3 Анализ существующих методик прогнозирования безотказности. 3.1. Методика справочника «Надежность ЭРИ ИП» редакции 2006г.
Общие положения
Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006 г. предназначена для предприятий-разработчиков и изготовителей аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения и организаций Министерства обороны Российской Федерации.
Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006 г. содержит:
1. Сведения, предназначенные для использования при расчетах показателей надежности аппаратуры.
2. Сведения о показателях надежности групп ЭРИ, применяемых при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения, и состоит из следующих разделов:
• Интегральные микросхемы.
• Полупроводниковые приборы.
• Оптоэлектронные полупроводниковые приборы.
• Резисторы.
• Конденсаторы.
• Трансформаторы, катушки индуктивности.
• Коммутационные изделия.
• Соединители.
• Реле.
• Лампы электрические.
• Приборы пьезоэлектрические.
• Установочные изделия.
Каждый раздел методики справочника «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006 г. по классам изделий включает в себя:
• математические модели для расчета (прогнозирования) значений
эксплуатационной интенсивности отказов групп изделий, в том числе и при хранениив различных условиях;
• информацию о показателях надежности групп ЭРИ и коэффициентах моделей.
Информация о показателях надежности групп ЭРИ и коэффициентах
моделей включает в себя:
• значения базовой интенсивности отказов групп ЭРИ;
• значения коэффициентов, входящих в модели прогнозирования эксплуатационной надежности ЭРИ, и аналитические выражения, показывающие зависимость этих коэффициентов от учитываемых факторов.
Общая характеристика моделей
Значения эксплуатационной интенсивности отказов большинства групп
ЭРИ рассчитываются по математической модели:
 (1.4)
где  – базовая интенсивность отказов группы ЭРИ;
Кi – коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов;
n – число учитываемых факторов.
Для отдельных групп сложных изделий, суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например, кристалла и корпуса интегральных микросхем), математическая модель расчета интенсивности отказов имеет вид:
 (1.5),
где λ б.с.г j – исходная (базовая) интенсивность отказов j-го потока отказов;
m – количество независимых потоков отказов составных частей ЭРИ;
Кij – коэффициент, учитывающий влияние i-го фактора в j-м потоке отказов;
nj – количество факторов, учитываемых в j-ом потоке отказов.
Модели расчета эксплуатационной интенсивности отказов распространяютсяна период постоянства интенсивности отказов во времени.
Описание коэффициентов моделей
Коэффициенты, входящие в математические модели расчета интенсивности отказов групп ЭРИ, условно можно разделить на две группы (таблица 1.3):
− первая группа коэффициентов является общей для моделей большинства классов и групп изделий и характеризует режимы и условия их эксплуатации, уровень качества производства ЭРИ;
− вторая группа коэффициентов включается в модели конкретных классов(групп) ЭРИ и характеризует зависимость интенсивности их отказов в заданныхусловиях эксплуатации от конструкционных, функциональных и технологических особенностей ЭРИ.
Коэффициенты режима Кt (Кs) служат для пересчета базовой интенсивности отказов к фактическим режимам применения ЭРИ в аппаратуре. Для большинства групп ЭРИ приводятся аналитические выражения для их определения.
Коэффициент приемки Кпр отражает степень жесткости требований к контролю качества и правила приемки изделий. Степень соответствия ЭРИ с установленной надежностью тому или иному уровню качества определяется соответствующими ОТУ на группы изделий. Типы ЭРИ с приемкой Military приведены в соответствующих перечнях (QML и QPL) на группы изделий.
Коэффициент эксплуатации Кэ учитывает степень жесткости условий эксплуатации и показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭРИ в аппаратуре конкретного класса (группы эксплуатации по ГОСТ РВ 20.39.301-98) выше при всех прочих равных условиях, чем в наземной стационарной аппаратуре (группа 1.1).
Таблица 1.3. Характеристика коэффициентов моделей расчёта ИО групп ЭРИ.
В результате изучения методики установлено:
1. Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП « редакции 2006 г.предназначена для предприятий-разработчиков и изготовителей аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения и организаций Министерства обороны Российской Федерации.
2. Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП « редакции 2006 г.содержит сведения, предназначенные для использования при расчетах показателей надежности аппаратуры, и сведения о показателях надежности групп ЭРИ, применяемых при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения.
3. Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП « редакции 2006 г.имеет ограниченную область применения. Она может применяться для:
Биполярных и КМОП цифровых микросхем с количеством базовых ячеек до 60000.
Биполярных и КМОП аналоговых микросхем до 10000 транзисторов.
Биполярных ПЛИС до 5000 базовых ячеек и КМОП ПЛИС до 20000 базовых ячеек.
Биполярных и КМОП микропроцессоров с разрядностью до 32 бит
Приборов памяти с емкостью накопителя до 106 бит
GaAs интегральные схемы СВЧ (MMIC) до 1000 активных элементов
GaAs интегральные схемы на MESFET транзисторах до 10000 активных элементов
3.2 Методика справочника «MIL-HDBK-217F».
Цель этой методики состоит в установлении, поддержке наследственной преемственности и однородности методов определения внутренней надежности (т.е. надежности завершенного проекта) военного электронного оборудования или систем. Она предлагает общий базис для прогнозирования надежности разрабатываемых программ для военных электронных систем и оборудования. Методика также устанавливает общий базис для сравнения и развития прогнозов надежности сравниваемых или конкурирующих проектов. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» предназначена для использования как инструмент улучшения надежности разрабатываемого оборудования.
Эта методика содержит два метода прогнозирования надежности «Part stress analysis» (Анализ нагрузок) и «Part Count Method» (PCM). Эти методы применяются в зависимости от степени информации, необходимой для их использования. PSA требует большого количества детальной информации и используется на более поздней фазе проектирования, когда реальная аппаратура и схемы уже спроектированы. PCM требует меньшей информации в количественном отношении по уровню качества и условий окружающей среды. Этот метод применим на ранней стадии проектирования и во время составления технического задания (ТЗ), в основном, PCM обычно приводит к более высокой оценке (т.е. большей величине интенсивности отказов) системной надежности, чем PSA.
Эта методика предлагает общий базис для прогнозирования надежности, основанный на анализе последней информации, имеющейся ко времени издания. Предполагается, что это позволило разработать методику прогнозирования методику прогнозирования надежности настолько хорошо насколько возможно. Однако, как и любую другую методику, прогнозирование надежности следует использовать осторожно, учитывая ряд ограничений. Первое ограничение состоит в том, что модели интенсивности отказов являются точечными оценками, которые основаны на имеющихся данных. Следовательно, они обоснованы для условий, при которых были получены данные и для рассматриваемых приборов. Возможна некоторая экстраполяция при развитии моделей (более широком применении), однако эмпирическая природа моделей может быть ограниченной. Например, в этой методике нет моделей, которые прогнозируют нейтронное воздействие или ионизационное излучение.
Этот справочник содержит подробную версию модели ССВУИ (сверхбыстрые схемы с высоким уровнем интеграции)/VLSI(сверхбольшая интегральная микросхема - СБИС) КМОП . Данная модель приведена для обеспечения более подробного уровень проектных выборов оптимального решения устройств, выполняемых по КМОП технологии.
Модель расчета интенсивности отказов ССВУИ/СБИС микросхем
 (1.6)
где:
 - Расчетная интенсивность отказов как функция времени;
 - Интенсивность отказов, обусловленная с времязависимым пробоем подзатворного диэлектрика;
 - Интенсивность отказов, обусловленная электромиграцией;
 - Интенсивность отказов, обусловленная эффектом «горячих носителей»;
 - Интенсивность отказов, обусловленная точечными дефектами;
 - Интенсивность отказов, обусловленная отказом корпуса;
 - Интенсивность отказов, связанная с электростатической разрядкой (ЭСР) и электрической перегрузкой (ЭП);
 - Интенсивность отказов учета прочих воздействий;
В результате изучения методики установлено:
1. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» п.5.3 предназначена для предприятий-разработчиков и изготовителей аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения и организаций Министерства обороны Российской Федерации.
2. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» содержит сведения, предназначенные для использования при расчетах показателей надежности аппаратуры, и сведения о показателях надежности групп ЭРИ, применяемых при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения.
3. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» п.5.3 может применяться для:
Биполярных и КМОП цифровых микросхем с количеством базовых ячеек блее 60000.
Биполярных и КМОП аналоговых микросхем более 10000 транзисторов.
Биполярных ПЛИС более 5000 базовых ячеек и КМОП ПЛИС более 20000 базовых ячеек.
Биполярных и КМОП микропроцессоров с разрядностью более 32 бит
Приборов памяти с емкостью накопителя более 106 бит
GaAs интегральные схемы СВЧ (MMIC) более 1000 активных элементов
7. GaAs интегральные схемы на MESFET транзисторах более 10000 активных элементов
Методика справочника «MIL-HDBK-217f» п.5.3 ограничена минимальным топологическим размером (ХS) и площадью кристалла (А).
3.3 Методика справочника RIAC-HDBK-217Plus.
В справочнике RIAC-HDBK-217Plus приводится модель для расчета эксплуатационной интенсивности отказов интегральных микросхем в различных типах корпуса приводится:
|
(1.7)
|
где:  - прогнозируемая интенсивность отказов, 1/ч.;  - коэффициент повышения интенсивности отказов;  - базовая интенсивность отказов в режиме работы, 1/ч;  - коэффициент, зависящий от рабочего цикла (время работы);  - коэффициент, зависящий от температурного режима (время работы);  - интенсивность отказа в режиме хранения, 1/ч.;  - коэффициент, зависящий от рабочего цикла (время хранения);  - коэффициент, зависящий от температурного режима (время хранения) и влажности;  - интенсивность отказов, зависящая от количества циклов, 1/ч.;  - коэффициент, зависящий от количества циклов;  - коэффициента, зависящий от разности температур в режиме работы и хранения;  - интенсивность отказов паяных соединений, 1/ч.;  - коэффициент, зависящий от разности температур паяных соединений в режиме работы и хранения;  - интенсивность отказов из-за повышенных электрических нагрузок, 1/ч.
|
(1.8)
|
где:  - постоянная степени повышения интенсивности отказов, зависящая от типа ИМС и приведенная в таблице справочника [6];  - год выпуска ИМС.
|
(1.9)
|
где:  - отношение времени работы к общему времени работы и хранения аппаратуры, в которую входит оцениваемая ИМС, в процентах;  - табличное значение из справочника [6] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.
|
(1.10)
|
где:  - энергия активации в режиме работы, в эВ;  - температура окружающей среды в режиме работы, в °С;  - величина возрастания температуры окружающей среды, в °С.
Величина возрастания температуры окружающей среды может быть получена несколькими путями: взята из таблицы, приведенной на странице 28 [6], или же получена с использованием формул (1.11) или (1.12). При наличии информации о тепловом сопротивлении перехода кристалл-окружающая среда используется (1.11), при наличии информации о тепловом сопротивлении перехода кристалл-корпус – (1.12). В последнем случае в формуле (1.10) необходимо заменить на  (температуру корпуса ИМС).
|
(1.11)
|
где:  - тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда, в °С/Вт;  - рассеиваемая мощность, в Вт.
|
1.12)
|
где: - тепловое сопротивление кристалл-корпус, в °С/Вт; - рассеиваемая мощность, в Вт.
|
(1.13)
|
где: - отношение времени работы к общему времени работы и хранения аппаратуры, в которую входит оцениваемая ИМС, в процентах;  - табличное значение из справочника [6] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.
|
(1.14)
|
где:  - энергия активации в режиме хранения, в эВ;  - температура окружающей среды в режиме хранения, в °С;  - относительная влажность, в процентах.
|
(1.15)
|
где:  - количество включений аппаратуры, в которую входит оцениваемая ИМС, в течение одного календарного года;  - табличное значение из справочника [6] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.
|
(1.16)
|
где: - температуры окружающей среды в режиме работы, в °С; - величина возрастания температуры окружающей среды, в °С; - температуры окружающей среды в режиме хранения, в °С;  - табличное значение из [7] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.
|
(1.17)
|
где: - температуры окружающей среды в режиме работы, в °С; - величина возрастания температуры окружающей среды, в °С; - температуры окружающей среды в режиме хранения, в °С.
Необходимо уточнить, что прогнозируемая интенсивность отказов будет получена в расчете на календарный срок эксплуатации, так как учитывается не только непосредственное время работы, но и время хранения, предшествующее или следующее за ним. Интенсивности отказов (,,, и) и энергии активации ( и ) приведены в таблице на странице 28 справочника.[6]
|
