CC BY
102
УДК 658.512
Семенцов С.Г., Гриднев В.Н., Сергеева Н.А,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫМИ МЕТОДАМИ
Статья посвящена анализу особенностей теплового контроля узлов электронной аппаратуры, обобщению мирового опыта теплового контроля сложных с точки зрения излучательных характеристик объектов, в частности контроля электронных изделий. Предложены новые способы преодоления трудностей при тепловом контроле сложных объектов. Рассмотрены методы оценки температурных режимов и их влияние на надежность изделий электронной техники. Проведен анализ отказов элементов, возникающих из-за нарушения теплового режима, показаны возможные причины их возникновения. Указаны преимущества методов бесконтактной теплови-зионной диагностики, продемонстрирована применимость этих методов для выявления скрытых дефектов. Ключевые слова:
тепловизор, ИК термография, скрытые дефекты, параметрические отказы.
Введение
Бесконтактный тепловой метод контроля представляет собой эффективное средство оперативного диагностирования электронной техники. По сравнению с традиционными методами контроля тепловых полей бесконтактный тепловой метод имеет ряд преимуществ, среди которых безусловными преимуществами являются бесконтактность и оперативность. В связи с этим бесконтактный тепловой метод контроля находит широкое применение на предприятиях, для которых характерна высокая интенсивность производства, в том числе на предприятиях крупнейших мировых производителей электронно-вычислительных средств (ЭВС). Бесконтактный тепловой контроль включается в системы контроля качества готовых изделий, используется на этапе производства и этапе разработки электронных изделий [1].
В зависимости от объекта исследования тепловые методы контроля для каждого случая имеют ряд своих особенностей, связанных с физическими принципами самого контроля, поэтому при его внедрении необходимо тщательно анализировать характерные черты объекта для получения достоверных результатов контроля. В данной работе выделяются и подробно рассматриваются особенности электронной аппаратуры (ЭА) как объекта теплового контроля, а также даются рекомендации по их учету. Вопросы тепловизионного неразрушающего контроля изделий электронной техники рассмотрены в ряде работ [2, 3] . В них отмечено, что главными проблемами, связанными с тепловым контролем ЭА, являются: учет влияния излучательной способности, проблема моделирования работы устройства, а также проблема выбора подходящего оборудования теплового контроля. На основе выделяемых особенностей и рекомендаций по их учету возможно составление корректных с точки зрения теплового контроля методик проведения диагностики ЭА с помощью теплового метода.
1 Модель интенсивности отказов компонентов в зависимости от температуры
Обеспечение качества и надежности ЭА требует комплексного подхода. Надежность изделий электронной техники на уровне отдельных плат, модулей и ячеек в значительной мере определяется надежностью используемой элементной базы, т.е. электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и режимами их работы, соблюдением технологии сборки и качеством используемых материалов.
Отказы ЭРЭ бывают постепенными (параметрическими) и внезапными. Причиной параметрических отказов являются медленно протекающие процессы внутри ЭРЭ. Следствием этих процессов может стать изменение параметров ЭРЭ, которое в свою очередь может повлечь за собой выход параметров за пределы, установленные в техническом задании. Обычно возникновение параметрических отказов -это медленный процесс, который вызван такими физико-химическими факторами, как старение и износ. В большинстве случаев закон постепенных отказов известен, либо может быть выведен экспериментально. Тем не менее, в ряде случаев изменение параметров компонентов может повлечь за собой возникновение внезапного отказа, приобретая, таким образом, случайный характер. Важным
вопросом при исследовании надежности ЭРЭ является поиск законов, по которым те или иные факторы воздействуют на параметры компонентов [4].
Кроме того, причинами внезапных и параметрических отказов могут также быть скрытые дефекты в ЭРЭ, нарушения технологии сборочных операций.
Тепловой режим электронных изделий - один из определяющих факторов их надежности. Зачастую внезапные и параметрические отказы связаны с термическим разрушением или перегревом элементов, нарушением теплового режима модуля или ячейки. При этом входной контроль ЭРЭ не всегда может обеспечить надежность работы всего модуля, поскольку не учитывает разброс параметров элементов обвязки, колебаний питающих напряжений и т.д. [5-8]. Выходной же контроль готовых модулей сводится, как правило, к измерениям заданных параметров (токов, напряжений) в контрольных точках. В то же время при наличии скрытых дефектов параметрические или внезапные отказы, связанные с перегревом, могут возникнуть даже в номинальных режимах работы модуля.
Основные положения теории надежности рассмотрены в [9]. Зависимость интенсивности отказов компонентов от температуры для случая, когда отказ вызывается термически активируемыми процессами, характеризуется тем, что компонент имеет запас прочности АХ при данной нагрузке по параметру X , а уменьшение запаса прочности происходит вследствие протекания какого-либо термически активируемого процесса. Компонент откажет, когда запас прочности АХ уменьшится до нуля. При этом наработка до отказа компонента определится отношением [9]:
АХ
'V
(1)
где Гц - скорость уменьшения запаса прочности.
Усредняя наработки до отказа множества компонентов данного типа, работающих при одинаковых нагрузках, получаем среднюю наработку до отказа:
г =АХр,
ср Кп
где АХ - средний запас прочности компонентов. В соответствии с формулой (1) получим:
X = 1 = - ГП
к
ср
АХ ср АХ ср
Таким образом, с увеличением температуры интенсивность отказов экспоненциально возрастает. На практике отказ компонента может определяться многими термически активируемыми процессами. При этом экспоненциальный характер зависимости интенсивности отказов от температуры сохраняется [9].
На рисунке 1 представлена общая схема формирования отказа изделия, когда протекание, например, различных процессов повреждения компонентов изделия приводит к изменению во времени выходного параметра У . Отказ возникает при достижении параметром своего предельно допустимого значения У , что происходит через некоторый случайный
промежуток времени работы изделия.
П
кТ .
е
Рисунок 1 - Схема формирования отказа ЭРЭ
На рисунке показаны основные этапы формирования закона распределения у(/) . Сначала имеет
место рассеивание параметров изделия у (О) относительно своего математического ожидания а0• Это
связано как с рассеиванием значений начальных показателей нового изделия, так и с возможностью его работы при различных режимах (действии вибраций, тепловых полей и т.п.), которые проявляются сразу же при работе изделия. Далее на ухудшение параметров изделия в процессе эксплуатации влияют медленно протекающие процессы деградации (старения) компонентов [10]. В общем случае процесс изменения параметра У может начаться через некоторый промежуток времени Тв , который также
является случайной величиной и связан с накоплением повреждений и действием внешних дестабилизирующих факторов. Процесс изменения параметра
У
со скоростью у также является случайным и
зависит от изменения повреждении отдельных компонентов изделия ...у^.) •
В результате всех этих явлений происходит формирование закона распределения у (У ^' который определяет вероятность выхода параметра У
границу
у„.
вероятность отказа
р(') =Р(') •
Данная схема в общем виде иллюстрирует модель процесса возникновения отказа и при частных значениях входящих параметров отказов изделия [9]. Так, если процесс изменения параметра У начина-
ется сразу ( Т = 0
то получается схема возник-
новения параметрического постепенного отказа. Если в процессе формирования отказа основную роль играет возникновение (зарождение) процесса повреждения, т.е. функция у(Т) , а затем процесс
протекает с большой интенсивностью у (/то
это модель внезапного отказа.
2 Анализ особенностей методики бесконтактного теплового контроля ЭА
Бесконтактный тепловой контроль для поиска неисправностей в электронных устройствах во многих случаях является конкурентом классическому методу контроля с помощью измерения электриче-
ских параметров схемы. Бесконтактный метод является источником более достоверной информации об исследуемом объекте. Отсутствие прямого контакта с исследуемым объектом позволяет избежать искажений его температурных и электрических характеристик.
Бесконтактный тепловой метод контроля является более оперативным. С помощью этого метода можно оценить тепловое поле исследуемого объекта в целом, так как имеется возможность одновременного измерения в большом количестве точек, с пространственным разрешением, ограниченным только волновым пределом. В то же время для поиска неисправности классическим методом необходимо просмотреть множество узлов, прежде чем будет найден узел с отклоняющимися характеристиками. Кроме того, даже после того как найден узел с неисправностью, необходимо проанализировать множество компонентов, связанных с данным узлом, для локализации конкретного неисправного компонента. При использовании же тепловизора на экране неисправный компонент будет сразу виден по тепловой аномалии в термограмме. Кроме того, тепловой метод более эффективен при обнаружении компонентов со скрытыми дефектами, так как такие компоненты могут не оказывать влияния на электрические характеристики схемы, однако через некоторое время выйти из строя.
С помощью бесконтактных методов контроля можно диагностировать объекты с геометрическими размерами, соизмеримыми с длиной волны того диапазона, в котором работает приемник тепловизора. В то время как максимальное «разрешение» контактных датчиков обычно около 1 мм.
При всех очевидных преимуществах бесконтактного метода теплового контроля существует ряд особенностей применения этого метода в сфере производства ЭА. В современной электронной промышленности преобладает тенденция к микроминиатюризации. Современные электронные изделия -сложные системы, состоящие из очень большого числа разноразмерных компонентов (в том числе и очень маленьких), изготовленных из различных материалов, размещенных с большой плотностью. Различные материалы имеют различные коэффициенты излучения, а высокая плотность упаковки деталей становится причиной усиления эффекта взаимоотражений внутри исследуемого объекта.
При всей сложности изделий электроники как объекта теплового контроля, при большой плотности упаковки и маленьких размерах контролируемых элементов на первый план выходят технические характеристики используемого измерительного оборудования. Правильный выбор измерительного оборудования имеет решающее значение для получения достоверных данных при организации процедуры теплового контроля.
Важнейшей характеристикой тепловизоров, применяемых для бесконтактного контроля, является рабочий спектральный диапазон: от 3 до 5 или от 8 до 13 мкм [1]. Каждый из этих диапазонов имеет свои особенности и несет значительный объем диагностической информации. Важнейшими критериями выбора наиболее информативного диапазона являются: коэффициенты излучения объектов контроля, мощность излучения объектов, тепловой контраст, характеристики приемников излучения.
Энергия инфракрасного излучения, испускаемого объектом при заданной температуре, наиболее велика, когда коэффициент излучения объекта близок к единице (черные тела). Многие материалы имеют изменяющийся по спектру коэффициент излучения (например, он может варьироваться от 0,3 до 0,9 в пределах одной электронной ячейки), и поэтому существуют области длин волн, в которых значения коэффициента излучения более благоприятны для проведения измерений. Рассмотрев кривые изменения спектрального коэффициента излучения данного материала, можно сделать вывод об эффективности использования того или иного диапазона.
Термографические исследования поверхностей материалов, коэффициент излучения которых меньше 0,2 (полированные металлы), практически невозможны. Данная ситуация очень часто встречается при исследованиях изделий электроники, где многие компоненты заключены в металлические корпуса. В этом случае для выравнивания коэффициента излучения часто применяют чернение поверхностей металлов.
При выборе спектрального диапазона важным критерием является температура исследуемых объектов. Средневолновой инфракрасный диапазон более информативен при исследовании объектов, имеющих более высокую температуру, а длинноволновой диапазон - для исследований объектов с температурой ниже 80 - 100 °С, которая более характерна для элементов не силовой электроники.
Следующим фактором, определяющим выбор спектрального диапазона, является тепловой контраст. Понятие теплового контраста связано с возможностью различить две зоны объекта, характеризующиеся разными температурами или разными коэффициентами излучения. Этот критерий определяет дифференциальную чувствительность тепловых измерений. Для малых разностей температур или коэффициентов излучения спектральный диапазон от 3 до 5 мкм обеспечивает примерно в 2,2 раза более высокую дифференциальную чувствительность, чем диапазон от 8 до 13 мкм.
Характеристики приемника излучения определяют геометрическую и температурную разрешающие способности. Максимальное геометрическое разрешение современных тепловизоров составляет 1024 х 1024 точек, хотя более распространенными остаются модели с разрешением 640 х 480. Такое разрешение часто не позволяет визуализировать мелкие детали электронных устройств, например, распределение тепла на выводах микросхемы.
Высокое разрешение по температуре позволяет выделить наиболее нагретые части корпуса элемента или выявить незначительный нагрев элементов относительно температуры окружающей среды. В настоящее время существуют тепловизоры с температурной разрешающей способностью менее 0,02 °С, и такое значение можно считать достаточным для контроля широкого спектра изделий электронной техники.
Рисунок 2 - Стенд контроля и термограмма ячеек переключателей автомобильной охранной сигнализации, наглядно отражающая локальный перегрев микросхемы
Метод бесконтактного теплового контроля се- мерам пришли более компактные высокочувствитель-
годня применяется в области электронных ные модели тепловизоров, этот метод хорошо за-
устройств в двух качествах: рекомендовал себя как высокоэффективный способ
- активный тепловой контроль - вид неразру- оперативной диагностики тепловых полей электрон-шающего контроля для поиска дефектов в материа- ных изделий и с успехом начал применяться в элек-лах; для поиска дефектов применяется внешняя тронной промышленности на разных этапах жизнен-стимуляция объекта контроля тепловыми импуль- ного цикла продукции.
сами, после чего по прошествии заданного времени Для того чтобы результаты теплового диагно-
снимается термограмма, на которой температурный стирования изделий электроники и их компонентов
сигнал от внутреннего дефекта достигает макси- были наиболее достоверными и информативными,
мума; важной задачей является разработка такой мето-
- пассивный тепловой контроль - способ визу- дики проведения экспериментов и анализа резуль-ализации тепловых полей готовых изделий в есте- татов, которая в каждом случае максимально учи-ственных условиях работы; в области производства тывает все параметры и характеристики исследуе-электронной аппаратуры применяется чаще; исполь- мого объекта, отвечает целям и задачам диагно-зуется для визуализации тепловых полей готовых стирования. Немаловажной задачей также является изделий для поиска неисправностей и скрытых де- подбор оборудования в комплексе с программным фектов. обеспечением, которые позволят достичь постав-
На рисунках 2 и 3 в качестве примеров пред- ленных целей диагностирования, ставлены объекты бесконтактного теплового кон- Возможности бесконтактного теплового метода
троля и результаты контроля в виде термограмм с диагностики и поиска скрытых дефектов, без-
нанесенными температурными флажками в критичных условно, шире рассмотренной в настоящей работе
с точки зрения теплового поля местах. области. Подобные методы все чаще находят при-
Эксперименты проводились в лаборатории ка- менение в микро- и наноэлектронике, силовой
федры «Проектирование и технология производства электронике и энергетике. Но следует отметить,
ЭА» МГТУ им. Н.Э. Баумана. что на данный момент наибольшее применение ме-
Заключение тоды бесконтактного теплового контроля находят
Бесконтактный тепловой контроль обладает ря- за рубежом [11-13]. Поэтому одной из задач дан-
дом преимуществ по сравнению с контактным кон- ной работы было привлечение внимания отечествен-
тролем. С развитием тепловизионной техники, ко- ных специалистов к возможностям бесконтактных
гда на смену громоздким и малочувствительным ка- методов теплового контроля в решении задачи повышения надежности ЭА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Неразрушающий контроль. Справочник. В 7 т.; Т. 5. Тепловой контроль; под ред. В.В. Клюева. М: Машиностроение, 2004. 688 с.
2. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств / С.П. Панфилова, А.И. Власов, В.Н. Гриднев, А.С. Червинский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 6. С. 1-9.
3. Бесконтактный тепловой контроль изделий электронной техники / С.П. Панфилова, А.И. Власов,
B.Н. Гриднев, А.С. Червинский // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. 2007. № 3. С. 25-32.
4. Системы обеспечения функциональной надежности технологических процессов с помощью активного гашения акустических полей / С.Г. Семенцов, Е.В. Юркевич, Т.Е. Воронцова // Надежность. 2012. № 2.
C. 56-64.
5. Маркелов В.В. Визуальные методы системного анализа при управлении качеством изделий электронной техники / В.В. Маркелов, А.И. Власов, Э.Н. Камышная // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 1. С. 145-149.
6. Маркелов В.В. Управление и контроль качества изделий электронной техники. Семь основных инструментов системного анализа при управлении качеством изделий электронной техники // Датчики и системы. 2014. № 8 (183). С. 55-66.
7. Маркелов В.В. Автоматизация одноступенчатого контроля качества в среде МАТЬАВ // Надежность и качество сложных систем. 2015. № 2 (10). С. 34-41.
8. Маркелов В.В. Автоматизация многоступенчатого контроля качества в среде МАТЬАВ // Надежность и качество сложных систем. 2015. № 1 (9). С. 58-62.
9. Чеканов А.Н. Расчеты и обеспечение надежности электронной аппаратуры: учеб. пособие. М.: КНОРУС, 2012. 440 с.
10. А.А Адамова, А.П. Адамов, В.А. Шахнов Методика оценки технологичности электронных изделий на этапах проектирования и производства / // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 352-356.
11. А.А. Адамова, А.И. Власов Визуальное моделирование адаптации подготовки производства к выпуску новой продукции // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2
(154). С. 46-56.
12. В.Н. Гриднев В.Н., Г.Н. Гриднева Проектирование коммутационных структур электронных средств: учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 344 с. (Библиотека «Конструирование и технология электронных средств»: в 25 кн. Кн. 7).
13. Нейросетевые методы дефектоскопии печатных плат / В.Н. Гриднев [и др.] // Электронные компоненты. 2004. № 8. С. 148-155.
УДК 378.147
Затылкин А.В., Лысенко А.В., Кузнецов М.Д.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ВИБРАЦИОННЫХ НАГРУЗОК
Негативному влиянию внешних механических воздействий наиболее подвержены печатные узлы бортовых электронных средств, при этом величина инерционной силы возникающей в электрорадиоэлементах вследствие резонанса печатного узла может быть больше, чем при вхождении в резонанс на их собственных частотах. Проведено исследование зависимости инерционной силы от частоты внешнего воздействия при различных амплитудных значениях.
Ключевые слова:
вибрация, прогнозирование, методика, ресурс, электронные средства.
