Транспорт в XXI веке: состояние и перспективы

 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

430 

 

 

микросхем  и  типов  полупроводниковых  приборов  (



Н

).  Одна  из  этих  цифр  обычно  и 

публикуется  в  справочниках.  В  таблице.  1  приведены  усредненные  значения 

интенсивностей отказов 

 по видам рассматриваемых изделий. 

Для  расчета  по  справочным  данным  ожидаемой  интенсивности  отказов  в 

конкретных 

условиях 

эксплуатации 

используют 

поправочные 

коэффициенты, 

подставляемые в формулу 

 

.                                                             (1)

 

Для диодов и биполярных транзисторовэта формула имеет вид: 

 

,                                               (2) 

где 

  —  коэффициент  режима,  зависящий  от  электрической  нагрузки  (тока)  и  (или) 

температуры  окружающей  среды; 

  —  коэффициент,  учитывающий  функциональное 

назначениеприбора; 

  —  коэффициент,  зависящий  от  величины  максимально 

допустимой  по  ТУ  нагрузки  по  мощности  рассеяния  (току); 

  —  коэффициент, 

зависящий от величины отношения рабочего напряжения к максимально допустимому по 

ТУ; 

 — коэффициент, зависящий от условий эксплуатации. 

Коэффициент 

  берется,  равным  единице  для  рассматриваемых  изделий  при 

использовании их в стационарной аппаратуре, применяемой в лабораторных условиях, и 

равным 2,5 для подвижной аппаратуры. В переносной аппаратуре этот коэффициент равен 

1,7  для  интегральных  микросхем  и  1,5  для  полупроводниковых  приборов.  Численные 

значения  остальных  коэффициентовиз  формулы  2  выбираются  по  таблицам  из 

справочников, например. 

Для  полевых  транзисторов  не  учитываются  коэффициенты 

  и 

,  а  для 

тиристоров 

  и 

.  Для  стабилитронов  и  оптоэлектронных  полупроводниковых 

приборов учитываются только 

 и 

. 

 

Таблица  1  –  Значения  интенсивности  отказов  интегральных  микросхем  и 

полупроводниковых приборов в нормальном режиме 

 

 

Элемент 

Интенсивность отказов, 



0



10

-6

 ч

-1

 

мини-

мальное 

среднее 

значение 

макси-

мальное 

Однокристальные ЭВМ и микропроцессоры 

Интегральные схемы: 

гибридные 

полупроводниковые 

 

— 

 

 

0,4 

 

— 

 

 

0,75 

 

1,0 

 

 

1,0 

 

0



l

l

о

э

К

П







э

S

дн

ф

р

о

э

К

К

К

К

К

1







р

К

ф

К

дн

К

1

S

К

э

К

э

К

дн

К

1

S

К

ф

К

1

S

К

р

К

э

К

 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

431 

 

 

Транзисторы кремниевые: 

биполярные 

полевые 

Диоды и диодные сборки 

Стабилитроны 

Тиристоры 

Диоды излучающие 

Оптопары 

Микросхемы оптоэлектронные 

0,1 

 

— 

— 

0,05 

— 

— 

0,1 

0,15 

— 

0,45 

 

0,29 

0,3 

0,26 

0,07 

0,45 

0,19 

0,38 

0,22 

0,8 

 

— 

— 

0,7 

— 

— 

0,58 

1,0 

— 

 

Если  интегральные  микросхемы  эксплуатируются  в  облегченных  режимах,  или 

проводятся специальные мероприятия по обеспечению надежности аппаратуры (входной 

контроль,  дополнительные  отбраковочные  испытания  плат,  узлов,  блоков  и  т.д.)  для 

определения  эксплуатационной  интенсивности  отказов 

,  то  дополнительно 

используется поправочный коэффициент 

, выбираемый из следующих диапазонов 

его значения:  

- 0,2 - 0,4 — при эксплуатации микросхем в облегченных режимах; 

- 0,4 - 0,7 — при проведении комплекса дополнительных мероприятий; 

- 0,1 - 0,3 — при совместном использовании указанных мер. 

При  расчете  суммарной  интенсивности  отказов  аппаратуры  применяют 

дополнительно  два  коэффициента: 

  -  коэффициент,  учитывающий  наличие 

амортизации  аппаратуры  и 

.

-  коэффициент  качества  обслуживания  аппаратуры. 

Для  аппаратуры  систем  железнодорожной  автоматики  и  телемеханики  (СЖАТ)  берется

 = 0,85 и 

= 0,5. 

У  полупроводниковых  приборов,  кроме  отказа  типа  «обрыв»,  «короткое 

замыкание», «пробой», возможны и параметрические отказы, связанные с ухудшением их 

параметров (таблица 2). 

Внешними 

неблагоприятными 

воздействиями 

в 

микросхемах 

и 

полупроводниковых  приборах  вызываются  различные  деградационные  процессы, 

создающие предпосылки для отказов. 

 

Таблица  2.  Распределение  в  процентах  по  видам  отказов  полупроводниковых 

приборов 

 

Группа изделий 

Обрыв 

Короткое 

замыкание 

Пробой 

Параметрические 

Диоды 

Транзисторы, 

транзисторные 

сборки 

Тиристоры 

Оптоэлектронные приборы 

15 

 

15 

20 

50 

15 

 

10 

— 

— 

5 

 

5 

— 

— 

65 

 

70 

80 

50 

 

э



попр

К

ам

К

обсл

к

К

.

ам

К

обсл

к

К

.

 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

432 

 

 

Термические 

отказы 

рассматриваемых 

изделий 

являются 

следствием 

электрических перегрузок проводников, действия внешних тепловых полей и термических 

пробоев  диэлектриков  и  полупроводников.  Токовые  перегрузки  контактов  приводят  к 

теплопереносу  с  приваркой  контактов  или  их  разогревом  дуговым  разрядом, 

возникновению токовых шумов, ускорению электролитической эрозии [2]. 

Допускаемые значения механических воздействий на интегральные микросхемы и 

полупроводниковые приборы в 1,5-2 раза больше, чем для аппаратуры железнодорожной 

автоматики  и  телемеханики  (ЖАТ).  Из-за  ограничения  по  нижнему  значению  рабочей 

температуры  45

0

  С  микропроцессоры  и  однокристальные  ЭВМ  могут  использоваться 

только в аппаратуре железнодорожной (ЖАТ) исполнения У. 

Основными причинами отказов полупроводниковых приборови интегральных схем 

являются:  дефекты  металлизации  —  26%  и  внутренних  выводов  23%;  дефекты  в  сборке 

корпуса  -  17%  и  изменение  электрических  характеристик  -  12%;  поверхностные 

нарушения и несовмещения - по 7%; дефекты окисла и не герметичность - по 4%. 

Внутренние  межэлементные  соединения  активных  структур  современных 

полупроводниковых  приборов  и  интегральных  микросхем  выполняются  нанесением  с 

соответствующей  разводкой  алюминиевой  пленки  толщиной  примерно  1  мкм  на 

поверхность  кристалла.  В  процессе  эксплуатации  происходит  деградация  пленки, 

занимающей  до  50%  площади  поверхности  кристалла.  Проникновение  влаги  в  корпус 

вызывает  коррозию  и  окисление  алюминиевой  металлизации.  Электродиффузия, 

электрохимическая коррозия и окисление алюминия вызывает увеличение сопротивления 

токоведущих дорожек.  

Внутренние  выводы  из  золотой  проволоки  крепятся  к  алюминиевым  контактным 

площадкам  термокомпрессионной  сваркой.  Из-за  роста  сопротивления  контактов 

снижается  быстродействие  интегральной  микросхемы,  увеличивается  напряжение 

насыщения транзисторов в импульсном режиме.  

Повышение плотности монтажа и снижение питающих напряжений интегральных 

схем  также  приводит  к  росту  влияния  внутренних  помех  на  работу  микроэлектронных 

устройств. Помехи возникают в кристаллах интегральных микросхем при подключениях 

логических  элементов  и  проявляются  в  виде  перекрестных  емкостных  наводок, 

импульсных  индуктивных  и  кондуктивных  помех  в  шинах  питания  и  заземления. 

Вероятность  правильного  переключения  логического  элемента  зависит  от  числа 

элементов и усредненного шага их размещения на кристалле, геометрических параметров 

шин питания и заземления, линий связи между элементами, трассировочной способности 

кристалла,  от  характера  входных  сигналов  и  типа  реализуемой  логической  функции, 

температуры, нагруженности логического элемента, напряжения питания. 

Рассмотрим 

надежность 

конденсаторов, 

резисторов, 

трансформаторов, 

коммутационных и установочных изделий, низкочастотных соединителей, используемых 

в  электронной  и  микроэлектронной  аппаратуре.  В  таблице  3  приведены  усредненные 

значения интенсивностей отказов по указанным видам изделий. 

Для  магнитоуправляемых  контактов  в  таблице  3  интенсивность  отказов 

 

приведена в расчете на одно срабатывание. 

 

 

 

о



 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

433 

 

 

Таблица 3. Значения интенсивности отказов компонентов электронных схем 

 

Элемент 

Интенсивность отказов, 



0



10

-6

 ч

-1

 

минимальное 

среднее 

значение 

максимальное 

Конденсаторы: 

керамические 

бумажные 

слюдяные 

оксидно-электролитические 

подстроечные 

Резисторы: 

постоянные непроволочные 

постоянные проволочные 

металлофольговые 

переменные непроволочные 

переменные проволочные 

Терморезисторы 

Трансформаторы: 

силовые (питания) 

межкаскадные 

Предохранители плавкие 

Переключатели, тумблеры 

Контакты магнитоуправляемые 

Соединители: 

штепсельные 

цилиндрические прямоугольные 

Соединение пайкой 

 

0,001 

0,007 

— 

0,05 

0,01 

 

— 

 

— 

— 

— 

— 

 

— 

— 

— 

0,06 

0,0002

*

 

 

0,0013 

0,0009 

 

0,01 

0,02 

0,01 

0,07 

0,015 

 

0,01 

0,02 

0,02 

0,01 

0,03 

0,003 

 

1,7 

0,11 

0,16 

0,17/КГ 

0,005

*

 

 

0,0032/ 

0,008/ 

 

0,02 

0,05 

— 

0,13 

0,02 

 

— 

 

— 

— 

— 

— 

 

— 

— 

— 

1,0 

0,03

*

 

 

0,0067 

0,022 

 

Формулы  для  расчета  интенсивности  отказов  в  конкретных  условиях 

эксплуатациирассматриваемых  изделий  различаются  даже  для  разных  типов 

конденсаторов и резисторов, поэтому они не приводятся. Для всех типов данных изделий 

используется  коэффициент 

,  а  коэффициент 

  применяется  для  конденсаторов, 

резисторов, тумблеров и штепсельных соединителей. 

Для  компонентов  электронных  схем  дополнительно  используются  следующие 

коэффициенты  формулы: 

  -  коэффициент  режима  для  конденсаторов  и 

предохранителей,  зависящийот  температурыокружающей  среды; 

  -  коэффициент, 

зависящий  от  величины  номинальной  емкости  конденсатора; 

  -  коэффициент, 

определяемый  величиной  последовательного  активного  сопротивления  в  схеме  между 

конденсатором 

и 

источникомпитания; 

 

-коэффициент,зависящийот 

величиныноминального  сопротивления  резистора; 

  -  коэффициент,  определяемый 

величиной  номинальной  мощности  резистора;

  -  коэффициент,  определяемый 

количеством сочленений - расчленений соединителя; 

  -  коэффициент, зависящий от 

количества контактов коммутационного изделия или соединителя [2]. 

р

К

э

К

t

К

с

К

пс

К

R

К

м

К

кс

К

кк

К

 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

434 

 

 

Значения коэффициента 

 для рассматриваемых компонентов приведены в табл. 

2.5. Значения остальных коэффициентов приведены в таблицах справочника. 

 

Таблица 4. Значения коэффициента 

 по группам аппаратуры 

 

 

Тип изделий 

Стационарная  в 

лабораторных 

условиях 

 

Переносная 

 

Подвижная 

Конденсаторы, 

резисторы, 

предохранители, 

переключатели, 

тумблеры 

 

1 

 

2 

 

2,5 

Соединители низкочастотные 

1 

1,5 

2,5 

Трансформаторы 

1 

1,5 

2 

Контакты магнитоуправляемые 

0,4 

0,8 

1 

 

В  аппаратуре  микроэлектронных  систем  автоблокировки  на  отказы  резисторов 

приходится до 8%, на отказы конденсаторов- до 4% и на отказы трансформаторов при их 

наличии  -  до  2%  от  общей  интенсивности  отказов  блока или  модуля.  Следовательно,  на 

эти элементы вместе с микросхемами и полупроводниковыми приборами приходится до 

95  -  99,9%  от  рассматриваемой  общей  интенсивности  отказов.  Поэтому  в  данной  статье 

основное внимание уделено вышеуказанным элементам. 

Деградационные  процессы  в  конденсаторах  вызывают  появление  как  внезапных, 

так и постепенных (параметрических) отказов (таблица 4) [3]. 

Конденсаторы  керамические  монолитные  относятся  к  группе  наиболее  массовых 

низковольтных конденсаторов (К10-17, К10-28, К10-50 и др.). Основными причинами их 

отказов  являются:  пробой  вследствие  микротрещин  и  расслоений  пакета,  повышенной 

пористости керамики, загрязнений на поверхности и посторонних включений в керамике, 

миграции  серебра  в  керамику,  некачественного  глазурирования  и  т.п.  -  27%;  снижение 

сопротивления  изоляции  из-за  дефектов  керамики  и  покрытий,  а  также  поверхностных 

загрязнений  -  45%;некачественная  пайка  контактного  узла  и  нарушение  режимов 

сжигания серебра, приводящие к потере емкости - 4%(таблица 5). 

 

Таблица  5.  Распределение  в  процентах  по  видам  отказов  низковольтных 

конденсаторов 

 

Группа изделий 

Короткое 

замыкание 

Обрыв 

Параметрические 

Конденсаторы постоянной емкости: 

керамические 

оксидно-электролитические 

оксидно-полупроводниковые 

с 

органическим 

синтетическим 

диэлектриком 

бумажные 

Конденсаторы 

построечные 

с 

твердым диэлектриком 

 

60 

36 

26 

 

55 

45 

 

82 

 

5 

36 

5 

 

5 

45 

 

6 

 

35 

28 

69 

 

40 

10 

 

12 

э

К

э

К

 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

435 

 

 

Из  электролитических  самыми  массовыми  являются  конденсаторы  алюминиевые 

оксидноэлектролитические.  В  основном  эти  конденсаторы  полярные,  но  имеются  и 

неполярные,  представляющие  две  встречно  включенные  секции.  Основной  вид  отказа 

таких  конденсаторов  (до  30%)  -  снижение  емкости  и  рост  tg



  вследствие  потери 

электролита,  обусловленной  повышенным  газовыделением  из-за  роста  тока  утечки  и 

развития  коррозионных  процессов  на  анодных  пластинах  и  выводах,  а  также 

некачественным  исполнением  узлов  уплотнения,  недопропиткой  секций  электролитом. 

Второй  по  значимости  причиной  отказов  (26%)  является  коррозия  анодного  вывода  и 

анодной фольги. 

В  процессе  эксплуатации  электролитических  конденсаторов  частой  причиной 

отказов  является  кратковременная  подача  напряжения  обратной  полярности  или 

значительные  превышения  переменного  напряженияТакие  нарушения  режимов  работы, 

как правило, не сразу сказываются на электрических характеристиках конденсаторов [3]. 

У  резисторов  от  10  до  25  процентов  отказов  приходится  на  обрывы,  остальное  - 

параметрические  отказы.  Основные  причины  отказов  наименее  надежных  проволочных 

резисторов приведены в табл. 6. 

 

Таблица 6. Отказы проволочных резисторов 

 

Вид дефекта или причина отказа 

Частота отказов, % 

Обрыв  резистивной  проволоки  (коррозия,  механические 

повреждения) 

Обрыв проволоки в контактном узле (некачественная пайка) 

Уход сопротивления за допустимые нормы 

Нарушение контакта токосъемника со средним выводом 

Перетирание резистивной проволоки подвижным контактом 

 

40-70 

 

15-20 

2-5 

10-5 

Загрязнение участка контактирования резистора 

и контактной пружины 

Износ контактной пружины 

Обгорание контактной пружины (перегрузка) 

Дефекты производства (перекосы, дефекты сборки) 

Плохая герметизация 

Некачественная приклейка резистора к подложке 

Другие дефекты 

 

5 

 

8 

2 

5 

3 

5 

4 

1 

 

В  трансформаторах  и  дросселях  отказы  происходят  из-за  пробоя  изоляции  на 

корпус или между обмотками, обрыва проводников в обмотке, замыкания между витками 

обмотки,  нарушения  контактов  и  соединений,  недопустимого  снижения  сопротивления 

изоляции вследствие ее старения или чрезмерного  увлажнения, нарушения межлистовой 

изоляции магнитопроводов. 

Витковое  короткое  замыкание  обмотки  приводит  к  чрезмерному  нагреву 

трансформатора  или  дросселя.  Нарушение  межлистовой  изоляции  сердечников 

магнитопровода  приводит  к  недопустимому  повышению  температуры  отдельных 

участков  магнитопровода  и  всего  магнитопровода  в  целом,  повышенному  нагреву 

обмоток, выгоранию части магнитопровода (пожар в стали). 

 

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,  

ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА 

ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

_____________________________________________________________________________ 

 

 

436 

 

 

Определены  наибольшие  значения  интенсивности  отказов  микросхем  и 

полупроводниковых  приборов  в  нормальном  режиме.  Приведены  основные  термические 

отказы электротехнических изделий и допустимые значения механических воздействий на 

приборы  и  микросхемы.  Показаны  усередненные  значения  интенсивности  отказов  по 

указанным видам изделий. 

 

Литература 

 

1.  Сапожников  В.В.,  Сапожников  Вл.В.,  Шаманов  В.И.  Надежность  систем 

железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - Москва, Маршрут, 2003 г. 

2.  Глазунов  Л.П.,  Грабовецкий  В.П.  Основы  теории  надежности  автоматических 

систем управления. - Ленинград, Энергоиздат, 1984. 

3.  Кондратьева  Л.А.,  Борисов  Б.Б.  Устройства  АТС  на  ж.д.  транспорте.  -  Москва, 

Транспорт, 1991. 

 

 

жүктеу/скачать 8,29 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: