Расчёт величин MTBF для гибридных интегральных схем с использованием редакций военного справочника MIL-HDBK-217F, Notice 1 и 2

Изменения в модель для оценки интенсивности отказов изделий, выполненных по гибридной технологии, включённые в редакцию Revision F военного справочника MIL­HDBK­217 Military Handbook. Reliability Prediction of Electronic Equipment, привели к значительному уменьшению рассчитанных значений среднего времени наработки между отказами (Mean Time Between Failures — MTBF) по сравнению с редакцией Rev E. Специалистами компании International Rectifier было проведено исследование причин, вызвавших это снижения численных показателей надёжности. Расчёты величины MTBF на основе этих моделей дают результаты, которые не согласуются с результатами, основанными на моделях, представленных в редакции Revision E военного справочника MIL­HDBK­217. Для пояснения этого различия представлены величины MTBF, рассчитанные для DC/DC­преобразователя ART28515T (International Rectifier HiRel) с использованием редакции справочника MIL­HDBK­217F Notice (извещение) 2 и MIL­HDBK­217E. Кроме того, представленные вычисления включают применение различных поправок к коэффициентам в модель гибридных интегральных схем. Величины MTBF, полученные в результате каждого из этих расчётов, обобщены для сравнения в таблице I. Для обзора представлены поправки, использованные в этих расчётах, и исследование, обосновывающее их использование в модели элемента справочника MIL­HDBK­217F. Статья является авторским переводом документа [1].

Возможно, статья будет полезна для расчётной оценки надёжности аппаратуры специалистам службы надёжности предприятий, применяющих наряду с отечественными электронными компонентами компоненты американского производства, характеристики надёжности которых приводятся в справочнике MIL­HDBK­217F.

Уровень надёжности преобразователей напряжения в значительной степени определяет и надёжность аппаратуры в целом. Оценка надёжности преобразователей напряжения проводится расчётными методами, основанными на математических моделях эксплуатационной интенсивности отказов. Определение численного показателя надёжности – среднего времени наработки до отказа (Mean Time Between Failure – MTBF) – выполняется по типовому стандарту расчёта надёжности MIL­HDBK­2017F2 Military Handbook Reliability Prediction of Electronic Equipment. Последняя редакция справочника датируется 1995 годом, после этой даты табличные значения справочника больше не обновлялись. Принятые интенсивности отказов некоторых компонентов не соответствуют текущим реальным значениям. Например, справочник указывает очень высокую интенсивность отказов интегральных микросхем. Для оценки надёжности изделий, предназначенных для военных и специальных применений, в справочнике используется база данных на компоненты военного назначения. Документ допускает два метода расчёта среднего времени наработки на отказ компонентов.

Первый метод известен как Parts Count Method и второй метод как Parts Stress Analysis Method. Для расчёта MTBF с использованием второго метода обычно используются данные из отчёта Electrical/Thermal Stress and Derating Analysis Report (Отчёт по анализу электрической/температурной нагрузки и ограничений допустимых условий эксплуатации). Этот метод даёт более реалистичную величину, потому что прогнозирование интенсивности отказов каждого элемента основано на реальном использовании этого элемента в системе. Метод Parts Count Method просто допускает одинаковую интенсивность отказов для каждого типа элемента независимо от условий его применения.

Выполнение метода прогнозирования надёжности по коэффициентам загрузки (Part Stress Analysis) предполагает, что радиоэлектронная аппаратура работает при нормальных условиях. Этот метод имеет несколько преимуществ перед методом количественного анализа (Total Parts Count), который предполагает наличие самой минимальной информации, такой как общее количество элементов, уровень их качества и условия среды их эксплуатации.

Основным преимуществом метода прогнозирования надёжности по коэффициентам загрузки элементов в конкретной схеме (Part Stress Analysis) является то, что он учитывает значения коэффициентов загрузки элемента для расчёта отдельных интенсивностей отказов. В этом методе вычисленные интенсивности отказов для каждого элемента складываются вместе для вычисления общей интенсивности отказа устройства. Отдельные интенсивности отказов зависят от следующих параметров: значения коэффициента загрузки элемента, категории качества, температуры, условий окружающей среды и значения интенсивности отказа элемента из базы данных. Основным недостатком этого метода является то, что элементы схемы, которые включены в конструкцию для резервирования, имеют противоположное воздействие на MTBF. На самом деле, правильно спроектированное резервирование будет иметь положительное влияние на общую надёжность системы.

Мощность рассеяния и коэффициент загрузки элемента при наихудшем случае используются для вычисления повышения температуры кристалла по отношению к температуре корпуса (перегрев). Использование повышенной температуры кристалла по сравнению с температурой корпуса (перегрев), когда определяются эксплуатационные интенсивности отказов элементов, превосходит требования стандарта MIL­HDBK­217F. Зона температурного максимума кристалла и процентные соотношения загрузки приводятся в документе Thermal/Electrical Stress Analysis (Анализ температурной и электрической нагрузки). Анализ (расчёт), который сформирован вычислениями загрузки компонента, являлся расчётом предельного значения.

Основные концепции надёжности источников питания подробно рассматриваются, например, в работах [2, 3]. Объясняются различия в численных показаниях надёжности, публикуемых различными изготовителями источников питания и приводятся примеры корректного использования информации о надёжности.

Далее, собственно, представлены компоненты, влияние которых на расчёт надёжности гибридных интегральных схем было пересмотрено в последней редакции американского военного справочника MIL­HDBK­217F.

Одним из недостатков методов прогнозирования надёжности, предложенных в справочнике MIL­HDBK­217F, Notice 2, является требование использовать в качестве множителя при расчёте величины MTBF для гибридных интегральных схем функциональный коэффициент для схем (Circuit Function Factor). Например, при помещении линейной интегральной схемы в металлический корпус гибридной интегральной схемы коэффициент π_F принимается равным 5,8. Это значит, что интенсивность отказов компонента гибридной схемы в 5,8 раза больше, чем её базовая интенсивность отказов в соответствии с MIL­HDBK­217F. На основе опыта, приобретённого в течение длительного времени производства квалифицированных (по MIL­PRF­38534 и MIL­STD­883) гибридно­плёночных изделий, компания считает, что использование этого функционального коэффициента приводит к неверным результатам при расчёте величины MTBF для гибридных интегральных схем.

Согласно MIL­HDBK­217F, основной причиной повышенной интенсивности отказов для гибридных ИС является менее надёжное конструктивное уплотнение (герметизация). Специалисты компании считают, что это является необоснованным предположением при анализе гибридных ИС, произведённых на производственных мощностях, квалифицированных по Class H и Class K спецификации MIL­PRF­38534 (Performance Specification. Hybrid Microcircuits, General Specification For). Интенсивность отказов корпуса относится к двум отдельным случаям: нарушению герметизации корпуса и нарушению соединений в схеме (контакты). Общая длина периметра герметизации схемы в дискретном корпусе будет больше, чем у подобной схемы в гибридном корпусе. Наряду с меньшими проблемами герметизации, корпуса гибридных ИС также имеют свойственное им преимущество перед корпусами дискретных компонентов по числу требуемых соединений в схеме. Основное положение теории надёжности гласит: когда количество межсоединений возрастает, надёжность снижается. Число соединений, сделанных в гибридных ИС, примерно в 2 раза меньше числа межсоединений, сделанных в аналогичных схемах на дискретных компонентах. Схемы на дискретных компонентах требуют двух отдельных соединений для каждого компонента: одно – между полупроводниковым кристаллом и выводом корпуса и ещё одно – между выводом корпуса и платой схемы. Корпус гибридной ИС требует только одного соединения между полупроводниковым кристаллом и подложкой.

В связи с этим было принято решение использовать поправочный коэффициент при расчёте величины MTBF по справочнику MIL­HDBK­217F для всех квалифицированных гибридных ИС. Вследствие большой доли используемых в DC/DC­преобразователях линейных схем (при f < 10 МГц) применяется функциональный схемный коэффициент для линейных микросхем. Справочник MIL­HDBK­217F требует базовую интенсивность отказов линейных компонентов умножить на 5,8, и, следовательно, использовать поправочный схемный коэффициент 0,17241 (величина, обратная 5,8), чтобы компенсировать эту неправомерную отрицательную оценку. Как правило, это даёт в результате величину MTBF для гибридной ИС приблизительно на 50% больше, чем величина MTBF компонентов в дискретном корпусе. Эта разница является более обоснованной и точнее отражает приближённое к реальной интенсивности отказов значение, основанное на наработке оборудования за время эксплуатации в полевых условиях.

Выводы

Сравнение величин среднего времени наработки до отказа, рассчитанных с использованием изданий военного справочника MIL­HDBK­217E и MIL­HDBK­217F Notice 2, показывает существенное уменьшение рассчитанной величины. Детальное исследование созданной для редакции справочника 217F Notice 2 модели даёт серьёзный повод подвергнуть сомнению установленную величину некоторых коэффициентов p и их применимость в модели. Для некоторых изменённых коэффициентов представлены рассчитанные интенсивности отказов и обоснования. Специалисты по надёжности компании IR полагают, что одно из первых четырёх условий, выбранное из таблицы, более объективно представляет точную модель для расчёта величины MTBF для гибридно­плёночных DC/DC­преобразователей напряжения. Что касается согласованности расчётов ревизии справочника Rev F с Rev E, по варианту расчёта 2, представленному в таблице, результаты получаются наиболее близкими.

Необходимо отметить, что MTBF – это характеристика надёжности оборудования, определяемая производителем. Разные производители могут использовать для своих расчётов различные базовые интенсивности отказов. Один производитель может точно следовать рекомендациям справочника MIL­HDBK­217 и применять опубликованные данные для компонентов коммерческого типа. Другой производитель может следовать формулам справочника, но использовать некоторые интенсивности отказов, определённые из собственного опыта работы со специфическими компонентами.

Потребитель должен понимать, при каких условиях была рассчитана величина MTBF, предоставляемая изготовителем [2].

В заключение необходимо отметить ещё одно обстоятельство, которое необходимо учитывать при расчёте эксплуатационной интенсивности отказов компонентов, руководствуясь справочником MIL­HDBK­217F: наличие ряда неточностей в моделях и их коэффициентах, а также практически полное отсутствие пояснений, о которых подробно рассказано в работе [4]. 

Литература