООТ "Уралнеруд"; аппаратуры автоматизации главных водоотливов шахт и вентиляторных установок на ОАО "СУБР"; электронного комплекса контроля и регулирования температуры и влажносп "Иней", комплекса средств автоматического контроля холодильных маш® КСА и комплекса регистрации и регулирования технологических процессо! на комбинате "Горный"; на участке добычи и переработки алюминий содержащих шлаков ЗАО "Корпорация Европа"; при оптимизации техноло

гического процесса получения медной фольги для изготовления печатных плат на комбинате АО "Уралэлектромедь" и в институте УНИПРОМЕДЬ. Методики измерения, расчетов и контроля переданы Омскому электромеханическому заводу, Воронежскому объединению "Электросигнал", Уманско-му заводу "Мегомметр", Кировскому машиностроительному заводу, предприятиям п/я B-2588, п/я Р-6118, п/я Р-6704. Научные, методические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс УТТГА.

Основные положения и результаты исследований содержатся в следующих работах:

1. Хазин М.Л. Метод керазрушающего контроля проводников печатных плат и гибридных микросхем // Приборы и системы управления.-1996.-X2 3.-C. 44-45.

2. Хазин М.Л. Эксплуатационная надежность и конструктивное исполнение узлов аппаратуры управления технологическими процессами // Изв. вузов. Горный журнал.- 1997.-№ 7-8.-С. 146-149.

3. Хазин М.Л. Технологические возможности повышения эксплуатационной надежности аппаратуры управления технологическими процессами в горной промышленности // Изв.вузов. Горный журнал.-1997.-№ 9-10.-С.159-163.

4. Хазин М.Л. Эксплуатационная надежность и старение аппаратуры управления технологическими процессами //Изв. вузов. Горный журнал-1998.-№ 1-2.-С. 156-158.

5. Хазин М.Л. Зависимость структуры и прочностных свойств медной фольги от условий электролиза // Журнал прикладной химии.- 1987,- т. 59.-№ 11.-С. 57-61.

6. Хазин М.Л. Измерение пластичности металлических покрытий печатных плат // Обмен производственно-техническим опытом.- 1987.-№ 11.-С. 53-54.

7. Хазин М.Л. Структура и шероховатость поверхности покрытий меди. Деп.рук. // БУ ВИНИТИ, 1990.-№ 9.

8. Хазин М.Л. Морфлогия поверхности и микроструктура медной фольги. Деп.рук. // БУ ВИНИТИ, 1990.-№ 9.

9. Хазин М.Л. Структура и свойства осадков меди // Электрохимия.-1992.-т. ХХУШ.-№ 5.-С. 812-815.

10. Хазин М.Л. Структура и морфология поверхности медной фольги // Журнал прикладной химии.- 1995.-t.68.-jY2 5.-С 751-754.

11. Хазин М.Л. Влияние температуры на механические свойства медной фольги // Цветные металлы.-1996.-№ 7.-С. 62-63. ■

12. Хазин М.Л., Горбунов A.B. Физико-механические свойства тонких пленок внутрисхемных соединений // Системы и устройства радиотехники, автоматики и автоматизированного проектирования. Респ. научно-техн. конф. :Сб.тез.докл.Респ.конф., Свердловск: Изд. УПИ, 1982.-С. 137.

13. Китаев Г.А., Маркова В.М., Хазин М.Л., Жуков В..Н. Измерен! износоустойчивости тонких халькогенидных пленок // Электронная техник Сер. 2,- 1981.-№ 5.-С. 75-76.

14. Кононов Ю.А., Китаев Г.А., Хазин М.Л. Раствор ТХМ для фот! аддитивной технологии изготовления двусторонних и многослойных печа ных плат // Новые методы технологии изготовления печатных плат: Мат риалы Всесоюз.семинара. -М.: ЦНИИТЭИ, 1982.-С.8-16.

15. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Электросопротивление пленок мед: Деп. в ВИНИТИ 26.11.82 № 5884-82. 6 с.

16. Китаев Г.А., Брунов В.Т., Сосницкий В.Н., Хазин М.Л., Кононс Ю.А. Методика определения физико-механических свойств медного покрь тия в технологии изготовления печатных плат // Новые технологические пр| цессы в технологии изготовления печатных плат: Материалы Всес( юз.семинара,- М.: ЦНИИТЭИ, 1983.-С.76-85.

17. Китаев Г.А., Хазин М.Л. Аддитивная технология изготовлен!-печатных плат. Деп. в НИЦ "Информпечать".-1983.10.-Ф.Н.-112.

18. Хазин М.Л., Китаев Г.А., Чуракова З.С. Зависимость физичеси-свойств химически осажденной меди от состава электролита // Актуальнь вопросы электрохимической технологии и защиты металлов: Сб.тез.док Урал.конф. Свердловск: Изд.УПИ, 1983.-С. 36.

19. Хазин М.Л., Китаев Г.А., Чуракова З.С. Структура и физик« механические свойства химически осажденной меди // Производствен» технический бюллетень п/я А-1668, 1982.-№ 11.-С. 33-34.

20. Хазин М.Л., Китаев Г.А., Смирнов Б.Н. Физико-механическ* свойства медной фольги, полученной химическим способом // Цветные м< таллы.- 1983.-№ 3.- С. 69-70.

21. Хазин М.Л., Китаев Г.А., Чуракова З.С. Физико-механическр свойства покрытий печатных плат // Электронная техника. Сер.6.- 1983 № 10.-С. 21-23.

22. Хазин М.Л., Китаев Г.А., Чуракова З.С. Расчет металлизирова! ного отверстия // Электронная техника.Сер.7.- 1984.-№ 6.-С. 32-37.

23. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Влияние условий осаждения на физич< ские свойства и структуру химически осажденной меди // Журнал прикла; ной химии,- 1984.-т.57.-№ 9.-С. 2128-2130.

24. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Определение электросопротивления м< таллизированного отверстия // Обмен опытом в радиопромышленности 1984.-№ 8.-С.44-45.

25. Китаев Г.А., Хазин М.Л. Зависимость физических свойств хим! чески осажденной меди от состава электролита // Электрохимия, 1985.-' XXI.-№ З.-С. 373-374.

26. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Метод неразрушающего контроля п( чатных плат // Обмен опытом в радиопромышленности,- 1984.-№ 2.-С. 42-43

27. Хазин M.JI., Китаев Г.А. Физические свойства пленок меди // Электронная .техника. Сер.6.- 1985.-№ 6.-С. 8-11.

28. Хазин М.Л., Смирнов Б.Н., Китаев Г.А. Влияние размера зерна и деформации на напряжение течения медной фольги // Цветные металлы,-1985.-№ 1.-С. 84-85.

29. Смирнов Б.Н., Хазин М.Л. Покрытия печатных плат // Электронная техника. Сер.б,- 1985.-№ 10.-С 53-55.

30. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Структура и свойства тонких слоев меди // гальванотехника в промышленности: Материалы Всесоюз. семинара.-М.: МДНТП, 1985.-С. 108-111.

31. Хазин М.Л., Егоров И. А. Исследования напряженно-деформированного состояния в металлизированных отверстиях печатных плат // Электронная техника. Сер.7.- 1987.-№ 6.-С. 28-32.

32. Хазин М.Л., Егоров И.А. Исследование термических напряжений в тонких пластинах (печатных платах) в зависимости от их конструктивных параметров // Исследования пространственных конструкций: Межвуз.сб. -Свердловск: Изд. УПИ, 1987.-№ 7.-С. 70-75.

33. Егоров И.А., Хазин М.Л. Экспериментальное исследование термических деформаций в тонких пластинах (печатных платах) // Исследования пространственных конструкций: Межвуз.сб. - Свердловск: Изд. УПИ, 1991,-№8.-С. 80-83.

34. Смирнов Б.Н., Хазин М.Л. Влияние термообработки на механические свойства и структуру медной фольги // Цветные металлы.- 1991.-№ 1.-

35. Хазин М.Л. Обоснование и выбор конструктивно-технологически х параметров элементов электронной аппаратуры управления // Изв. вузов. Горный журнал,- 2000.-№ 4.-С. 126-128.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве: [12,13-16] - разработка аппаратуры и методики исследования, проведение экспериментов; [17] - обоснование технологических возможностей повышения надежности электронной аппаратуры; [19-21, 25,28-30,34] - разработка методики исследований, анализ результатов, разработка физических механизмов отказов (разрушения и деформации) элементов; [22,31-33] - разработка методики исследования, модели слабого звена аппаратуры (проводника), проведение экспериментов и анализ результатов; [14,16,18-23,27] -разработка методики эксперимента, выявление корреляционных зависимостей между условиями технологии и свойствами модулей, оптимизация технологии изготовления, анализ результатов; [24,26]- разработка методик не-разрушающего контроля и диагностики, проведение эксперимента, анализ результатов.

С. 54-55.

Введение .• • • •.

1 Электронная аппаратура управления в горной промышленности.

1.1 Автоматизация технологических процессов в горной промышленности.

1.2 Конструктивное исполнение аппаратуры управления.

1.3 Технологии изготовления печатных плат для электронной аппаратуры

1.4 Конструктивно-технологические параметры элементов электронной аппаратуры.

1.5 Анализ общего состояния аппаратуры управления в горной промышленности.

Задачи исследования.

2 Особенности эксплуатации и ремонта электронной аппаратуры в горной промышленности.

2.1 Особенности технологических процессов в горной промышленности.

2.2 Особенности эксплуатации электронной аппаратуры управления

2.3 Специфика ремонта электронной аппаратуры управления.

2.4 Анализ отказов аппаратуры управления.

2.5 Надежность электронной аппаратуры управления в горной промышленности

Выводы.

3 Моделирование предельного состояния элементов электронной аппаратуры.

3.1 Существующие модели предельного состояния элементов.

3.2 Закономерности изменения состояния элементов.

3.3 Математическое описание предельного состояния элементов.

3.4 Расчет напряженно-деформированного состояния элементов в процессе монтажа, ремонта и испытаний электронной аппаратуры

3.5 Экспериментальная проверка моделей.

Выводы.

4 Выбор конструктивно-технологических параметров электронной аппаратуры.

4.1 Моделирование состояния модулей с учетом условий эксплуатации аппаратуры.

4.2 Выбор конструктивно-технологических параметров элементов модулей

4.3 Требования к материалам для изготовления печатных плат в горной промышленности

4.4 Методика расчета граничных значений конструктивно-технологических параметров элементов аппаратуры управления

Выводы.

5 Исследование технологических возможностей повышения надежности электронной аппаратуры.

5.1 Оценка технологических способов повышения надежности электронной аппаратуры

5.2 Выбор технологических процессов изготовления печатных плат для электронной аппаратуры.

5.3 Исследование технологических параметров процесса изготовления печатных плат для электронной аппаратуры

5.4 Влияние технологических параметров на надежность аппаратуры систем управления

5.5 Влияние технологии изготовления на электрофизические свойства печатных элементов.

5.6 Надежность и конструктивно-технологические параметры печатных элементов электронной аппаратуры

Выводы

6 Обоснование конструктивно-технологических параметров элементов электронной аппаратуры.

6.1 Методика исследования.

6.2 Зарождение и образование сплошных слоев металла - печатных элементов

6.3 Микроструктура и текстура элементов

6.4 Морфология поверхности элементов

6.5 Модель структуры элементов.

6.6 Взаимосвязь структуры элементов и конструктивно-технологических параметров модулей.

Выводы

7 Физические закономерности отказов элементов электронной аппаратуры управления в горной промышленности.

7.1 Методика исследования.

7.2 Влияние механических воздействий.

7.3 Влияние запыленности атмосферы.

7.4 Влияние тепловых воздействий.

7.5 Изменение параметров элементов в процессе старения.:.

7.6. Физические механизмы отказов элементов электронной аппаратуры

7.7 Влияние длительной циклической нагрузки.

Выводы.

8 Имитационные модели надежности и сервисное обслуживание аппаратуры управления в горной промышленности.

8.1 Методические аспекты контроля качества элементов и надежность аппаратуры управления.

8.2 Влияние масштабного эффекта на контроль качества элементов аппаратуры управления.

8.3 Обоснование и выбор методов разрушающего контроля.

8.4 Разработка алгоритма работы автоматизированной системы неразрушающего контроля

8.5 Организация диагностирования, сервисного обслуживания и ремонта электронной аппаратуры управления.

8.6 Имитационные модели надежности электронной аппаратуры.

Выводы

Актуальность темы. Совершенствование горно-технологических процессов и внедрение новых, более эффективных технологий невозможно без использования систем автоматического управления и обработки информации. Аппаратура систем управления технологическими и производственными процессами, транспортными и горными машинами представляет собой особый, современный класс оборудования на базе вычислительной техники, который в техническом отношении представляет собой электронный модуль или набор модулей различной сложности, как, например, компьютер, бортовая система управления горной машиной или блоки АСУ предприятия.

Ввиду того, что выход из строя модуля ведет к отказу блока или части системы управления, особое значение приобретает повышение надежности электронной аппаратуры и ее устройств. Особенно это относится к технологическим процессам в безлюдных выемках, горно-шахтному оборудованию повышенной опасности, агрегатам большой единичной мощности и т.п., среди которых доля оборудования с выработанным ресурсом составляет до 40-60 %. Вследствие этого физический износ аппаратуры управления, защиты и сигнализации является основной причиной аварийных остановок оборудования и развития аварийных ситуаций. Отказы оборудования являются событиями случайными по моменту и месту возникновения, но имеют вполне определенные причины, которые вызваны либо экстремальным сочетанием воздействий окружающей среды и сложными условиями эксплуатации в горной промышленности, либо заложены в самих элементах и устройствах, вследствие разброса неконтролируемых параметров технологического процесса их изготовления.

Основу любой электронной аппаратуры составляют печатные платы и узлы, из которых затем собирают модули, блоки и устройства. Существует много различных методов изготовления печатных плат. Традиционная субтрактивная технология имеет принципиальные ограничения, не позволяющие улучшить технические характеристики изделий и приводящие к понижению механической и термической стойкости плат на 20-30 %, что уменьшает надежность электронной аппаратуры, особенности эксплуатации, которой в горной промышленности связаны со значительными колебаниями тепловых и электромеханических нагрузок. Наиболее современной является аддитивная технология, однако в Российской Федерации этот метод пока не вышел за пределы отдельных опытных производств.

Для длительной и безотказной работы аппаратуры систем управления необходимы качественные материалы, элементы и устройства. В качестве элементной базы применяются высоконадежные изделия микроэлектроники, поэтому надежность как новой, так и действующей аппаратуры в целом будет определяться свойствами так называемого с точки зрения надежностных характеристик слабого звена. Физико-химические процессы, протекающие в материалах, элементах и устройствах и приводящие к отказам за время хранения, транспортирования или эксплуатации горно-технологического оборудования очень сложны, природа их изучена недостаточно. Также практически не исследованы структура и физические свойства химически осажденного металла, определяющего конструктивно-технологические параметры печатных плат и модулей. В связи с этим, при проектировании и изготовлении, эксплуатации и ремонте модулей и узлов аппаратуры управления возникает немало трудностей, связанных с особенностями технологических процессов в горной промышленности, условиями работы оборудования, различными климатическими условиями и требованиями, предъявляемыми к аппаратуре. Поэтому более надежную и компактную аппаратуру, изготовленную на основе аддитивной технологии, необходимо приобретать исключительно за рубежом.

Привлечение в данной работе зависимостей, объединяющих конструктивно-технологические параметры модулей и устройств, модели слабого звена и развитие критериев оптимальности на основе фундаментальных физических закономерностей, позволяет конкретизировать и обобщить направление повышения надежности электронной аппаратуры управления,- ^учитывающее особенности ее эксплуатации в горной промышленйОсти, совершенствовать методики расчетов, проектирования и инженерных оценок технических решений.

Связь темы диссертации с государственными программами.

Данная работа выполнена в соответствии с постановлениями ГКНТ и Госплана СССР от 21.10.85 № 593/228 и ГКНТ от 30.08.85 № 355, в соответствии с научно-технической программой 01.05.03 "Разработка теоретических основ построения и проектирования многоуровневых интегрированных систем, включающих сложные управляющие и вычислительные комплексы, роботы и робототехнические системы, автоматизированные рабочие места и другие средства информатики", в рамках комплексной научно-технической программы "Надежность конструкций" (приказ № 659 от 13.11.81 Минвуза РСФСР), программой ГКНТ по проблеме 0.09.05-МП-Фольга, в рамках г/б темы "Развитие теории прогноза технического состояния и надежности сложных механических систем горного оборудованйя", ^Тв^ж^н-ной на 1999-2001 гг. в соответствии с тематическим планом Министерства образования (раздел 06.02 "Наука"; № гос.рег.01990010840).

Объект исследования. Аппаратура управления в горной промышленности и ее узлы, техническую основу которых составляют электронные модули и блоки различной сложности, в т.ч. и функционально законченные устройства типа компьютера или бортовой системы управления.

Цель работы. Научное обоснование рациональных конструктивно-технологических параметров электронных блоков, устройств и модулей, обеспечивающих в сложных условиях горной промышленности повышение надежности аппаратуры управления в целом.

Идея работы. Заключается в использовании комплексного подхода к исследованиям надежности технических объектов и состоящего в выявлении слабых звеньев и изучении процессов их изменения до предельного состояния, отражающих закономерности появления отказов и учитывающих особенности эксплуатации горнотехнологического оборудования.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и численные методы исследования, математическое и физическое моделирование, лабораторные и промышленные испытания, а также классические и современные методы исследования свойств и структуры материалов.

Научные положения, выносимые на защиту.

Установленные закономерности изменения параметров электронных устройств и физического состояния элементов, обусловленные особенностями горно-технологических условий и режимов эксплуатации оборудования и позволяющие разработать модель рабочего состояния модулей.

Использование квазистатического режима расчета напряженно-деформированного состояния слабого звена электронной аппаратуры, соответствующего процессам монтажа, ремонта и предельным режимам эксплуатации наземного и подземного оборудования.

Закономерности появления отказов электронной аппаратуры управления в горной промышленности, деформационные и физико-химические процессы, протекающие в устройствах, элементах и материалах вследствие различных внешних воздействий, носящих случайный характер, за время эксплуатации, транспортирования, ремонта и хранения горно-технологического оборудования.

Научно обоснованные критерии и положения, связывающие конструктивно-технологические параметры электронных модулей с особенностями эксплуатации (включая предельные режимы) и ремонта, условиями транспортирования, хранения и испытаний аппаратуры управления в горной промышленности.

Научная новизна.

Установленные закономерности изменения параметров электронных устройств и физического состояния элементов, обусловленные особенностями горно-технологических условий и режимов эксплуатации оборудования, и позволяющие разработать модель рабочего состояния модулей.

Использование квазистатического режима расчета напряженно-деформированного состояния слабого звена электронной аппаратуры, соответствующего процессам монтажа, ремонта и предельным режимам эксплуатации наземного и подземного оборудования.

Получены аналитические выражения, связывающие основные показатели надежности элементов электронной аппаратуры с закономерностями изменения их структуры и физико-химического состояния при процессах, протекающих в материалах и устройствах от различных воздействий, и изменяющих эти свойства и параметры за время эксплуатации, хранения, транспортирования, ремонта и испытаний оборудования в сложных условиях горной промышленности.

Проведено обоснование конструктивно-технологических параметров элементов аппаратуры управления на основе комплексного исследования физико-механических свойств и структуры химически осажденных сплавов. Определены стадии деформации, установлены "структурный" эффект толщины, аномальный характер изменения удельного электросопротивления элементов при механических воздействиях, а также применимость уравнения Петча-Холла для области ультрамелкозернистых материалов.

Исследованы физико-химические закономерности появления отказов (разрушения) слабых звеньев электронной аппаратуры управления за время ее эксплуатации, транспортирования, ремонта и хранения в широком диапазоне электромеханических и тепловых воздействий, характерных для открытых и подземных горных работ.

Предложены критерии смены механизма деформации (толщи-ноломкость) и наступления предельного состояния элементов, показатель годности и метод определения граничных значений конструктивно-технологических параметров модулей, учитывающий особенности эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности.

Разработана методика, определяющая соотношения особенностей эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности с условиями испытаний модулей и устройств, имеющих различные конструктивно-технологические параметры.

Предложен и обоснован комплекс научно-технических решений по созданию задела для развития аддитивной технологии изготовления печатных плат в Российской Федерации.

Практическая ценность.

Разработана методика, позволяющая выявить месторасположение опасного сечения слабого звена модулей электронной аппаратуры и связывающая условия отказа элемента с конструктивно-технологическими параметрами плат и различными воздействиями в процессе эксплуатации, хранения, транспортирования, ремонта и испытаний горно-технологического оборудования.

Установлено, что толщину печатных проводников электронной аппаратуры можно уменьшить от 35 до 25-20 мкм, что позволит сократить время технологического процесса изготовления плат и снизить их стоимость на 20-30 % при значительной экономии цветных металлов, что в свою очередь обуславливает снижение стоимости аппаратуры в целом при тех же характеристиках надежности.

Разработаны модели, имитирующие функциональные характеристики печатных плат, изготовленных по различным технологиям, серийно выпускаемой аппаратуры автоматизации водоотливов УАВ и автоматизации вентиляторных установок УКАВ-2, а также аппаратуры учета и контроля показателей работы экскаватора-драглайна ЭШ 20.90, основанные на композиции двух законов Вейбулла и позволяющие адекватно описать состояние аппаратуры управления на всех этапах жизненного цикла оборудования.

Показано, что применение аддитивной технологии изготовления печатных плат позволяет исключить сложную биметаллическую конструкцию проводников в опасном сечении, повысить надежность систем управления за счет структурного и функционального резервирования и устранить экологически вредные технологические операции.

Установлена корреляция между физико-механическими свойствами, структурой элементов и конструктивно-технологическими параметрами печатных плат, на основе чего проведена оптимизация технологии изготовления фольги для печатных элементов электронной аппаратуры.

Разработаны способы, соответствующие методики и оборудование, а также алгоритм функционирования автоматизированной системы неразрушающего контроля конструктивно-технологических параметров элементов модулей и устройств электронной аппаратуры при их изготовлении, эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте и проведении испытаний.

Показано математическим и физическим моделированием, подтверждено лабораторными и промышленными испытаниями, что учет выводов и рекомендаций, полученных в работе, позволяет повысить надежность электронной аппаратуры управления в горной промышленности за счет уменьшения частоты и интенсивности отказов слабого звена в 2-4 раза и повышения гамма-процентного срока службы оборудования в целом.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований свойств и структуры материалов и элементов, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа, математического и физического моделирования с экспериментальными данными и промышленными испытаниями, а также статистической обработкой результатов экспериментальных и теоретических исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12 % с доверительной вероятностью 0,95.

Реализация выводов и рекомендаций.

Основные научные положения работы, в т.ч. модель рабочего состояния модулей, с учетом условий эксплуатации и влияния различных внешних воздействий, модели предельного состояния слабого звена, соответствующие процессам монтажа, ремонта и экстремальным условиям эксплуатации, обоснование граничных значений конструктивно-технологических параметров элементов модулей, нашли свое применение при ремонте, модернизации, наладке и эксплуатации аппаратуры управления щековых дробилок СМД-117, приборов контроля температуры подшипников дробилок типа КСМ, металлоискателей ЭМИ-6 на АООТ "Уралнеруд"; аппаратуры автоматизации главных водоотливов шахт и вентиляторных установок на ОАО "СУБР"; электронного комплекса контроля и регулирования температуры и влажности "Иней", комплекса средств автоматического контроля холодильных машин КСА, комплекса регистрации и регулирования технологических процессов на комбинате "Горный"; на участке добычи и переработки алюминий-содержащих шлаков ЗАО "Корпорация Европа". Результаты исследования структуры и физических свойств материалов использованы при разработке технологического процесса получения медной фольги для изготовления печатных плат на комбинате АО "Уралэлектромедь" и в институте УНИПРОМЕДЬ. Методики измерения, расчетов и контроля переданы Воронежскому объединению "Электросигнал", Омскому электромеханическому заводу, Уманскому заводу "Мегомметр", Кировскому машиностроительному заводу, предприятиям п/я В-2588, п/я Р-6118, п/я Р-6704. Научные, методические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс УГГГА в дисциплинах "Надежность и диагностика систем управления", "Надежность систем автоматизации", "Надежность и неразрушающие методы контроля".

Экономический эффект от внедрения указанных научнотехнических разработок по уровню цен на 1998 г. составляет 1161 тыс.руб.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IV Республиканской конференции молодых ученых (Таллин, 1981), Республиканской научно-технической конференции "Системы и устройства радиотехники, автоматики и автоматизированного проектирования" (Свердловск, 1982), Всесоюзном семинаре "Новые методы технологии изготовления печатных плат" (Москва, 1982), Зональном семинаре "Прогрессивные методы гальванических покрытий деталей машин" (Курган, 1983), семинаре "Новые технологические процессы в технологии изготовления печатных плат" (Свердловск, 1983), Уральской конференции "Актуальные вопросы электрохимической технологии и защиты металлов" (Свердловск, 1983), II Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение" (Москва, 1983), Всесоюзном семинаре "Гальванотехника в промышленности" (Москва, 1985), VII Республиканской конференции "Химическая физика и физическая химия" (Таллин, 1987), X Юбилейной школе УрО РАН "Расчет и управление надежностью больших механических систем" (Ильмены, 1995), Международной конференции "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий" (Сочи, 1998), Уральской научно-практической конференции по метрологии (Екатеринбург, 1998).

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 35 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и приложения. Она содержит 273 страницы машинописного текста, 45 таблиц и 47 рисунков.

15. Результаты работы использованы при ремонте, модернизации, наладке и эксплуатации аппаратуры управления щековых дробилок СМД-117, приборов контроля температуры подшипников дробилок типа КСМ, металлоискателей ЭМИ-6 на АООТ "Уралнеруд"; аппаратуры автоматизации главных водоотливов шахт и вентиляторных установок ОАО "СУБР"; электронного комплекса контроля и регулирования температуры и влажности "Иней", комплекса средств автоматического контроля холодильных машин КСА и комплекса регистрации и регулирования технологических процессов на комбинате "Горный"; на участке добычи и переработки алюминий-содержащих шлаков ЗАО "Корпорация Европа"; при оптимизации технологического процесса получения медной фольги для изготовления печатных плат на комбинате АО "Уралэлектромедь" и институте УНИПРОМЕДЬ. Методики измерения, расчетов и контроля переданы Омскому электромеханическому заводу, Воронежскому объединению "Электросигнал", Уманскому заводу "Мегомметр", Кировскому машиностроительному заводу, предприятиям п/я В-2588, п/я Р-6118, п/я Р-6704. Научные, методические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс УГГГА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что в связи с уникальной особенностью горной промышленности (высокой "консервативностью" горнотехнологических процессов) невозможно полностью изменить технологию горного производства и, следовательно, нет необходимости в существенном изменении функций аппаратуры управления. В настоящих экономических условиях покупка новой аппаратуры является весьма дорогостоящим мероприятием и не всегда под силу горному предприятию. Поэтому повышение надежности и снижение энергоемкости действующей АСУ ТП возможно, в основном, за счет ремонта и модернизации аппаратуры управления в рамках применяемой технологии добычи полезных ископаемых.

2. Установлены особенности эксплуатации и ремонта аппаратуры управления в горной промышленности. На основе анализа условий работы и типов отказов активных, пассивных и коммуникационных элементов, средств и устройств автоматизации наземных и подземных горных машин, технологического и производственного оборудования выявлены виды отказов, специфические для электронной техники, и слабое звено аппаратуры.

3. Разработаны модели предельного состояния элементов электронной аппаратуры. Качественная модель объясняет закономерности изменения их физического состояния, а статическая и динамическая позволяют учесть конструктивно-технологические параметры модулей, используемые материалы и изменение их свойств, в процессе монтажа, ремонта, эксплуатации или испытаний оборудования. Установлено месторасположение опасного сечения печатных элементов плат. Сравнение данных расчетов, лабораторных и промышленных испытаний показывает достаточно хорошую сходимость результатов при доверительной вероятности 0,95 дисперсия составляет s2 = 7,43 10'3%2).

4. Разработана модель рабочего состояния модулей, учитывающая влияние различных внешних воздействий, их характер и длительность, а также конструктивно-технологические параметры печатных плат на надежность электронной аппаратуры за время эксплуатации, транспортирования и хранения горно-технологического оборудования.

5. Проведено физико-химическое обоснование конструктивно-технологических параметров печатных плат электронной аппаратуры на основе изучения структуры и физико-механических свойств химически осажденного металла - печатных элементов. Разработана методика определения граничных значений конструктивно-технологических параметров элементов и запаса прочности слабого звена. В качестве критерия по выбору параметров плат для аппаратуры управления предложен показатель годности.

6. Установлено, что особенностями структуры слабого звена являются ультрамелкое зерно, высокая плотность двойников и дислокаций, а также значительные величины микронапряжений и микродеформаций. Определены значения энергии активации возврата (70±5 кДж/моль) и рекристаллизации (25+5 кДж/моль) и показано, что их малые значения обусловлены особенностями структуры. Предложена модель структуры, связывающая особенности кристаллического строения и физико-механические свойства элементов с конструктивно-технологическими параметрами печатных плат и устройств.

7. Исследованы физико-химические закономерности появления отказов, деформации и разрушения элементов электронной аппаратуры при различных внешних воздействиях, с учетом особенностей эксплуатации горно-технологического оборудования. Установлено, что разрушение (отказ) элементов протекает по вязкому или хрупкому механизму, в зависимости от их конструктивно-технологических параметров и характера внешних воздействий. Предложен критерий смены механизма деформации - параметр толщиноломкость.

8. Установлены закономерности влияния высоких и низких температур, длительного хранения, циклической нагрузки и запыленности атмосферы на конструктивно-технологические параметры модулей. Показано, что совместное использование соотношения Мэнсо-на-Коффина и показателя годности позволяет определять долговечность аппаратуры при разнообразных внешних воздействиях по результатам предварительных испытаний. Разработана методика, определяющая соотношения особенностей эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности с условиями испытаний модулей и устройств, имеющих различные конструктивно-технологические параметры на основе зависимостей, отражающих физико-химические закономерности появления отказов. (При доверительной вероятности 0,95 различия между значениями результатов экспериментов и расчетов не являются значимыми при дисперсиях s2 =108,32 МПа2 и s2 =6,67 10'3 %2).

9. Получены аналитические модели, связывающие основные показатели надежности электронной аппаратуры с физико-химическими закономерностями появления отказов элементов и модулей при эксплуатации, транспортировании и хранении оборудования в различных климатических зонах, с величиной и характером внешних воздействий, а также с процессами, протекающими при этом в материалах, элементах и устройствах и изменяющих их свойства и параметры.

10. Разработаны имитационные модели надежности печатных плат, изготовленных по различным технологиям, серийно выпускаемой аппаратуры автоматизации водоотливов УАВ, аппаратуры автоматизации вентиляторных установок УКАВ-2, а также аппаратуры учета и контроля показателей работы шагающего экскаватора ЭШ 20.90, на основе композиции двух распределений Вейбулла, позволяющих адекватно описать весь период эксплуатации аппаратуры управления, включая периоды приработки и старения.

11. Разработаны способы, методики и алгоритм функционирования автоматизированной системы неразрушающего контроля конструктивно-технологических параметров элементов электронной аппаратуры при ее изготовлении, техническом обслуживании, ремонте, хранении и испытаниях. Методики позволяют определить предельное состояние элементов, оценить их запас прочности и повысить надежность оборудования в целом, за счет временного резервирования.

12. Исследованы технологические возможности и предложены рекомендации по повышению надежности действующей и проектируемой аппаратуры управления. Показано, что применение аддитивной технологии позволяет повысить надежность, вследствие уменьшения частоты и интенсивности отказов в 2-4 раза и повышения гамма-процентного срока службы оборудования в целом, как при выпуске новых, так и при ремонте или модернизации узлов действующей аппаратуры управления, работающей в сложных условиях горной промышленности, а также устранить экологически вредные технологические операции.

13. Установлено, что толщину аддитивных проводников можно уменьшить от 35 до 25-20 мкм, что позволяет сократить время изготовления печатных плат и уменьшить их стоимость на 20-30% , при значительной экономии цветных металлов, по сравнению, с выпускаемыми по традиционной технологии, что, в свою очередь, вызывает снижение стоимости электронной аппаратуры в целом, при тех же характеристиках надежности.

14. Показано, что учет моделей рабочего состояния модулей и предельного состояния элементов позволяет обоснованно выбирать конструктивно-технологические параметры электронной аппаратуры для определенных условий эксплуатации: блоки АСУ предприятия или система управления горной машинои, наземное или подземное оборудование. Данные модели могут быть применены и для описания поведения других элементов электронной аппаратуры и средств автоматизации при различных внешних воздействиях.

1. Автоматизация технологических процессов на горнорудных предприятиях: Справочное пособие /Под ред. B.C. Виноградова, М.: Недра, 1984. 167с., ил.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 264 е., ил.

3. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М.: Недра, 1983. - 198с., ил.

4. Лапин Э.С. Уральская школа горных автоматчиков //Изв.вузов. Горный журнал. 1992. -N 9. - С. 146-151.

5. Гаврилов П.Д. Гимелынтейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов. М.: Недра, 1985.- 215 с. - ил.

6. Лукас В.А. Основы теории автоматического управления. М.: Недра, 1990. - 416 е., ил.

7. Автоматизация типовых технологических процессов и установок /А.М.Корытин, Н.Н.Петров, С.Н.Радимов и др.; М.: Энергоатомиздат 1988. 431 е., ил.

8. Автоматизация торфяного производства /Н.Н.Краева, Г.А. Дмитриев, В.А. Бугров и др.; М.: Недра, 1991.- 24 е., ил.

9. Циперфин Н.М., Штейн В.Д. Карьерный автомобильный транспорт: Справочник /М.: Недра, 1992. 415 е., ил.

10. Автоматизация технологических процессов на карьерах / Г.К.Акутин, Л.В.Гулько, Ю.М.Щербина и др.: Недра, 1997. 311 е., ил.

11. П.Кузякин В.И., Камельман Э.А. Эффективность функционирования буровых установок, оснащенных бортовыми автоматизированными системами контроля и управления //Изв. Вузов. Горный журнал. 1989. N 5. - С. 129-135.

12. Мельников В.В., Перегудов В.В. Филипенко А.И. Разработка АСУ «Драглайн» //Автоматизация на угольных предприятиях: Сб.науч.тр. ин-та Гидроуглеавтоматизация. М.: 1994. - С. 32-38.

13. Максимов А.П. Чайковский Э.Г. К вопросу автоматизации управления работой драглайна //Автоматизация горных и строительных машин: Сб. науч. тр. Новосибирск, ИГД СО СССР, 1990. - С. 25-31.

14. Афанасьев Ю.А., Володарский А.В. Автоматизированная информационная система контроля режимов роторного экскаватора /Автоматическое управление технологическими процессами в горной промышленности: Межвуз.науч. темат. сб. Свердловск, СГИ, 1990. -С. 24-26.

15. Горбачев Ю.Г., Ветров В.В., Рогачев П.И. Создание автоматизированной системы управления гидрокомбайном //Автоматизация горных и строительных машин: Сб.науч.тр. -Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1990. С. 72-79.

16. Лапин Э.С., Химич А.А. О подходе к оптимизации шахтных подъемных установок многофункционального назначения //Изв.вузов. Горный журнал. 1992. N 11. - С. 25-30.

17. Лапин Э.С. Оптимизация режимов функционирования универсальных шахтных подъемных установок: Дис. . докт.техн.наук. -Свердловск, 1988. 328 с.

18. Автоматизация процессов подземных горных работ /А.А.Иванов, И.А.Бражков, В.В. Ткачев и др.; Киев: Вища школа, 1987.-327 е., ил.

19. Овсянников Ю.А., Кораблев А.А., Топоров JI.A. Автоматизация подземного оборудования. М.: Недра, 1990, - 286 е., ил.

20. Равцов М.В. Автоматизация и перспективы применения ро-бототехнических средств на подземных работах //Горный журнал. -1991.-N6.-С. 48-52.

21. Сабелев В.В., Михирев П.А. О коррекции управления механизмом поворота ковша ПТМ при автоматическом зачерпывании горной массы //Автоматизация горных работ: Сб.науч. тр. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1988. - С. 8-14.

22. Носырев Б.А., Рыбин А.А. Энергосберегающая технология эксплуатации компрессорных установок //Изв. Вузов. Горный журнал. 1992. -N 1. - С. 92-97.

23. Архипенко И.П., Зайцев Л.В., Шапиро Б.Н. Аппаратура автоматизированного управления вентиляционными дверями. В кн. Аппаратура автоматизации для шахт, разрезов и углеобогатительных фабрик. М.: Недра, 1982. - С. 55-56.

24. Саломатов В.П., Поллер Б.В. Автоматизированная система внутрисменного управления очистными и транспортными процессами на шахтах // Автоматизация горных и строительных машин: Сб.науч. тр. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1990. - С. 20-25.

25. Сименко В.В. Автоматизация проходческих и буровых машин //Изв.вузов. Горный журнал. 1992. - N 10. - С. 63-66.

26. Карагаев В.И. Классификация систем управления рудничными электровозами //Автоматизация горных работ: Сб.науч.тр. -Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1988. С. 24-30.

27. Бедняк Г.И., Маркелов А.Н., Петунин Н.С. Комплекс автоматизированного управления шахтными поездами Старт-1. В кн. Аппаратура автоматизации для шахт, разрезов и углеобогатительных фабрик. М.: Недра, 1982. - С. 32-40.

28. Козин В.З., Тихонов О.Н. Опробование, контроль и автоматизация обогатительных процессов. М.: 1990.343 е., ил.

29. Троп А.Е., Козин В.З., Прокофьев Е.В. Автоматическое управление технологическими процессами обогатительных фабрик. -М.: Недра, 1986. 303 е., ил.

30. Назаренко В.М. Рациональные режимы работы ленточных конвейеров на рудоподготовительных предприятиях //Изв. вузов. Горный журнал. -1993.- N 3. С. 91-97.

31. Безловский П.И., Зайденберг М.Г. Надежность приборов и систем управления. Д.: Машиностроение, 1975. - 328 е., ил.

32. Мэнгин Ч.Г., Макклелланд С. Технология поверхностного монтажа /Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 276 е., ил.

33. Гель Г.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергоатомиз-дат, 1984. 536., ил.

34. Изерман Р. Цифровые системы управления /Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-312 е., ил.

35. Микропроцессорные системы автоматического управления /Бесекерский В.А., Ефимов Н.Б., Зиатдинов С.И. и др. Л.: Машиностроение, 1988. - 365 е., ил.

36. Пивняк Г.Г., Ткачев В.В. Аппаратное и программное обеспечение микропроцессорных средств горной автоматики //Изв.вузов. Горный журнал. 1992.-N 11.-С. 62-64.

37. Printed Circuits'93. Innovative Technologien in der Leierplattetntechnik //Galvanotechnik. 1993. Bd. 84. - n/ 7. - S. 24402446.

38. Reparatur von SMD Baugruppen: Stand der Technic und Zu-kunftige Entwiklugen // Galvanotechnik, 1994.- Bd. 85.- n. 6.- S. 20402043.

39. Ханке Х-И., Фабиан X. Технология производства радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1980. - 464 е., ил.

40. Лунд П. Прецизионные печатные платы: Конструирование и производство. Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1983.- 360 е., ил.

41. Peace G. Towards tomorrow PCBs //Electron Prod. 1991. - v. 20. - n. 9. -P. 24-25.

42. Сидоров О.П. К вопросу надежности машин малой мощности с печатными обмотками //Надежность и качество электрических машин малой мощности: Сб. науч.тр. Л.: Наука, 1971.-е, 42-45.

43. Поветкин В.В., Ковенский И.М., Установщиков Ю.М. Структура и свойства электролитических сплавов. М.: Наука, 1992. -245 е., ил.

44. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия, 1977. - 280 е., ил.

45. Cartijo R.O., Schlesinger М. Structural studies of chemically deposited thin copper films //Solid State Commun. 1984. - v. 49. - n. 3. - P. 283-286.

46. Nakabara H. Full build elektroless copper plating in the process of the future // Electron. Packag. and Prod. 1991. - v. 31. - n. 1. - P. 5053.

47. Nakahara S., Okinaka Y. Microstructura and mechhanical properties of electroless copper deposits //Annu. Rev. Mater. Sci. Vol. 21. -Palo Alto (Calif.), 1991. P. 93-129.

48. О структуре химически осажденных толстослойных медных покрытий /В.Л.Калихман, Я.С.Уманский, И.А.Трибунская и др. //Защита металлов. 1984. - т. 20. - N 5. - С. 801-805.

49. Frans A.R. Duktil Kupferfolien. Folienrisse bei Multilayes //Schatungen. Schweiz. Maschhinemarkt. - 1983. - Bd. 83.- n. 42. - S. 116-119.

50. Гинзбург В.Б., Пурник И.А. Новые норматиные сроки службы изделий шахтной автоматики //Аппаратура шахтной автоматики и связи: Сб.науч.тр.ин-таГипроуглеавтоматика, М.: 1988. - С. 120-127.

51. Надежность аппаратуры и средств горной автоматики /Мелькумов Л.Г., Рабинович М.С., Гинзбург В.Б. и др. М.: Недра, 1974.-3-4 е., ил.

52. Надежность и эффективность АСУ /Ю.Г.Зарекин, М.Д. Збы-ко, Б.П. Креденцер. Киев: Техника, 1975. - 368 е., ил.

53. Надежность электронных элементов и систем /Хертлер, Х.Шнайдер, Катона и др. Пер. с нем. - М.: Мир, 1977. - 28 е., ил.

54. Разгильдяев Г.И., Серов В.И. Безопасность и надежность взрывозащищенного оборудования. М.: Недра, 1992. - 207 е., ил.

55. Надежность радиотехнических систем: Справочник /Ю.К.Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин и др.; Под ред. И.А.Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. - 608 е., ил.

56. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Сов.радио, 1975.- 472. е., ил.

57. Меламедов И.М. Физические основы надежности: введение в физику отказов. Л.: Энергия, 1970. 152 е., ил.

58. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высшая школа, 1970.- 270 е., ил.

59. Гуртовник И.Г., Спортсмен В.Н. Стеклопластики радио -технического назначения. М.: Химия. 1987. 132 е., ил.

60. Rolff R. MeBmethoden beider Fertigung von Leiterplatten Ein-fluB der Materialeigenschaften auf die RiBbilclung in Durkontaktierungen und die Messieng dieser Eigenschaften // Galvanotechnik. 1975. - Bd. 66.- n. 7.-S. 538-541.

61. Oien M.A. A simple model for the thermomechanical deformation of plated-through-holes in multilayer printed wiring boards //14th375

62. Annu. Proc. Reliab. Phys. Las Vegas, Nev., 1976, New York. N.Y/ 1976. -P. 121-128.

63. Вигдорович B.H., Голачев C.M. Исследование влияния термомеханических напряжений в металлизированных отверстиях на надежность многослойных печатных плат //Вопросы радиоэлектроники. Сер. Технология производства и оборудование. 1982. - N 3. - С. 4350.

64. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. - 298 е., ил.

65. Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное материаловедение. Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1975. - 472 е., ил.

66. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - 399 е., ил.

67. Тимошенко 'СЛ., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966. - 635 е., ил.

68. Лыков А.В. Теплообмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 479 е., ил.

69. Решение осесимметричной задачи термопластичности для тонкостенных и толстостенных тел вращения на ЕС ЭВМ /Ю.Н.Шевченко, М.Е.Бабешко, В.В.Пискун и др. Киев: Наукова думка, 1980. - 196 е., ил.

70. Хазин М.Л. Физико-механические свойства и структура медных покрытий печатных плат: Дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1989.-200 с.71.0ден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. Пер. с англ. - М.: Мир, 1976. - 487 е., ил.

71. Хазин М.Л., Китаев ГЛ., Чуракова З.С. Расчет металлизированного отверстия //Электронная техника. Сер. 7. Технология и организация производства, 1984. N 6. - С. 32-37. ДСП.

72. Хазин М.Л., Егоров И. А. Исследование напряженно-деформированного состояния в металлизированных отверстиях печатных плат //Электронная техника. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. 1987. N 6. - С. 28-3. ДСП.

73. Хазин М.Л., Егоров И.А. Исследование термических напряжений в тонких пластинах (печатных платах) в зависимости от их конструктивных параметров //Исследование пространственных конструкций: Межвуз. сб. Свердловск: изд. УПИ им. С.М.Кирова, 1987. -70-7.

74. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднороных сред. М.: наука, 1977. - 399 е., ил.

75. Егоров И.А., Хазин М.Л. Экспериментальные исследования термических деформаций в тонких пластинах (печатных платах) //Исследования пространственных конструкций: Межвуз. сб. Свердловск: изд. УПИ им. С.М.Кирова, 1991. - С. 80-83.

76. Ивлев В.В. Надежность систем из однотипных элементов. М.: Машиностроение 1986. - 112 е., ил.

77. Paunovic М. Plating for electronics //Plat. Surface Finish., 1983. -v. 70.-Nil.-P. 16-17.

78. Paunovic M., Zeblinsky R. Properties and structure of electroless copper //Plat. Surface Finish., 1985. v. 72. - N 2. - P. 52-54.

79. Blurton K.F. High-quality copper deposited from electroless bath //Plat. Surface Finish., 1986. v. 73. N 1. - P. 52-55.

80. Хазин М.Л. Эксплуатационная надежность и конструктивное исполнение узлов аппаратуры управления технологическими процессами // Изв. вузов.Горный журнал, 1997.-№ 7-8.-С. 146-149.

81. Флеров В.Н. Химическая технология в производстве радиоэлектронных деталей. М.: Радио и связь, 1988. - 104 е., ил.

82. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Влияние условий осаждения на физические свойства и структуру химически осажденной меди //Ж.Прикладной химии, 1984.- N 9. С. 2128-2130.377

83. Китаев Г.А., Хазин M.J1. Зависимость физических свойств химически осажденной меди от состава электролита //Электрохимия,1985. т. XXI.-N 3. - С. 373-374.

84. Хазин M.JI. Зависимость структуры и прочностных свойств медной фольги от условий электролиза // Ж. Прикладной химии,1986.-N1.-С. 57-60.

85. Егоров А.Е., Азаров Г.Н., Коваль А.В. Исследование устройств автоматики методом планирования эксперимента. Харьков: Вища школа, 1986. 240 е., ил.

86. Хазин M.JL, Китаев Г.А., Чуракова З.С. Физико-механические свойства покрытий печатных плат //Электронная техника. Сер. 6, 1983. Вып. 10. - С. 21-23.

87. Хазин M.JI. Структура и свойства осадков меди //Электрохимия, 1992. т.28. - N 5. - С. 812-815.

88. Смирнов Б.Н., Хазин M.JI. Покрытия печатных плат //Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1985. - Вып. 10. - С. 5355.

89. Хазин М.Л., Китаев Г.А., Чуракова З.С. Структура и физико-механические свойства химически осажденной меди //Производственно-технический бюллетень п/я А-1668, 1982. N 11. -С. 33-34.

90. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Физические свойства пленок меди //Электронная техника. Сер.: Материалы. 1985. -Вып. 6. - С. 8-11.

91. Лившиц Б.Г., Криношин B.C., Липецкий Я.Л. Физические свойства металлов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1980. - 320 е., ил.

92. Смирнов В.И., Матта Ф.Ю. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре. М.: Сов. Радио, 1974. - 174 с.

93. Хазин М.Л. Технологические возможности повышения эксплуатационной надежности аппаратуры управления технологическими процессами в горной промышленности // Изв.вузов. Горный журнал, 1997.-№ 9-10.-С. 159-163.

94. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия /Я.С.Уманский, Ю.А.Скаков, А.Н.Иванов и др. -М.: Металлургия,1982.-632 е., ил.

95. Электронная микроскопия тонких кристаллов /П.Хирш, А.Хови, Р.Николсон и др. Пер. с англ.-М.: Мир, 1968. 574 с.

96. Хоникомб Р.Б. Пластическая деформация металлов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1972. - 408 е., ил.

97. Выращивание кристаллов из раствора / Т.Г.Петров, Е.Б.Трейвус, Ю.О.Пунин и др.- 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Недра,1983.-200 е., ил.

98. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979. 495 е., ил.

99. Гельд П.В., Рябов Р.А., Кадес Е.С. Водород и несовершенства структуры металла. М.: Металлургия, 1979. - 221 е., ил.

100. Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. М.: Химия, 1983. - 304 е., ил.

101. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Влияние условий осаждения на физические свойства и структуру химически осажденной меди. Деп. Рукопись /ОНИИТЭХИМ. - 1983, N 641. - С. 2-4.

102. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка, 1987. 829 с.

103. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. 584 с.

104. Armstrong R.W. Effects of micro-craking and intrinsic obstacle strength on the Hall-Petch relation for ultrafine grane size polycrystals //Strength Metals and alloys. Proc.5 th. Int Conf. Aachen. 1979. V. 2 Toronto e.a. - 1979. - P. 795-800.

105. Archman L., Moron J.W. The influence of obalt and nickel on the parametres of the Hall-Petch law for molybdenum microalloys //Arch. Huch. 1983. - v. 28. - n. 1. - P. 3-9.

106. Pande C.S., Masumura R.A., Armstrong R.W. Pill-up based Hall-Petch relation for nanoseale materials //Nanostruct. Mater., 1993. v. 2.-P. 323-331.

107. Хазин М.Л., Смирнов Б.Н., Китаев Г.А. Влияние размера зерна и деформациии на напряжение течения медной фольги //Цвет.металлы. 1985. - N 1. - С. 84-86.

108. Фридель Ж. Дислокации. Пер. с англ. М.: Мир, 1967. - 643 е., ил.

109. Van der Beukel A. Grain size dependence of the dislocation in cold-worked //Scr. Met., 1978. n. 9. - P. 809.

110. Испытание материалов. Справочник /Под ред. Х.Блюменауэра. Пер. с нем. -М.: Металлургия, 1979. 448 е., ил.

111. Лаврентьев А.И. О связи абразивной износостойкости материалов с их физико-механическими свойствами //Трение и износ. -1980. т. 1, N5.-С. 878-883.

112. Рекристаллизация металлических материалов /Ф.Хесснер, Х.П. Штюве, Р.Д.Доэрти и др. /Под ред. Ф.Хесснера. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. - 352 е., ил.

113. Козырев А.С., Касаткин Ю.И., Ляпкин С.Ф. Влияние состояния примесей на кинетику первичной рекристаллизации технически чистой меди //Физ.мет. и металловедение. 1979. - т. 47. - С. 796801.

114. Смирнов Б.Н., Хазин М.Л. Влияние термообработки на механические свойства и структуру медной фольги //Цвет.металлы. -1991.-N1.-С. 54-55.

115. Хазин М.Л. Влияние температуры на механические свойства медной фольги //Цветные металлы, 1996.- N 7.- С. 62-63.

116. Физико-механические свойства медной фольги^ полученной химическим способом /М.Л.Хазин, Г.А.Китаев, Б.Н.Смирнов и др. //Цвет.металлы. 1983. - N 3. - С. 69-70.

117. Wang Хо., Zhao TJi.H. Effect of grain size on temperature coefficient of resistivity of Pd thin films //Acta Phys. Sin., 1994. v. 43. - N 2. - P. 297-302.

118. Негейбауэр К.А. Явления структурного разупорядочения в тонких металлических пленках //Физика тонких пленок. Под. Ред. Г.Хасса и Р.Э.Туна. Пер. с англ. Т. 2. М.: Мир, 1967. - С. 13-82.

119. Ильинский А.И., Палатник Л.С., Подтележников А.А. О проявлении масштабного эффекта при растяжении фольг меди //Завод лаборатория. 1979. - т. 45. - N 8. - С. 760-761

120. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. - 280 е., ил.

121. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. Пер. с англ. Киев: Наукова думка, 1978.- 351 е., ил.

122. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1974. - 344 е., ил.

123. Измерение износоустойчивости тонких халькогенидных пленок /Г.А.Китаев, В.М., М.Л. Хазин и др. //Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. -1981. Вып. 5 - С. 83-85.

124. Хазин М.Л. Эксплуатационная надежность и старение аппаратуры управления технологическими процессами // Изв. ву-зов.Горный журнал, 1998.-№ 1-2.-С. 156-158.

125. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1990. -256 е., ил.

126. Lin К., Kim I., Weil R., Mechanical property testing of copper deposits for PCB // Plat. Surface Finish., 1988. v. 75. N 6. - P. 52-56.

127. Хазин M.JI. Измерение пластичности металлических покрытий печатных плат //Обмен производственно-техническим опытом.-1987.-N 11. С. 53-54.

128. Пономарева А.А. Комаров Н.А. Механические свойства фольги из сплавов на медной основе //Цветная металлургия, 1982. N 4. - С. 42-43.

129. Черноглазрва Т.В., Пресняков А.А., Мофа Н.Н. Влияние размеров образцов на показатели прочности бескислородной меди // Проблемы прочности, 1984. N 9. - С. 64-67.

130. Хазин М.Л. Структура и морфология поверхности медной фольги //Ж.Прикладной химии, 1995. т. 68. - N 5. - С. 751-754.

131. Хазин М.Л., Горбунов А.В. Физико-механические свойства тонких пленок внутрисхемных соединений //Системы и устройства радиотехники, автоматики и автоматизированного проектирования: Тезисы Республиканской науч. техн.конф-и, Свердловск: 1982. - С. 137.

132. Хазин М.Л. Метод неразрушающего контроля проводников печатных плат и гибридных микросхем //Приборы и системы управления, 1996.-N 3. С. 44-45.

133. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Определение электросопротивления металлизированного отверстия //Обмен опытом в радиопромышленности, 1984. N 8. - С. 44-45.

134. Хазин М.Л., Китаев Г.А. Метод неразрушающего контроля печатных плат //Обмен опытом в радиопромышленности. 1984. - N 12.-С. 42-43.

135. Гуляев В.А., Макаров С.М., Новиков В.Г. Диагностика вычислительных машин. Киев: Техника, - 1981. - 167 е., ил.

136. Технические средства диагностирования: Справочник //В.В.Клюев, П.П.Пархоменко, В.Е.Абрамчук и др.; Под общ.ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1989. 672 е., ил.

137. Борисов B.C., Горяшко А.П. Методы встроенного диагностирования микропроцессорных средств вычислительной техники //Микропроцессорные средства и системы, 1984. N 2. - С. 36-42.

138. Гурко A.M., Королев B.C., Крисевич B.C. Программные средства диагностирования ЕС ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1985.-214 е., ил.

139. Георгиев В.А., Орлов Б.В. Функциональный контроль полупроводниковых запоминающих устройств // Электронная промышленность, 1980. N 6. - С. 3-21.

140. Shockley F. Repair of printed circuits //Plat. Surface Finish., 1984. -v.71.-N 12.-P. 26-29.

141. Медведев A.M. Надежность и контроль качества печатного монтажа. М.: Радио и связь, 1986.-216 с.

142. Заренин Ю.Г., Стоянова И.И. Методика оптимального планирования испытаний.- В кн.: Основные вопросы теории и практики надежности. М.: Наука, 1975.- С. 135-138.