CC BY
37
УДК 621.3.19
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
С. А. Максаков, А.Н. Симаков
Предложена методика оценки воздействия факторов внешней среды на показатели надёжности радиоэлектронных устройств на этапе проектирования. В математическую модель интенсивности возникновения отказов для учёта воздействия на надежность радиоэлектронных устройств факторов внешней среды введен ряд коэффициентов. Учитывается воздействие на показатели надежности как климатических, так и механических факторов.
Ключевые слова: расчёт показателей надёжности, воздействие факторов внешней среды, интегральная оценка степени влияния, проектирование радиоэлектронных устройств.
На современном этапе развития технологий производства радиоэлектронных устройств (РЭУ) важнейшей задачей является повышение их качественных показателей. Наибольшее значение для обеспечения конкурентоспособности модифицируемых или разрабатываемых РЭУ при этом имеют показатели надёжности, повышение которых является сложнейшей и актуальной задачей.
Так как надежность является конструктивным параметром, который должен закладываться в изделие на этапе проектирования, прослеживается явная связь между надёжностью и процессом проектирования.
«При проектировании любой системы следует иметь в виду, что её рабочие характеристики и параметры являются вероятностными по своей природе. Очевидно, что факторы, определяющие прочность элементов и действующие на них нагрузки, также являются вероятностными. Это означает, что при оценке показателей надежности на этапе проектирования необходимо учитывать вероятностный характер параметров системы [1].»
Тенденциисовершенствованиясредств и методов проектированиявысоконадеж-ных РЭУ направленына повышение точности расчетов и достоверности оценки показателей надёжности. Среди современных технологий проектирования высоконадежных РЭУ важнейшее место занимают методы, которые позволяют при расчетах учесть воздействие факторов внешней среды (ФВС), т.к. их влияние во многом определяет надёжность техники в процессе эксплуатации.
Опубликованные в [2] статистические данные позволяют классифицироватьот-казы по видам и ранжировать их по причинам возникновения в аппаратуре, эксплуатируемой на стационарных объектах (таблицы).
Из таблицы видно, что эксплуатационные отказы, казалось бы, играют небольшую роль (11,5%), а отказы, возникающиепо причиневоздействия механических, климатических факторов ещё меньше - всего 5% от общего числа. Однако, это не так, потому чтопредставленные данные собраны в близких к «нормальным» стационарны-хусловиях эксплуатации РЭУ. Вместе с тем, значительное количество групп аппаратных средствхарактеризуются более «тяжелыми» условиями функционирования, а ФВСсвоим воздействием значительно увеличиваютинтенсивность отказов, возникающих и по многим другим причинам. Следовательно, процент отказов аппаратуры, эксплуатируемой в составе полевых средств связи, в значительной мере подверженных влияниюФВС, значительно выше.
Общеизвестным фактом является то, что надёжность РЭУ обосновывается при проектировании изделия, осуществляется при его производстве и поддерживается в процессе эксплуатации, хранения и транспортирования. Несомненно, что важнейшее
место в формировании надежностных характеристик РЭУ занимает проектная оценка. На этапе проведения проектных работ для приближенной оценки показателей надёжности применяют априорные методы расчёта, т.к. исследовательская статистика возникающих отказов при проектировании обычно отсутствует.
Расчёты надёжности РЭУ проводятся в соответствии с методиками, приведёнными в [3]. В соответствии с методикой «Расчёт показателей безотказности электронного модуля первого уровня (ЭМ1)», интенсивность отказов РЭУ при определенных условиях эксплуатации вычисляется по методике справочника «Надежность ЭРИ» [4] или используются апостериорные данные по результатам испытаний, проводимых разработчиком.
Так как на начальных стадиях этапа проектирования экспериментальные данные отсутствуют, то единственным способом оценки интенсивности отказов при эксплуатации РЭУ остается методика, предложенная в [5]. При этом в качестве исходных данных для расчетов используются данные, приведенные в справочной части этого издания и являются официальными в соответствии с руководящими положениями, изложенными в [6].
Следует отметить, что, приведённая в [4] «Методика» сводится к применению для расчетов интенсивности отказов электронного элемента (устройства) 1 э математических моделей вида:
I
1 э =1 б П к, (1)
/=1
где 1б - базовая интенсивность отказов; К - 1-й коэффициент модели; I - число коэффициентов модели.
Распределение отказов РЭУ, эксплуатируемых в стационарных условиях ___по видам и причинам__
Группы причин возникновения отказов % отказов группы причин Факторы возникновения отказов % факторов возникновения отказов Причины возникновения отказов % причин возникновения отказов
Нарушение требований по защите от статэлектричества 4 %
Недостатки про- 10 % Недостатки лакировки и сушки 2 %
цесса монтажа РЭУ Нарушения процессов формовки, обрезки выводов 2 %
Нарушение режимов лужения и пайки 2 %
Производственно-технологические причины Неэффективный контроль качества 4 %
31,5 % Низкое качество печатных плат 11 % Нарушение процессов прессовки, отмывки, травления, меднения 4 %
Недостатки исходных материалов 3 %
Недостатки настройки и регулировки 5,5 % Недостатки оборудования и инструментов 3 %
Ошибки операторов 2,5 %
Повреждения РЭУ при входном контроле 5 % Недостатки оборудования 3 %
Ошибки операторов 2 %
Окончание таблицы
Группы причин возникновения отказов % отказов группы причин Факторы возникновения отказов % факторов возникновения отказов Причины возникновения отказов % причин возникновения отказов
Низкое качество элементной базы РЭУ 31 % Конструкционные недостатки 14 % Недостаточный учет возможностей технологии 5 %
Недостатки схемных решений 5 %
Недостатки выбора комплектующих изделий 4 %
Производственно-технологические дефекты 17 % Нарушение требований к условиям производства 5 %
Несовершенство технологического и испытательного оборудования 4,5 %
Неэффективная система контроля и испытаний 4 %
Несовершенство и нарушение техпроцесса 3,5 %
Схемно- конструкционные причины 26 % Нарушение допустимых режимов и условий применения ЭВМ 6,5 % По уровню воздействия 2 %
По допустимым электрическим режимам 2 %
По допустимым тепловым режимам 2,5 %
Недостатки выбора элементной базы и материалов 6,5 % Использование несовместимых материалов 3,5 %
Использование РЭУ пониженной надежности 3 %
Ошибки КД и ТП 6 % В части технологических операций 3 %
В части использования составных частей и материалов 3 %
Необработанность схемо-конструкционных решений 7 % По помехозащищенности 2 %
В части стыковки по параметрам электропитания и СВЧ сигналов 5 %
Эксплуатационные причины 11,5 % Нарушение условий эксплуатации 7 % Ошибки персонала 2 %
Воздействие механических, климатических факторов 5 %
Недостатки эксплуатационной деятельности 4,5 % Нарушение технического обслуживания 2,5 %
Сложности ремонта 2 %
Количество коэффициентов модели и их величина зависят от класса электронного элемента (устройства).
Для учёта воздействия ФВС наинтенсивность возникновения отказов, в математическую модель (1) введен ряд коэффициентов, одним из которых является коэффициент влияния режима, Квр который позволяет учесть интенсивность нагрузки (электрической, температурной) на электронный элемент (устройство) и показывает, как из-менитсяинтенсивность отказов при соблюдении всех других равных условий, но при температуре отличной от 25°С и электрической нагрузке отличной от номинальной.
Следует отметить, что в [4] Квротносится к «Общим коэффициентам моделей» ик большинству моделей эксплуатационной интенсивности отказов электронных элементов (устройств) не применяется.
Вместе с тем, например, для металлодиэлектрических постоянных не проволочных резисторов коэффициент влияния режима определяется по формуле:
Б-
г
Ч+273 *
к вр = а - е
N
1
1+273 273
N
, (2)
где 1- температура окружающей среды (корпуса электронного элемента (устройства)); Р- мощность в установленном режиме применения; Рн- номинальная мощность (по ТУ); А, В, N N Н, G - постоянные коэффициенты. Модель (2) основана на законе Аррениуса:
Еа
К = А - е РТ , (3)
где: К- скорость химической реакции; А - частота столкновений взаимодействующих молекул; Еа- энергия активации, Дж; Я- универсальная газовая константа, Дж/(°К-моль); Т- температура, °К [7].
Данное выражениеиспользуетсяприопределении степени температурного влияния на деградационный процесс в твердых телах.Подобные физические процессы происходящих под воздействием температурного фактора и в элементах РЭУ, что позволяет провести моделирование зависимости времени наработки до отказа от температуры 1 (ту )в виде:
1Т ) =
к,
_Еа к-Т,
Еа_
, к-Т, • = 10 - А - е ]
(4)
А - е ■>
где: 1о - среднее время наработки до отказа, ч; Кр - постоянная скорости химической реакции, отн. ед.; Еа- энергия активации, эВ; к- постоянная Больцмана, эВ/°К; Т,- температура корпуса (окружающей среды), °К.
Такая аналогия подтверждается экспериментально и находит практическое
Кр Т.)/
применение, но для РЭУ Кр(т )заменяютна отношение .Кр( ) которое определяет, во сколько раз время наработки до отказа при температуре Т меньше, чем при температуре корпуса (окружающей среды) ТО = 25°С, соответствующей нормальным условиям эксплуатации:
1(Т) 1о
Кр
(Т)
Кр{
= и
А - е
к-Т
= 1 - е 10 е
1 _ 1
Т То
(5)
(То)
А - е
к-То
где: 1о-время наработки до отказа, ч; Ар-постоянная скорости химической реакции, отн. ед.; Еа- энергия активации, эВ; к - постоянная Больцмана, эВ/°К; Т- рабочая температура корпуса (окружающей среды), °К; То-температура корпуса (окружающей среды), соответствующая нормальным условиям, °К.
В данной математической модели основой, определяющей вид функции распределения случайной величины 1 (т )является только энергия активации Еа (т.к. к -
постоянная, а 1о и Т. переменные, т.е. не случайные величины).
Кроме температуры на интенсивность отказов РЭУ в процессе их эксплуатации, хранения и транспортирования существенное влияние оказывают и такие факторы как давление и влажность.
Рассмотрим математические модели воздействия этих ФВС на показатели надежности РЭУ на примере резистора.
н
1
1
о
о
е
А
Е
А
к
Е
А
Физико-химические процессы, приводящие к изменениям в резистивном слое и изолирующем покрытии являются основными причинами возникновения отказов в работе резистора.
При известном значенииинтенсивности отказов 1 о при нормальных условиях Т=То и Р=Ро можно рассчитать интенсивность отказов при других значениях Т=То и Р=Ро.
Температура резистора Тхзависит от температуры окружающей среды от нагрева резистивного слоя при протекании тока:
АТ = Ят • Рх, (6)
где: Ят- тепловое сопротивление, °С/Вт; Рх- выделяемая на резисторе мощность, Вт.
Тх _ 273 + Т0х + ЯТ ■ Рх.
Тогда:
_ е а(Тх -То) _ ^ [а(Тх -То)] _ ^ [а(т,х -То )+а% (Рх -Ро)].
1 о
(7)
Для различных соотношений Рх/п зависимость 1 х/ имеет вид, представ/ Ро / 1 о
ленный на рис. 1.
При этом условия теплопередачи в корпусе резистора зависят от значения давления окружающей среды, функционально связанного с высотой над уровнем моря:
Р>
Нх
Р>
_ / (Рх )_ /1 (Н),
Н
76о
где: Н- высота над уровнем моря.
Рис. 1. Зависимость 1 х/ от температуры окружающей среды
1 о
моря.
На рис. 2 представлен график зависимостиРх/Рнот высоты над уровнем Тогда зависимость от давления и температуры может быть представлена выра-
жением:
12 _ Р2 „[а(Т)2-То1 )+а-(Ят2Р-Ят1Р)]
1/ Р ' *
(8)
где Щ2 — ^
о 600 1200 1800 2400 м
Рис. 2. Зависимость Рх/Рн от высоты над уровнем моря
На надёжность находящегося под напряжением резистора существенное влияние также оказывает влажность. Это происходит благодаря протеканию химических реакций электролиза и окисления, которые способствуют уменьшению толщины рези-стивного слоя. Величина изменения толщины резистивного материала в единицу времени определяется из выражения:
к р — к р^ + к р 2,
где: кр1 - скорость уменьшения толщины слоя резистивного материала вследствие электролиза; кр2 - скорость уменьшения толщины слоя резистивного материала вследствие других физико-химических процессов.
При проведении инженерных расчетов рассмотренные выше модели не нашли широкого применения, так как требуют проведения трудоемких экспериментов, связанных с получением эмпирических значений коэффициентов.
Вместе с тем,модель (2) позволяет учитывать влияние ряда ФВС на 1 э .В этой
модели одним из параметров резистора выступаетего номинальная мощность Рн, которая не является константой, а зависит от влажности, давления и температуры окружающей среды. Эти зависимостиопределяются техническими условиями на элементы РЭУ.
Вместе с климатическими факторами на надежность РЭУ оказывают влияние и механические факторы. Это особенно характерно для аппаратуры, эксплуатируемой в составе аппаратных в полевых условиях и в зонах воздействия специальных сред или противника. При расчете показателей надежности РЭУ необходимо учитывать следующие виды механического воздействия:
синусоидальная и случайная широкополосная вибрация; одиночные и многократные механические удары; сейсмические удары взрыва; акустические шумы; линейное ускорение и др.
Каждый вид воздействия характеризуется различными показателями. Например: амплитуда ускорения, диапазон частот, длительность ускорения, уровень звукового давления и др.
Введение коэффициента эксплуатации Кэ, который представляет собой интегральную оценку степени влияния ФВС на эксплуатационную надёжность элементов РЭУ, позволяет учесть влияние механических факторов в зависимости от условий эксплуатации. Его значение зависит не от характеристик ФВС, а только от группы эксплуатации РЭУ.
Применение Кэ в математической модели (1) показывает, во сколько раз,при всех прочих равных условиях, интенсивность отказов элементов РЭА конкретной группы эксплуатации выше, чем в стационарных (нормальных) условиях.
Вместе с тем, подбор группы эксплуатации элементов РЭУ становится нетривиальной задачей, т.к. уровни влияния ФВС в месте установки конкретного элемента не всегда совпадают с диапазонами воздействияФВС той или иной группы.
Для повышения адекватности надежностных характеристик проектируемых РЭУ необходимо перейти к дифференцированной оценке воздействия ФВС. Такой подход позволит определить значениеКэдля элемента РЭУ по каждому фактору в отдельности, а не по их совокупности на основе выражения:
К э — - 1п
2
1 - 2
1—1
п 100
■ Ш1 ;
"V 1,-!
~ 100
у—1
-К (г раб) 1 - е Кэ ^ '
(9)
к э
раб. к при условии, что г?,■ е 2
где: щ - процент отказов по 1-му виду ФВС, %; 1 - номер вида ФВС (климатические воздействия - 1 = 1, механические - 1 = 2;); ш; у - процент отказов по у-му типу ФВС 1-того вида, %; у - номер типа ФВС (у = 1,Л); Л- количество типов ФВС1-того вида;
Шпу—1,у. Кэ (ги I
1 ~1,у - расчетное значение у-гоФВС1-го вида, воздействующего
на данный элемент РЭУ; г^у -множество значенийу-гоФВС/-го вида, действующего в месте установки РЭУ для к-й группы.
Численные значения показателей п^ и ш^ у определяются по итогам экспериментов и испытаний, проводимых на предприятиях, которые разрабатывают и производят РЭУ.
Применение в инженерной практике модели (9) влечет за собой значительное повышение трудозатрат на проведение расчётов показателей надёжности РЭУ. Поэтому актуальной задачей является разработка специализированных программных продуктов, реализующих методы расчета показателей надежности РЭУ на этапе их проектирования с учетом воздействия различных ФВС.
После определения исходных данных проводится расчёт показателей надёжности РЭУ по следующей методике:
- для каждого ФВС определяется группа аппаратных средств, имеющих параметры воздействий, большие или равные рабочим( граб.);
- для найденных групп аппаратных средстввычисляются значения коэффициентов эксплуатацииКэ;
- если для каких-тоФВС найдено несколько значений Кэ, то для дальнейших расчетов берётся наименьшее;
- вычисляется значение Кээлемента РЭУ по выражению (9);
- в соответствии с полученными новыми значениямиКэ пересчитываются значения элементов РЭУ всоответствии с группой эксплуатации изделия;
- значения интенсивности отказов РЭУ в целом пересчитываются на основании новых значений интенсивностей отказов входящих в его состав элементов.
Таким образом, детальный анализ влияния каждого ФВС на надёжность РЭУ позволяет научно обосновать предложения по проведению мероприятий, направленных на повышение (обеспечение)показателей надёжности проектируемых РЭУ.
Дифференцированная оценка воздействия различных ФВС позволяет на этапе проектирования РЭУ выявить факторы, оказывающие наиболее сильное влияние на значение Кэ и сформулировать предложения, направленные на улучшение качества проектируемого изделия за счет повышения его надёжности.
Список литературы:
1. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем; пер. с англ. Е.Г. Коваленко, под ред. И. А. Ушакова. Москва: Мир, 1980. 604 с.
2. Гольдин В.В., Журавский В.Г., Сарафанов А.В., Кофанов Ю.Н. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств: монография. Рос. агентство по системам управления. Москва: Радио и связь, 2002. 379 с.
3. ОСТ 4Г 0.012. 242-84. Аппаратура радиоэлектронная. Методика расчёта показателей надёжности. М.: Стандартинформ, 2008. 15 с.
4. Надежность ЭРИ: Справочник // 22 ЦНИИИ МО РФ. М.: МО РФ, 2006. 641с.
5. РДВ 319.01.20-98. Положение о справочнике «Надёжностьэлектрорадиоиз-делий». 1998.
6. Сотсков Б.С. Основы теории и расчёта надёжности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. Москва: Высшая школа, 1970. 270 с.
7. Жаднов В., Гаршин А., Жаднов И. Дифференцированная оценка влияния ВВФ при пректных исследованиях надёжности электронных компонентов // Электронные компоненты. 2010. № 3. С. 16-23.
Максаков Сергей Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, maksakov@yandex.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России,
Симаков Андрей Николаевич, сотрудник, maksakov@yandex.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России
METHODOLOGY FOR ASSESSING THE IMPACT OF ENVIRONMENTAL FACTORS ON THE RELIABILITY OF RADIO-ELECTRONIC DEVICES A T THE DESIGN STA GE
S.A. Maksakov, A.N. Simakov
A method for assessing the impact of environmental factors on the reliability of radio-electronic devices at the design stage is proposed. A number of coefficients are introduced into the mathematical model of the failure rate to account for the impact of environmental factors on the reliability of radio-electronic devices. The impact of both climatic and mechanical factors on reliability indicators is taken into account.
Key words: calculation of reliability indicators, impact of environmental factors, integrated assessment of the degree of influence, design of radio-electronic devices.
Maksakov Sergey Anatolevich, candidate of technical sciences, docent, maksa-kov@yandex.ru, Russia, Orel, Academy of FSS of Russia,
Simakov Andrey Nikolaevich, employee, maksakov@yandex. ru, Russia, Orel, Academy of FSS of Russia
