Методи підвищення надійності електронних апаратів (ЕА)
Методи підвищення надійності електронних апаратів (ЕА)
1. Загальні методи підвищення надійності
конструктивний мікроелектроніка апарат технологічний
Надійність ЕА залежить від багатьох факторів. Розглянемо ці фактори. Висока надійність апаратури на стадії проектування забезпечується:
- вибором схемних і конструктивних рішень;
- заміною аналогової обробки сигналів на цифрову;
- вибором елементів і матеріалів;
- заміною механічних перемикачів і пристроїв, які управляються, електронними;
- вибором режимів роботи різних елементів і пристроїв;
- розробкою заходів щодо зручності технічного обслуговування та експлуатації;
- урахуванням можливостей оператора (споживача) та вимог ергономіки.
При виборі схем електричних принципових перевага надається схемам, які мають мінімальну кількість елементів, схемам з мінімальною кількістю органів регулювань, тривало працюючих у широкому інтервалі дестабілізуючих факторів. Але задовольнити всі ці умови неможливо, і конструктору доводиться шукати компромісне рішення.
Не слід забувати, що головне в апаратурі, яка проектується – використовувати елементи, надійність яких відповідає вимогам до надійності самої апаратури.
Конструктивні рішення також впливають на надійність апаратури. Крупноблочна конструкція технологічно складна і незручна при ремонті. Конструктивні рішення мають забезпечити і необхідні теплові режими елементів ЕА, безвідмовність в умовах підвищеної вологості, в умовах дії механічних навантажень.
На підвищенні надійності помітно позначається вірний вибір режимів роботи елементів, вірний вибір конструкційних матеріалів. Матеріали, які використовуються, повинні мати таку швидкість старіння, яка б забезпечила нормальну експлуатацію протягом всього терміну служби.
Конструктивні рішення мають забезпечувати зручність технічного обслуговування і експлуатації апаратури.
В апаратурі мають бути передбачені контрольні гнізда, легкий доступ до всіх блоків апаратури, зручність контролю її стану і настроювання, заміни блоків, які б забезпечували безпеку обслуговуючого персоналу тощо.
Ергономіка потребує урахування і психофізіологічних можливостей операторів, і створення для них оптимальних можливостей. Органи керування і контролю мають бути розташовані таким чином, щоб не вимагати великого фізичного зусилля.
Отже, у процесі конструювання перед конструктором постає задача підвищення надійності РЕА в цілому без підвищення надійності комплектуючих елементів.
Не менш важливим є забезпечення заданої надійності в процесі виробництва та ремонту, яка досягається такими заходами:
- вибором відповідної технології та чітким її дотриманням;
- впровадженням автоматизації;
- вхідним контролем матеріалів та елементів;
- попереднім тренуванням елементів і апаратури;
- вірною методикою настроювання апаратури;
- поточними і вихідними контролями.
Правильна технологія та суворе її дотримання з одночасною автоматизацією виробництва дозволяє звести до мінімуму вплив суб’єктивних факторів на якість продукції.
Вхідний контроль не допускає у виробництво недоброякісні матеріали та елементи, які мають відхилення від заданих вимог.
Попереднє тренування елементів і всієї апаратури скорочує етап приробітку апаратури, дозволяє оцінити вірність схемних рішень. Елементи під час випробування ставлять у більш складні умови.
Поточний контроль дозволяє виявити некондиційні елементи та вузли і не допускати їх на подальше складання, виявити відхилення від прийнятої технології.
Вихідний контроль є закінченою перевіркою РЕА після складання та настроювання.
Правильна експлуатація також істотно впливає на надійність апаратури. Тут позначаються два фактори:
- вплив зовнішнього середовища та умов експлуатації;
- організація експлуатації та кваліфікація обслуговуючого персоналу.
Поліпшення організації експлуатації передбачає планування профілактичних робіт, забезпечення необхідної діагностичної та контрольно-вимірювальної апаратури, автоматизацію контролю стану РЕА, правильне планування необхідних запасних елементів і вузлів.
Підвищення кваліфікації обслуговуючого персоналу передбачає поглиблене вивчення конкретної апаратури, особливостей її експлуатації, знання діагностичної і контрольно-вимірювальної апаратури та технології ремонту. Це допомагає скоротити час знаходження та усунення несправностей, тобто підвищити коефіцієнти готовності та оперативної готовності апаратури до роботи.
2. Підвищення надійності за рахунок впровадження мікроелектроніки
Важливим фактором підвищення надійності сучасної електронної апаратури є широке застосування в ній мікроелектронних елементів, які дозволяють значно розширити її функціональні можливості, зменшити масу, габарити, потужність, що споживається, та вартість.
Надійність ЕА високої інтеграції залежить від технічного рівня виробництва та від технологічності, закладеної у конструкцію при проектуванні, оскільки всі проблеми забезпечення найкращих показників якості апаратури, що розробляється, пов’язані з досягнутим рівнем виробництва. Важливу роль у забезпеченні якості ЕА високої інтеграції відіграє кваліфікація робочих кадрів.
Всі критичні технологічні процеси і контроль продукції повинні здійснюватися працівниками, які мають необхідний рівень кваліфікації.
Традиційний підхід до підвищення якості ЕА передбачає суворий контроль на всіх етапах виробництва з метою відбракування дефектних елементів. При цьому забезпечується висока якість і надійність, але вихід годних елементів незначний, а численні операції контролю підвищують вартість апаратури.
Основна відповідальність за якість при такому підході покладається на службу контролю.
Більш прогресивним шляхом забезпечення якості ЕА високої інтеграції є орієнтація на максимально бездефектне виготовлення апаратури, виявлення потенційних джерел відмов ще на стадії проектування.
Під час розробки топології та структури ЕА необхідне врахування технологічності конструкції і можливостей технологічного процесу, а також міркувань, пов’язаних з надійністю ЕА. Метою контролю в цьому випадку є вплив на технологічний процес. Тому відпадає необхідність в широкій програмі контролю та випробувань. Завдяки забезпеченню вже на етапі проектування максимального узгодження конструкції апарата з можливостями технологічного процесу – надійність – основний параметр якості – опиняється "вбудованою" у конструкцію.
При такій системі забезпечення якості ЕА та комплектуючих виробів японській промисловості за короткий час вдалося випередити країни Західної Європи та США.
У табл. 1 наведено порівняння рівнів допустимого браку (ЗВІС) надвеликих інтегральних схем, встановлених стандартами Японії та США і Західної Європи.
Таблиця 1. – Порівняння рівнів допустимого браку
|
Країни |
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 зростанням ступеня інтеграції ІС, які використовуються в ЕА, продовжується інтенсивне накопичення її обчислювальними пристроями – цифрова обробка сигналів займає в апаратурі домінуюче положення.
Зі зміною функціональної структури ЕА проблема забезпечення її надійності значно ускладнилась. Виникла необхідність забезпечення надійності не тільки апаратури, а і програмного забезпечення.
При розрахунках надійності радіоелектронних засобів (РЕЗ) у цьому випадку припускається, що відмови апаратних засобів та програмного забезпечення події незалежні, і ймовірність безвідмовної роботи РЕЗ може бути знайденою за формулою:
P(t)=P>a>(t)P>n>(t), (1)
де P>a>(t) – ймовірність безвідмовної роботи апаратури;
P>n>(t) – ймовірність безвідмовної роботи програмного забезпечення.
Ми розглядатимемо методику розрахунку надійності тільки апаратури. При експоненціальному законі надійності інтенсивність відмов ЗВІС можна представити:
λ>ЗВІС>=λ>з.з>+ λ>к.з>+ λ>к>+ λ>n> , (2)
де λ>з.з> – інтенсивність відмов зовнішніх з’єднань;
λ>к.з> – інтенсивність відмов внутрішніх контактних з’єднань;
λ>к> – інтенсивність відмов корпусів;
λ>n> – інтенсивність відмов кристалу, який визначається його площиною.
Надійність сучасних ЗВІС високого ступеня інтеграції дуже висока і оцінюється зараз інтенсивністю відмов λ>ЗВІС>=(10-9-10-11)1/>год.>
3. Підвищення надійності за рахунок резервування
Це один з ефективних засобів підвищення надійності радіоелектронної апаратури, який дозволяє створювати надійність елементів, що входять до неї. Але практична реалізація резервування пов’язана з ускладненням апаратури, збільшенням її маси та габаритів, потужності, яку вона споживає, вартості.
Приєднання резервних елементів до основних виконується паралельно. Розрізняють три методи резервування:
- загальний, що передбачає резервування об’єкта в цілому;
- роздільний, що передбачає резервування окремих елементів, їх груп або окремих вузлів;
- змішаний, що передбачає поєднання різних методів резервування.
На рис. 1. наведені загальна та роздільна схеми резервування.
Відношення кількості резервних елементів до кількості елементів, які резервуються, називають кратністю резервування. Крім того, резервування може бути пов’язане з ремонтом основного і резервного елемента в процесі експлуатації. Це резервування з відновлюванням та резервування без відновлювання, тобто без ремонту елементів або вузлів. Сам цей резервний елемент може бути ремонтованим і не ремонтованим.
Якщо P>1>(t) – ймовірність безвідмовної роботи одного елемента, то при однаковому P>1>(t) для всіх елементів отримаємо:
P>m>(t)=1-[1-P>1>(t)]m+1. (3)
Отже, паралельне включення елементів є ефективним засобом підвищення надійності РЕЗ.
У табл. 2 наведена ймовірність безвідмовної роботи одного елемента P>1>(t) та імовірність безвідмовної роботи P>m>(t) для елементів з різною надійністю.
Таблиця 2. – Імовірність безвідмовної роботи для елементів з різною надійністю
|
P>1>(t) |
P>m>(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 |
Існує три засоби включення резерву: постійний, заміщенням, змінний. Постійним резервуванням називають таке, при якому резервний елемент бере участь у функціонуванні апарата на рівні з основними. Зрозуміло, що резервні елементи знаходяться у такому самому режимі роботи, що і основні, тому їх ресурс роботи втрачається з моменту включення в роботу всього приладу.
Оскільки резервні елементи функціонують на рівні з основними, то такий резерв називають навантаженим.
Кількісну оцінку ймовірності безвідмовної роботи при такому резервуванні можна знайти для двох методів резервування: загального та роздільного. З рисунків видно, що роздільне резервування більш ефективне.
Система з загальним резервуванням буде нормально функціонувати при збереженні працездатності хоча б одного ланцюга. Беручи за основу теорему множення ймовірностей, імовірність відмови такої системи:
q>заг>=
(4)
де q>i> – імовірність відмови одного ланцюга, який складений з n-елементів.
Ймовірність безвідмовної роботи апарата з загальним резервуванням:
Р>заг>(t)=
1-q>заг>=1-
(5)
де P>i> – ймовірність безвідмовної роботи і-го ланцюга.
Але безвідмовна робота і-го ланцюга матиме місце за безвідмовної роботи кожного з n елементів. Отже:
(6)
де P>ji> – ймовірність безвідмовної роботи j-го елемента в і-му ланцюзі;
n – кількість послідовно з’єднаних елементів ланцюга.
Підставляючи значення P>i> з формули (6) у (5) отримаємо:
(7)
Для апаратури з роздільним резервуванням імовірність безвідмовної роботи j-го ланцюга:
(8)
де P>ij> – ймовірність безвідмовної роботи і-го елемента.
Тоді загальна ймовірність безвідмовної роботи об’єкта з роздільним резервуванням на основі теореми множення ймовірностей:
(9)
Для випадку, коли всі елементи рівні за надійністю:
(10)
де P>1> – ймовірність безвідмовної роботи одного елемента.
Для роздільного резервування:
(11)
Недоліком постійного (загального і роздільного) резервування є значне збільшення об’єму апаратури, а також те, що з появою відмов у резерві змінюються параметри апаратури, що призводить до зміни режимів роботи.
При експоненціальному законі надійності, коли P>1>=℮-λ1t, та при однаковій надійності елементів для загального резервування ймовірність безвідмовної роботи:
(12)
де λ>о>=n λ>1> – інтенсивність відмови ланцюга.
Для роздільного резервування за експоненціальним законом надійності ймовірність безвідмовної роботи:
(13)
Резервування, при якому функції основного елемента передаються резервному тільки після відмови основного елемента, називається резервування заміщенням. При цьому обов’язкова наявність комутаційних пристроїв, які автоматично підключають резервні елементи замість тих, що відмовили. Резервні елементи можуть знаходитися в різних режимах: навантаженому, полегшеному та не навантаженому.
Для резервування груп однотипних основних елементів достатньо мати один або декілька резервних елементів.
Для випадку загального резервування заміщенням ймовірність безвідмовної роботи при експоненціальному законі надійності та навантаженому стані резерву визначається формулою (12).