雙離子束濺射鍍膜機的維修性分配和預計

胡曉宇，何華云

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111)

采用雙離子束濺射鍍膜方法制備特殊功能薄膜材料，具有成膜速度快、薄膜致密、均勻性好、成份可控、材料適用性廣等優(yōu)點[1]，是獲得高質量、高性能薄膜材料的常規(guī)先進工藝方法。雙離子束濺射鍍膜機的主要組成部件包括主離子源、輔離子源、基片臺、水冷靶、氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)[2]，如圖1 所示。

主離子源用于濺射靶材，通常分為射頻（RF）源和直流（DC）源兩種；輔離子源用于基片清洗了輔助鍍膜；基片臺旋轉速度通常在20 r/min 以下，目前普遍采用“行星”式結構（公轉+ 自轉）以改善成膜均勻性；水冷靶的靶基通常設計為3 面或4 面，適用圓形或方形靶材；氣路系統(tǒng)均采用“質量流量控制器+截止閥”，根據(jù)不同的工藝可配置3～8 路；真空系統(tǒng)配置機械泵和分子泵，極限真空為1×10-4Pa 量級；計算機系統(tǒng)采用“上位機+PLC”的架構。

圖1 雙離子束濺射鍍膜機系統(tǒng)組成

雙離子束濺射鍍膜機的核心為“濺射”，被濺射出來的靶材粒子沿著靶面法向呈正態(tài)分布向外“飛濺”[3]，意味著靶材原子在真空腔內造成污染，必須定期清理維護，否則會造成短路、打火、灰塵，影響薄膜質量。因此，在雙離子濺射鍍膜機的研發(fā)過程中，必須考慮維修性設計，特別是暴露在真空腔內的相關部件，包括主離子源、輔離子源、基片臺、水冷靶等。

可靠性設計的目的是保證設備盡可能少出故障，而維修性設計則是保證設備在出現(xiàn)故障時，能夠簡便、快捷、安全、經濟地檢測和修復故障。機電一體化設備的維修性指標通常為8 h 以內，實時性、機動性的武器裝備的維修性大多要求在30 min 內，實驗室中的半導體專用設備維修性通常為2～8 h。

下面以中國電子科技集團公司第四十八研究所最新研發(fā)用于薄膜傳感器的M781-2/UM 型雙離子束濺射鍍膜機為例，建立維修性模型，根據(jù)各部件的可靠性和維修時間經驗數(shù)據(jù)，進行維修性分配和預計。

1 建立維修性模型

建立維修性模型的目的是為了進行維修性分配、預計和評定，估計或確定設計方案可達到的維修性水平。另外，當設計變更時，可以進行靈敏度分析，以確定哪些參數(shù)對模型的影響最大。

和所有交付的機電一體化設備一樣，雙離子束濺射鍍膜機的維修活動按照先后順序見圖2 所示。

從維修職能流程中可以看出，設備維修耗費的時間主要集中在故障的檢測與隔離、分解- 修復- 組裝、更換、調整/ 調準、檢驗等步驟，這些時間參數(shù)通過維修人員的歷史經驗數(shù)據(jù)積累得到。按照系統(tǒng)組成，各部件的可靠性數(shù)據(jù)建圖3 所示。

圖2 雙離子束濺射鍍膜機維修職能流程

圖3 雙離子束濺射鍍膜機各部件可靠性數(shù)據(jù)

2 維修性分配方法的選取

維修性分配的主要目的有兩個方面：一是為系統(tǒng)各部分研制者提供維修性設計指標，以保證系統(tǒng)最終符合規(guī)定的維修性指標要求；二是明確各轉承制方或供應方的產品維修性指標，以便于系統(tǒng)承制方對其實施管理。

維修性分配有兩個前提條件，一是已確定設備總的維修性指標（M）、維修方案（維修級別、維修資源、維修類型等）和設備的功能層次，二是已完成各功能層次的可靠性分配或預計。根據(jù)《GJB/Z 57 維修性分配與預計手冊》的規(guī)定，維修性分配有五種方法[4]，見表1 所示。

按102 規(guī)定的故障率分配法，故障率高的部件，分配的維修時間應當短，各個可維修項目的平均修復時間Mi按照公式(1)分別求出，其維修性分配如表2 所示。

式中，λi 為各部件的可靠性數(shù)據(jù)。

表1 GJB/Z57 規(guī)定的維修性分配方法

表2 雙離子束濺射鍍膜機維修性分配表

3 維修性預計

維修性預計的目的主要有三個方面，一是預計設計方案的維修性水平是否能達到第3 節(jié)分配的指標；二是發(fā)現(xiàn)維修性設計缺陷，為更改設計提供依據(jù)；三是在更改設計時，估計其對維修性的影響。

維修性預計的前提條件也有三個方面：一是已有歷史經驗數(shù)據(jù)或相似設備的數(shù)據(jù)，包括設備的層次結構和各部件維修性指標；二是已確定系統(tǒng)的維修方案；三是已完成各功能層次的可靠性分配或預計，有了可靠性的數(shù)據(jù)。因此，維修性預計與具體產品的實際經驗數(shù)據(jù)習習相關，且受到各種條件的影響，必須真實客觀地確定數(shù)據(jù)，避免在預計時“湊數(shù)據(jù)”。

根據(jù)GJB/Z57 的規(guī)定，維修性預計的方法有6 種，見表3。

采用功能層次預計法，根據(jù)各部件維修活動中檢測、隔離、分解、更換、結合、調準和校驗等所消耗的實際時間，分別計算各組成部件維修所需的總時間及故障率，以主離子源為例，其維修性預計表如表4 所示(表中數(shù)據(jù)為典型值，僅供參考)。

表3 GJB/Z57 規(guī)定的維修性預計方法

表4 主離子源的維修性預計表

輔離子源、基片臺、水冷靶、氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)均可按照表4 所示的方法分別進行維修性預計；最后，按照公式(2)分別計算各部件的維修性預計值Mpi，按公式(3)計算雙離子束濺射鍍膜機總的維修性預計值Mp，結果如表5所示。

表5 雙離子束濺射鍍膜機的維修性預計表

維修性預計的Mp值為6.975 h，低于設備的維修性指標8 h，維修性設計符合要求。如果預計值大于8 h，則必須根據(jù)表5 中維修性預計值Mpi超過分配值的部件重新進行設計調整，在可達性、防差錯、標準化和互換性、模塊化、標識[5]等方面進行改進，縮短部件的維修時間。

4 結 論

近年來，用于軍用電子元器件研發(fā)的半導體專用設備項目，在申報中逐步提出了關于可靠性、維修性、測試性、安全性等方面的設計內容要求，如果在綜合論證報告中進行科學的維修性分配和預計，可以使項目申報材料中的內容更有可信度和說服力，進而提高普通軍工產品項目中標的成功率[6]，同時也能夠使研發(fā)生產的半導體專用設備更具市場競爭力。

[1] 賈嘉，陳新禹. 離子束濺射工藝中的基片溫度及其控制方法[J]. 光學儀器，2004，26(2)：187-190.

[2] 陳特超，龍長林，胡凡等. 射頻離子束輔助濺射鍍膜設備的研制[J].電子工業(yè)專用設備，2013，42(11)：1-3.

[3] 劉金聲. 離子束沉積薄膜技術及應用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4] GJB/Z 57，維修性分配與預計手冊[S].

[5] GJB 368B-2009，裝備維修性工作通用要求[S].

[6] 周鳴岐. 型號維修性和測試性設計分析和驗證培訓教材[M]. 北京：中國航天科工集團第二研究院，2013.