Диагностика отказов элементов и устройств автоматического управления - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Чувашский государственный университет
им. И. Н. Ульянова
НИКИФОРОВ Игорь Кронидович
ДИАГНОСТИКА ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ И
УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ.
Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники
и систем управления.
Реферат
Научный руководитель
д.т.н. профессор
Пряников В.С.
Чебоксары 1998
Содержание
1. Понятие надежности.
..........................................................................
....................3
2. Отказ. Виды отказов. Дефекты.
..........................................................................
....7
3. Обзор неразрушающих методов испытания элементов радиоэлектронной
аппаратуры.
..........................................................................
.........................................10
4. Прогнозирование надежности полупроводниковых приборов по уровню
собственных шумов.
..........................................................................
.............................13
5. Методы измерения НЧ шумов.
..........................................................................
...15
6. Автоматизация измерения НЧ шумов полупроводниковых приборов и
интегральных схем.
..........................................................................
............................17
7. Список литературы.
..........................................................................
....................18
1.Понятие надежности.
Прогресс современной техники, высокие требования к точности,
помехозащищенности, быстродействию привели к усложнению электронных узлов и
блоков радиоаппаратуры и оборудования.
Усложнение аппаратуры резко снижает надежность современного
радиоэлектронного оборудования. Низкая надежность приводит к тому, что
стоимость эксплуатации такого оборудования в течение одного года превышает
в несколько раз стоимость самого оборудования, что приводит к огромным
экономическим потерям и резко снижает эффективность использования
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
Возникновение проблемы надежности по [1] обусловлено, главным образом,
следующими причинами:
. ростом сложности электронной аппаратуры;
. отставанием качества элементов радиоэлектроники от их количественного
определения;
. повышением ответственности функций, выполняемых аппаратурой (цена
отказа); исключением человека-оператора (полным или частичным) при
выполнении аппаратурой своих функций;
. сложностью условий. В которых эксплуатируется РЭА.
Основное противоречие современной техники состоит в том. Что если не
приняты специальные меры по повышению надежности и чем сложнее и точнее
аппаратура управления, тем менее она надежна. Особую остроту приобретает
требование безопасной работы РЭА в системе комплексной автоматизации
процессов управления с применением сложных многосвязных систем. Отказ
подобных систем может привести к катастрофическим последствиям.
Проблема обеспечения надежности элементов и устройств автоматического
управления включает в себя множество этапов: от создания элементов и
аппаратуры, до ее практического использования. Поэтому все факторы,
влияющие на надежность РЭА, условно принято рассматривать применительно к
трем этапам: проектирования, изготовления, эксплуатации.
При проектировании учитывают следующие факторы:
качество и количество применяемых элементов и деталей;
режимы работы элементов и деталей;
стандартизация и унификация;
доступность деталей узлов и блоков для осмотра и ремонта.
К производственным факторам, отрицательно влияющим на надежность
относятся:
отсутствие качественного контроля материалов и комплектующих изделий,
поступающих от смежных предприятий;
нарушение сортности и недоброкачественная замена материала при
изготовлении деталей;
установка в приборах элементов, подвергающихся длительному хранению в
неблагоприятных условиях, без предварительной проверки;
недостаточное внимание к чистоте оборудования, рабочего места, воздуха и
т.д. (что особенно важно в производстве микросхем и сборке точных элементов
и устройств);
неполный контроль за ходом операций и при выпуске готовой продукции;
нарушение режима сложных технических процессов.
К эксплуатационным факторам, влияющим на надежность, относятся
следующие:
квалификация обслуживающего и ремонтного персонала;
воздействие на приборы и механизмы внешних условий (климатических;
механических и т.п.) и факторы времени.
На основе вышеизложенного дается определение надежности по [1].
«Надежность - свойство изделия сохранять способность к выполнению своих
Функций в заданных условиях эксплуатации».
К основным фундаментальным понятиям теории надежности относятся
надежность и отказ.
Большинство специалистов по теории надежности разделяют характеристики
надежности на две группы: количественные и качественные. Количественное
определение надежности не может быть принято по тому, что надежность
определяется множеством количественных характеристик и ни одна из них не
может в полной мере выражать это понятие. Поэтому таким может быть только
качественное определение, характеризующее определенные свойства конкретного
изделия. Чаще всего же стремятся использовать количественные
характеристики, так как качественное определение надежности не позволяет
выразить надежность математически (числом). Это вызвало необходимость
создать основные критерии, с помощью которых можно было бы количественно
оценить надежность различных элементов, дать сравнительную оценку
надежности различных изделий. К числу широко применяемых критериев
надежности по [1], [3] относятся:
вероятность безотказной работы за время t
(1)
определяется как вероятность события, когда время безотказной работы T
меньше, чем время t;
. вероятность отказов
(2)
представляет собой интегральную функцию распределения случайной величины
F(t). Плотность распределения случайной величины определяется как
производная от функции распределения
(3)
. среднее время безотказной работы
(4)
понимается как математическое ожидание времени работы изделия до отказа;
. среднее время между соседними отказами (наработка на отказ)
(5)
где tcpi - среднее время исправной работы между двумя соседними отказами i-
того образца аппаратуры, М - число испытываемых образцов. Понимается как
среднее время ремонтируемого изделия между двумя соседними отказами;
. Интенсивность отказов (опасность отказов)
(6)
Показывает какая доля от работающих в момент времени t элементов отказывает
в единицу времени;
. частота отказов
(7)
Понимается плотность вероятности времени работы изделия до первого отказа,
статистически оно определяется как отношение числа отказавших изделий в
единицу времени к первоначальному числу испытываемых изделий, при условии,
что все вышедшие из строя элементы не восполняются;
. средняя частота отказов
(8)
Понимается отношение числа отказавших изделий в единицу времени к числу
испытываемых изделий при условии, что все вышедшие из строя изделия
заменяются новыми.
Критериями надежности могут быть также и коэффициенты,
характеризующие различные показатели надежности РЭА, как то:
. коэффициент готовности
(9)
где tp - время исправной работы РЭА,
tn - время вынужденного простоя,
n - число перерывов в работе за определенный календарный срок.
Кг показывает вероятность того, что изделие будет работоспособно в
произвольно выбранный момент времени;
. коэффициент вынужденного простоя
(10)
Показывает вероятность того, что изделие будет работоспособно в произвольно
выбранный момент времени;
. коэффициент профилактики
(11)
Показывает отношение числа часов, потраченных на профилактику и ремонт
аппаратуры, ко времени ее исправной работы, взятых за один и тот же
календарный срок;
. частота профилактики
(12)
где n - число ремонтов РЭА,
m - число профилактических осмотров.
Понимается как отношение числа осмотров и ремонтов РЭА ко времени ее
вынужденного простоя и времени ее исправной работы в течение определенного
календарного срока;
. коэффициент отказов
(13)
где ni - число отказов РЭА вследствие выхода из строя данного типа
элементов (например, диодов, конденсаторов и т.д.);
n - число отказов РЭА, вызываемых выходом из строя любых элементов,
входящих в ее состав.
Понимается как отношение числа отказов РЭА из-за выхода из строя данного
типа элементов к общему числу отказов РЭА, т.е. отмечает наиболее часто
выходящие из строя элементы РЭА;
. относительный коэффициент отказов
(14)
где Ni - число элементов i-того типа РЭА,
N - общее число элементов в РЭА;
. коэффициент расхода элементов
(15)
где ai - число вышедших из строя элементов i-того типа,
вi - число вышедших из строя элементов i-того типа, изъятых в
процессе профилактических осмотров и ремонта,
t - время, в течение которого проводится испытание РЭА;
. коэффициент стоимости эксплуатации
(16)
где Cэ - эксплуатации РЭА в течение одного года;
Cи - стоимость изготовления РЭА.
Понимается как отношение одного года эксплуатации к стоимости ее
изготовления;
. прочие коэффициенты.
Критериями надежности могут быть и различные отношения действительной и
идеальной характеристик работы РЭА. Характеристикой надежности называют
количественное значение критерия надежности для конкретной детали, узла,
системы и т.д. Количественная оценка надежности позволяет: производить
расчет надежности; сформулировать требования, предъявляемые к надежности
вновь разрабатываемой РЭА; рассчитать предполагаемые сроки службы РЭА,
сроки планового ремонта и профилактических работ.
2. Отказ. Виды отказов. Дефекты.
Вторым фундаментальным понятием теории надежности является понятие
отказа.
«Отказ - это событие, после возникновения которого изделие утрачивает
способность выполнять заданные функции». Отказы по [2] классифицируют по
следующим признакам:
по степени влияния на работоспособность изделия (полные и неполные);
по физическому характеру непосредственного проявления (катастрофические
(внезапные) и параметрические));
по связи с другими отказами (зависимые и независимые);
по времени существования (устойчивые (необратимые), временные (обратимые,
устранимые) и перемежающиеся (мерцающие)).
Основным является разделение отказов на внезапные и постепенные.
Внезапным отказом НАЗЫВАЕТСЯ ТАКОЙ ОТКАЗ, КОТОРЫЙ ВОЗНИКАЕТ В
РЕЗУЛЬТАТЕ СКАЧКООБРАЗНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЯ.
Постепенный отказ - это отказ, возникший в результате постепенного
изменения характеристик изделия. Отказ вспомогательных элементов, не
влияющих на надежность, называют второстепенной неисправностью.
Второстепенные неисправности подразделяют на дефекты и неисправности.
Дефектами называются неисправности, которые в момент их обнаружения не
приводят к повреждению или нарушению работы и регулировке прибора, но могут
в будущем вызвать подобные явления.
Неполадками называются неисправности в работе прибора, не оказывающие
влияние на выполнение им основных функций.
Отказы полупроводниковых приборов (ППП) по [3] по их внешним
проявлениям разделяются на короткие замыкания, обрывы и изменения
параметров. Первые два типа отказов относятся к «катастрофическим»,
последний - к «деградационным» отказам.
Основным механизмом коротких замыканий в ППП-структурах является
теплоэлектрический пробой, который условно делится на три стадии:
. Электрический пробой, т.е. туннельный либо лавинный. Первая стадия
считается обратимой;
«Второй пробой» - стадия мощного, резкого увеличения тока через ППП, что
приводит к сильному локальному разогреву одного из участков ППП;
Необратимая трансформация ППП за счет сильного локального разогрева,
протекающим через ППП электрическим током. Образуется либо проплавленные
структуры, либо обрыв внутреннего соединительного проводника, либо
образование проводящего канала между разными структурами ППП.
Перечислим основные дефекты, приводящие к короткому замыканию в
результате теплоэлектрического пробоя:
. плохое (неполное) соединение кристалла с корпусом;
неравномерное распределение тока в структуре. Сравнительно редко короткие
замыкания возникают в результате случайного попадания внутрь корпуса ППП
токопроводящих частиц. Замыкания электродов структуры с кристаллом
возникают иногда из-за провисания внутренних проводников вследствие их
избыточной длины.
Основными механизмами обрывов в цепях электродов ППП являются
следующие:
механические разрушения соединений кристалла с корпусом или сварных
соединений внутренних проводников с другими элементами конструкций при
воздействии вибрации, ударов, больших линейных ускорений;
химические и электрохимические разрушения соединений и металлических
пленок;
рост интерметаллической базы в местах соединения разных металлов и
«расслоение» структуры. Специфические обрывы возникают иногда вследствие
значительных напряжений в проводниках прибора, залитых пластмассой.
Температурные коэффициенты линейного расширения металла проводника и
пластмассы различны, из-за чего при больших изменениях температуры на Т в
проводнике возникает достаточное напряжение
где Е - модель упругости проволоки,
- температурные коэффициенты расширения пластмассы и проводника.
Часто обрывы по этой причине оказываются перемежающимися и проявляются
вблизи некоторой критической температуры.
В планарных ППП обрывы могут возникать из-за дефектов алюминиевой
металлизации токопроводящих дорожек и контактных площадок.
Основными механизмами отказов при изменении и нестабильности
характеристик ППП являются генерация и перемещение электрических зарядов на
поверхности кристалла ППП, что ведет к изменению концентрации подвижных
носителей рекомбинации. Некоторые причины появления и движения
поверхностных зарядов следующие:
появление ионов на поверхности кристалла. Зависит от способа обработки
кристалла, влажности и свойств окружающей среды. Общим свойством зарядов
этого типа является их предрасположенность к «расползанию» по поверхности,
а скорость расползания зависит от значения поверхностного сопротивления и
удельной емкости диэлектрического слоя относительно полупроводника. Само
поверхностное сопротивление сильно зависит от температуры и влажности и
время расползания рядов уменьшается с ростом температуры и влажности
появление заряда, образованного ионами внутри пленки окисла. Как правило,
даже при тщательно разработанном техпроцессе, всегда имеются положительные
ионы натрия, которые перемещаются при высоких температурах (100-200оС) и
наличии притягивающего электрического поля к границе кремний-окисел. Для
защиты от перемещения ионов натрия, в окисле создают тонкую пленку фосфорно-
силикатного стекла (SiO2*P2O5), которая захватывает эти ионы. Кроме ионов
натрия внутри пленки окисла могут перемещаться и ионы других элементов
(так, ионы золота создают отрицательный заряд). Надо отметить, что при
перемещении ионов имеет значение направление поля, поэтому при перемене
направления поля ионы двигаются в противоположную сторону, поэтому этот
процесс считается обратимым;
появления заряда, образованного избыточными атомами кремния в окисле около
границы с кристаллом. Из-за того, что атомы кремния находятся в избытке при
механизме образования окисла кремния, образуется положительный заряд,
созданный оставшимися атомами кремния. При нормальной температуре этот
заряд практически неподвижен, при очень высокой температуре и наличии
сильного поля этот заряд перемещается в направлении к внешней поверхности
окисла пленки (SiO2);
появление заряда, образованного е, находящимися на поверхностных уровнях.
При обрыве кристаллической решетки на границе появляются атомы
полупроводника с нарушенными электронными связями, т.е. е занимают
энергетические (поверхностные) состояния, лежащие внутри запрещенной зоны
энергий для данного полупроводника. Из-за этого е с такой энергией не могут
проникать в глубь кристалла и остаются только вблизи поверхности. При
заполнении и освобождении соответствующих энергетических состояний носители
заряда - е и дырками возникают и исчезают поверхностные заряды. Чем дальше
от полупроводника локализован поверхностный энергетический уровень, тем
больше время его заполнения или освобождения. Этот процесс вызывает, с
одной стороны, низкочастотный (НЧ) шум и является причиной нестабильности
основных параметров ППП;
появление и образование каналов проводимости вдоль поверхности кристалла.
Этот процесс, как правило, приводит к изменению коэффициента усиления в
биполярных транзисторах и изменению многих характеристик полевых
транзисторов (ток инжекции и «паразитного» перехода снижает эффективность
эмиттера дополнительный обратный ток или ток через канал уменьшает
усиление и крутизну транзисторов в режиме малых токов).
Эксперименты многих исследователей показали существенные изменения
параметров ППП в процессе испытаний, если к переходам ППП приложено большое
напряжение в комбинации с высокой температурой окружающей среды. Было
доказано, что при таких напряжениях в электрическом поле происходит
разделение и группировка положительных и отрицательных ионов на
поверхности, дрейф этих ионов по направлению к электродам, имеющим
соответствующий знак заряда. Было доказано, что эти процессы являются
источником НЧ шума и ответственны за изменение основных параметров ППП во
времени.
3. Обзор неразрушающих методов испытания
элементов РЭА.
Наиболее частой причиной, по мнению многих специалистов, снижающей
качество готовой продукции являются скрытые дефекты и важную роль в
проблеме повышения качества и надежности изделий электронной техники (ИТЭ)
отводят неразрушающим испытаниям (НРИ) - дефектологии, науке о принципах,
методах и средствах обнаружения дефектов.
Для контроля дефектов в ИТЭ разделяют две группы НРИ. Первую группу
составляют методы интегральной диагностики, наиболее эффективными из них
являются методы, основанные на измерении шумовых характеристик, в том числе
электрических и акустических шумов. Вторую группу составляют методы
локальной диагностики. В настоящее время для контроля ИЭТ применяются общие
и специальные методы НРИ. К общим относятся: визуальный контроль, испытание
давлением, акустическая и магнитная дефектоскопия, метод капиллярной
дефектоскопии, радиография и метод вихревых токов.
К специфическим методам НРИ относятся: рентгеновские,
голографические, тепловые, оптические и электрические методы.
Визуальный контроль наиболее широко распространенный метод НРИ.
Используется для исследования поверхностных характеристик (повреждения,
посторонние включения, расположение элементов и пр.). Метод прост, требует
малых затрат времени и недорог [3].
При испытании давлением дефекты обнаруживаются по проникновению газов
или жидкости в полости дефектов или через эти дефекты [3].
Под акустическими испытаниями понимают звуковые и ультразвуковые
испытания. Наиболее широко используется ультразвуковая спектроскопия. Метод
основан на использовании явлений, связанных с дифракцией света. Метод
звуковой спектроскопии используется для формирования изображения путем
сканирования эхоимпульсом. Недостатком является то, что объекты контроля
сравнимы по размерам с пределами разрешения, из-за чего, как правило,
получается некачественное изображение. Также, большинство объектов контроля
взаимодействует с ультразвуком сложным образом, из-за чего полученные
изображения нуждаются в дополнительной расшифровке. [3], [6]
Метод капиллярной дефектоскопии основан на использовании проникающих
красящих или люминесцентных жидкостей, которые светятся под действием
ультрафиолетового излучения. [3], [6]
Метод магнитной дефектоскопии основан на явлении искажения магнитного
поля ферромагнитного испытуемого образца при наличии в нем дефектов. [3],
[6]
Метод радиографии основан на способности рентгеновских лучей ( -
лучей) проникать сквозь непрозрачные вещества и «высвечивать»
неоднородности и дефекты структуры исследуемого объекта. [3], [6]
Метод вихревых токов применяется для обнаружения аномалий
электрической или магнитной проводимости, обусловленные различными
механическими дефектами, неоднородностями. Изменениями структуры и
неправильной кристаллизации (отклонение в режиме термообработки). Все эти
аномалии электропроводности, магнитной проводимости обнаруживаются по
изменениям полного сопротивления катушки, питаемой переменным током,
электромагнитное поле которой служит источником вихревых токов, наводимых в
испытуемом образце. [3], [6]
Голографические методы используются в качестве как общих, так и
специфических методов НРИ. Метод базируется на глубоком знании физических
процессов, протекающих в исследуемых образцах. Метод очень дорогостоящий,
основан на применении компьютерной техники. [3], [7]
При тепловых методах НРИ получают информацию о параметрах и качестве
изделий по распределению температуры на их поверхности в виде термограмм,
которые позволяют судить о наличии скрытых дефектов. Метод основан на
излучении электромагнитной энергии в инфракрасной области спектра любым
телом, имеющим температуру, отличную от абсолютного нуля. Тепловые методы
подразделяются на пассивные и активные.
Пассивные - это методы, позволяющие определять распределение
температуры на поверхности изделия без применения специальных источников
тепловой энергии (т.е. осуществляют контроль качества изделия без искажения
электрических и тепловых характеристик изделия). При активных методах
имеется источник искусственного тепла, который воздействует на проверяемое
изделие. Тепловые методы делятся так же на контактные и бесконтактные. В
основном применяют контактные методы, к которым относится большинство
методов НРИ. В этой области, как то:
. методы измерения температуры с помощью термопар;
люминесцентные методы, основанные на измерении интенсивности свечения
некоторых люминофоров под действием ультрафиолетового излучения;
методы измерения температур с помощью температурно-чувствительных красок,
изменяющих свой цвет при определенных температурных режимах;
жидкокристаллические методы, основанные на использовании свойств
холестерических жидкокристаллических соединений изменять окраску под
воздействием температуры и позволяющие определять разность температур до
0.1оС.
Бесконтактные методы измерения температуры являются более
перспективными и универсальными, они не вызывают искажения температурного
поля изделий, мало инерционны, обладают высокой разрешающей способностью.
Здесь наиболее перспективным является метод, сущность которого состоит в
регистрации каким-либо способом инфракрасного излучения, исходящего от
исследуемого объекта, без непосредственного механического контакта
термоприемника с ним (фотография, приборы разного назначения).[3], [6], [8]
Электрические методы относятся к методам интегральной диагностики.
Основаны на возможности оценки и прогнозирования работоспособности и
величине характерных электрических параметров. Например, для контроля
качества ППП измеряют параметры вольтамперной характеристики.
Резисторы проверяют по уровню третьей гармоники. Тонкопленочные
конденсаторы (ТПК) проверяют на пробой диэлектрика, используют параметры,
характеризующие надежность внутреннего поля в диэлектрике, рассматривают
плотность объемного заряда, накапливаемого при приложении к ТПК постоянного
напряжения вблизи микровыступов, т.е. в областях локализации поля.
К электрическим методам также относится метод контроля шумовых
характеристик. [3], [4], [6]
4. Прогнозирование надежности ППП по уровню
собственных шумов.
Многие исследователи, занимающиеся надежностью РЭА, в ряде своих
работ, показали, что собственные шумы ППП, электровакуумных приборов,
резисторов, штепсельных разъемов, контактов реле и других элементов РЭА
несут информацию об их надежности.
По [3] физической основой метода прогнозирования отказов ППП по их
низкочастотным шумам является зависимость уровня шума от наличия дефектов
структуры и контактов прибора. Основными источниками шума в электрических
цепях и активных элементах по [3], [6], [9], [10] являются:
тепловой шум. Существует в любом проводнике или полупроводнике.
Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума определяется по
формуле Найквиста:
(18)
где к - постоянная Больцмана;
Т - постоянная температура;
R - активное внутреннее сопротивление прибора;
f - эквивалентная шумовая полоса.
Этот шум вызывается хаотическим тепловым движением носителей заряда;
дробовый шум. Этот шум возникает вследствие флуктуации концентрации
носителей заряда за счет случайности процессов генерации и рекомбинации.
Чаще всего для его определения пользуются формулой Шоттки и
среднеквадратичное значение шумового тока определяется как
(19)
где q - заряд e;
I - ток, протекающий через компенсаторный переход.
Для ППП с p-n переходами учитывают, что ток через переход является
суммой прямого и обратного токов, причем каждому их них присущ дробовый
шум. Поэтому в транзисторах дробовые шумы возникают в эмиттерном и
коллекторном переходах:
(20)
|
