Навигация
2.9. Методы оценки надежности
Основной метод оценки надежности элементов цифровых приборов статический.
В его основе находятся испытания партии изделий на срок службы. Поясним сущность этого метода. Если в партии элементов из N штук за время t произошло n отказов, то вероятность отказа в единицу времени определяется выражением вида
= n / (Nt) (1)
Величину l-называют средней частотой или интенсивностью отказов. Зная величину l, можно оценить вероятность безотказной (исправной) работы элемента в течение заданного времени эксплуатации по формуле.
Р = е -l t (2)
Из (2) следует, что каким бы малым ни было значение l,с течением времени вероятность безотказной работы приближается к нулю.
Среднем временем безотказной работы элемента (среднем сроком службы) принято считать величину, получаемую из условия
lt =1 tср = 1 / l (3)
Например, если l = 10-5 1/ч, то tср = 105 ч (т.е. около 10 лет).
Многочисленными экспериментально- статистическими данными подтверждаются, что величина l не постоянная, она меняется с течением времени рис.2.9.1. Кривую зависимостью l=f(t) можно разделить на три участка: участка 1, на котором выявляются грубые ошибки при изготовлении элемента, загрязнении поверхности и др.; участок 2, на котором l = const, т.е. отказы обусловлены случайными, неконтролируемы причинами; участок 3, на котором l снова возрастает в результате неизбежного старения элементов, т.е. появления тех химических и физико-химических процессов, от которых неизбежна ни одна реальная структура и которые связаны с причинам действия элемента.
Применительно к элементам ЦВМ и цифровых и цифро-аналоговых преобразователями такими принципиальными факторами являются взаимная диффузия, разнородных материалов, рациональные дефекты, обусловленные космическим излучением, и.т.п. Средний срок службы (3) соответствует границе между участками 2 и 3. Участок 1 обычно устраняется путем тренировки элементов. Тренировка элементов состоит в том, что после проведенных испытаний (механических, электрических, климатических и др.) элементы работают в течение нескольких десятков или сотен часов нормальных эксплуатационных условиях и отказавшие за это время элементы устраняется.
В настоящее время интенсивность отказов элементов и БИС лежит в пределах 10-8 - 10-9 1/ч. Для достоверной оценки величины l необходимо
при испытаниях "дождаться" хотя бы 2-3 отказов. Тогда из (1) при n =2ё3 следует, что время испытаний для партии N = 103 штук составит десятки лет. Ставить же партии элементов в количестве 104 - 105шт. на испытания экономически невыгодно.
В таких случаях используется метод ускоренных испытаний, основанный на законе Аррениуса, согласно которому скорость J химических и физико-химических процессов связан с температурой экспоненциальной зависимостью вида
J » е-( Wa / K)T
где Wa - энергия активизации процесса.
Отсюда следует, что средний срок службы изделия при повышенной температуре будет существенно меньше, чем при нормальной:
ty = tн ехр [-(Wа / к) (TH-1 - T-1y) ], (4)
где индексы "н", "у" относятся к нормальной и повышенной температуры.
Проведя ускоренные испытания при повышенной температуре, фиксирует отказы изделия, добиваясь их появления за разумное время.
Полученное значение lу пересчитывают к нормальной температуре с помощью выражений (4) и (3). Используя, например для испытаний элементов ЦВМ температуру +2500С можно ускорить оценку величины l в сотни раз. Однако при значениях l Ј10-9 1/ч и такое ускорение оказывается недостаточным. Таким образом, на современном этапе развития технологии изготовления элементов ЦВМ обычные статистические методы надежности неприемлемы. Поэтому в последние 5-10 лет большое внимание уделяется разработке новых физических методов оценки и прогнозирования надежности.
Под такими методами понимаются индивидуальные исследования структуры готовых элементов цифровых устройств с целью выявления дефектов на возможность отказа, а также исследования отказавших элементов с целью выяснения причин отказа и выяснения соответствующих усовершенствований в технологию их производства.
В отличие от статических методов, которые относятся к категории разрушающих (поскольку в их основе лежит отказ изделия), физические методы являются неразрушающими, а часто и бесконтактными. К их числу относятся тепло ведение (обследование в инфракрасных лучах), рентгеноскопия, электронная микроскопия, а также измерение избыточных шумов, которые характеризует качество контактов.
Все перечисленные новые методы связаны с использованием сложного, дорогостоящего оборудования, по этому их нельзя считать установившимся в практике использования в широком плане. Однако, учитывая неприемлемость статических методов, они, по видимому, займут со временем ведущее место при оценке надежности элементов цифровых устройств, особенно БИС.
Интенсивность отказов снимается с повышением степени интеграции, поскольку производству БИС свойствен более высокий технологический уровень. Одновременно меняется роль различных факторов отказов. Так дефекты металлизации и погрешности диффузии, которые у простых элементов цифровых устройств, ЦВМ, (т.е. элементов малой степени интеграции) занимали значительное место, у БИС выступают на второй план, поскольку резко уменьшается количество внешних соединений.
Говоря о статическом методе оценки надежности, подразумевали, что результаты испытаний конкретной партии элементов ЦВМ и цифровых устройств в виде формулы (1) действительны для других, аналогичных партий. Однако это утверждение справедливо только в том случае, когда другие партии элементов изготовляются точно по той же технологии, что и испытанная партия. Отсюда следует важный вывод: Высокая надежность элементов ЦВМ обеспечивается в первую очередь стабильностью технологического цикла. Любое, даже прогрессивные, изменение технологического цикла может вызвать (хотя бы временное) снижение надежности элементов ЦВМ и цифровых устройств.
Влияние температуры на статистические и динамические
характеристики и параметры элементов.
Изменение температуры окружающей среды влияет определенным на статистические и динамические характеристики и параметры элементов. Рассмотрим это влияние на нескольких примерах. На (рис.2.9.2.а) показана влияние температуры на передаточную характеристику. Uвых= f (Uвх) элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной логики для серии 133 и 155. Из рисунка не трудно оценить влияние температуры на основные статистические параметры, определяемые по передаточной характеристике.
Так как с увеличением температуры происходит сдвиг характеристики в лево, то, помехоустойчивость элемента уменьшается. Также видно что повышением температуры возрастает уровень "0" U0вых и тд.
На (рис.2.9.2.б) показано влияние температуры на выходную характеристику элемента И-НЕ Iвых= f(Uвых) транзисторно-транзисторной логики серии 133 и 155 для случаев, когда элемент включен и выключен. Из рисунка следует, что с повышением температуры возрастает соответствующие токи для заданных напряжений. На (рис.2.9.2.в) показан зависимость некоторых динамических параметров (задержки распространения сигнала при включении t1,0зд р и выключении t0,1зд р элемента)от температуры.
Из зависимости следует что с ростом температуры t1,0зд р несколько уменьшается, а время t0,1зд р наоборот, увеличивается. Указанные изменения особенно заметен в диапазоне температур 20-1200С.
рис.2.9 2(а, б, в, г.)
В таблице 1 приведены результаты влияния температуры не некоторые статические параметры элемента ИЛИ-НЕ /ИЛИ эмиттерно-связанной логики серии К500.
На (рис2.9.2.г) показаны зависимости некоторых динамических параметров (t1,0зд р , t0,1зд р) от температуры для элемента ИЛИ-НЕ /ИЛИ ЭСЛ серии К500.
Из анализа изложенного сделать вывод, что изменение температуры окружающей среды ухудшает статические и динамические параметры элементов цифровых устройств, что необходимо учитывать в процессе эксплуатации цифровых устройств.
Табл.1.
| П а р а м е т р ы | Температура, 0С | ||
| -10 | +25 | +75 | |
| Входное напряжение "0" U0вх, В Входное пороговое напряжение "0" U0вх, пор,,В Входное пороговое напряжение "1" U1вх, В Входное напряжение "1" U1вх,В Входное максимальное напряжение "0" U0вых ,пор, В Выходное пороговое напряжение "0" U1вых, пор, В Выходное максимальное напряжение "1" U1вых, пор, В Выходное пороговое напряжение "1" U1вых ,пор, В | -0,84 -1,145 -1,490 -1,87 -0,84 -1,02 -1,67 -1,645 | -0,81 -1,105 -1,475 -1,85 -0,81 -0,98 -1,65 -1,63 | -0,72 -1,045 -1,45 -1,83 -0,72 -0,92 -1,625 -1,605 |
Похожие работы
... Студент группы 220352 Чернышёв Д. А. Справка— отчет о патентном и научно- техническом исследовании Тема выпускной квалификационной работы: телевизионный приёмник с цифровой обработкой сигналов. Начало поиска 2. 02. 99. Окончание поиска 25.03.99 Предмет поиска Страна, Индекс (МКИ, НКИ) № ...
... использованных микросхем К555ТМ2 и К555ЛА3 приведены выше. Генераторное оборудование ________________________________________________________________ 1) Тактовый генератор Тактовый генератор является одним из основных элементов цифрового таймера. От точности установки частоты этого генератора зависит точность интервала выдержки. В цифровых таймерах применяют, как правило, ...
... высокую точность и временную стабильность испытательного сигнала. Элементную базу таких ГИС составляют цифровые микросхемы. 1 Постановка задачи Спроектировать генератор испытательных сигналов. Устройство должно обеспечивать: 1. Формирование белого и черного полей. 2. Формирование шести или двенадцати вертикальных полос с градацией яркости. 3. ...
... устройства Составные части проектируемого устройства изображаются упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы (Рисунок 2 – Структурная схема МПС), т. е. с применением условно-графических обозначений. Непосредственно рассматривая проектируемую мной МПС на базе I8080 в её составе можно следующие наиболее важных блоки: Генератор тактовых импульсов (ГТИ) – предназначен для создания ...
0 комментариев