Файл: 1. основные характеристики надежности рэс и радиокомпонентов характеристики надежности рэс.pdf

1.3. Влияние коэффициентов нагрузки и условий эксплуатации
на надежность радиокомпонентов
Нагрузки, действующие на радиокомпоненты, работающие в составе
РЭС, можно условно разделить на две группы: первые приводят к постепен- ным отказам, вторые – к внезапным. Нагрузки, вызывающие постепенные от- казы, обусловлены в основном влиянием внешней среды – климатическими факторами, естественной и искусственной радиацией и т. п. При их длитель- ном воздействии независимо от того, работает илинет РЭС, в его элементах и узлах происходят необратимые изменения, приводящие к отклонению па- раметров некоторых типов резисторов и конденсаторов от номиналов до
60 %, коэффициента передачи тока базы и обратного тока коллектора транзи- сторов – до 100 %. Исключить влияние таких воздействий при конструирова- нии РЭС можно только частично за счет применения герметизации блоков, заполнения внутреннего объема инертным газом, установки специальных экранов.
Нагрузки, вызывающие внезапные отказы, проявляются в основном в процессе работы РЭС. К таким нагрузкам относятся электрические, механи- ческие, тепловые, магнитные и прочие перегрузки. Они уменьшают проч- ность радиокомпонентов и усиливают их износ. Уменьшение вредного влия- ния нагрузок второй группы зависит прежде всего от разработчика РЭС.
Например, снижение тепловых нагрузок всего на 20 % увеличивает в 2...2,5 раза значение такого показателя надежности аппаратуры, как ср
T .
Таким образом, вероятность отказа радиокомпонента будет меняться в зависимости от коэффициента нагрузки н
k и температурного режима того или иного элемента, а также в зависимости от воздействия окружающей сре- ды.
Учесть влияние окружающей среды (механических воздействий, темпе- ратурного режима и электрической нагрузки) на радиокомпоненты можно с помощью поправочных коэффициентов:

14
i
i
i
t
k
0
c н
)
,
(






,
(1.12) где
i
0
 – интенсивность отказов i-го радиокомпонента при нормальных усло- виях его работы;
)
,
(
н

t
k
i

– поправочный коэффициент, являющийся функ- цией коэффициента электрической нагрузки н
k и температурного режима работы i-го радиокомпонента в составе РЭСи определяемый на основе эм- пирических зависимостей графиков или таблиц; с3
с2
с1
с





– коэффи- циент, отражающий влияние окружающей среды и механических воздей- ствий на надежность радиокомпонентов.
Для различных условий эксплуатации значения коэффициента с1
 , вхо- дящего в (1.12) и учитывающего воздействие механических нагрузок, сле- дующие: 1,0 – лабораторные, 1,1 – полевые, 1,4 – корабельные, 1,5 – автомо- бильные, 1,6 – железнодорожные, 1,7 – самолетные. Значения коэффициента с2
 в зависимости от влажности и температуры составляют: 1,0 – при влаж- ности 60…70 % и t = 20 °С; 2,0 – при влажности 90...98 % и t = 20…25 °С;
2,5 – при влажности 90…95 % и t = 30…40°С. Значения коэффициента с3
 , учитывающего влияние атмосферного давления, изменяются в пределах
1,0…1,5 в зависимости от изменения высоты от 1 до 40 км. Усредненные значения коэффициента с
 , отражающего суммарное воздействие окружаю- щей среды (влажности, вибраций и ударных нагрузок, атмосферного давле- ния) на надежность современной элементной базы РЭС, приведены в табл.
1.1.
Таблица 1.1
Условия эксплуатации с

Лабораторное помещение (
t = 20 °С, влажность 60 %, атм. давление 750 мм рт. ст.) 1,0
Полевые
2,5
Автофургонные
3,2
Железнодорожные
3,0
Корабельные
4,2
Самолетные
6,5
Средние значения интенсивностей отказов
i
0
 ряда наиболее широко применяемых в РЭС радиокомпонентов для лабораторных (нормальных) ус- ловий эксплуатации приведены в табл. 1.2.

15
Таблица 1.2
Наименование элемента
λ
0
∙10
–6
, ч
–1
Наименование элемента
λ
0
∙10
–6
, ч
–1
Резисторы постоянные
Реле тепловые
0,5 композиционные
0,16 пленочные
0,15 металлопленочные
0,4
Лампы электронные
1,5 проволочные
0,25
ЭЛТ
4,0
Резисторы переменные
Лампы индикаторные непроволочные
0,3 накаливания
0,2 проволочные
0,4 неоновые
0,02
Конденсаторы
Предохранители плавкие
0,5 бумажные
0.4
Кварцевые резонаторы
0,8 слюдяные
0,08
Трансформаторы стеклянные
0,05 согласующие
0,2 керамические
0,1 сетевые
0,4 импульсные
0,25
Платы печатные
0,5
Разъемы переменные керамические
0,3
Диоды кремниевые
0,3 кремниевые управляемые
1,0
Соединения электрические
Транзисторы кремниевые паяные
0,01 маломощные
0,3 сварные
0,05 мощные низкочастотные
0,5 обжимные
0,02 мощные высокочастотные
1,0 крученые
0,004
Катушки индуктивности
0,8
Дроссели низкочастотные
0.2
Электродвигатели малой мощности высокочастотные
0,05 асинхронные
8,0
Микросхемы интегральные синхронные
1,0 цифровые
0,1 постоянного тока
9,0 линейные
0.5
Двигатели шаговые
1,0
Предохранители плавкие
0,5
Волноводы
1,5 обмотка
0,2
Изоляторы
0,05 контактная пара
0,15
Микрофоны динамические
20
Реле электромагнитные герметизированные Датчики оптические
5,0 обмотка
0,04
Аккумуляторы
8,0 контактная пара
0,05
Громкоговорители динамич.
4,0

16 20 C
30 C
40 C
50 C
60 C
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
н
k
Рис. 1.4 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0
30 20 40 50 60 °С
)
(
н
k

Коэффициент нагрузки радиокомпонентов может бытьрассчитан при условии наличия данных о реальных токах и напряжениях, приложенных к радиокомпоненту в процессе эксплуатации, а также справочных данных на радиокомпонент. Зная также установившуюся температуру радиокомпонен- та, по приведенным графикам (рис. 1.4–1.9), можно получить корректиро- вочный коэффициент интенсивности отказов
)
,
(
н

t
k
i

.
Резисторы.
Отказы резисторов встречаются довольно часто в связи с большим их количеством в РЭС, хотя надежность их несильно отличается от надежности других радиокомпонентов.
Отказы резисторов обусловлены измене- нием физико-химического состава мате- риала резистора под воздействием высо- ких температур. Коэффициент нагрузки для резисторов
0
н
P
P
k

, где
0
P – номи- нальная мощность резистора; Р – мощ- ность, рассеиваемая резистором в реаль- ном устройстве. При проектировании
РЭС рекомендуется использовать для резисторов режимы с н
k
 0,5. Для не- проволочных резисторов значения коэффициента
 
н
k

при разных темпера- турах могут быть определены по зависимостям, приведенным на рис. 1.4.
Диоды и транзисторы.
Основные виды отказа диодов – тепловой пробой p–
n-перехода за счет прохождения прямого тока через открытый диод и электриче- ский пробой p–n-перехода обратным напряжением, приложенным к закрытому диоду. В связи с этим при расчете надеж- ности диода необходимо учитывать в первую очередь 2
коэффициента нагруз- ки:
0
н1
U
U
k

;
0
н2
I
I
k

, где U и
0
U –
соответственно, рабочее и номинальное обратные напряжения; I и
0
I – рабочий и номинальный прямые токи диода. Для
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 н
k
)
(
н
k

60 °С 50 40 30 20
Рис. 1.5

17
мощных выпрямительных диодов необходимо оценить коэффициент нагруз- ки по мощности
0 3
н
Р
P
k

Поскольку основное влияние на на- дежность оказывает тот из параметров, который ближе к предельному, при вы- боре корректировочного коэффициента следует пользоваться максимальным из двух рассчитанных н
k . Зависимости кор- ректировочного коэффициента
 
н
k

для диодов при различных температурах приведены на рис. 1.5.
При анализе надежности транзисто- ров кроме токов и напряжений, прило- женных к
р
–
п
-переходам, следует учиты- вать мощность, рассеиваемую транзисто- ром.
Таким образом, коэффициент нагрузки тран- зистора определяется как максимальный из вы- численных по следующим формулам значений: кэ0
кэ н1
U
U
k

; кб0
кб н2
U
U
k

; эб0
эб н3
U
U
k

; к0
к н4
I
I
k

;
0
н5
P
P
k

, где кэ
U и кэ0
U
– рабочее и номинальное напря- жения между коллектором и эмиттером (для остальных коэффициентов обозначения аналогич- ны); к
I и к0
I – коллекторный ток в рабочем и но- минальном режимах;
P
и
0
P
–
реальная и номи- нальная мощности, рассеиваемые транзистором.
При определении коэффициента нагрузки по мощности следует учитывать режим работы тран- зистора (линейный, импульсный, с насыщением и др.).
При разработке схемы рекомендуется выбирать такие режимы, чтобы максимальный коэффициент нагрузки не превышал 0,3…0,5.
Зависимости
 
н
k

для транзисторов приведены на рис. 1.6.
Конденсаторы.
Срок службы и надежность конденсаторов зависят от теплового режима и коэффициента нагрузки, под которым понимается отно-
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
/
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 60 °С
50 40 30 20
Рис. 1.6
)
(
н
k

н
k
0 0,05 0,2 0,4 0,6 60 °С
50 40 30 20
Рис. 1.7 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
)
(
н
k

н
k

18
шение напряжения, приложенного к конденсатору, к номинальному напряже- нию:


0

н
U
U
U
k



, причем учитывается воздействие как постоянной
(

U ), так и переменной (

U ) составляющих:






ном
0 0
c
1
T
T
U
U
m
i
i






, где
m
 3…5 для керамических,
m
 6…8 для бумажных,
m
 8…10 для элек- тролитических и
m
 4…5 для слюдяных конденсаторов, 
 0,08…0,1
.
При работе в СВЧ-диапазоне или в диапазоне низких частот, но при больших уровнях мощности должен быть также учтен коэффициент нагрузки по реактивной мощности. Мощность, рассеиваемая в конденсаторе, опреде- ляется равенством



tg
2 2
U
C
f
P
, где tg δ – тангенс угла потерь мощности, зависящий от рабочей частоты. Выделяемое при этом тепло приводит к по- вышению температуры конденсатора и может вызвать тепловой пробой его диэлектрика.
Зависимости корректирующих коэффициентов
)
(
н
k

для керамических конденсаторов и электролитических конденсаторов с алюминиевым анодом при разных температурах представлены на рис. 1.7 и 1.8 соответственно.
Трансформаторы и дроссели.
Основной вид отказов моточных изделий – закорачивание обмоток из-за пробоя изолирующего материала, что в большинстве случаев является следствием повышения плотности тока и со-
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4
/
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 н
k
)
(
н
k

60 °С
50
Рис. 1.8 40 20 2,8
/
0 2
4 6
8 10 12 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 60 °С
50
Рис. 1.9 40 30 14 20
)
(
н
k

н
k

19
ответствующего перегрева обмоток. Коэффициент нагрузки транс- форматоров и дросселей определяется по формуле
0
н
J
J
k
i

,
где
i
J
и
0
J
– рабочая и номинальная плотности тока в обмотке. Значения корректирующе- го коэффициента интенсивности отказов трансформаторов и дросселей при разных температурах определяются по зависимостям, приведенным на рис. 1.9.
Цифровые и линейные интегральные микросхемы применяются в аппа- ратуре согласно требованиям паспортных данных, поэтому вычислять ко- эффициенты нагрузки и корректирующие коэффициенты для радиокомпо- нентов подобного типа нет смысла. Для оценки надежности этих элементов
РЭС следует пользоваться справочными значениями интенсивностей отказов
0
i
 с учетом условий эксплуатации.
1.4. Оценка надежности РЭС при внезапных отказах
На различных этапах проектирования РЭС разработчика интересуют оценки надежности в период нормальной работы, т. е. по завершении перио- да приработки и достаточно далеко от начала периода старения и износа ап- паратуры. В этом случае нет необходимости учитывать предысторию процес- сов, происходящих в аппаратуре, а следовательно, можно использовать экс- поненциальный закон распределения частоты отказов (λ = const)
.
В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на надежность
РЭС, могут быть проведены прикидочный и уточненный расчеты надеж- ности.
Прикидочный расчет
проводится на этапе проектирования, когда порой даже отсутствуют принципиальные схемы блоков, а количество и состав ра- диокомпонентов в блоках определяются сравнением проектируемой аппа- ратуры с аналогичными более ранними разработками. Интенсивность отка- зов проектируемого блока определяют суммированием значений интенсив- ностей отказов всех составляющих его радиокомпонентов, с учетом условий их эксплуатации с
 . Прикидочный расчет проводится в предположении не- зависимости отказов радиокомпонентов, а также, что отказ любого учитыва- емого в расчете радиокомпонента приводит к отказу всего изделия.
Суммируемые интенсивности отказов радиокомпонентов
0
i
 принима- ются равными средним значениям, приведенным в справочной литературе
(см., например, табл. 1.2).

20
Уточненный расчет
надежности проводится с учетом отличия режимов работы радиокомпонентов от их номинальных. По известной принципиаль- ной электрической схеме изделия вычисляются коэффициенты нагрузки ра- диокомпонентов и определяется реальная интенсивность отказа с учетом корректировочного коэффициента
 
н
k
i

(см. рис. 1.4–1.9).
Если по каким-либо причинам для некоторых из элементов значения н
k и
 
н
k
i

неизвестны, то целесообразно принять их значения н
k
≈ 0,9…1 и с учетом допустимой температуры перегрева элемента оценить
 
н
k
i

по справочным данным (например, по рис. 1.4–1.9).
Надежность удобно вычислять, сводя данные в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Номер элемента
Тип эле- мента


0
i
6 10


, ч
–1 с
 н
k
)
(
н
k
i

i

Блок 1
Блок 2
…
i
N
i
i
N

i
N
i
i
N






M
i
i
i
N
1 1
б





M
i
i
i
N
1 2
б
Изделие разбивается функционально и конструктивно на самостоятель- ные блоки, вычисляются количественные показатели надежности блока:





M
i
i
i
N
1
б
; б
ср
1


T
;
 
t
e
t
P
б б



При
t
б

<< 1 можно считать, что
t
P
б б
1



; ошибка расчетов при этом не превышает 3…5 %, что значительно меньше погрешности принимаемых усредненных значений интенсивностей
i
 компонентов.
Существенно, что значения интенсивностей отказов от min

до max

отличаются порой на порядок в зависимости от фирмы-изготовителя.
Далее могут быть построены зависимости
 
t
P
б
, выявлены наиболее ненадежные блоки и приняты меры по выравниванию их надежности за счет разгрузки элементов или резервирования блоков.

21
При одновременной работе блоков в изделии показатели надежности из- делия в целом вычисляются по аналогичным формулам:





k
i
i
1
б и
; и
и
1


T
;
 
t
e
t
P
и и



, где
k –
количество блоков в изделии.
При попеременной работе блоков показатели надежности изделия слож- ным образом зависят от суммарной наработки каждого блока, так как интен- сивность отказов изделия и
 является функцией времени.
При статистических методах оценки надежности интегральных микро- схем необходимо учитывать некоторые особенности. В частности, поскольку в гибридных ИМС пленочные элементы формируются в едином технологи- ческом цикле, свойства материалов и физико-химические процессы, сопутст- вующие отказам, сильно коррелированы. В этом случае в логической эквива- лентной схеме надежности целесообразно использовать в качестве компонен- тов схемы не отдельные пленочные элементы, а группы однотипных элемен- тов, изготовляемых в одном технологическом цикле, а вместо
R
 ,
C
 и др. вводить удельные интенсивности отказов для единицы длины резистивной пленки с определенной шириной (
0
R
 ), единицы площади пленочных кон- денсаторов (
0
C

), изолирующих областей для многослойных коммутацион- ных плат гибридных БИС и МБС (
и0
 ) и т. д. При этом интенсивности отка- зов групп однотипных элементов определяются выражениями





k
i
R
i
R
l
1 0
;





k
i
C
i
C
S
1 0
0
;





k
i
i
S
1
и0
и и
, где
l
i
–
длина резистора
i
-й группы;
i
S
0
и
i
S
и
– площади взаимного перекры- тия металлических обкладок в конденсаторах и изолирующих областях. Од- нако значения удельных интенсивностей отказов необходимо определять пу- тем испытаний специальных тестовых структур.
В основу методики расчета надежности полупроводниковых ИМС на основе статистического метода положены те же допущения, что и при расче- те гибридных ИМС. При этом учитывается, что резисторы и конденсаторы формируются на базе транзисторной структуры, т. е. с помощью прямых и обратно смещенных
p
–
n
-переходов. Поэтому интенсивность их отказов при- нимается такой же, как и у диодов. В качестве компонентов логической схе- мы надежности полупроводниковых ИМС при данном расчете используют

22
элементы структуры и конструкции ИМС: транзисторные и диодные
p
–
n
-пе- реходы, внутрисхемные соединения и выводы корпуса.
Интенсивность отказов корпусных полупроводниковых ИМС рассчи- тывают по выражению


с соед в
д т
д д
д т
т т
ИМС
]
2 3
[










N
N
N
k
N
k
N
, где т
N
– число условных транзисторных переходов; д
N
– число условных диодных переходов, равное общему числу диодов, резисторов и конденсато- ров; в
N
– число внешних выводов; т
k
, д
k
– коэффициенты нагрузки транзи- сторных и диодных переходов; т

, д

и соед

– интенсивности отказов транзисторных переходов, диодных переходов и соединений соответственно
(для нормальных условий); с

– коэффициент, характеризующий среду.
При расчете т

бескорпусных полупроводниковых ИМС выражение упрощается, так как отсутствуют соединения с выводами корпуса и
0
в

N
Рекомендуемые для расчетов средние статистические значения интенсив- ностей отказов компонентов следующие:
1 8
т ч
10 0
,
1





, д

=
R

=
C

=
1 8
ч
10 6
,
0




;
1 8
соед ч
10 1
,
0






1   2   3   4   5   6   7   8   9   10