АНАЛИЗ И ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цельное знание по определению своему не может иметь исключительно теоретического характера: оно должно отвечать всем потребностям человеческого духа, должно удовлетворять в своей определенной сфере всем высшим стремлениям человека.

Соловьев В. С}

В результате изучения главы 4 студенты должны: знать

• конструкторско-технологические способы повышения и обеспечения надежности ТС;

уметь

• использовать прогрессивные конструкторско-технологические приемы создания ТС для обеспечения и повышения их надежности;

владеть

• методологией надежностного мышления на всех этапах жизненного цикла ТС.

Виды и категории испытаний (общая характеристика)

Цель и назначение испытаний. Процесс испытания готовых изделий является наиболее важным звеном планируемой и выполняемой программы работ но контролю качества и надежности, требующим пристального внимания, самой большей доли затрат средств и труда, выделяемых но контролю качества и надежности. Испытания можно определить следующим образом.

Испытания — это воздействие на изделия (в их числе ТС) различных внешних факторов, характерных для области их применения. Испытания должны быть повторяющимися во времени и как можно более приближенными к эксплуатационным условиям. Испытания изделий выполняют с помощью группы операций, служащих для создания (имитации) реальных или экстремальных условий их эксплуатации, что необходимо для выявления потенциально ненадежных изделий. [1]

Испытания предусматривают проверку всех теоретических расчетов, касающихся параметров самой конструкции, ее качества и надежности. Они фактически позволяют получить почти все данные, включая исходные, по изделию от начала проекта его разработки и на протяжении всего срока его службы. Их результаты являются основанием для расчетов и внесения изменений и уточнений в выполненные проекты и в конструкцию изделия. Они необходимы также для планирования и оптимальной организации технического обслуживания изделия при эксплуатации. Важнейшим требованием к испытаниям является достоверность получаемых в результате их проведения результатов [36, 37].

Характеристикой изделия (прибора, ТС), связанной с его эксплуатацией, является наработка, которая определяется как продолжительность, или объем, исправной работы прибора. Наработка измеряется временем (в часах), непрерывной или суммарной периодической работы прибора под нагрузкой, определяемой условиями эксплуатации, чаще всего под электрической и(или) тепловой.

Техническим ресурсом является наработка прибора (в часах) от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. Л продолжительность времени (календарная) от начала эксплуатации до наступления предельного состояния изделия называется сроком службы.

Обеспечение качества изделий, ТС всегда связано с необходимостью решения определенных технических проблем, значительная роль здесь принадлежит их контролю и испытаниям в процессе производства с целью оценки их качества и выработки необходимых рекомендаций. Оценку качества и надежности осуществляют по результатам испытаний. Цели испытаний:

  • • определение количественных показателей качества и надежности;
  • • установление возможности применения испытуемых изделий, ТС в данной области;
  • • получение гарантии качества и снижения возможных отказов в будущем.

Перечень подлежащих контролю параметров, режимы и условия проведения испытаний изделий оговариваются в стандартах частных и общих технических условий (ТУ). ТУ являются, как правило, отраслевыми стандартами, они содержат нормы на значения параметров и специфические требования, относящиеся к конкретному типу изделий.

Отраслевые технические условия (ОТУ) — государственный стандарт, который разрабатывается на группы однотипных изделий и содержит общие требования и положения, справедливые для этой группы изделий.

Стандарты ТУ служат основными документами, по которым осуществляется контроль качества изготавливаемых изделий на предприятии и на основании которых по результатам испытаний принимается решение о пригодности этих изделий к поставке потребителям и последующему использованию.

В зависимости от преследуемых целей испытаний они могут быть разбиты на две группы:

  • 1) исследовательские испытания, проводимые для изучения определенных свойств изделий;
  • 2) контрольные испытания, служащие для контроля качества производимых изделий.

К исследовательским испытаниям относят:

  • • граничные, которые проводятся для определения зависимостей между предельно допустимыми значениями параметров изделий и эксплуатационными условиями;
  • • сравнительные, которые проводятся на двух типах изделий или более для сравнения характеристик качества.

Контрольные испытания являются более представительной группой.

Проведение испытаний возможно в лабораторных и эксплуатационных условиях (в промышленности — как правило, в лабораторных условиях). Воздействующие факторы имитируются с помощью стендов.

По типу контроля испытания классифицируются на следующие: для контроля качества и надежности, и делятся при этом на категории.

Категории испытаний. Для оценки соответствия изделий требованиям стандартов и ТУ проводят контрольные испытания различных категорий [361. Рассмотрим их на примере изделий — интегральных схем (ИС). Категории таковы:

  • • квалификационные испытания — определяется соответствие ИС данной новой серии полному объему требований стандартов и ТУ, готовность производства к массовому изготовлению ИС;
  • • приемо-сдаточные — для контроля качества каждой партии И С, предъявляемой к сдаче. Определяется возможность приемки и поставки партии ИС;
  • • периодические — для периодического контроля качества ИС и подтверждения стабильности технологического процесса за контролируемый период времени (определяются дефекты технологического процесса (ТИ) или конструкции ИС, не выявленные ранее);
  • • типовые — проводятся при изменении конструкции, технологии, материалов, полуфабрикатов компонентов (проверка модернизированных ИС на соответствие требованиям стандартов и ТУ). Выявляются возможность, целесообразность и эффективность внесения изменений в конструкторско-технологическую документацию и поставки ИС по измененной документации;
  • • контрольно-выборочные — проводятся для определения соответствия серийно выпускаемых ИС полному объему требований стандартов и ТУ и, если надо, дополнительным требованиям. Проводятся вышестоящей организацией для контроля качества ТП, решения вопроса о применении выпускаемых ИС в новых изделиях;
  • • возможны некоторые другие виды испытаний.

Испытания на надежность проводятся только для контроля параметров надежности, которые перечислены ниже. Они имеют ряд разновидностей. Под каждую разновидность имеются отраслевые ГОСТы, ОСТы в зависимости от вида изделий. Например, контрольные испытания служат для определения соответствия количественных показателей надежности изделий требованиям стандартов или ТУ. Проводится контроль:

  • • на безотказность в течение времени, достаточного для выявления дефектов;
  • • на долговечность, для подтверждения наработки на отказ;
  • • на ресурс, для определения ресурса изделий;
  • • специальный, для определения интенсивности отказов X(t);
  • • на сохраняемость, для определения у — процентного срока сохраняемости.

Система ЕСКД содержит строгую регламентацию и огромный массив информации, касающейся испытаний, регламентируемых различными ведомствами. Здесь нами даны общие представления но рассматриваемым вопросам. Вопрос создания общей (универсальной) классификации находится в компетенции органов стандартизации. Строгой регламентации в настоящее время нет. Полная информация содержится только в системе многочисленных ГОСТов по надежности и качеству, которых более сотни, а для импортной базы изделий — много более.

Кроме рассмотренных категорий испытаний проводятся еще технологические испытания. Их цель — своевременная отбраковка потенциально ненадежных изделий.

Виды испытаний. По характеру воздействия на испытуемые изделия испытания делятся на следующие виды (на примере ИС).

  • 1. Конструктивные испытания — испытания ИС в целом и отдельных их узлов (габаритные размеры, масса, механическая прочность выводов, качество антикоррозийных и присоединительных покрытий, герметичность, светонепроницаемость и др.):
    • • размеры контролируют и сравнивают с указанными в чертежах;
    • • механическую прочность выводов определяют на многократные изгибы и растяжения; жесткие выводы контролируют на сдвиг, балочные — на изгиб и растяжение;
    • • герметичность контролируют с помощью вакуумно-жидкостного, радиоактивного, масс-спектрометрического и других методов.
  • 2. Электрические испытания — проверка работоспособности ИС и стабильности их параметров в различных рабочих режимах. Работоспособность проверяют тренировкой, используют два способа тренировки:
    • • электрический;
    • • термоэлектрический.

При электрическом испытании подают максимально допустимые напряжения U и токи и /. Выдерживают ИС определенное время в соответствии с ТУ и контролируют их параметры. При термоэлектрическом испытании выдержка при максимальных Uni сопровождается нагревом до заданной температуры и выдержкой при ней. Используют специальные стенды типа ИИС-1М, ИИС-3 и др. Контроль параметров осуществляют по специальной программе. Термоэлектрические испытания проводятся в специальных тепловых камерах типа УНТНС-1,2,3; УТ-1 и др. (испытывают до 500 ИС одновременно).

3. Механические испытания. Их проводят при жестком креплении ИС к платформе (минимальная амортизация).

В зависимости от назначения электронной аппаратуры (ЭА), применяемые в ней И С могут подвергаться различным по величине и видам механическим воздействиям. К основным механическим нагрузкам, которым могут подвергаться И С в условиях эксплуатации, относятся ударные, вибрационные и линейные воздействия. Одним из наиболее опасных видов воздействий является вибрация, она вызывает механические напряжения и деформацию изделий. Если деформации упругие, то их воздействие может привести к флуктуациям параметров изделия и, значит, к их нестабильности за счет появления дополнительного спектра частот возбуждения. Если вибрацией вызываются упругие деформации изделий, то после прекращения ее воздействия функционирование изделий восстанавливается. Но существует следующая опасность: под влиянием даже небольших по амплитуде, но длительных вибрационных нагрузок могут проявляться усталостные явления в материалах конструкциях, приводящие к выходу из строя или разрушению изделий.

Ускорения, возникающие при внезапном (резком) изменении скорости или направления движения объектов, вызывают механическое воздействие на них в виде удара. Под действием удара возникают силы, вызывающие в изделиях механические напряжения, деформирующие их, что, в свою очередь, может стать причиной разрушения изделий. Удар часто сопровождается неустановившейся вибрацией на частотах собственных колебаний компонентов изделий. В процессе эксплуатации изделия могут подвергаться также воздействию линейных нагрузок (постоянное ускорение).

Механические испытания проводятся:

  • • на вибропрочность;
  • • виброустойчивость (в том числе под электрической нагрузкой);
  • • ударную прочность;
  • • воздействие линейных нагрузок (до 500g, обычно 150g, где g — ускорение свободного падения).

После окончания процессов механических испытаний осуществляют контроль внешнего вида изделий и их основных электрических параметров и характеристик. Это необходимо для выявления возможных повреждений конструкции приборов. Фиксируют, не появились ли трещины в стеклянных деталях (изоляторах), нс изменились ли электрические параметры и характеристики изделий. Наличие отклонений свидетельствует о неустойчивости изделий к механическим воздействиям.

4. Климатические испытания. Они проводятся на теплоустойчивость при эксплуатации изделий, холодоустойчивость при их эксплуатации и тренировке, а также на влагоустойчивость, устойчивость к повышенному или пониженному давлению и воздействию морского тумана.

Требуемая стойкость ИС к воздействиям климатическим факторов формируется на этапе разработки и конструирования и обеспечивается в производстве. Наиболее достоверную оценку стойкости дает опыт эксплуатации или результаты испытаний изделий в условиях, имитирующих эксилутацион- ные воздействия. Изделия, ТС эксплуатируются в различных климатических условиях. Поэтому весьма непросто, а практически невозможно при испытаниях воспроизвести все возможные реальные условия эксплуатации.

Накопленный опыт показал, что для получения достоверных результатов вполне возможно ограничиться определенным комплексом стандартных климатических испытаний, которые достаточно просты и универсальны, сложились исторически на эмпирических принципах. Не воспроизводя полностью реальные условия эксплуатации, они позволяют получать нужную информацию в кратчайшие сроки, что достигается за счет увеличения интенсивности и длительности нагрузок. Используемые при этом принципы и методы оценки результатов испытаний должны создавать уверенность в том что вновь создаваемые изделия, ТС будут обладать в эксплуатации не худшей стойкостью, чем их предшественники. Важнейшим и непременным условием воспроизводимости результатов испытаний является их полное и точное описание, исключающее всякую неопределенность толкования.

Виды основных климатических испытаний таковы:

  • • воздействие пониженной и повышенной температуры;
  • • циклическое воздействие смены температур;
  • • на теплоустойчивость;
  • • на влагоустойчивость.

Внешние температурные факторы влияют на тепловой режим аппаратуры и могут приводить к нестационарным опасным тепловым перегрузкам изделий, ТС. Воздействие внешних пониженных и повышенных температур на приборы связано с сезонными и суточными изменениями температуры окружающей среды. Наиболее благоприятные условия для приборов складываются при стационарном температурном воздействии в условиях установившегося режима эксплуатации или хранения, когда они длительное время находятся в почти неизменных температурных условиях, не превышающих по степени воздействия условий, определяемых нормативно- технической документацией. Испытания на теплоустойчивость проводят с целью определения способности изделий сохранять свои параметры и внешний вид в пределах норм технических условий в процессе и после воздействия температуры вплоть до верхнего значения последней.

Отобранные экземпляры изделий для испытаний должны удовлетворять требованиям ТУ по значениям контролируемых параметров и внешнему виду. Их размещают в камере и испытывают в течение заданного времени, определяемого предварительно подготовленной программой испытаний, при повышенной температуре внешней среды, устанавливаемой в зависимости от степени жесткости испытаний, непосредственно связанной с областью применения изделий.

Испытания на циклическое воздействие, смену температур позволяют определить способность изделий выдерживать резкие и быстрые температурные изменения. В процессе таких испытаний изделия подвергаются температурному воздействию, периодически быстро изменяемому в заданных пределах — от верхнего до нижнего значения. Общее количество циклов для испытаний устанавливается равным трем, если другое их количество специально не оговорено.

Каждый цикл включает в свой состав два этана. Сначала изделия размещают в камере холода, а затем они попадают в камеру тепла, температуры камер устанавливаются в зависимости от степени жесткости проводимых испытаний.

Для данного вида испытаний имеется разновидность — испытание на тепловой удар. При таком испытании изделия погружают попеременно в жидкости, находящиеся при минимальной и максимальной температурах, определяемых ТУ на изделия.

Испытания на влагоустойчивость бывают двух видов: длительное и кратковременное. Первое проводится с целью определения способности изделий сохранять свои параметры в условиях до и после длительного воздействия влажности. Второе проводится с целью быстрого выявления грубых технологических дефектов в серийном производстве и дефектов, которые могли возникнуть во время ранее проведенных испытаний. Оба вида испытаний на влагоустойчивость могут проводиться в циклическом, с конденсацией влаги, или непрерывном, без конденсации влаги, режимах. Конкретный вид и программа испытаний выбираются в зависимости от назначения и условий эксплуатации изделий.

Для циклического режима испытаний характерным является воздействие на испытуемые изделия повышенной влажности при циклическом изменении температуры воздуха в камере. В результате создают условия для выпадения росы на наружных поверхностях изделий при быстром снижении температуры и последующего се испарения в период повышения температуры. Такие условия способствуют быстрому развитию процессов коррозии. При снижении температуры в камере влага может проникать внутрь изделий через различные микроканалы (в сварных, паяных швах, местах сопряжения материалов и др.). С физической точки зрения при снижении температуры в камере охлаждается и воздух во внутренней полости испытуемого изделия, давление в ней уменьшается. За счет возникшего перепада давлений в окружающем объеме и внутри полости влага диффундирует по капиллярам внутрь этой полости (корпуса). Учитывая сказанное, испытания на влагоустойчивость в циклическом режиме следует рекомендовать в первую очередь для изделий, имеющих свободные внутренние объемы (полости), например для изделий в металлостеклянных, пластмассовых корпусах со сводным внутренним объемом и т.п.

Непрерывные испытания проводят при постоянных значениях температуры и влажности в камере, так как в их процессе не предусматривается конденсация влаги на поверхности изделий. Время выдержки изделий при заданной температуре определяется необходимостью достижения ими теплового равновесия. Аналогично строится методика проведения кратковременных испытаний изделий в непрерывном режиме.

Под электрической нагрузкой испытания изделий предусматривают, если в условиях эксплуатации изделий, при увлажнении под напряжением, возможно появление электрохимической коррозии или разрушающего действия электролиза. Для создания электрической нагрузки используется напряжение, обеспечивающее минимальное тепловыделение в испытуемых изделиях.

  • 5. Испытания на устойчивость изделий к радиации относятся к специальным. Задается доза ионизирующего излучения, производят облучение испытуемых изделий у-излучен нем, рентгеновским, потоком нейтронов и т.п.
  • 6. Испытания на безотказность, долговечность и сохраняемость.

Под безотказностью понимается свойство изделия (прибора, ТС) непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого интервала времени или некоторой наработки. Из самого названия следует, что это свойство выражает главное содержание надежности, оно определяет назначение любого прибора — исправно выполнять собственные функции в течение определенного промежутка времени.

Однако для полного описания надежности изделий требуется знать и другие ее составляющие, к которым относится и долговечность, представляющая собой свойство изделия (прибора, ТС) сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при регламентированной системе технического обслуживания. Свойство долговечности относится к ресурсным характеристикам изделий, оно существенно дополняет понятие (свойство) безотказности.

Сохраняемость можно определить как свойство изделия сохранять одни и те же значения показателей безотказности и долговечности в течение некоторого интервала времени при эксплуатации, хранении и транспортировании. Сохраняемость также относится к основным параметрам, характеризующим надежность.

Основным показателем безотказности изделий является вероятность безотказной работы (ВБР), под которой понимается вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ изделий не наступит. Из самого определения ясно, что конкретное численное значение ВБР изделия приобретает смысл лишь тогда, когда оно поставлено в соответствие заданной наработке, в течение которой возможно возникновение отказа.

Скрытые дефекты. В зависимости от характера и интенсивности воздействующих на изделие тех или иных нагрузок разные виды испытаний будут иметь разную эффективность с точки зрения обнаружения различных скрытых дефектов, влияющих на надежность изделий и определяющих ее.

В металле проводника за счет механических напряжений, которые могут приблизиться к пределу прочности металлической конструкции, происходят структурные изменения: рост зерен и их движение вдоль плоскостей скольжения. Результатом может стать разрыв конструкции. Часто обрывы по данной причине являются перемежающимися, и они могут проявляться вблизи некоторой критической температуры. Обнаружить такие обрывы можно лишь проверкой наличия контакта во всем диапазоне значений рабочей температуры, как при ее постепенном повышении, так и при понижении. В планарных полупроводниковых приборах обрывы алюминиевой металлизации часто возникают также из-за дефектов токопроводящих дорожек и контактных площадок. Если металлизация частично повреждена, например поцарапана технологическим инструментом, то параметры прибора практически не изменяются. Но при протекании тока происходит постепенный перенос металла дорожки вследствие явления электромиграции, и через некоторое время в районе первоначального повреждения возникает полный разрыв цени.

Известно, что основными механизмами отказов, связанных с изменениями и нестабильностью значений параметров полупроводниковых приборов, являются генерация и перемещение электрических зарядов на новерхмости кристалла полупроводника. Следствием образования поверхностных зарядов является изменение концентрации подвижных носителей заряда вблизи поверхности полупроводника и скорости поверхностной рекомбинации. В соответствии с этим изменяются и электрические параметры приборов, чувствительные к указанным характеристикам.

Неразрушающие методы контроля качества. Прогнозирование отказов включает операции, позволяющие на основании анализа тенденций изменения определяющего (прогнозирующего) параметра изделия предвидеть приближение отказов, определить потенциально ненадежные элементы. Термин «прогнозирование отказов» необходимо отличать от понятия «прогнозирование надежности», являющегося, по существу, понятием статистического прогнозирования количественных параметров надежности. Прогнозирование количественных показателей надежности (прогнозирование надежности) как частный случай входит в понятие «прогнозирование отказов».

Таким образом, прогнозирование отказов как неразрушающий метод контроля качества позволяет производить отбраковку потенциально ненадежных и отбор высоконадежных изделий, определять качество выпускаемой продукции и производить оценку показателей надежности. Существуют четыре основных метода прогнозирования отказов изделий электронной техники (ИЭТ):

  • 1) метод обнаружения дефектов и исследования кинетики процессов на этих дефектах. Для реализации метода необходимо проведение всесторонних испытаний и использование неразрушающего контроля качества изделий в процессе испытаний;
  • 2) использование для анализа чувствительных к отказам параметров изделий. Чувствительными к приближению отказов и характеризующими потенциальную надежность прибора, в том числе ИС, следует считать параметры, значения которых определяют потерю работоспособности изделия на самых начальных стадиях развития отказа. Суть этого метода, представляющего большой интерес для полупроводниковых приборов и ИС, ТС состоит в выборе, обосновании и измерении такого чувствительного прогнозирующего параметра;
  • 3) метод испытания в предельных рабочих режимах, включающий в себя контроль основных параметров изделий в условиях повышенных тепловых и электрических нагрузок. Позволяет получить информацию об отказах за сокращенное время, поэтому сто называют методом ускоренных испытаний. Трудность применения этого метода состоит в определении истинного значения коэффициента ускорения для определения достоверных параметров надежности. Наряду с этим форсированные (ускоренные) испытания могут вызвать отказы, которые никогда не проявились бы в условиях нормальных нагрузок;
  • 4) статистическое прогнозирование количественных показателей надежности. Заключается в оценке параметров надежности во времени по данным наблюдений за время tu при t»tu. Этот метод основывается изначально на использовании математического прогнозирования случайного процесса.

Анализируя методы прогнозирования отказов в целом, можно прийти к выводу, что для всех методов характерным является измерение параметров и анализ динамики их изменения, что позволяет оценить качество изделий без ухудшения их свойств, т.е. реализовать неразрушающий контроль качества. В настоящее время имеется некоторая неопределенность во взглядах и понятиях по прогнозированию отказов и неразрушающему контролю качества.

При прогнозировании отказов используются методы неразрушающего контроля качества как средство обнаружения дефектов. Однако прогнозирование отказов включает и ряд других исследований: кинетики отказов, определения некоторых параметров отказа. Методы неразрушающего контроля находят самое широкое применение не только при прогнозировании отказов, но и при решении ряда других задач, связанных с оценкой качества выпускаемой продукции.

Основная роль в обеспечении высокого качества изделий принадлежит этапу производства. Именно на этом этапе практически реализуется потенциальная надежность изделий, которая закладывается в них разработчиками. Грамотное построение технологического процесса, контроль, своевременное обнаружение и устранение отклонений от технологических режимов и регламента проведения технологического процесса, приводящих к дефектам и отказам изделий, выработка наилучших конструкторско-технологических решений в настоящее время основываются на использовании продуманной автоматической системы контроля и испытаний изделий, управления качеством (рис. 4.1).

  • [1] Соловьев В. С. Философские начала цельного знания // Полное собр. соч. В 20 т. М.:Наука, 2000. Т. 2. С. 259.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >