О проблемах визуального контроля в производстве радиоэлектронной аппаратуры

Вадим Федоров

Ирина Епанешникова

Входе выполнения этой функции оператор-контролер, сопоставляя изделие с эталоном данной
продукции и выявляя визуально видимые отклонения в исполнении изделия, принимает ответственное для себя решение, следует ли считать данное
изделие годным или квалифицировать его как брак.

Фактически оператору визуального контроля необходимо всякий раз проводить сопоставление реального образа (например, топологии интегральной
схемы) с представлением эталона, сохраняемым в памяти оператора. Это составляет особую сложность
и специфику работы контролера.

Прежде всего, оператор визуального контроля
в значительной степени опирается на эмоциональные, а не на четко выраженные технологические (или
конструктивные) критерии восприятия, что увеличивает субъективизм, а соответственно, и возможность ошибок в принятии решений. Характерным
проявлением такого субъективизма является, например, психологическая установка оператора на преимущественное выявление только определенных,
понятных ему, традиционных видов брака. Известны, например, данные экспериментальных исследований, показывающих ошибочность (весьма опасную в производстве) действий контролеров при сравнении внешнего вида соединений в интегральных
схемах (табл. 1).

Таблица 1. Распределение брака по видам (в % к общему количеству
выявленного на протяжении месяца брака; общее число проверенных изделий — 628 200 шт.)

Анализ данных, представленных в таблице, позволяет сделать следующие выводы:

• Контролеры выявляют различные виды брака
  крайне неравномерно.
• У каждого контролера заметно преобладает количество выявленного брака определенного вида.
• Выявление одного характерного брака тем или
  иным контролером является устойчивым (стереотипным) и сохраняется в течение длительного времени.

Учитывая, что каждый контролер разбраковывает изделия, поступающие, по меньшей мере, от шести операторов-сварщиков, которые в принципе могут допускать различные виды брака, можно, казалось бы, ожидать, что при безошибочном контроле
распределение по видам брака будет приближаться
к равномерному. Однако в действительности наблюдаются противоположные тенденции, свидетельствующие о том, что отмеченные особенности распределения нельзя отнести за счет выявления определенного вида брака у каждого оператора, а следует
связывать с психологической склонностью контролеров преимущественно выявлять именно этот, определенный вид брака. Разумеется, такая психологическая особенность формирования внимания контролеров мешает качественной разбраковке изделий.

Выявленные особенности деятельности операторов визуального контроля обуславливаются различными причинами. Это:

• специальная, фиксированная установка на этот
  вид брака;
• повышенная оценка контролером значимости отдельных видов брака;
• уровень профессиональной подготовки контролеров;
• особенность выработанных навыков поиска дефектов.

Начинающие контролеры определение брака производят аналитически, мысленно, в меру своих знаний перебирая различные виды брака и сопоставляя
их с изученными характеристиками эталонов.
При накоплении достаточного опыта работы выявление брака осуществляется контролером уже как
достаточно быстрое опознание целостного образа,
в котором выделяются те или иные отклонения от
эталона. При этом у различных контролеров
особый акцент психологически делается на отдельные виды брака, и этот стереотип закрепляется в сознании на длительный период.

Все это вызывает необходимость поиска эффективных средств повышения качества работы операторов визуального контроля. Специалисты считают, что наилучшим выходом может стать в перспективе конструирование таких
изделий микроэлектроники или микромеханики, в которых уже сама конструкция указывает контролерам различные критические точки изделия, на которые им следует обращать
особое внимание при визуальном контроле.
Учитывая психологические склонности контролеров замечать преимущественно отдельные виды брака, важно, чтобы такие изделия
обеспечивали бы возможность сигнализации
соответствующих критических точек.

Работа операторов визуального контроля
качества монтажных соединений в интегральной схеме или другом миниатюрном изделии
не сводится только к совмещению реального
объекта с известным (или воображаемым) эталоном. В тех случаях, когда при контроле ориентировка на воображаемый эталон недостаточна для принятия решений относительно
качества изделия, контролер выполняет фактическое совмещение реальной схемы изделия
с эталоном. При этом он пользуется шкалой
оптической системы микроскопа. При помощи шкалы он определяет величину отклонения от заданных параметров и, сопоставляя ее
с величиной допуска, судит о пригодности изделия. Отсутствие точек отсчета при определении величины отклонения затрудняет работу контролера, вынуждает его производить
многократные повторные измерения.

Поскольку оператору визуального контроля предписывается сравнивать величину отклонения с допуском, а не с самими значениями, в пределах которых возможны варианты,
в процессе решения ему приходится постоянно производить вычисления. В этой ситуации
контролеру легче держать в памяти меньшее
количество информации, поэтому предписание производить контроль на основе допусков
может оказаться более эффективным.

Особая сложность в работе оператора визуального контроля в том, что ему постоянно
приходится иметь дело с большим количеством сходных элементов топологии интегральной схемы или монтажных схем других изделий (в том числе и кинематических). Наличие
большого количества сходных элементов, находящихся в поле зрения контролера практически на протяжении всей смены, усугубляет
монотонность его труда, а чувство ответственности за принятие решения усиливает психологическую напряженность его работы, вызывает преждевременное утомление.

Работая в таких условиях, контролер испытывает потребность в психологической разрядке. Это может быть достигнуто при соответствующей организации производственной
среды, а также проведении психологической
релаксации и реабилитации.

При решении проблем повышения качества работы контролера важное значение имеет
тестирование и подбор лиц, подготовленных
для данной деятельности на основе их психофизиологических особенностей. Известно, что
качество работы контролера во многом обусловлено рядом психофизиологических особенностей: широким объемом оперативной
памяти и внимания, способностью к оперативной смене психических установок, объемом и высокой готовностью памяти и др.

Таким образом, труд контролера микроминиатюрных изделий (в том числе интегральных схем) достаточно сложен и включает в себя как перцептивные, так и интеллектуальные
компоненты, направленные на выполнение
центрального звена его деятельности — совмещения. Причем совмещение не сводится
к простому физическому наложению двух
объектов, а состоит главным образом в совмещении реального изделия с воображаемым
эталоном. Эта специфика работы контролера
выдвигает особые требования к его психическим и психофизиологическим кондициям.
В этом смысле необходим, как мы считаем,
профессиональный отбор и специальный тренаж, подготовка контролеров, а также эргономическое проектирование рабочих мест производства цехов и участков, учет вредного влияния факторов производственной среды. Это
еще долго будет оставаться актуальным и важным, так как операции визуального контроля
наименее поддаются автоматизации и в обозримом будущем будут также выполняться человеком-оператором.

Для оптимального решения этой задачи
в первую очередь необходимо провести эргономическую оценку технических средств визуального контроля. Как известно, для визуального контроля различных технологических
операций в производстве полупроводниковых
приборов и интегральных схем широкое распространение получили бинокулярный стереоскопический микроскоп (МБС) и двумерный оптический проектор (ДОП). Большой
интерес, с точки зрения функциональной надежности оператора в технологическом процессе, представляет оценка этих средств исходя из психофизиологических возможностей
человека-оператора.

Известно, что применение микроскопа в качестве увеличивающего оптического прибора
на операциях визуального контроля приводит
к перенапряжению не только зрительных рецепторов контролера, но и, с учетом напряженной закрепощенной рабочей позы, вызывает
позотоническое утомление, общую усталость
оператора и снижает его работоспособность.

Некоторые преимущества перед микроскопом имеет оптический проектор, который,
обеспечивая увеличение микрообъекта, устраняет неблагоприятные эффекты, связанные
с применением микроскопа (суженное поле
зрения, напряжение аккомодационной мышцы и др.). Проектор также позволяет оператору изменять рабочую позу.

Однако, несмотря на отмеченные преимущества проектора (ДРП) перед микроскопом
(МБС), замена микроскопа целесообразна только при условии, если показатели их разрешающей способности не различаются. Специальные эргономические эксперименты, поставленные с целью сравнения визуального контроля
с точки зрения их разрешающей способности,
основным показателем которой служила возможность системы «зрительный анализатор –
оптический прибор» дифференцировать предельные раздражители, дали интересные результаты. Они свидетельствовали о том, что по
мере возрастания увеличения улучшаются возможности дифференцирования предельных
раздражителей. Указанная тенденция характеризуется нелинейной зависимостью: при переходе к большим увеличениям возможности различения объекта посредством МБС и ДОП меняются незначительно. Следовательно, простое
наращивание кратности увеличения оптической системы вовсе не обеспечивает решения
проблемы дифференцирования предельных
раздражителей.

Характерно, что возможности дифференцированного различения, обеспечиваемые двумерным проектором, ниже соответствующих
возможностей стереоскопического микроскопа; причем показатели возможности различения при помощи МБС, даже при увеличении
меньшей кратности, заметно выше, чем сопоставимые показатели по ДОП при более высокой кратности увеличения.

Необходимо отметить, что в реальных условиях производства оператору приходится
вести визуальный контроль в условиях недостаточного контраста, что снижает возможности дифференцирования раздражителей и тем
самым отрицательно сказывается на производительности и качестве труда. Поэтому при
оценке оптических приборов важно учитывать также влияние различных помех на разрешающую способность рассматриваемой
системы.

Для определения влияния помех (в виде
снижения контраста) на разрешающую способность системы был проведен сравнительный анализ МБС и ДОП. Использовались следующие контрастные соотношения между
фоном и тест-объектом: 5:1, 3:1, 1:1, 1:3 и 1:5.
(Исследования проводились в условиях максимального контраста.) На основе данных эксперимента вычислялись итоговые оценки для
случаев с различной степенью помех. Полученные оценки соотносились с результатами исследования разрешающей способности системы «зрительный анализатор – оптический прибор» в условиях максимального контраста.
В таблице 2 представлены результаты исследования влияния контраста на разрешающую
способность рассматриваемой системы.

Таблица 2. Влияние контраста на возможность
дифференцирования предельных раздражителей

Судя по таблице 2, характерной особенностью рассматриваемых оптических приборов
является снижение разрешающей способности при уменьшении контраста.

Принимая в качестве одного из критериев
оценки увеличивающих оптических приборов
разрешающую способность при наименьшем
контрасте, предпочтение следует отдать бинокулярному стереоскопическому микроскопу.

Таким образом, у каждого из сравниваемых
средств визуального контроля есть свои преимущества и недостатки: если система, в состав которой входит МБС, обладает более высокой разрешающей способностью, то работа
с проектором обеспечивает оператору больший психофизиологический комфорт.

Указанные особенности подтверждались
и при проведении эксперимента по качеству
слежения (экспериментальная задача состояла в визуальном прохождении условного лабиринта).

Условный лабиринт представляет собой
плоский объект, образуемый пятью пересекающимися линиями. Длина всех линий одинакова. Начало каждой линии обозначено цифрой, а их окончания — буквой (в отдельных
случаях, в целях исключения возможности угадывания, окончания некоторых линий не помечены буквами).

Испытуемые операторы выполняли задание при трех экспериментальных условиях:
а) с помощью МБС; б) с помощью ДОП; в) без
увеличивающего оптического прибора. Величина воспринимаемых объектов во всех экспериментальных условиях была одинакова.

При анализе учитывалась субъективная
оценка оператором условий наблюдения
в каждом варианте эксперимента. Напряженность функций зрительного анализатора при
выполнении задания оценивалась по показателям электрической чувствительности и скорости темновой адаптации.

Испытуемому предлагалось визуально проследить линии (лабиринты) на 11 объектах лабиринта. Каждый объект содержал по пять лабиринтов. Таким образом, испытуемый в один
сеанс прослеживал 60 линий. В ходе эксперимента регистрировались: время прохождения
лабиринта, количество ошибочных ответов
и отказов дальнейшего поиска.

Результаты исследований приведены в таблице 3.

Таблица 3. Время визуального прохождения
линии объекта в секунду
(усредненное для 10 объектов)

При анализе данных таблицы 3 становится
ясно, что время прохождения лабиринта возрастает по мере увеличения количества прослеженных объектов. Среднее время прохождения каждого объекта примерно одинаково
при всех трех условиях эксперимента. Но необходимо отметить, что, начиная со второго
объекта, время, затрачиваемое на визуальное
прохождение лабиринта, увеличивается неодинаково для разных условий эксперимента.
Наиболее резко оно возрастает при наблюдении объекта через микроскоп, а наименее —
при наблюдении без оптического прибора.
По итогам эксперимента отмечено, что средняя длительность прохождения лабиринта по
сравнению с исходными показателями возросла: при наблюдении без оптического прибора
в 2 раза, через проектор — в 2,6 и при наблюдении через микроскоп — в 4,7 раза.

Операторы при наблюдении через микроскоп
указывали на появление тяжести и тумана в глазах, что влекло за собой ошибку в восприятии
оттенка объекта. Причем частота ошибок возрастала по мере длительности эксперимента.

Результаты эксперимента позволили сделать следующие выводы:

• Использование оптических приборов МБС
  и ДОП создает затруднения при визуальном
  прослеживании линий объекта.
• Эти затруднения возрастают по мере увеличения длительности работы.
• Затруднения более выражены при работе
  с МБС.

Выраженные затруднения при работе с микроскопом, по-видимому, обусловлены возникающим при этом психофизиологическим
дискомфортом. Результаты исследования состояния зрительного анализатора подтвердили, что при работе с МБС действительно
создаются более трудные условия для функционирования зрительного анализатора по
сравнению с проектором. Поскольку между
степенью изменений функций и напряженностью работы существует определенная зависимость, можно утверждать, что зрительная деятельность оператора наиболее затруднена при работе с микроскопом.

Итак, применяемые в микроэлектронике
и микромеханике увеличивающие оптические
приборы — стереоскопический бинокулярный микроскоп и двумерный оптический проектор — существенно влияют на производительность труда операторов, что приводит
к увеличению числа ошибок и повышению
утомляемости.

Каждый из сравниваемых оптических приборов имеет свои недостатки (проекторы обладают меньшей разрешающей способностью,
а микроскоп создает бóльший психофизиологический дискомфорт), которые должны быть
учтены при выборе решений в технологии
и организации конкретного производства,
в частности, при организации и оборудовании
рабочих мест. В то же время, учитывая отмеченные выше недостатки обоих приборов, целесообразно интенсивно проводить поиск
принципиально новых средств визуального
контроля с использованием мощных видеотерминалов, устройств лазерной техники
и т. п. и особенно в области создания автоматизированных и роботизированных средств
визуального контроля.