CC BY
168
УДК 621.396.6
Артюхова М.А., Полесский С.Н.
Высшая школа экономики Национальный исследовательский университет, Москва, Россия ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Данное научное исследование (№15-05-0 02 9) выполнено при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2 015 г.
По стандарту ГОСТ 27.002-89 [1] надежность -это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Способность объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки называется безотказность. Одним из показателей безотказности является интенсивность отказов (ИО) - это
Электрические параме
условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник.
Наработка до отказа - наработка объекта от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.
Расчет показателей надежности является одним из обязательных мероприятий, предусмотренных в ГОСТ РВ 20.39.302-98 [2].
В качестве примера для исследования моделей ИО полупроводниковых приборов рассмотрена технологическая группа «кремниевый выпрямительный диод» тип элемента «Д231», который предназначен для преобразования переменного напряжения с частотой 1,1 кГц в постоянное. В таблице 1 приведены электрические параметры диода Д231 при нормальных условиях из ТУ [3]. тры диода по ТУ [3] Таблица 1
Тип диода Предельные значения параметров при Т=25°С Значения параметров при Т=25°С Тк.макс (Тп.), °С
иобр.макс. (иобр.и.макс.),Б (1Рпр.и.макс.), А 1пРг. , А f раб • ( f макс .), кГц ипр., B при Мпр. , A мА
Д231 (300) 10,0 100 1,1 1,0 10,0 3,0 130
В таблице 1 приведены следующие сокращения: иобр.жакс - максимально-допустимое постоянное обратное напряжение диода; ^ер.и.^кс.- максимально-допустимое импульсное обратное напряжение диода; I пр^акс. - максимальный средний прямой ток за период; ^р.и.^кс. - максимальный импульсный прямой ток за период; 1прг. - ток перегрузки выпрямительного диода; - максимально-допустимая частота переключения диода; - рабочая частота переключения диода; ипр. при 1пр. - постоянное прямое напряжения диода при токе 1пр; 1обр. -постоянный обратный ток диода; Тк.макс. - максимально-допустимая температура корпуса диода.
Габаритный чертеж диода «Д231» приведен на рисунке 1.
_, ___1Г,ш
На рисунке 2 приведено распределение отказов по видам. Как видно, основная часть отказов (около 80%) приходится на постепенные (параметрические) отказы (по данным справочника «Надежность ЭРИ», редакции 2006 г. [4]). Все виды отказов присущие выпрямительным диодам учитываются в базовой интенсивности отказов (см. таблицу 2).
Рисунок 1 - Габаритный чертеж диода Д231
_Характеристики надежности
Рисунок 2 - Диаграмма распределения отказов по видам для выпрямительных диодов
В таблице 2 приведены характеристики надежности и справочные данные на диод Д231 [4], такие как базовая интенсивность отказов (Аб), минимальная наработка во всех режимах допускаемых по ТУ и в облегченном режиме (Тн.и), гамма-процентный ресурс (Тр.у), срок хранения (Тхр). и справочные данные_Таблица 2
Изделие Аб-106, 1/ч ТН.и, тыс. ч Тр.у, тыс. ч (у=95%) Тхр., лет
Во всех режимах, допускаемых ТУ В облегченном режиме
Д231 0,1 25 40 50 25
Математическая модель для расчета эксплуатационной ИО диодов, согласно справочнику [4], имеет вид:
лэ = Яб -Кр • Кф • Кэ • Кэ • КПр (1)
где: Аб - базовая интенсивность отказов, 1/ч.; Кр - коэффициент режима, отн. ед.; Кпр - коэффициент приемки, отн. ед.; Кэ - коэффициент экс-Значения коэффициентов для диода
плуатации, отн. ед.; Кф - коэффициент, определяемый функциональным назначением прибора, отн. ед.; К3 - коэффициент, определяющий отношение рабочего напряжения к максимально допустимому напряжению по ТУ, отн. ед.
По справочнику [4] определяем значения коэффициентов модели (1) (см. таблицу 3).
«Д231»_Таблица 3
№ п.п Обозначение коэффициента Условия расчета Значение
1 Яр Ь=25 °С, 1раб/1макс=0,5 0,1486
2 Кпр Уровень качества «ВП» 1
3 Кэ Группа эксплуатации 1.1 по ГОСТ РВ 20.39.304-98 1
4 Кф Функциональный режим работы: аналогового сигнала 1,5
5 К3 (иобр.раб/Цраб.макс )'100% = 50% 0,7
Теперь для сравнения проведем оценку ИО по другим справочникам: «Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment
MIL-HDBK-217F (далее в тексте 217F)», «Handbook of 217PlusTM Reliability Prediction Models (далее в тексте 217Plus)».
Математическая модель интенсивности отказов по 217Е [5]:
Лр = (2)
где: Ль - базовая интенсивность отказов, для выпрямительных диодов равна 0, 0038-10-6 1/ч, пт - коэффициент режима, отн. ед.; пд - коэффициент электрической нагрузки, отн. ед.; пс - ко-
Значения коэффициентов модели (2) для диода «Д231»
эффициент, зависящий от конструкции контактов, отн. ед.; пд - коэффициент влияния качества изготовления, отн. ед.; пЕ - коэффициент жесткости условий эксплуатации, отн. ед.
Значения коэффициентов модели (2) приведены в таблице 4.
Таблица 4
В п.п. Обозначение коэффициента Условия расчета Значение
1 пт Температура окружающей среды - 25 ос, температура перехода - 60 °С 0,0455
2 ns Шобр.раб/ираб.макс^0,5 0,19
3 nQ Уровень качества «^ДОТХ» 1
4 пЕ Группа эксплуатации 1.1 по ГОСТ РВ 20.39.304-98 1
5 Пс Контакты паяные 1
Математическая модель ИО по 217Plus [6]: Л-р = (Лов • пвсо • Щ0 • % + ЛЕВ • • жТЕ + Лтсв • жсн • ттОТ+ЛЯ/В-ттЯ/ОТ+ЛЕ0—10-6 (3)
где: Лов - базовая рабочая интенсивность отказов, АЕв - базовая интенсивность отказов, зависящая от условий эксплуатации, Лтсв - базовая интенсивность отказов, учитывающая температурную цикличность, Лздв - базовая интенсивность отказов паянного соединения, ЛЕоз - интенсивность отказов при электрической перегрузке, пе - коэффициент, зависящий от года производства, пвсо - коэффициент интенсивности эксплуатации, пд - коэффициент электрической нагрузки, пвсы -коэффициент учитывающий соотношение интенсивность эксплуатации - состояние покоя, пто - коэффициент рабочей температуры, птЕ - коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды, пск - коэффициент интенсивности циклов, пвт -коэффициент, учитывающий разницу температур, пздвт - коэффициент, учитывающий разницу температур паянного соединения.
Коэффициент пе рассчитывается как: ПС = е(-Р(У-1993)) где р - константа, зависит от типа диода; год производства диода.
Коэффициент пвсо рассчитывается как:
пто = ехр
-Еа„
>0.00008617 \ТА0 + Гц + 273 298/ I
где: Еаор - рабочая энергия активации, зависит от типа диода; Тк - величина превышения рабочей температуры ТАо.
Коэффициент пд рассчитывается как:
где: Vs=Upa6/U,
0.185
Коэффициент nBCN рассчитывается как: _ 1 -DC KDCN = -рё—
Коэффициент nTE рассчитывается как:
кТЕ = ехр
-Еа„
V
0.00008617 \ТАЕ + 273 298/ I
состоянии по-
где: Еапопор - энергия активации коя, зависит от типа диода.
Коэффициент пск рассчитывается как:
KCR = "
CR
Ш
Y
Коэффициент пВт рассчитывается как: _ (Тар + tr - Tai Пвт = 1 DT1
Коэффициент nSJBT рассчитывается как:
nDC0 =
DC DC1
nS]DT =
Тао + TR Т,
'АЕ
44
Коэффициент пт0 рассчитывается как:
Значения базовых ИО по [6] для выпрямительного диода приведены в таблице 5. Рассчитанные коэффициенты модели (3) приведены в таблице 6. Значения базовых интенсивностей отказа для выпрямительного диода Таблица 5
AOB Aeb ATCB ASJB AE0S
0,0000616 0,0000308 0,000098 0,00021 0,00036
Значения коэффициентов для выпрямительного диода
Таблица 6
В Обозначение Условия расчета Значение
п.п. коэффициента
1 nG В=0,223 Y=2014 0,0093
2 ПВС0 вс1=0,23 0,625
3 Пто Еаор=0,3 тк=150 ос 0,031
4 ns ^3=ираб/иыом=0,5 1
5 nDCN вс1=0,7 7 0,6
6 ПТЕ Еапопор=0,4 1
7 nCR сЯ1=7 3 6, 8 4 0,5
8 ПВТ вт1=80 0,0039
9 nSJBT тк=60 оС Рабочая температура ТАо=50 ос Температура в режиме покоя ТАЕ=25 ос 4,42
В таблице 7 приведены результаты расчета ИО по приведенным выше моделям (1) -(3), при это все условия расчета взяты одинаковые.
Как видно из таблицы 7, расхождение в результатах вполне закономерно: справочник «Надежность ЭРИ» редакции 200 6 г., предназначенный для оценки надежности изделий военной техники и специального назначения, дает заведомо завышенную ИО по сравнению с американским стандартом 217Е. Значение, полученное по справочнику 217Plus, является самым маленьким, так как модель (3) позволяет получить значение, наиболее приближенное к реальному в связи с учетом помимо условий применения и циклограммы работы -
Результаты расче
это режимов работы, хранения и ожидания, что и приводит к большому различию значений ИО.
Анализируя полученные результаты расчета ИО, видно, что значения, полученные по справочникам «Надежность ЭРИ» [4] и 217Е [5] дали расхождение в два порядка: Лэ1 / Лэ2 = 7,37
В то же время, расхождение между значениями ИО, полученными по 217Е [5] и 217Plus [6] всего в 2 раза: Лэ2 / Лэ3 = 1,68
Данный результат согласуется с исследованиями, проведенными Корейским обществом «Управления качеством ЭКБ» и опубликованном в [7] и говорит о существенном «плохой» надежности российской электроники. та ИО Таблица 7
«Надежность ЭРИ» 217F 217Plus
Эксплуатационная интенсивность отказов, 10 6 1/ч 0,016 0,00217 0,00129
1,ВОЕ-ОВ
S..O0E-09 -
б,ООЕ-Ч>9 -
4.00Е-09 -2..00Е-09 0,ООЕ+00 +-
toi
Аэ2
ХэЗ
Рисунок 3
Сравнение эксплуатационных ИО диода «Д231»: АЭ1 - по справочнику «Надежность ЭРИ», ЛЭ2 - по 217F, Аэз - по 217Plus
Проведенный анализ моделей оценки интенсивности отказов с использованием различных справочных материалов: отечественного справочника «Надежность ЭРИ» и американских стандартов «Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment MML-HDBK-217F» и «Handbook of 217Plus™ Reliability Prediction Models» на примере выпрямительного диода типа «Д231» показал, что расчет, проведенный по справочнику
«Надежность ЭРИ» редакции 2006 г. позволяет получить нижнюю оценку такого показателя безотказности как вероятность безотказной работы и средней наработки до отказа. Для получения более точной оценки имеет смысл пользоваться моделью, приведенной в 217Plus [6].
Данный вывод правомерен для всей технологической группы «Кремниевый выпрямительный диод» класса «Полупроводниковые приборы».
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения.
2. ГОСТ РВ 2 0.39.302-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к программам обеспечения надежности и стойкости к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений.
3. 362.018 ТУ ред. 2-70.
4. Справочник «Надежность электрорадиоизделий» редакции 2006. 2006, - с. 641.
5. Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment MIL-HDBK-217F. Department of Defense Washington DC, 1991, - p. 205.
6. Handbook of 217PlusTM Reliability Prediction Models. Reliability Information Analysis Center, 2006, - p. 182.
7. Шибанов С.В. Обзор современных методов интеграции данных в информационных системах / Шибанов С.В., Яровая М.В., Шашков Б.Д., Кочегаров И.И., Трусов В.А., Гришко А.К. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 292-295.
8. Стюхин В.В. САПР в расчёте и оценке показателей надёжности радиотехнических систем / Стюхин В.В., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 287-289.
9. Sensitivity Analysis of the 217Plus TM Component Models for Reliability Prediction of Electronic. Journal of the Korean Society for Quality Management / v.39 no.4, 2011, pp.507-515.
УДК 615.035.4
Яковлев И.П., Царенко А.B., Полесский С.Н.
МИЭМ НИУ ВШЭ «Московский институт электроники университет высшая школа экономики», Москва, Россия
математики Национальный исследовательский
ВЫБОР МОДЕЛИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ПРОГРАММЫ АНАЛИЗА МЕТОДА РЕШЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЗАДАЧ
Введение
Надежность является одним из основных критериев оценки качества программного обеспечения. Надёжностью программы является свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение эксплуатационных показателей в установленных пределах, соответствующих режимам и условиям эксплуатации. Для достижения необходимой надежности в информационных системах могут быть использованы различные средства и методы. Для каждого программного обеспечения предполагается свой собственный уровень допустимой надежности, так как последствия ошибок работы в
программе могут существенно различаться.
Проверка надежности реализуется нами для оптимизации работы программного обеспечения, разрабатываемого для логистической сферы. Эта программа позволяет упростить оценку транспортировки грузов с помощью нахождения оптимального пути перевозки на основе транспортной задачи различными методами.
Понятие надежности программного обеспечения
Каждое ПО обладает понятием жизненного цикла, который состоит из 6 основных этапов.
1. Анализ системных требований.
2. Определение спецификаций.
3. Моделирование алгоритмов.
4. Кодирование (программирование).
5. Комплексное или автономное тестирование.
6. Использование ПО и его сопровождение.
В любом из этапов жизненного цикла программного обеспечения существует возможность возникновения ошибки в ПО, которые негативно сказываются на надёжности.
Основные показатели надежности ПО:
1. Ошибка в программе находится пользователем, если
- при кодировании возникает ошибочный операнд или операция;
- появляется несоответствие функций ПО требованиям спецификаций;
- существует ошибка в спецификации, которая требует исправления ПО;
- возникает ошибка в расчётах;
и
1BS
