胡曉宇，何華云

(中國電子科技集團(tuán)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(diǎn)[1]，是獲得高質(zhì)量、高性能薄膜材料的常規(guī)先進(jìn)工藝方法。雙離子束濺射鍍膜機(jī)的主要組成部件包括主離子源、輔離子源、基片臺(tái)、水冷靶、氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)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(tái)旋轉(zhuǎn)速度通常在20 r/min 以下，目前普遍采用“行星”式結(jié)構(gòu)（公轉(zhuǎn)+ 自轉(zhuǎn)）以改善成膜均勻性；水冷靶的靶基通常設(shè)計(jì)為3 面或4 面，適用圓形或方形靶材；氣路系統(tǒng)均采用“質(zhì)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(jī)械泵和分子泵，極限真空為1×10-4Pa 量級(jí)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用“上位機(jī)+PLC”的架構(gòu)。

圖1 雙離子束濺射鍍膜機(jī)系統(tǒng)組成

雙離子束濺射鍍膜機(jī)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(nèi)造成污染，必須定期清理維護(hù)，否則會(huì)造成短路、打火、灰塵，影響薄膜質(zhì)量。因此，在雙離子濺射鍍膜機(jī)的研發(fā)過程中，必須考慮維修性設(shè)計(jì)，特別是暴露在真空腔內(nèi)的相關(guān)部件，包括主離子源、輔離子源、基片臺(tái)、水冷靶等。

可靠性設(shè)計(jì)的目的是保證設(shè)備盡可能少出故障，而維修性設(shè)計(jì)則是保證設(shè)備在出現(xiàn)故障時(shí)，能夠簡便、快捷、安全、經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)和修復(fù)故障。機(jī)電一體化設(shè)備的維修性指標(biāo)通常為8 h 以內(nèi)，實(shí)時(shí)性、機(jī)動(dòng)性的武器裝備的維修性大多要求在30 min 內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室中的半導(dǎo)體專用設(shè)備維修性通常為2～8 h。

下面以中國電子科技集團(tuán)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(jī)為例，建立維修性模型，根據(jù)各部件的可靠性和維修時(shí)間經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行維修性分配和預(yù)計(jì)。

1 建立維修性模型

建立維修性模型的目的是為了進(jìn)行維修性分配、預(yù)計(jì)和評(píng)定，估計(jì)或確定設(shè)計(jì)方案可達(dá)到的維修性水平。另外，當(dāng)設(shè)計(jì)變更時(shí)，可以進(jìn)行靈敏度分析，以確定哪些參數(shù)對(duì)模型的影響最大。

和所有交付的機(jī)電一體化設(shè)備一樣，雙離子束濺射鍍膜機(jī)的維修活動(dòng)按照先后順序見圖2 所示。

從維修職能流程中可以看出，設(shè)備維修耗費(fèi)的時(shí)間主要集中在故障的檢測(cè)與隔離、分解- 修復(fù)- 組裝、更換、調(diào)整/ 調(diào)準(zhǔn)、檢驗(yàn)等步驟，這些時(shí)間參數(shù)通過維修人員的歷史經(jīng)驗(yàn)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(jī)維修職能流程

圖3 雙離子束濺射鍍膜機(jī)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(gè)方面：一是為系統(tǒng)各部分研制者提供維修性設(shè)計(jì)指標(biāo)，以保證系統(tǒng)最終符合規(guī)定的維修性指標(biāo)要求；二是明確各轉(zhuǎn)承制方或供應(yīng)方的產(chǎn)品維修性指標(biāo)，以便于系統(tǒng)承制方對(duì)其實(shí)施管理。

維修性分配有兩個(gè)前提條件，一是已確定設(shè)備總的維修性指標(biāo)（M）、維修方案（維修級(jí)別、維修資源、維修類型等）和設(shè)備的功能層次，二是已完成各功能層次的可靠性分配或預(yù)計(jì)。根據(jù)《GJB/Z 57 維修性分配與預(yù)計(jì)手冊(cè)》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(shí)間應(yīng)當(dāng)短，各個(gè)可維修項(xiàng)目的平均修復(fù)時(shí)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(jī)維修性分配表

3 維修性預(yù)計(jì)

維修性預(yù)計(jì)的目的主要有三個(gè)方面，一是預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)方案的維修性水平是否能達(dá)到第3 節(jié)分配的指標(biāo)；二是發(fā)現(xiàn)維修性設(shè)計(jì)缺陷，為更改設(shè)計(jì)提供依據(jù)；三是在更改設(shè)計(jì)時(shí)，估計(jì)其對(duì)維修性的影響。

維修性預(yù)計(jì)的前提條件也有三個(gè)方面：一是已有歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或相似設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)和各部件維修性指標(biāo)；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(yù)計(jì)，有了可靠性的數(shù)據(jù)。因此，維修性預(yù)計(jì)與具體產(chǎn)品的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)習(xí)習(xí)相關(guān)，且受到各種條件的影響，必須真實(shí)客觀地確定數(shù)據(jù)，避免在預(yù)計(jì)時(shí)“湊數(shù)據(jù)”。

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

采用功能層次預(yù)計(jì)法，根據(jù)各部件維修活動(dòng)中檢測(cè)、隔離、分解、更換、結(jié)合、調(diào)準(zhǔn)和校驗(yàn)等所消耗的實(shí)際時(shí)間，分別計(jì)算各組成部件維修所需的總時(shí)間及故障率，以主離子源為例，其維修性預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)方法

表4 主離子源的維修性預(yù)計(jì)表

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

表5 雙離子束濺射鍍膜機(jī)的維修性預(yù)計(jì)表

維修性預(yù)計(jì)的Mp值為6.975 h，低于設(shè)備的維修性指標(biāo)8 h，維修性設(shè)計(jì)符合要求。如果預(yù)計(jì)值大于8 h，則必須根據(jù)表5 中維修性預(yù)計(jì)值Mpi超過分配值的部件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，在可達(dá)性、防差錯(cuò)、標(biāo)準(zhǔn)化和互換性、模塊化、標(biāo)識(shí)[5]等方面進(jìn)行改進(jìn)，縮短部件的維修時(shí)間。

4 結(jié) 論

近年來，用于軍用電子元器件研發(fā)的半導(dǎo)體專用設(shè)備項(xiàng)目，在申報(bào)中逐步提出了關(guān)于可靠性、維修性、測(cè)試性、安全性等方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，如果在綜合論證報(bào)告中進(jìn)行科學(xué)的維修性分配和預(yù)計(jì)，可以使項(xiàng)目申報(bào)材料中的內(nèi)容更有可信度和說服力，進(jìn)而提高普通軍工產(chǎn)品項(xiàng)目中標(biāo)的成功率[6]，同時(shí)也能夠使研發(fā)生產(chǎn)的半導(dǎo)體專用設(shè)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(xué)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(shè)備的研制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42(11)：1-3.

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

[4] GJB/Z 57，維修性分配與預(yù)計(jì)手冊(cè)[S].

[5] GJB 368B-2009，裝備維修性工作通用要求[S].

[6] 周鳴岐. 型號(hào)維修性和測(cè)試性設(shè)計(jì)分析和驗(yàn)證培訓(xùn)教材[M]. 北京：中國航天科工集團(tuán)第二研究院，2013.