книги / Надежность микросборок

дежность от всяких других экспериментов б у д е т , неза­ висимость выходных параметров от воздействующих факторов. В противном случае микросборки не отве­ чают требованиям, предъявляемым к ним.

При активных испытаниях время воздействия каж­ дого фактора не превышает времени корреляции ис­ следуемых параметров. Поэтому время испытаний при воздействии фактора или их совокупности значительно меньше времени их воздействия при длительных испы­ таниях, соответствующих техническому ресурсу. Однако объем информации, полученный в результате длитель­ ных испытании, в 2 раза меньше, чем при активных испытаниях. Следовательно, можно значительно сокра­ тить время испытаний цикла за счет увеличения инфор­ мативности оптимально спланированных испытаний. Представляется целесообразным проанализировать во­ прос: за счет каких факторов можно сократить время испытаний в данном цикле?

С целью повышения эффективности испытаний мик­ росборок на надежность можно рассмотреть особенно­ сти следующего алгоритма. Все выпускаемые на пред­ приятии микросборки следует разделить на определен­ ные группы. Основными признаками, по которым мож­ но группировать микросборки, — это одинаковые фи­ зические явления, лежащие в основе их работы, одина­ ковые технологические процессы их изготовления, иден­ тичность конструкций, высокая унификация комплек­ тующих элементов и т. д. После этого в каждой группе выбирается прототип, обладающий наибольшим количе­ ством свойств, объединяющих данную группу микро­ сборок.

Изделие — прототип подвергается длительным опре­ делительным испытаниям на надежность, спланирован­ ным по методам полного факторного эксперимента. Дли­ тельность испытаний прототипов обычно равна техни­ ческому ресурсу микросборки. Определительные испы­ тания проводятся циклами, равными по времени, задан­ ному в ТУ или в ТЗ минимальному времени непрерыв­ ной работы. В. результате таких испытаний определя­ ются виды отказов и производится статистический ана­ лиз полученных результатов. Испытания изделий — про­ тотипов позволяют определить критерии оптимальности испытаний и их оптимальную длительность для других

типов микросборок данной группы, а также произвести выбор факторов и параметров. Оценка надежности мик­ росборок, входящих в каждую группу, производится по результатам сокращенных оптимально спланированных испытаний. Статистической обработке должны подвер­ гаться результаты каждого цикла испытаний, 'и на ос­ новании этого определяются характеристики надежно­ сти. При этом статистическую обработку результатов испытаний целесообразно производить методами регрес­ сионного анализа.

Регрессионный анализ может быть использован для обработки результатов не только спланированных по методу полного факторного эксперимента, но и пассив­ ных испытаний на надежность. Особенность испытаний на надежность состоит в практической независимости выходных параметров от воздействующих факторов. Поэтому наиболее подходящими моделями процесса из­ менения параметров при испытаниях на надежность и служат регрессионные модели нулевого или первого по­ рядка. Однако конечной целью испытаний на надеж­ ность будет выбор и оценка параметра оптимизации. Для несложных микросборок параметр оптимизации мо­ жет быть единственным. В качестве такого параметра при испытаниях на надежность следует выбирать веро­ ятность безотказной работы, вычисленную с учетом из­ менения параметров в границах допуска и произведен­ ной классификации видов отказа. Для определения па­ раметрической надежности микросборок необходимо произвести корреляционный анализ процессов измене­ ния их основных параметров и определить взаимокорреляционные зависимости между параметрами. Наличие корреляционной зависимости между выходными пара­ метрами исследуемых микросборок может существенно упростить определение вероятности безотказной работы в случаях, когда микросборка обладает несколькими равными по важности выходными параметрами.

Из сравнения двух видов испытаний на надежность '(активных и пассивных, т. е. спланированных и случай­ ных) и двух видов обработки одних и тех же испыта­ ний можно заметить, что они дают практически одина­ ковую точность результатов; выигрыш во времени ак­ тивного эксперимента по сравнению с пассивным мо­ жет составить 200% и более, выигрыш в информатив­ ности активного эксперимента также возрастает,

Другие испытания

Граничные испытания на надежность основаны на выборочном методе и проводятся для определения раз­ рушающих и безопасных уровней нагрузок, записанных в ТУ. Эти испытания проводятся при различных элект­ рических, механических и климатических режимах до получения определенной доли отказов в выборке или достижения заданного уровня воздействующей нагруз­ ки. Уровень граничной (разрушающей) нагрузки опре­ деляется как уровень воздействия, при котором дости­ гается 50%-ная доля остатков. Полный объем гранич­ ных испытаний состоит из следующих видов: воздейст­ вие быстрой смены температур (термоудар); воздейст­ вие смены температур (термоциклирование); воздейст­ вие одиночных ударов; сохраняемость при повышенной температуре; работоспособность при нагрузке.

Полный объем граничных испытаний обычно произ« водится на стадии разработки и внедрения разработан­ ных микросборок в производство (на студии приемки установочной партии). При проверке влияния конструк­ тивно-технологических изменений не обязательно про* водить полный объем граничных испытаний. В этом случае испытания проводятся только по тем видам, ко­ торые в наибольшей мере характеризуют .конструктивнотехнологические изменения. Для проверки конструктив­ но-технологических запасов, кроме граничных испыта­ ний, можно использовать другие методы испытаний, устанавливаемые в технической документации.

Испытания на длительное хранение проводятся с целью определения сохраняемости микросборок. При испытании на длительное* хранение микросборки разме­ щаются в упаковке предприятия-изготовителя либо вмонтированными в РЭА, находящейся на консервации, либо в комплекте ЗИП. Испытания на хранения прово­ дят, как правило, в условиях отапливаемого склада. В течение срока хранения параметры критериев годности микросборок должны оставаться в пределах норм, уста­ новленных в ТУ и других нормативных документах в зависимости от физических свойств назначения микро­ сборки. Например, самые общие соображения, основан­ ные на практическом опыте, свидетельствуют о том, что те параметры микросборок, которые определяются ее геометрией, практически не подвержены изменению во

времени. В то же время такие параметры, как обратный ток р-п перехода и пробивное напряжение, зависящее от утечки по поверхности и от скорости поверхностной и объемной рекомбинаций, будут изменяться во време­ ни за счет старения микросборок или других физико­ химических изменений. Если свойства микросборок в процессе хранения остаются неизменными, то парамет­ ры в конце хранения должны совпадать с нормами, пре­ дусмотренными при приемке. Если .параметры критерии ев годности микросборок в процессе хранения изменя­ ются, то в конце хранения нормы устанавливаются с учетом характера и величины этих изменений во вре­ мени.

При проведении испытаний на хранение произво­ дится проверка микросборок на сохраняемость, уста­ новленную в нормативно-технической документации; на­ копление информации о техническом ресурсе сохраняе­ мости; разработка рекомендаций повышения сохраняе­ мости; уточнение норм на показатели сохраняемости. В качестве критерия оценки принимается значение гамма­ процентного срока сохраняемости. Гамма-процентный ресурс определяют по накопленным результатам испы­ таний. В процессе проведения испытаний регистрируют время появления отказов. За гамма-процентный ресурс принимают время испытаний, соответствующее середи­ не интервала между временем появления двух послед­ них отказов.

На испытание закладывается выборка, объем кото­ рой устанавливается ТУ или другими нормативными документами и формируется не единовременно, а по­ степенно установкой микросборок на испытание при ежеквартальном их отборе в течение двух лет. Перед началом испытаний выборку выдерживают в нормаль­ ных климатических условиях. После этого микросбор­ ки нумеруют, производят внешний осмотр и первона­ чальные измерения параметров-критериев годности. Микросборки, не соответствующие ТУ или ЧТУ, заме­ няются .новыми и при обработке результатов испыта­ ний не участвуют. К каждой выборке должен прила­ гаться определенный сопроводительный лист.

Микросборки, параметры-критерии годности которых в процессе испытаний перестали соответствовать нор­ мам, оставляют для дальнейшего хранения с целью уста­ новления размера отклонения параметров в течение ьсе-

го срока хранения. Микросборки, полностью отказав­ шие, снимают, с испытаний для установления причин отказа. По результатам анализа всех отказавших мпкросборок разрабатываются рекомендации по устране­ нию дефектов в микросборках текущего выпуска.

Результаты испытаний оценивают как положитель­ ные, если значение гамма-процентного срока сохраняемо­ сти будет больше установленного в ТУ или в ЧТУ. При выявлении дефектных микросборок изготовитель анали­ зирует эти микросборки и по результатам анализа на­ мечает и проводит мероприятия по повышению сохра­ няемости микросборок текущего выпуска либо уточняет в нормативно-технической документации нормы на па­ раметры-критерии годности и значение гамма-процент­ ного срока сохраняемости.

Испытания на долговечность проводятся для полу­ чения количественных показателей производственной на­ дежности. Эти фактически ресурсные испытания весьма трудоемки, продолжительны (до 100 тыс. ч) и связанЦ с большими экономическими затратами. По коли­ чественным показателям надежности, полученным, в ре­ зультате ресурсных испытаний, судят о повышении про­ изводственной надежности выпускаемых микросборок* Количественное значение производственной надежности может быть получено только через длительное время, исчисляемое многими месяцами и даже годами. Ре­ зультаты ресурсных испытаний не могут служить осно­ ванием для забракования выпускаемых в данный период времени микросборок. Однако изготовитель проводит анализ отказавших в процессе испытаний микрос.борок и на его основе разрабатывает необходимые мероприя­ тия по устранению причин появления отказов с после­ дующим внедрением этих мероприятий в производство.

При определении гамма-процентиого ресурса прово­ дятся испытания, которые оцениваются как продолже­ ние испытаний на долговечность. Микросборки часто группируют, в этом случае испытания проводят на мик­ росборке — прототипе, а результаты распространяют на всю группу микросборок. Если объем выборки при испытании на долговечность недостаточен для опреде­ ления гам-ма-процентного ресурса, то в течение време­ ни, необходимого для его определения, проводят не­ сколько последовательных операций, число которых определяют из отношения объема выборки, необходн-

мой для определения гамма-процентного ресурса, к объ­ ему выборки на долговечность. Поскольку этот количе­ ственный показатель производственной надежности по­ лучается и уточняется, так же как и показатель долго­ вечности, только в результате длительных испытаний, но он также не может-быть заранее задан и, следова­ тельно, гарантируется изготовителем.

Количественные показатели производственной на­ дежности, полученные в результате испытаний на дол­ говечность, для определения гамма-процентного ресур­ са могут служить только как справочные данные, пока­ зывающие уровень производственной надежности выпу­ скаемых микросборок, достигнутый у изготовителя.

Натурные испытания микросборок проводят в есте­ ственных условиях окружающей среды наряду с лабо­ раторными испытаниями. Цель натурных испытаний — это выявление комплексного влияния естественно воз­ действующих факторов окружающей среды на измене­ ние параметров, свойств и механизма отказов микро­ сборок при их эксплуатации и хранении. Натурные ис­ пытания обеспечивают получение более полной и до­ стоверной информации о комплексном влиянии факто­ ров окружающей среды на параметры — критерии год­ ности микросборок, позволяют исследовать характер реальных физико-химических процессов, протекающих в микросборках при воздействии естественных факторов окружающей среды. Этот вид испытаний позволяет уточ­ нить лабораторные данные и разрабатывать рекомен­ дации по способам защиты микросборок от внешних воз­ действий, а также уточнить нормы на изменения пара­ метров — критериев годности, методы и режимы лабо­ раторных испытаний.

Специфика натурных испытаний заключается в боль­ шой их продолжительности, сложности и высокой стои­ мости и поэтому требует оптимальной их организации и планирования. Выбор условий натурных испытаний базируется на анализе результатов эксплуатации, лабо­ раторных испытаниях и требованиях, предъявляемых к микросборкам. Такой анализ позволяет ограничить объ­ ем длительных и дорогостоящих натурных испытаний и разработать предварительную программу их проведе­ ния. В результате микросборки подвергаются испытани­ ям только в тех условиях, в которых влияние дестаби­ лизирующих факторов наиболее интенсивно.

Методами теории подобия и предварительного ана­ лиза рассматривается вся номенклатура микросборок с точки зрения степени различия фактических процессов деградации, вызванных воздействующими факторами. Натурным испытаниям достаточно подвергнуть только прототипы групп микросборок, что уменьшает объем и стоимость испытаний, а результаты испытаний распро­ странить на всю группу. Натурные испытания микро­ сборок, предназначенных для эксплуатации и хранения

всоставе стационарной РЭА, рекомендуется проводить

впунктах, близких по климатическим характеристикам к предполагаемым местам эксплуатации. Натурные ис­ пытания микросборок проводятся на климатических станциях, которые расположены в разных климатиче­ ских зонах и районах.

Наряду с рассмотренными натурными испытаниями

вразличных климатических условиях большое практи­ ческое значение за последнее время приобретает инфор­

мация о надежности микросборок в условиях открытого космоса. С этой целью проводят испытания микросборок в условиях натурных воздействий факторов космиче­ ского пространства, к которому в первую очередь отно­ сятся космические излучения, магнитное поле Земли и высокий вакуум. Натурные испытания такого рода пре­ дусматривают испытания микросборок под электриче­ ской нагрузкой и без нее. Данные о функционировании микросборок в условиях открытого космоса, одновремен­ ная запись некоторых воздействующих факторов и по­ следующий анализ возвращаемых после полета микро­ сборок позволят уточнить режимы и условия лаборатор­ ных испытаний с целью более эффективного выявления потенциально ненадежных приборов*

Прогнозирование надежности

Одна из основных гипотез о природе предсказания будущего заключается в том, что выводы о возможно­ сти или вероятности будущего события делаются на ос­ новании изучения, анализа и обобщения предыдущего опыта —* истории предсказываемого явления. Ни одно действие не совершается человеком без того, чтобы он в достаточно определенной форме не предвидел резуль­ таты этого действия, Эта идея и положена в основу раз-

внвающейся в настоящее время статистической теории предсказаний.

Можно встретиться с фактами предсказания буду­ щего, которые на первый взгляд кажутся совершенно не связанными с прошлым. Известно, что опыт представ­ ляет собой гораздо больший объем сведений, чем тот, который человек может сознательно выделить. Поэтому утверждения о том, что некоторые случаи предсказания не могут быть объяснены предшествующим опытом и точно такое событие в прошлом не наблюдалось, нельзя считать основательными.

Объем сведений о прошлом, размеры опыта прош­ лого в различных условиях не могут быть одинаковыми. Исходя из этого можно предположить, что самые не­ ожиданные на первый взгляд предсказания, и особенно точность их совпадений с действительностью, имеют твердую «историческую» почву.

Прежде чем перейти к изложению методов прогно­ зирования надежности, ознакомимся с несколькими ос­ новными понятиями. Определим задачи предсказания детерминированных и вероятностных или стохастических процессов, а также выясним понятие непредсказуемой «чистой» случайности.

Детерминированными называются процессы, вызван­ ные действием ряда известных причин. Зная результа­ ты действия каждой из них, можно точно рассчитать суммарный результат. Обычно в линейных системах действует принцип наложения (суперпозиции), который формулируется так: общий эффект от действия несколь­ ких причин равен сумме эффектов от действия каждой причины, взятой в отдельности.

Изучение детерминированных процессов основано на индуктивном методе — методе изучения причин и след­ ствий. Интервал времени, отделяющий момент предска­ зания того или иного явления от момента его наступ­ ления, обычно называют временем упреждения.

Прогнозирование детерминированных процессов ха­ рактеризуется тем, что время упреждения может быть сколько угодно большим. Увеличение времени упрежде­ ния не снижает точности предсказания детерминирован­ ных процессов.

В вероятностных или стохастических процессах это правило не действует. Нестационарность процессов по­ зволяет осуществлять предсказание только на сравпн-

■ тельно короткий: срок. Удлинение времени упреждения при. требуемом качестве предсказания представляет со­ бой основную задачу при разработке методов статисти­ ческого предсказания.

Предсказание случайных процессов. Если много раз наблюдать какое-либо явление, испытание, каждый раз стараясь точно воспроизвести одни и те же условия, то вместо того; чтобы получать одинаковые результа­ ты, при ’ каждом отдельном измерении получается ре­ зультат, отличный от других. Каждый раз сказывается влияние не только тех условий, которые воспроизводят­ ся, но и тех, которые воспроизвести невозможно. Под­ твержденное подобному разбросу событие называется случайным. Последовательности таких случайных со­ бытий, рассматриваемые в функции времени, известны под названием случайных процессов. В случайном про­ цессе можно проследить результат действия ряда при­ чин, но рассчитать его нельзя.

Изучение случайных процессов основано на дедук­ тивном методе — причинную связь явлений проследить

дует различать три составляющие: во-первых, детерми­ нированную часть, поддающуюся точному расчету ин­ дуктивным методом; во-вторых, вероятностную часть, выявляемую дедуктивным методом по длительному наб­ людению за процессом с целью определения вероятност­ ных закономерностей процесса; в-третьих, «чисто» слу­ чайную часть, принципиально не поддающуюся никако­ му предсказанию.

Рассмотрим примеры из области предсказания «слу­ чайных» величин. Так, при подбрасывании вверх кубика, одна грань которого окрашена в красный цвет, а пять остальных граней — в синий, требуется предсказать, ка­ кого цвета будет верхняя грань при следующем броса­ нии. Нетрудно установить, что в данном примере де­ терминированная часть отсутствует, вероятностное пред­ сказание дает цифру 5/б. т. е. с такой вероятностью мож­ но предсказать, что выпадет синий цвет.

В игре с подбрасыванием монеты требуется пред­ сказать, упадет ли -монета гербом или решкой. При большом количестве подбрасываний (примерно в поло­ вине случаев) монета падает гербом, а в половине — решкой. Это пример «чистой» случайности, или равно­

вероятного, исхода, принципиально не поддающегося никакому предсказанию.

Еще пример — футбол. Это более сложная игра. В предсказании результатов игры детерминированная со­ ставляющая отсутствует (рассчитать ничего нельзя), но имеется явно выраженная вероятностная составляющая, которую можно определить, наблюдая ряд игр данных команд. Кроме того, в игре обязательно присутствует принципиально непредсказуемый элемент «чистой» слу­ чайности.

Рассмотрим пример реального случайного процесса. Долгое время оставался неясным вопрос о причи­ нах и закономерностях приливов и отливовг Кеплер и Ньютон связали это явление с Луной. В дальнейшем Лаплас подтвердил теорию Кеплера и Ньютона строго математически, что дало возможность предсказывать на

каждый день время прилива и отлива.

В данном процессе все три части процесса: детерми­ нированная, вероятностная и «чисто» случайная. Детер­ минированная часть процесса обусловлена Луной и точ­ но рассчитывается по теории Лапласа. Имеется случай­ ная часть, вызываемая ветром, изменением состава и плотности воды, температуры и многих других причин.

Совокупность детерминированной и вероятностной частей является наилучшим (оптимальным) предсказа­ нием. Сравнение этого оптимального предсказывания с действительным приливом дает возможность опреде­ лить элемент непредсказуемой, или «чистой» случайно^ сти. В реальных процессах «чисто» случайная часть не может быть сведена к нулю. Эта часть определяет тот наивысший уровень, к которому ассимптотически при­ ближается по мере повышения качества предсказания детерминированной и вероятностной частей.

Разработка методов расчета детерминированных про­ цессов и выделение вероятностей части представляют собой основные проблемы теории прогнозирования.

Если процесс плохо изучен, то некоторую долю де­ терминированной его части приходится отнести к веро­ ятностной, а некоторую долю вероятностной части — к «чистой» случайности. Точность прогнозирования от этого резко ухудшается. Отсюда основной задачей тео­ рии прогнозирования становится максимальное увеличе­ ние причинной, детерминированной части, как и посто­ янное уточнение вероятностного прогнозирования.