Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Товароведение arrow Основы теории надежности

Физические методы

Физические методы [36, 50, 62]. Исследователи отказов изделий использовали принцип каузальности (причинности) и распространили сто влияние на области физики, химии и материаловедения.

В результате применения понятий "механизм отказа", "энергия активации процесса деградации" зародились физические методы оценки показателей качества на основе уравнений Аррениуса и Эйринга (физика надежности, физика отказов). Ключевые механизмы и физико-математические модели отказов компонентов и входящих в их состав элементов представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Характерные механизмы и модели отказов компонентов и входящих в них элементов

Объект

Параметр

Механизмы

Модель

Литература

Физикохимическая система

Время самопроизвольного выхода из устойчивого состояния τ

Различные

(16]

Герметизирующие покрытия. Полимеры

Долговечность tf

Деструкция полимеров, диффузионные процессы

[62]

Поверхность

p-типа

Поверхностная концентрация ионов

ns

Поверхностные явления, процессы сорбции- десорбции

[62]

Алюминий массивный

Долговечность tj

Старение

[35, 62]

Металлизация

Долговечность tf, сопротивление R

Электромиграция, окисление, коррозия

[37]

Многоуровневые межсоединения

Сопротивление R

Образование интерметаллидов

[37, 62]

Резисторы

Сопротивление R

Окисление

[37, 62]

Конденсаторы

Емкость С

Диффузия, окисление

[8]

Подход Аррениуса основывается па эмпирической связи электрического параметра Р компонента или элемента и механизма отказа с энергией активации Еа.

Выражение для времени tf достижения отказового состояния изделием (т.е. долговечности) от номинального значения электрического параметра Р0 к отказовому значению Рf (выше или ниже предельно-допустимых значений параметра, указанных в документации) имеет вид

где А – коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путем; k – постоянная Больцмана; Г – температура.

Достоинства подхода Аррениуса обусловлены возможностью прогнозирования надежности изделий.

К числу недостатков этого подхода относят следующие:

  • • неполнота, нельзя предвидеть появление катастрофических отказов;
  • • отсутствие в посылках метода конструктивно-технологических параметров элементов и компонентов;
  • • ограниченность, метод пригоден для термически активированных механизмов;
  • • эмпиризм, он отражается наличием в приведенном выше выражении для tf коэффициента пропорциональности А.

Последний указанный недостаток преодолен теорией Эйринга, которым введено понятие активированного комплекса частиц и выполнено обоснование такого введения с помощью методов статистической физики и квантовой механики. Теория Эйринга – более совершенная, по сравнению с подходом Аррениуса, но также не лишена недостатков. Она, в частности, не учитывает достижений российской термодинамической школы материаловедов, творчески переработавшей идеи Д. Гиббса, реализованные в уравнении Семенченко (см. в гл. 5).

Таким образом, пока физические методы определения надежности основываются только на связи измеряемого параметра прибора и модели механизма отказа в форме Аррениуса или Эйринга.

Достоинство физических методов: возможность прогнозирования параметрических отказов изделий на основе ускоренных испытаний.

Недостатки физических методов:

  • • необходимость испытаний в условиях многономенклатурного производства для новых изделий;
  • • непредсказуемость катастрофических отказов;
  • • отсутствие моделей связи показателей качества и результатов анализа отказов при производстве.

Физико-статистические методы

Физико-статистические методы [41, 44]. Под физико-статистическими методами оценки показателей надежности изделий понимают методы, базирующиеся на использовании понятий физики и математической статистики.

Этот класс методов предусматривает совместное изучение физических явлений, вызывающих или сопровождающих отказ изделий, и вероятностных закономерностей различия их действительных сроков службы. Надежность (долговечность) реальных изделий не безгранична, а стохастически конечна и зависит от интенсивности воспринимаемых ими воздействий, степень напряженности которых обусловлена необходимостью полного использования изделий в соответствии с назначением. Надежность, т.е. вероятность безотказной работы изделий, будет тем выше, чем меньше их расчетный срок службы по сравнению с медианным, т.е. выдерживаемым половиной объектов испытаний [62].

В качестве иллюстрации применения физико-статистических методов можно указать пример утраты изделиями работоспособности вследствие усталостных разрушений. В этом случае имеется температурно-временная зависимость прочности деталей при переменных механических нагрузках. Для этого случая расчетный медианный срок службы изделий 1,„ определяется как

где τ0 – период тепловых колебаний атомов; U0 энергетический (потенциальный) барьер; γ – эмпирически определяемый коэффициент (для А1, например, он равен 1,0, для Ti – 2 и т.д.); σ – расчетное напряжение цикла; п – показатель степени, величина которого зависит как от формы, так и от типа (характера) разрушения; f – частота энергетических флуктуаций; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, К.

Б. С. Сотскову удалось объединить физические и статистические представления, пользуясь вероятностными прочностными характеристиками материала (где Δх определяет запас прочности) и скоростью изменения запаса прочности вследствие протекающих внутри или на поверхности веществ физико-химических процессов. Им получено выражение для интенсивности отказов, имеющее вид: . В работах Б. С. Сотскова даны примеры применения этого соотношения в основном для "объемных" элементов автоматики. Однако членво многих случаях, в частности для пленочных элементов микроэлектроники, не определен. Кроме того, зависимость λ(t) введена без учета результатов анализа отказов, производственных дефектов внешнего вида компонентов и проч.

В лабораториях надежности организаций МИЭТ, НИИМП, НИИМЭ, МИФИ, НИИЯФ в 1970-1980 гг. активно развивались и применялись физико-статистические методы оценки надежности тонкопленочной коммутации полупроводниковых ИС (с учетом механизмов электромиграции, диффузии и окисления); тонкопленочной коммутации на полиимидных пленках, тонкопленочных резисторов и конденсаторов.

Для оценки показателей долговечности высоконадежных микросхем относительно недавно разработан общий метод [45].

В литературе также имеются сведения о предпринятых интересных попытках информационного подхода к теории надежности, когда надежность физико-химических систем, обладающих упорядоченностью, рассматривается на основе аналогии между энтропией в термодинамике и теории информации и связью с кодом кинетического закона α:

где а – константа скорости распространения возбужденного импульса псевдоравновесного процесса; т – фактор гетерогенности; S – энтропия.

Резюме

Для оценки технического уровня и качества изделий на разных этапах их жизненных циклов используется совокупность методов, моделей и подходов. Методы оценки показателей качества изделий на этапах проектирования и производства имеют общую основу – статистическую модель. Отказы рассматриваются как события, подчиняющиеся статистической закономерности (с допущением гипотезы справедливости того или иного закона распределения отказов и параметра потока отказов) как составляющих системы, что делает возможным оценку интенсивности отказов систем. Статистические методы оценки показателей качества изделий образуют класс методов, охватывающий статистические закономерности, определяющие качество изделий на этапах проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Указанному классу методов присуща статистическая модель, где отказы изделий рассматриваются как случайные события, вероятности которых основываются на комбинаторном, частотном или теоретико-множественном определении самого понятия вероятности. Анализ качества систем проводят, дополняя статистический метод логическим. Для этого используются алгебра логики, логико-статистический метод надежностного анализа современных сложных систем, к этому же классу методов принадлежат социологический и экспертный методы (см. гл. 4,8). На основе использования понятий "механизм отказа", "энергия активации процесса деградации" появились физические методы (физика надежности, физика отказов) оценки показателей качества на основе уравнений Аррениуса и Эйринга. Подход Аррениуса основывается на эмпирической связи электрического параметра компонента или элемента и механизма отказа с энергией активации Еa. Недостаток подхода Аррениуса – эмпиризм – преодолен теорией Эйринга, который ввел понятие активированного комплекса частиц и обосновал его с помощью методов статистической и квантовой механики. Физико-статистические методы оценки показателей надежности изделий базируются на использовании понятий физики и математической статистики. Этот класс методов предусматривает совместное изучение физических явлений, сопровождающих или вызывающих отказ изделий, и вероятностных закономерностей различия их действительных сроков службы. Надежность (долговечность) реальных изделий не безгранична, а стохастически конечна и зависит от интенсивности воспринимаемых ими воздействий. Надежность, т.е . вероятность безотказной работы изделий, тем выше, чем меньше их расчетный срок службы по сравнению с медианным, т.е. выдерживаемым половиной объектов испытаний.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы