Возможные причины отказов элементной базы КМОП в устройствах промышленной автоматизации

До не­дав­не­го вре­ме­ни в про­мыш­лен­ных компь­ю-те­рах при­ме­ня­ли мик­рос­хе­мы на ос­но­ве тех­но­ло­гии ТТЛШ.  В пос­лед­ние го­ды в свя­зи с уве­ли­че­ни­ем про­из­вод­ст­ва пор­та­тив­ных ПК, ис­поль­зу­ю­щих ис­клю­чи­тель­но ИМС КМОП, боль­шин­ст­во ком­па­ний пе­ре­шло на про­из­вод­ст­во ИМС ис­клю­чи­тель­но по этой тех­но­ло­гии. Как ТТЛШ, так и КМОП ИМС име­ют ме­ха­низ­мы от­ка­за, но эти ме­ха­низ­мы раз­лич­ны. В этой статье опи­сы­ва­ют­ся на­и­бо­лее рас­прос­тра­нен­ные при­чи­ны от­ка­за, ха­рак­тер­ные для ап­па­ра­ту­ры на ос­но­ве КМОП ИС, не­за­ви­си­мо от фир­мы-из­го­то­ви­те­ля. Од­на­ко зна­чи­тель­ная часть рас­смат­ри­ва­е­мых при­чин от­ка­зов ана­ли­зи­ро­ва­лась на ос­но­ве обо­ру­до­ва­ния MicroPC фир­мы Octagon Systems. 

Имея бо­лее 50 000 ра­бо­та­ю­щих в про­мыш­лен­ных ус­ло­ви­ях сис­тем, фир­ма Octagon со­зда­ла над­еж­ную ба­зу дан­ных при­чин от­ка­зов. Не­смот­ря на то, что сред­нее вре­мя на­ра­бот­ки на от­каз из­де­лий MicroPC  пре­вы­ша­ет 11 лет, про­ис­хо­дят от­ка­зы обо­ру­до­ва­ния. Как по­ка­зы­ва­ет опыт, в ос­но­ве боль­шин­ст­ва от­ка­зов ле­жат на­ру­ше­ния пра­вил эк­сплу­а­та­ции и су­щес­тву­ет очень не­боль­шой про­цент от­ка­зов, вы­зван­ных дру­ги­ми при­чи­на­ми. Ста­тис­ти­ка по­ка­зы­ва­ет, что на­иболь­шее чис­ло от­ка­зов про­ис­хо­дит во вре­мя вво­да в строй пер­вой сис­те­мы. В пос­ле­ду­ю­щих сис­те­мах про­цент от­ка­зов су­щес­твен­но па­да­ет. Ана­лиз воз­вра­ща­е­мых в ре­монт плат да­ет сле­ду­ю­щие про­цен­т­ные со­от­но­ше­ния.

• При­бли­зи­тель­но 20% воз­вра­ща­е­мых плат яв­ля­ют­ся ис­прав­ны­ми. Эти пла­ты, как пра­ви­ло, име­ют не­пра­виль­но ус­та­нов­лен­ные пе­ре­мыч­ки или не­вер­но про­грам­ми­ро­ва­лись.
• Из ос­тав­ших­ся 80% плат 90% от­ка­за­ло по при­чи­не не-­вер­ной эк­сплу­а­та­ции или ава­рий. Как пра­ви­ло, поль­зо­ва­тель не мо­жет точ­но оп­ре­де­лить при­чи­ны от­ка­за са­мос­то­я­тель­но.
• Та­ким об­ра­зом, 72% воз­вра­ща­е­мых в ре­монт плат от­ка­за­ли по при­чи­не не­вер­ной эк­сплу­а­та­ции или ава­рии. Для ос­тав­ших­ся 8% плат при­чи­ны от­ка­за ус­та­но­вить не­воз­мож­но, и эти пла­ты в пред­елах га­ран­тий­но­го сро­ка ре­мон­ти­ру­ют­ся бес­плат­но.

На­ибо­лее рас­прос­тра­нен­ные от­ка­зы про­цес­сор­ных плат свя­за­ны с:

• пре­вы­ше­ни­ем до­пус­ти­мо­го на­пря­же­ния пи­та­ния;
• воз­дей­стви­ем ста­ти­чес­ких раз­ря­дов;
• повреждением последовательных и параллельных пор­тов.

От­ка­зы плат рас­ши­ре­ния в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев яв-­ля­ют­ся след­стви­ем:

• воз­дей­ст­вия ста­ти­чес­ких раз­ря­дов;
• пре­вы­ше­ния на­пря­же­ний на вхо­дах;
• пе­ре­груз­ки вы­хо­дов по то­ку;
• не­пра­виль­ной эк­сплу­а­та­цией ус­тройств на ос­но­ве КМОП, свя­зан­ной с на­ру­ше­ни­ем пос­ле­до­ва­тель­нос­ти под­ачи пи­та­ю­щих на­пря­же­ний. 

Осо­бо­го вни­ма­ния тре­бу­ет под­клю­че­ние к ви­де­оп­ла­там плос­ких дис­пле­ев, пос­коль­ку в этом слу­чае для каж­до­го кон­крет­но­го дис­п­лея поль­зо­ва­те­лю не­об­хо­ди­мо са­мос­то­я­тель­но из­го­то­вить ка­бель и за­пи­сать в ЭС ППЗУ ви­де­оп­ла­ты со­от­вет­ству­ю­щий драй­вер. Ошиб­ка в ка­бе­ле или не­вер­ный вы­бор драй­ве­ра мо­жет при­вес­ти к вы­хо­ду из строя как ви­де­оп­ла­ты, так и до­ро­гос­то­я­ще­го дис­п­лея. Из­вес­тен слу­чай, ког­да из-за не­вер­ной рас­пай­ки ка­бе­ля был пов­реж­ден TFT-дис­п­лей сто­и­мостью $3000.

Од­нов­ре­мен­ный от­каз не­сколь­ких ком­по­нен­тов
Ве­ро­ят­ность слу­чай­но­го от­ка­за да­же од­но­го ком­по­нен­та яв­ля­ет­ся очень не­боль­шой, пос­коль­ку сред­нее вре­мя на­ра­бот­ки на от­каз для плат фир­мы Octagon  пре­вы­ша­ет 11 лет. Ис­сле­до­ва­ния в те­че­ние 7 лет ни ра­зу не вы­яви­ли слу­чая от­ка­за не­сколь­ких ком­по­нен­тов од­нов­ре­мен­но, ко­то­рый не был свя­зан с не­вер­ной эк­сплу­а­та­цией или ава­рией. По­э­то­му од­нов­ре­мен­ный вы­ход из строя не­сколь­ких ком­по­нен­тов на пла­те до­лжен быть од­ноз­нач­ным сиг­на­лом поль­зо­ва­те­лю тща­тель­ным об­ра­зом ис­кать со­бствен­ные ошиб­ки.

Про­вер­ка «мер­т­вых» плат
Для про­вер­ки пол­ностью вы­шед­ших из строя плат су­щес­тву­ет про­стой, но чрез­вы­чай­но эф­фек­тив­ный тест, вы­яв­ля­ю­щий при­чи­ны, свя­зан­ные с пе­ре­груз­кой по на­пря­же­нию пи­та­ния, ошиб­кой в его пол­яр­нос­ти или дру­гой «си­ло­вой» си­ту­а­цией. Для на­ча­ла нуж­но пол­ностью от­со­е­ди­нить про­ве­ря­е­мую пла­ту от сис­те­мы. Да­лее, ис­поль­зуя обыч­ный циф­ро­вой из­ме­ри­тель со­про­тив­ле­ния на пред­е­ле 2000 Ом, из­мерь­те со­про­тив­ле­ние меж­ду ши­на­ми «пи­та­ние» и «зем­ля». За­пи­ши­те по­лу­чен­ное зна­че­ние. По­ме­няв мес­та­ми щу­пы при­бо­ра, из­мерь­те об­рат­ное со­про­тив­ле­ние. Ес­ли со­от­но­ше­ние со­про­тив­ле­ний 2:1 или боль­ше, весь­ма ве­ро­ят­но, что име­ла мес­то пе­ре­груз­ка по пи­та­нию. На­ибо­лее рас­прос­тра­нен­ная при­чи­на — ошиб­ка в пол­яр­нос­ти  пи­та­ния при под­клю­че­нии.

Ошиб­ки при под­клю­че­нии пи­та­ния — са­мые ка­тас­тро­фи­чес­кие
Ес­ли пла­та бы­ла за­пи­та­на на­пря­же­ни­ем об­рат­ной пол­яр­­нос­ти или боль­шой ве­ли­чи­ны, то она фак­ти­чес­ки ста­но­вит­ся не­ре­мон­топ­ри­год­ной. Да­же за­ме­на всех не­ис­прав­ных ком­по­нен­тов не мо­жет га­ран­ти­ро­вать даль­ней­шей без­от­каз­ной ра­бо­ты. Дру­гие ком­по­нен­ты мог­ли быть час­тич­но пов­реж­де­ны или про­изо­шел за­пуск «ме­ха­низ­ма от­ка­за». По­э­то­му с боль­шой ве­ро­ят­ностью мож­но пред­пол­о­жить, что от­каз про­изой­дет в бу­ду­щем. Фир­ма Octagon на­сто­я­тель­но ре­ко­мен­ду­ет за­ме­нять та­кие пла­ты.

Дру­гие при­зна­ки пе­ре­груз­ки по на­пря­же­нию
При пре­вы­ше­нии но­ми­наль­но­го зна­че­ния на­пря­же­ния ИМС обыч­но вы­хо­дят из строя в сле­ду­ю­щем по­ряд­ке: про­грам­ми­ру­е­мые ло­ги­чес­кие мат­ри­цы, ПЗУ и мик­рос­хе­мы ЦП. При этом тем­пе­ра­ту­ра кор­пу­са вы­шед­шей из строя ИМС зна­чи­тель­но уве­ли­че­на. Обыч­но в этом слу­чае пе­ре­гре­ва­ет­ся толь­ко од­на ИС.

Пос­ле­до­ва­тель­ность под­ачи на­пря­же­ния пи­та­ния
Ос­нов­ная при­чи­на вы­хо­да из строя ИМС вво­да-вы­во­да за­клю­ча­ет­ся в под­аче сиг­на­лов на вход MicroPC при от­клю­чен­ном на­пря­же­нии пи­та­ния. Под­клю­че­ние сиг­на­ла +5 В на вход обыч­ной ТТЛ мик­рос­хе­мы, ес­ли пи­та­ние на нее не под­ано, не вы­зы­ва­ет ни­ка­ких не­же­ла­тель­ных пос­лед­ст­вий. Ина­че об­сто­ит де­ло с ИМС КМОП. В та­кой си­ту­а­ции из-за кон­струк­тив­ных осо­бен­нос­тей вход­ных эле­мен­тов КМОП ло­ги­ки про­ис­хо­дит про­те­ка­ние то­ка че­рез этот вход на об­щую ши­ну пи­та­ния всей пла­ты. Пос­коль­ку боль­шин­ст­во вхо­дов рас­счи­та­но на ток до 25 мА, в этом слу­чае час­то про­ис­хо­дит пов­реж­де­ние вход­ной ИС. 
 
От­ка­зы при под­аче на­пря­же­ния пи­та­ния
Да­же ес­ли в опи­сан­ной си­ту­а­ции не про­изош­ло раз­ру­ше­ния вхо­да (вход­ной ток мог быть ог­ра­ни­чен), ИМС мо­жет быть раз­ру­ше­на при пос­ле­ду­ю­щей под­аче пи­та­ния. Это про­ис­хо­дит вслед­ст­вие то­го, что вход­ной ток сме­ща­ет эле­мен­ты ИМС та­ким об­ра­зом, что они на­чи­на­ют дей­ство­вать как пря­мо сме­щен­ные ди­о­ды при под­аче на­пря­же­ния пи­та­ния. Эта при­чи­на яв­ля­ет­ся ти­пич­ной при от­ка­зах ИМС пос­ле­до­ва­тель­ных ин­тер­фей­сов.

От­ка­зы пос­ле­до­ва­тель­ных и па­рал­лель­ных ин­тер­фей­сов
Иног­да поль­зо­ва­те­ли под­клю­ча­ют ус­трой­ст­ва к пос­ле­до­ва­тель­но­му или па­рал­лель­но­му пор­там вклю­чен­но­го MicroPC. Это мо­жет вы­звать от­каз, упо­мя­ну­тый в раз­де­ле «От­ка­зы при под­аче на­пря­же­ния пи­та­ния». Од­на­ко да­же при под­клю­че­нии вы­ше­у­по­мя­ну­тых ус­тройств к MicroPC с вы­клю­чен­ным пи­та­ни­ем воз­мо­жен дру­гой ме­ха­низм от­ка­за. Не­ко­то­рые ус­трой­ст­ва, под­клю­чен­ные че­рез пос­ле­до­ва­тель­ный ин­тер­фейс, и при­нте­ры не име­ют со­еди­не­ния с еди­ной цепью си­ло­во­го за­зем­ле­ния. Ток утеч­ки мо­жет при­вес­ти к по­яв­ле­нию на пос­ле­до­ва­тель­ном или па­рал­лель­ном пор­тах сиг­на­лов, на 20-40 В вы­ше уров­ня «зем­ли» MicroPС, что ста­нет при­чи­ной их вы­хо­да из строя. Ес­ли кон­такт за­зем­ле­ния со­еди­нит­ся пер­вым, это не вы­зо­вет за­труд­не­ний, но и не яв­ля­ет­ся га­ран­тией от про­блем. Пов­реж­де­ние ИМС пор­та при­нте­ра MicroPС мо­жет быть при­чи­ной от­ка­за пос­ле­до­ва­тель­ных пор­тов, так как они со­вмес­т­но ис­поль­зу­ют од­ну и ту же ИМС. От­сю­да сле­ду­ет од­но из глав­ных пра­вил эк­сплу­а­та­ции: ни­ког­да не сле­ду­ет про­из­во­дить ка­ких-ли­бо под­клю­че­ний не пол­ностью обес­то­чен­ной ап­па­ра­ту­ры к MicroPC!

«Го­ря­чее» под­клю­че­ние
Ус­та­нов­ка плат в кар­кас при под­клю­чен­ном пи­та­нии обыч­но не при­во­дит к вы­хо­ду пла­ты из строя. Тем не ме­нее ни в ко­ем слу­чае не де­лай­те это­го! Пла­та мо­жет быть пов­реж­де­на, ес­ли во вре­мя ус­та­нов­ки кон­так­ты со­еди­нят­ся в не­пра­виль­ной пос­ле­до­ва­тель­нос­ти. При этом обыч­но пов­реж­да­ют­ся ИМС шин­ных бу­фе­ров и они на­гре­ва­ют­ся при под­аче на­пря­же­ния. Это яв­ля­ет­ся од­ним из на­ибо­лее рас­прос­тра­нен­ных от­ка­зов плат рас­ши­ре­ния.

При­ме­не­ние ис­точ­ни­ков пи­та­ния на­столь­ных ПК
В не­ко­то­рых слу­ча­ях поль­зо­ва­те­ли при­ме­ня­ют ис­точ­ни­ки пи­та­ния обык­но­вен­ных на­столь­ных ПК при раз­ра­бот­ке сис­те­мы. Боль­шин­ст­во из этих ис­точ­ни­ков пи­та­ния рас­счи­та­но на эк­сплу­а­та­цию со зна­чи­тель­ны­ми на­груз­ка­ми по 5 В до 20А или бо­лее. Клю­че­вые ис­точ­ни­ки пи­та­ния обыч­но тре­бу­ют не ме­нее 20% на­груз­ки для пра­виль­ной ра­бо­ты. Это под­ра­зу­ме­ва­ет 4 А или боль­ше. Так как ти­пич­ная сис­те­ма на ос­но­ве MicroPC пот­реб­ля­ет ме­нее 2 А, ис­точ­ник не фун­кци­о­ни­ру­ет до­лж­ным об­ра­зом. Ма­ло кто зна­ет, что вы­ход­ное на­пря­же­ние при этом мо­жет сме­щать­ся вплоть до 7 В и/или иметь пуль­са­ции на­пря­же­ния до 7-8 В, что при­во­дит к пе­ре­груз­ке MicroPC по пи­та­нию. Вы мо­же­те об­на­ру­жить эти вы­бро­сы толь­ко с по­мощью ос­цил­лог­ра­фа.

При­ме­не­ние кросс-плат дру­гих из­го­то­ви­те­лей
Не­ко­то­рые за­каз­чи­ки пы­та­ют­ся ис­поль­зо­вать пла­ты MicroPC с кросс-пла­та­ми, ко­то­рые  име­ют со­гла­су­ю­щие це­пи с ре­зис­то­ра­ми и кон­ден­са­то­ра­ми. Пла­ты с мик­рос­хе­ма­ми КМОП не мо­гут быть ис­поль­зо­ва­ны с со­гла­су­ю­щи­ми це­пя­ми. Как пра­ви­ло, пла­ты бу­дут фун­кци­о­ни­ро­вать с ошиб­ка­ми или шин­ные при­емо­пе­ре­дат­чи­ки мо­гут от­ка­зать из-за чрез­мер­но­го вы­ход­но­го то­ка.

Чрез­мер­но длин­ные сиг­наль­ные про­во­да
Еще од­ним ис­точ­ни­ком от­ка­за, ко­то­рый был вы­яв­лен не­сколь­ко лет на­зад в Octagon, яв­ля­ют­ся  чрез­мер­но длин­ные про­во­да на циф­ро­вых вхо­дах. Длин­ные про­во­да ра­бо­та­ют как ан­тен­ны, ко­то­рые при­ни­ма­ют по­ме­хи. В них так­же мо­гут про­яв­лять­ся эф­фек­ты, ана­ло­гич­ные по­ве­де­нию не­со­гла­со­ван­ной ли­нии свя­зи. При под­клю­че­нии к ним сиг­на­лов 5 В по­яв­ля­ют­ся пе­ре­ход­ные им­пуль­сы. 

В Octagon на­блю­да­ли суб­мик­ро­се­кун­д­ные им­пуль­сы ам­пли­ту­дой 8 В и боль­ше. В та­ких слу­ча­ях ре­ко­мен­ду­ет­ся под­клю­чить кон­ден­са­тор, на­при­мер ем­костью 0,1 мкФ, па­рал­лель­но вход­ным кон­так­там. Это так­же ус­тра­нит ра­дио­по­ме­хи и дру­гие вы­со­ко­час­тот­ные на­во­дки. ●

© СТА-ПРЕСС, 2025