Транспорт в XXI веке: состояние и перспективы
жүктеу/скачать 8,29 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- АНАЛИЗ ОТКАЗОВ И НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Орунбеков М.Б. – старший преподаватель, магистр, Казахская академия транспорта и коммуникаций им. М.Тынышпаева (г. Алматы, Казахстан)
В микроэлектронной и микропроцессорной аппаратуре систем железнодорожной автоматики и телемеханики основной вклад в суммарную интенсивность отказов вносят интегральные микросхемы. Например, в блоках и модулях микропроцессорной автоблокировки на микросхемы с их пайкой приходится от 80 до 97 процентов от общей интенсивности отказов, а на полупроводниковые приборы – до 2-3 %. Количественные данные по интенсивности отказов изделий электронной техники определяются по результатам производственных испытаний на заводах изготовителях, а также испытаний и эксплуатации изделий потребителями [1]. Испытания проводят при номинальной электрической нагрузке и температуре окружающей среды +25 0 С (интенсивность отказов - 0 ) или максимально допустимой по техническим условиям температуре для конкретных типономиналов интегральных 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
К ф К дн К 1
К э К э К дн К 1
К ф К 1
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
К ам К обсл к К .
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 - 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].
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:
|