CC BY
1729
УДК 621.3.019.3 Жаднов В.В.
МИЭМ НИУ ВШЭ
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ КОМПЛЕКТУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ БОРТОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Аннотация. Рассмотрены математические модели интенсивностей отказов элементов, применяемых в расчетах надежности бортовой электронной аппаратуры. Показана возможность применения моделей, приведенных в зарубежных стандартах, для прогнозирования надежности комплектующих элементов.
Ключевые слова. НАДЕЖНОСТЬ, БОРТОВАЯ АППАРАТУРА, ЭЛЕМЕНТЫ, ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ Исследование осуществлено в рамках «Программы фундаментальных исследований» НИУ ВШЭ в 2013 году. Справочник «Надежность ЭРИ» [1] является официальным документом Министерства обороны Российской Федерации и содержит сведения о моделях расчета (прогнозирования) надежности комплектующих элементов, применяемых при разработке (модернизации), производстве и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры.
В справочнике приведены математические модели эксплуатационной интенсивности отказов для следующих классов комплектующих элементов:
Интегральные микросхемы Полупроводниковые приборы
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы Изделия квантовой электроники
Генераторные, модуляторные, регулирующие лампы Газоразрядные приборы и высоковольтные кенотроны Трубки электроннолучевые приемные и преобразовательные Знакосинтезирующие индикаторы Приборы фотоэлектронные Приборы фотоэлектрические
Приборы пьезоэлектрические и фильтры электромеханические
Резисторы
Конденсаторы
Трансформаторы
Дроссели
Линии задержки
Лампы накачки
Источники высокоинтенсивного оптического излучения Компоненты волоконно-оптических систем передачи информации Коммутационные изделия Установочные изделия
Соединители низкочастотные и радиочастотные
Электровакуумные приборы и модули СВЧ
Приборы ферритовые СВЧ
Аппараты электрические низковольтные
Машины электрические малой мощности
Силовые полупроводниковые приборы
Кабели, провода и шнуры электрические
Химические источники тока
Лампы электрические
Соединения
Платы с металлизированными сквозными отверстиями
Модели расчета эксплуатационной интенсивности отказов распространяются на период постоянства интенсивности отказов во времени (см. рис. 1).
Рисунок 1. Типовая зависимость интенсивности отказов ЭРИ от времени
Описание математических моделей для расчета (прогнозирования) значений эксплуатационной интенсивности отказов включает в себя:
- аналитические выражения, показывающие зависимость базовой интенсивности отказов ЭРИ от учитываемых факторов.
- значения базовой интенсивности отказов ЭРИ;
- значения коэффициентов, входящих в модели прогнозирования эксплуатационной надежности ЭРИ, и аналитические выражения, показывающие зависимость этих коэффициентов от учитываемых факторов.
Значения эксплуатационной интенсивности отказов комплектующих элементов рассчитываются по математическим моделям, имеющим вид:
I
-п(к) (1)
i=i
где Аб - базовая интенсивность отказов, Ki - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов; I - число учитываемых факторов.
В справочнике [1] приведена следующая классификация коэффициентов, входящих в математические модели расчета интенсивности отказов ЭРИ (1):
Группа 1: коэффициенты, которые характеризуют зависимость интенсивности отказов от режимов
и условий эксплуатации, уровня качества производства ЭРИ (коэффициенты, общие для всех моделей).
Группа 2: коэффициенты, которые характеризует зависимость интенсивности отказов в заданных
условиях эксплуатации от конструкционных, функциональных и технологических особенностей ЭРИ (коэффициенты моделей конкретных классов ЭРИ).
Фрагмент таблицы характеристик коэффициентов моделей расчета интенсивности отказов ЭРИ приведен на рис 2.
Условные обозначения и названия коэффициентов моделей Факторы, учитываемые коэффициентами
Общие коэффициенты моделей
К„ (К,) - коэффициент Величина электрической нагрузки и (или) температура
режима окружающей среды (корпуса изделия)
Кгр - коэффициент приемки Степень жесткости требований к контролю качества л правила приемки изделий
Кэ - коэффициент эксплуатации Степень жесткости условий эксплуатации
КИ1, - коэффициент влияния ионизирующих излучений Степень жесткости внешних ионизирующих излучений
Рисунок 2. Общие коэффициенты моделей расчета интенсивности отказов
На рис. 3, в качестве примера, приведен фрагмент таблицы характеристик коэффициентов моделей расчета интенсивности отказов для класса «Интегральные микросхемы».
Условные обозначения и названия коэффициентов моделей Факторы, учитываемые коэффициентами
Коэффициенты моделей конкретных классов ЭРИ
Интегральные микросхемы
Кст Сложность ИС и температура окружающей среды
Kv Величина напряжения питания для КМОП микросхем
к»,. Тип корпуса ИС
Рисунок 3. Коэффициенты модели расчета интенсивности отказов для класса «Интегральные микросхемы»
Однако БЭА широко применяются комплектующие элементы иностранного производства (ИП) [2]. Поскольку основным потребителями таких элементов являются компании, работающие по стандартам США, то для расчета интенсивности отказов ЭРИ ИП применяется стандарт MIL-HDBK-217 [3], который является официальным документом Министерства обороны США и содержит сведения о моделях прогнозирования надежности ЭРИ ИП.
В стандарте приведены математические модели эксплуатационной интенсивности отказов вида:
I
1 = Ъ ПА) (2)
/ = 1
где Аь - базовая интенсивность отказов, п - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов; I - число учитываемых факторов.
Не смотря на то, что структура математических моделей (1) и (2) совпадает, между ними есть ряд отличий, которые затрудняют применение моделей (2) для расчетов надежности БА, разрабатываемой по Российским стандартам [4]. Рассмотрим главные из них.
Как уже отмечалось выше, модели справочника «Надежность ЭРИ» предназначены для расчета эксплуатационной интенсивности отказов, поэтому в нем приведены значения Аб для конкретных типов (типономиналов) ЭРИ (см. рис. 4).
Типсноминал ИС d, шт. ;.s-io6 1/ч Типономинал ИС d, шт. ;.6-ю6 1/ч
Микросхемы интегральные полупроводниковые цифровые
134ЛБ1А, Б 0,11 564ЛА9 0,043
134ТВ1 1 0,07 564ЛС2 2 0,12
164ЛА7 2 0,21 564ПУ4 1 0,21
169АА1 1 0,09 564РУ2А, Б 1 0,055
169АП2 2 0,16 565ИК02 2 0.055
170АА7 2 0,12 536БВ1А 2 6.7
530ПАЗ 1 0,097 700ЛП107-2 1 0,096
541РТ2 1 0,52 1533ЛА1 2 0,36
564ЦЕ19 8 0,13
Рисунок 4. Фрагмент таблица значений Аб
Значения Аб для каждого типа ЭРИ, приведенные в справочнике, рассчитаны по результатам их испытаний ЭРИ на безотказность.
В случае если типа ЭРИ в таблицах справочника не приведено, то расчет интенсивности отказов заменяется прогнозированием ее значения, при этом вместо Аб в модели (1) используется Аб.с.г. (базовая интенсивность отказов группы ЭРИ - см. рис. 5).
Характеристика надежности и справочные данные отдельных групп полупроводниковых приборов
Распределение отказов по видам, % к„„
Группа изделий d, шт. W106, 1/4 dx, шт. W108, 1/4 Кх внезапные посте- пенные приемка К3
обрыв короткое замыкание пробой парамет- рические 5 (ВП) 9 (ОС)
Приборы полупроводниковые, кроме приборов СВЧ диапазона
Диобы кремниевые:
диоды выпрямительные 55 0,091 0 0,0086 0,0009 0,2
диоды импульсные 27 0,025 3 0,002 0,0008 0,45
столбы выпрямительные 16 0,21 0 0,176 0,0084 0,35
варикапы подстроечные 16 0,022 0 0,002 0,0009 14 6 0,6
диодные сборки 0 0,008 1 0,088 0,011 0,45
Стабилитроны 30 0,0041 0 0,0056 0,0136 80 0,2 1,4
Ограничители напряжения 0,0043 - 0,0057 0,0132 - 0,2
Генераторы шума 0 0,086 0 0,009 0,001 0,2
Транзисторы биполярные кремниевые 54 0,044 6 0,013 0,003
Транзисторные сборки кремниевые 5 0,095 0,0007
Транзисторы полевые: кремниевые 29 0,065 0 0,007 0,0011 16 4 0,35
арсенидогаллиевые 14 0,578 0,0001
Тиристоры кремниевые 25 0,2 8 0,079 0,0039 15 3 82 0,2 1,6
Рисунок 5. Справочник «Надежность ЭРИ»: пример таблицы со значениями Аб.с.г.
Такой же подход используется в стандарте MIL-HDBK-217, в котором типы (типономиналы) ЭРИ не приводятся (см. рис. 6), т.е. значение Аь в модели (1) также представляет собой среднегрупповую интенсивность отказов.
Base Failure нахе - ^
Diode Туре/Application 4
General Purpose Analog .0038
Switching .0010
Power Rectifier, Fast Recovery .069
Power Rectlfler/Schottky .0030
Power Diode
Dmuar DeHiliAr uitth ЛПСЛУ
High Voltage Stacks Junction
Transient Suppressor/Vanstor .0013
Current Regulator .0034
nnon
Reference (Avalanche
and Zener)
Рисунок 6. MIL-HDBK-217: пример таблицы со значениями Аь
Очевидно, что использование Аб.с.г. (Аь) не только снижает точность расчетной оценки интенсивности отказов, но и требует дополнительно идентифицировать тип ЭРИ в соответствии с классификацией того или иного стандарта, чтобы выбрать требуемую математическую модель интенсивности отказов.
Еще одним отличием, которое может вызвать определенные трудности, является определение численного значения коэффициента пЕ, который учитывает степень жесткости условий эксплуатации и показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭРИ в аппаратуре конкретного класса (группы эксплуатации) выше при всех прочих равных условиях, чем в наземной стационарной аппаратуре [5,6] . Это связано с тем, что классификации групп эксплуатации в ГОСТ РВ 20.39.304 [7] и в MIL-HDBK-217 не совпадают.
Так, например, в ГОСТ РВ 20.39.304 группа эксплуатации 3.2 «Аппаратура дозвуковых самолетов», к которой относится БЭА мониторинга распределенных систем, подразделяется на 7 подгрупп, в зависимости от зон самолета (зоны А-Ж на рис. 7), в которых она располагается.
Рисунок 7. Зоны размещения аппаратуры
В стандарте же MIL-HDBK-217 аналогичная группа (Ac) подразделяется всего на 2 подгруппы Aic
и Auc •
Вместе с тем, в справочнике «Надежность ЭРИ» для всех 7 подгрупп группы 3.2. для класса «Интегральные микросхемы» приведено лишь одно значение Кэ (см. рис. 8), в то время как в MIL-HDBK-217 для того же класса приведены значения пЕ для каждой из подгрупп (см. рис. 9)
Значения коэффициента жесткости условий эксплуатации Кэ для интегральных микросхем
Значения Кэ по группам аппаратуры ГОСТ РВ 20.39.304-98
1.1 1.2 1.3- 1.10 2.1.1, 2.1.2, 2.3.1, 2.3.2 2.1.3, 2.3.3 2.1.5, 2.3.5 2.2, 2.4, 2.1.4, 2.3.4 3.1 3.2 з.з, 3.4 4.1-4.9 | 4.6 в условиях 5.1, 5.2
запуск ка свободного полета брею- щего полета
1 1,2 1,5 1,8 2,5 3 2,5 4 1,7 5 7 2 3 1
Рисунок 8. Справочник «Надежность ЭРИ»: пример таблицы со значениями Кэ
Environment Factor - Ж£
Environment *E
.50
Gp 20
Qm 4.0
NS 4.0
Ny 6.0
AIC 4.0
% 5.0
Auc 5.0
auf 8.0
8.0
SF .50
Mp 5.0
ml 12
CL 220
Рисунок 9. MIL-HDBK-217: пример таблицы со значениями пЕ
Отчасти эта проблема разрешена в справочнике «Надежность ЭРИ ИП» [8], в котором приведены значения Кэ для следующих классов ЭРИ иностранного производства:
Интегральные микросхемы Полупроводниковые приборы
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы Резисторы
Конденсаторы
Трансформаторы, катушки индуктивности
Коммутационные изделия
Соединители
Реле
Лампы электрические Приборы пьезоэлектрические Установочные изделия
Пример таблицы значений коэффициента пе(Кэ) для класса «Интегральные микросхемы» иностранного производства для классификации групп эксплуатации по ГОСТ РВ 20.39.304 приведен на рис. 10.
Значения коэффициента жесткости условий эксплуатации Кэ для интегральных микросхем
Значения Кэ по группам аппаратуры ГОСТ РВ 20.39.304-98
1.1 1.2 1.3- 1.10 2.1.1, 2.1.2, 2.3.1, 2.3.2 2.1.3, 2.3.3 2.1.5, 2.3.5 2.2, 2.4, 2.1.4, 2.3.4 3.1 3.2 3.3, 3.4 4.1-4.9 | 4.6 в условиях 5.1, 5.2
запус- ка свобод- ного полета брею- щего полета
0,5 2 4 4 6 6 6 8 4 5 12 5 5 0,5
Рисунок 10. Справочник «Надежность ЭРИ ИП»: пример таблицы со значениями пе(Кэ)
Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение модели (2) хотя и дает большую погрешность из-за погрешности оценки значений Аь и пЕ по сравнению с моделью (1), но вполне допустимо для расчетов эксплуатационной интенсивности отказов комплектующих элементов БЭА. Впрочем, если принять во внимание, что последняя редакция справочника [1] датируется 2006 г., то погрешность эта не столь велика, т.к. типономиналы современных ЭРИ российского производства (и, соответственно, их Аб) отсутствуют в этом справочнике, а расчет интенсивности отказов таких ЭРИ заменяется ее прогнозированием с использованием значения Аб.с.г. .
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник «Надежность ЭРИ». - М.: МО РФ, 2006.
2. Абрамешин, А.Е. Информационная технология обеспечения надёжности электронных средств
наземно-космических систем: научное издание. / А.Е. Абрамешин, В.В. Жаднов, С.Н. Полесский;
отв. ред. В.В. Жаднов. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2012. - 565 с.
3. MIL-HDBK-217F. Reliability prediction of electronic equipment.
4. Жаднов, В.В. Прогнозирование безотказности микросхем для военной и аэрокосмической электроники. / В.В. Жаднов, С.Н. Полесский, С.Э. Якубов. // Электронные компоненты. - 2007. - № 3.
- с. 39-48.
5. Жаднов, В.В. Особенности конструирования бортовой космической аппаратуры: учеб. пособие. / В.В. Жаднов, Н.К. Юрков. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 112 с.
6. Юрков, Н.К. Основы теории надежности электронных средств : учеб. пособие / Н.К. Юрков,
А.В. Затылкин, С.Н. Полесский, И.А. Иванов, А.В. Лысенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - 100 с.
7. ГОСТ РВ 20.39.304-98. КСОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к стойкости внешних воздействующих факторов.
8. Справочник «Надежность ЭРИ ИП». - М.: МО РФ, 2006.
