Методипідвищення надійностіелектронних апаратів (ЕА)
1. Загальні методи підвищеннянадійності
конструктивниймікроелектроніка апарат технологічний
Надійність ЕАзалежить від багатьох факторів. Розглянемо ці фактори. Висока надійністьапаратури на стадії проектування забезпечується:
— вибором схемнихі конструктивних рішень;
— заміноюаналогової обробки сигналів на цифрову;
— виборомелементів і матеріалів;
— заміноюмеханічних перемикачів і пристроїв, які управляються, електронними;
— вибором режимівроботи різних елементів і пристроїв;
— розробкоюзаходів щодо зручності технічного обслуговування та експлуатації;
— урахуваннямможливостей оператора (споживача) та вимог ергономіки.
При виборі схемелектричних принципових перевага надається схемам, які мають мінімальнукількість елементів, схемам з мінімальною кількістю органів регулювань, тривалопрацюючих у широкому інтервалі дестабілізуючих факторів. Але задовольнити всіці умови неможливо, і конструктору доводиться шукати компромісне рішення.
Не слід забувати,що головне в апаратурі, яка проектується – використовувати елементи, надійністьяких відповідає вимогам до надійності самої апаратури.
Конструктивнірішення також впливають на надійність апаратури. Крупноблочна конструкціятехнологічно складна і незручна при ремонті. Конструктивні рішення маютьзабезпечити і необхідні теплові режими елементів ЕА, безвідмовність в умовахпідвищеної вологості, в умовах дії механічних навантажень.
На підвищеннінадійності помітно позначається вірний вибір режимів роботи елементів, вірнийвибір конструкційних матеріалів. Матеріали, які використовуються, повинні матитаку швидкість старіння, яка б забезпечила нормальну експлуатацію протягомвсього терміну служби.
Конструктивнірішення мають забезпечувати зручність технічного обслуговування і експлуатаціїапаратури.
В апаратурі маютьбути передбачені контрольні гнізда, легкий доступ до всіх блоків апаратури,зручність контролю її стану і настроювання, заміни блоків, які б забезпечувалибезпеку обслуговуючого персоналу тощо.
Ергономікапотребує урахування і психофізіологічних можливостей операторів, і створеннядля них оптимальних можливостей. Органи керування і контролю мають бутирозташовані таким чином, щоб не вимагати великого фізичного зусилля.
Отже, у процесіконструювання перед конструктором постає задача підвищення надійності РЕА вцілому без підвищення надійності комплектуючих елементів.
Не менш важливимє забезпечення заданої надійності в процесі виробництва та ремонту, якадосягається такими заходами:
— виборомвідповідної технології та чітким її дотриманням;
— впровадженнямавтоматизації;
— вхіднимконтролем матеріалів та елементів;
— попереднімтренуванням елементів і апаратури;
— вірноюметодикою настроювання апаратури;
— поточними івихідними контролями.
Правильнатехнологія та суворе її дотримання з одночасною автоматизацією виробництвадозволяє звести до мінімуму вплив суб’єктивних факторів на якість продукції.
Вхідний контрольне допускає у виробництво недоброякісні матеріали та елементи, які маютьвідхилення від заданих вимог.
Попереднє тренуванняелементів і всієї апаратури скорочує етап приробітку апаратури, дозволяєоцінити вірність схемних рішень. Елементи під час випробування ставлять у більшскладні умови.
Поточний контрольдозволяє виявити некондиційні елементи та вузли і не допускати їх на подальшескладання, виявити відхилення від прийнятої технології.
Вихідний контрольє закінченою перевіркою РЕА після складання та настроювання.
Правильнаексплуатація також істотно впливає на надійність апаратури. Тут позначаютьсядва фактори:
— впливзовнішнього середовища та умов експлуатації;
— організаціяексплуатації та кваліфікація обслуговуючого персоналу.
Поліпшенняорганізації експлуатації передбачає планування профілактичних робіт,забезпечення необхідної діагностичної та контрольно-вимірювальної апаратури,автоматизацію контролю стану РЕА, правильне планування необхідних запаснихелементів і вузлів.
Підвищеннякваліфікації обслуговуючого персоналу передбачає поглиблене вивчення конкретноїапаратури, особливостей її експлуатації, знання діагностичної іконтрольно-вимірювальної апаратури та технології ремонту. Це допомагаєскоротити час знаходження та усунення несправностей, тобто підвищитикоефіцієнти готовності та оперативної готовності апаратури до роботи.
2. Підвищеннянадійності за рахунок впровадження мікроелектроніки
Важливим факторомпідвищення надійності сучасної електронної апаратури є широке застосування вній мікроелектронних елементів, які дозволяють значно розширити їїфункціональні можливості, зменшити масу, габарити, потужність, що споживається,та вартість.
Надійність ЕАвисокої інтеграції залежить від технічного рівня виробництва та відтехнологічності, закладеної у конструкцію при проектуванні, оскільки всіпроблеми забезпечення найкращих показників якості апаратури, що розробляється,пов’язані з досягнутим рівнем виробництва. Важливу роль у забезпеченні якостіЕА високої інтеграції відіграє кваліфікація робочих кадрів.
Всі критичнітехнологічні процеси і контроль продукції повинні здійснюватися працівниками,які мають необхідний рівень кваліфікації.
Традиційнийпідхід до підвищення якості ЕА передбачає суворий контроль на всіх етапахвиробництва з метою відбракування дефектних елементів. При цьому забезпечуєтьсявисока якість і надійність, але вихід годних елементів незначний, а численніоперації контролю підвищують вартість апаратури.
Основнавідповідальність за якість при такому підході покладається на службу контролю.
Більшпрогресивним шляхом забезпечення якості ЕА високої інтеграції є орієнтація намаксимально бездефектне виготовлення апаратури, виявлення потенційних джерелвідмов ще на стадії проектування.
Під час розробкитопології та структури ЕА необхідне врахування технологічності конструкції іможливостей технологічного процесу, а також міркувань, пов’язаних з надійністюЕА. Метою контролю в цьому випадку є вплив на технологічний процес. Томувідпадає необхідність в широкій програмі контролю та випробувань. Завдякизабезпеченню вже на етапі проектування максимального узгодження конструкціїапарата з можливостями технологічного процесу – надійність – основний параметрякості – опиняється «вбудованою» у конструкцію.
При такій системізабезпечення якості ЕА та комплектуючих виробів японській промисловості закороткий час вдалося випередити країни Західної Європи та США.
У табл. 1наведено порівняння рівнів допустимого браку (ЗВІС) надвеликих інтегральнихсхем, встановлених стандартами Японії та США і Західної Європи.
Таблиця 1. –Порівняння рівнів допустимого бракуКраїни Доля браку, %, на етапах Вхідний контроль Складання ЕА Експлуатації
Японія
США та Західна Європа
0,11
0,54
0,008
0,11
0,002
0,008
Зі зростаннямступеня інтеграції ІС, які використовуються в ЕА, продовжується інтенсивненакопичення її обчислювальними пристроями – цифрова обробка сигналів займає в апаратурі домінуючеположення.
Зізміною функціональної структури ЕА проблема забезпечення її надійності значноускладнилась. Виникла необхідність забезпечення надійності не тільки апаратури,а і програмного забезпечення.
Прирозрахунках надійності радіоелектронних засобів (РЕЗ) у цьому випадкуприпускається, що відмови апаратних засобів та програмного забезпечення подіїнезалежні, і ймовірність безвідмовної роботи РЕЗ може бути знайденою заформулою:
P(t)=Pa(t)×Pn(t), (1)
де Pa(t)– ймовірність безвідмовної роботи апаратури;
Pn(t) – ймовірністьбезвідмовної роботи програмного забезпечення.
Мирозглядатимемо методику розрахунку надійності тільки апаратури. При експоненціальному законі надійності інтенсивність відмов ЗВІС можна представити:
λЗВІС=λз.з+λк.з+ λк+ λn , (2)
де λз.з– інтенсивність відмов зовнішніх з’єднань;
λк.з – інтенсивністьвідмов внутрішніх контактних з’єднань;
λк – інтенсивністьвідмов корпусів;
λn – інтенсивністьвідмов кристалу, який визначається його площиною.
Надійністьсучасних ЗВІС високого ступеня інтеграції дуже висока і оцінюється заразінтенсивністю відмов λЗВІС=(10-9-10-11)1/год.
3.Підвищення надійності за рахунок резервування
Цеодин з ефективних засобів підвищення надійності радіоелектронної апаратури,який дозволяє створювати надійність елементів, що входять до неї. Але практичнареалізація резервування пов’язана з ускладненням апаратури, збільшенням її масита габаритів, потужності, яку вона споживає, вартості.
Приєднаннярезервних елементів до основних виконується паралельно. Розрізняють три методирезервування:
— загальний, що передбачає резервування об’єкта в цілому;
— роздільний, що передбачає резервування окремих елементів,їх груп або окремих вузлів;
— змішаний, що передбачає поєднання різних методіврезервування.
Нарис. 1. наведені загальна та роздільна схеми резервування.
/>
Відношеннякількості резервних елементів до кількості елементів, які резервуються,називають кратністю резервування. Крім того, резервування може бути пов’язане зремонтом основного і резервного елемента в процесі експлуатації. Церезервування з відновлюванням та резервування без відновлювання, тобто безремонту елементів або вузлів. Сам цей резервний елемент може бути ремонтованимі не ремонтованим.
ЯкщоP1(t) – ймовірність безвідмовної роботи одного елемента, то приоднаковому P1(t) для всіх елементів отримаємо:
Pm(t)=1-[1-P1(t)]m+1.(3)
Отже,паралельне включення елементів є ефективним засобом підвищення надійності РЕЗ.
Утабл. 2 наведена ймовірність безвідмовної роботи одного елемента P1(t)та імовірність безвідмовної роботи Pm(t) для елементівз різною надійністю.
Таблиця 2. – Імовірність безвідмовної роботи для елементів з різноюнадійністю
P1(t)
Pm(t) при m=1 m=2 m=3
0,5
0,7
0,9
0,95
0,75
0,91
0,99
0,9975
0,875
0,973
0,999
0,999
0,9735
0,9919
0,9999
0,9999
Існуєтри засоби включення резерву: постійний, заміщенням, змінний. Постійнимрезервуванням називають таке, при якому резервний елемент бере участь уфункціонуванні апарата на рівні з основними. Зрозуміло, що резервні елементизнаходяться у такому самому режимі роботи, що і основні, тому їх ресурс роботивтрачається з моменту включення в роботу всього приладу.
Оскількирезервні елементи функціонують на рівні з основними, то такий резерв називаютьнавантаженим.
Кількіснуоцінку ймовірності безвідмовної роботи при такому резервуванні можна знайти длядвох методів резервування: загального та роздільного. З рисунків видно, щороздільне резервування більш ефективне.
Системаз загальним резервуванням буде нормально функціонувати при збереженніпрацездатності хоча б одного ланцюга. Беручи за основу теорему множенняймовірностей, імовірність відмови такої системи:
qзаг=/> (4)
де qi– імовірність відмови одного ланцюга, який складений з n-елементів.
Ймовірністьбезвідмовної роботи апарата з загальним резервуванням:
Рзаг(t)= 1-qзаг=1-/> (5)
де Pi– ймовірність безвідмовної роботи і-го ланцюга.
Алебезвідмовна робота і-го ланцюга матиме місце за безвідмовної роботи кожного з nелементів. Отже:
/> (6)
деPji – ймовірність безвідмовної роботи j-го елемента в і-муланцюзі;
n – кількістьпослідовно з’єднаних елементів ланцюга.
Підставляючизначення Pi з формули (6) у (5) отримаємо:
/> (7)
Дляапаратури з роздільним резервуванням імовірність безвідмовної роботи j-голанцюга:
/> (8)
де Pij– ймовірність безвідмовної роботи і-го елемента.
Тодізагальна ймовірність безвідмовної роботи об’єкта з роздільним резервуванням наоснові теореми множення ймовірностей:
/> (9)
Длявипадку, коли всі елементи рівні за надійністю:
/> (10)
де P1– ймовірність безвідмовної роботи одного елемента.
Дляроздільного резервування:
/> (11)
Недолікомпостійного (загального і роздільного) резервування є значне збільшення об’ємуапаратури, а також те, що з появою відмов у резерві змінюються параметриапаратури, що призводить до зміни режимів роботи.
При експоненціальному законі надійності, коли P1=℮-λ1t,та при однаковій надійності елементів для загального резервування ймовірністьбезвідмовної роботи:
/>/> (12)
деλо=n λ1 – інтенсивність відмови ланцюга.
Дляроздільного резервування за експоненціальним законом надійностіймовірність безвідмовної роботи:
/> (13)
Резервування,при якому функції основного елемента передаються резервному тільки післявідмови основного елемента, називається резервування заміщенням. При цьомуобов’язкова наявність комутаційних пристроїв, які автоматично підключаютьрезервні елементи замість тих, що відмовили. Резервні елементи можутьзнаходитися в різних режимах: навантаженому, полегшеному та не навантаженому.
Длярезервування груп однотипних основних елементів достатньо мати один абодекілька резервних елементів.
Длявипадку загального резервування заміщенням ймовірність безвідмовної роботи при експоненціальному законінадійності та навантаженому стані резерву визначається формулою (12).