II Надежность элементов РЭС по внезапным отказам

Интегральные микросхемы (ИМС)

Для разработчиков РЭС микросхемы являются, как правило, покупными изделиями, надежность которых при типовой схеме включения и определенных условиях испытаний должна приводиться в справочниках. В задачу потребителя входит определение поправочных коэффициентов. В ряде случаев, особенно для новых микросхем, справочные ИО отсутствуют. Тем более, если разработчик аппаратуры применяет микросхемы и микросборки собственного изготовления.

В настоящее время существует несколько моделей ИО ИМС. В их основе лежит одинаковый принцип построения, заключающийся в суммировании ИО корреляционно независимых элементов конструкции, различие состоит в характере этих элементов. Наиболее важным вопросом является учет корреляционных связей между ИО интегральных элементов. С этой целью вводятся коэффициенты неоднородности дефектов, рост которых означает ослабление корреляционных связей и наоборот. Каждая модель имеет свою предпочтительную область, в которой она дает наибольшую точность и наименьшую трудоемкость расчета.

На практике для покупных микросхем наиболее распространена модель

(2.1)

где - ИО тестовой ИМС, значение которой определено экспериментально; К_С - коэффициент сложности ИМС, определяемый числом интегральных типовых элементов N;

Для удобства и простоты расчета в справочниках приводятся экспериментально найденные значения коэффициентов сложности (табл. 2.1) ,N – количество элементов.

Подчеркнем, что расчет по модели (2.1) позволяет найти ИО изделий в лабораторных условиях, для оценки надежности в условиях эксплуатации требуется использовать поправочные коэффициенты модели (1.5) (для ИМС в целом или ее элементов). В табл. 2.2 приведены данные об ИО некоторых покупных ИМС

Таблица 2.1

Коэффициенты сложности для различных групп ИМС

Группа ИМС	Количество элементов	КС	Группа ИМС	Количество элементов	КС
Цифровые	1-100	1,00	Аналоговые	1-50	1,00
полу -	101-1000	1,27	полупровод-	51-100	1,25
првод-	1001-2500	1,60	никовые и	101-150	1,40
никовые	2501-5000	1,95	гибридные	151-200	1,55
ИМС	5001-7500	2,15	ИМС	201-300	1,75
	7501-10000	2,25		301-500	2,05
	10001-25000	3,00		501-1000	2,50
	25001-50000	3,70		более 1000	3,00
	50001-75000	4,15
	более 75000	4,50

Таблица 2.2

Интенсивности отказов ИМС

Серия и типономинал ИМС	Количество элементов	ч-1	Серия и типономинал ИМС	Количество элементов	ч-1
Микросхемы цифровые интегральные
Серия КР134			Серия К1500
КР134ЛА2		0,25	К1500ВА123		0,105
КР134ЛА8		0,25	К1500ИД170		0,105
Серия К1500			Серия КР1506
К1500ЛП122		0,105	КР1506ХЛ1		0,45
К1500ПУ124		0,105	КР1506ХЛ2		0,45
Серия КР1531			Серия КР1533
КР1531ЛА1		0,105	КР1533ЛА1		0,105
КР1531ЛА3		0,105	КР1533ЛА2		0,105
Серия К155			Серия К155
К155АГ1		0,12	К155ИД13		0,12
К155АГ3		0,12	К155ИД15		0,12
Серия К155			Серия К155
К155ЛА7		0,12	К155ЛП11		0,12
К155ЛА8		0,12	К155ЛР1		0,12
Микросхемы аналоговые интегральные
Серия КР1005			Серия КМ189
КР1005ПЦ4		0,05	КМ189ХА1		0,11
КР1005УЛ1А		0,05	КМ189ХА2		0,11
Серия КР1012			Серия КР1100
КР1012ГП1		0,5	КР1100СК2		0,11
КР1012ГП2		0,5	КР1100СК3		0,11
Серия КР1021			Серия К1106
КР1021УР1		0,11	К1106ХП1		0,25
КР1021ХА1А,Б		0,11	К1106ХП2		0,25
КР1021ХАЗ		0,5	Серия КР1108
Серия К1107			КР1108ПП1		0,11
К1107ПВ2		0,5	КР1108ПП2		0,11
К1107ПВ3А,Б		0,5	Серия К1109
Серия КР1107			К1109КН1А,Б		0,11
КР1107ПВ1		0,385	К1109КН2		0,11
Микросхемы гибридные интегральные
Микросхемы гибридные интегральные			К425НД2		0,21
Серия К224			К425НР1		0,21
К224СА3		0,245	К425УП1		0,21
			К425УТ1		0,21
Серия К284
К284КН1А,Б		0,45	Серия К427
К284УД1А-В		0,45	К427ПА1		0,5

Пример 1. Определить ИО аналоговой интегральной микросхемы КР1012ГП1, состоящей из 687 элементов (табл.2.2) при эксплуатации её в наземной автомобильной аппаратуре при температуре окружающей среды 40^оС.

В соответствии с формулами (1,5), (2,1) ИО микросхемы рассчитывается по модели с использованием соответствующих таблиц: по табл. 2.1 К_С = 2,5; по табл. 2.2 ; по табл.1.2 = 1,5; по табл. 1.3 К_м = 1,46.

ИО микросхемы КР1012ГП1 в реальных условиях равна

Микросборки (МСБ)

В настоящее время при расчете надежности МСБ применяются, в основном, два подхода. Первый подход аналогичен изложенному в разделе 2.1 для микросхем и заключается в применении поправочных коэффициентов сложности и эксплуатации к базовой ИО МСБ. Учитывая, что МСБ представляет собой гибридную ИМС собственного изготовления, в качестве базовой принимают среднегрупповую ИО для ГИС серийного производства l₀=0,21×10^-6 1/час в лабораторных условиях. С учетом этого модель ИО МСБ в реальных условиях имеет вид:

, (2.2)

где и - коэффициенты сложности и эксплуатации, определяемые соответственно по табл. 1.2, 2.1.

Второй подход основан на методике расчета надежности аппаратуры на дискретных элементах и заключается в суммировании ИО отдельных элементов с учетом электрического режима работы и условий эксплуатации [2].

Полупроводниковые приборы

ИО полупроводниковых приборов (ППП) рассчитываются коэффициентным методом по модели (1.5), при этом для отдельных видов приборов наряду с общими используются коэффициенты, отражающие их специфику. Модели всех видов ППП приведены в

табл. 2.4

В моделях таблици 2.4: – отражает режим работы прибора и зависит от электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды; – учитывает функциональное назначение прибора; – зависит от величины максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности рассеяния или току; – зависит от коэффициента нагрузки по напряжению по напряжению; – зависит от нагрузки по напряжению и температуры перехода для мощных транзисторов СВЧ; – отражает частоту и мощность в импульсе мощных транзисторов СВЧ.

Таблица 2.4

Модели надежности ППП

Группа ППП	Модель ИО
Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сборки	=λ0j·Кр·kФ·kДН·kНН·kЭ
Транзисторы биполярные мощные СВЧ	= λ0j· kФ·kНТ·kЧМ·kЭ
Транзисторы полевые	= λ0j·kФ·kЭ
Тиристоры	= λ0j· Кр ·kДН·kЭ
Диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, столбы выпрямительные, варикапы подстроечные. диодные сборки	= λj·Кр·kФ·kДН·kНН·kЭ
Стабилитроны	= λ0j·· Кр ·kЭ
Диоды СВЧ	= λ0j· Кр ·kЭ

Среднегрупповые ИО приборов λ_{0 j} приведены в табл. 2.5

Таблица 2.5

ИО отдельных групп ППП

Группа ППП	λ0j×106 1/час
Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ Транзисторы биполярные мощные СВЧ Транзисторные сборки Транзисторы полевые	0,15 0,2 0,15 0,15
Тиристоры	0,23
Диоды:- выпрямительные - универсальные - импульсные - столбы выпрямительные	0,05 0,05 0,023 0,35
- варикапы подстроечные - диодные сборки	0,05 0,025
Стабилитроны	0,035
Диоды СВЧ:- смесительные - параметрические - переключательные и ограничительные - умножительные и настроечные - генераторные	0,73 0,28 0,18 0,75 0,16

В табл. 2.6-2.9 приведены значения коэффициентов К_Ф, К_ДН, К_НН, К_ЧМ.

Таблица 2.6

Значения коэффициента К_ф

Группа ППП	Функциональный Режим работы	КФ
Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сборки	Линейный	1,5
Переключающий	0,7
Генераторный	0,7
Малошумящие приборы
Высоковольтные приборы	1,5
Транзисторы полевые	Кремниевые	Линейный	1,5
	Переключающий	0,7
Генераторный
СВЧ – диапазона
Арсенидогалл-овые	Малошумящие приборы
Остальные типы приборов	7,5
Диоды выпрямительные, универсальные, мпульсные, столбы выпрямительные, варикапы подстроечные, диодные сборки	Линейный
Переключающий	0,6
Выпрямительный	1,5
Транзисторы биполярные мощные СВЧ	Импульсные усилители	Скважность >20 Скважность 3-20 Скважность <3	0,25 0,5
Усилители в непрерывном режиме
Генераторы

Таблица 2.7

Значения коэффициента К_ДН

Группа ППП	Нагрузка	КДН
Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сбоки, варикапы подстроечные	Максимально допустимая по ТУ рассеиваемая мощность, Вт,
≤1	0,5
>1≤5	0,8
>5≤20
>20≤50	1,3
>50≤200	2,5
>200≤500
Диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, столбы выпрямительные, диодные сборки	Максимально допустимый по ТУ средний прямой ток, А,
≤1	0,6
>1≤3	0,8
>3≤10
>10≤20
>20≤50
Тиристоры	Максимально допустимый по ТУ средний прямой ток, А,
≤1
>1≤5
>5≤25
>25≤50

Таблица 2.8

Значение коэффициента К_НН

Группа ППП	Нагрузка по напряжению, % КнU	КНН
Транзисторы биполярные, кроме мощных СВЧ, транзисторные сборки	Отношение рабочего напряжения к максимально допустимому, %:
От 0 до 50	0,5
	0,7
	0,8
	1,5
Диоды выпрямительные, универсальные, импульсные, столбы выпрямительные, варикапы подстроечные, диодные сборки	Отношение рабочего обратного напряжения к максимально допустимому, %:
От 0 до 60	0,7
	0,75
	0,8
	0,9

Таблица 2.9

Значение коэффициента К_ЧМ для мощных биполярных транзисторов СВЧ

Частота, МГЦ	Мощность в импульсе, Вт
>1	1-5
200-400
		1,5	1,5	1,5	1,5
		1,5	1,5	1,5	1,5
4000 и более

Коэффициент для рабочих температур перехода t_П от 100 до 200°С и отношений рабочего напряжения между коллектором и эмиттером к максимально допустимому от 0,4 до 0,55 рассчитывается по моделям:

- для металлизации алюминием:

при , (2.5)

при ; (2.6)

- для системы металл – золото:

при , (2.7)

при (2.8)

Пример 2. Определить ИО импульсного диода КД521А в режиме переключения при эксплуатации его в корабельной аппаратуре при электрической нагрузке по току =0,5, по напряжению =0,4, температуре окружающей среды 40^оС и влажности 90%.

В соответствии с формулой (1,5) и данными табл.2.4 ИО диода рассчитывается по модели

Значения коэффициентов модели находят из соответствующих таблиц: по табл. 1.2 К_э=2; по табл. 1.3 =1,37; =2,5; по табл. 1.4 =0,195 при t =40^оС, =0,5; по табл. 2.5 ; по табл. 2.6 =0,6 в режиме переключения; по табл. 2.7 =0,6 при а (максимальное значение прямого среднего тока через диод); по табл. 2.8 =0,7 при =0,4

ИО импульсного диода КД521А в реальных условиях равна

Конденсаторы

Модели для расчета значений эксплуатационной ИО отдельных групп конденсаторов приведены в табл. 2.10

В моделях таблицы 2.10: К_C – коэффициент, определяемый номинальной емкостью конденсатора, К_ПС – коэффициент, зависящий от величины последовательного активного сопротивления в схеме между конденсатором и источником питания, для оксидно – полупроводниковых конденсаторов, К_Т – коэффициент, зависящий от температуры окружающей среды.

Таблица 2.10

Модели ИО конденсаторов

Группа конденсаторов	Вид модели
Постоянной емкости: тонкопленочные с неорганическим диэлектриком	= λ0j·КР ·КЭ
Керамические Стеклокерамические Слюдяные Оксидно – электролитические алюминиевые (кроме импульсных) C органическим синтетическим диэлектриком: - низковольтные - высоковольтные постоянного напряжения - бумажные	= λ0j· КР ·КC·КЭ
Оксидно – полупроводниковые	=λ0j· КР ·КC·КПС· КЭ
Оксидно – электролитические алюминиевые импульсные С органическим синтетическим диэлектриком импульсные	= λ0j· КР ·КС·КТ· КЭ
Подстроечные: с твердым диэлектриком	= λ0j· КР · КЭ · λ0

ИО конденсатораλ_0j приведены в табл. 2.11

Таблица 2.11

ИО конденсаторов

Группа приборов	,
Постоянной емкости: Керамические на номинальное напряжение менее 1600В.	0,006
Керамические на номинальное напряжение не менее 1600В.	0,075
Оксидно–электролитические алюминиевые (кроме импульсных)	0,025
Оксидно-полупроводниковые	0,01
С органическим синтетическим диэлектриком, низкочастотные	0,005
Бумажные	0,0025
Подстроечные: c твердым диэлектриком	0,01

Коэффициент К_Т находится по моделям:

-для оксидно – электролитических алюминиевых конденсаторов

, (2.9)

- для конденсаторов с органическим синтетическим диэлектри- ком, импульсных

. (2.10)

Модели или значения коэффициента К_С представлены в табл. 2.12

Таблица 2.12

Модели коэффициента К_С

Тип конденсатора постоянной емкости	Модель КС
Керамические и стеклокерамические	КС = 0,4∙С 0,12 (С в пФ)
Слюдяные	КС = 0,4∙С 0,14 (С в пФ)
Оксидно-электролитические алюминиевые	КС=1 при С ≤ 103 мкФ КС=2 при 103 мкФ<C≤22∙103 мкФ КС = 2,5 при С>22∙103 мкФ
Оксидно-полупроводниковые	КС = 1
С органическим синтетическим диэлектриком и бумажные	КС = 1,0∙С 0,05 (С в мкФ)

Коэффициент находится по табл. 2.13

Таблица 2.13

Значение коэффициента К_ПС

Нормальное Напряжние, В	Рабочая Темпиратура, C	КнU	Значение КПС при отношнии R/U, Oм/В
<0,1	0,1 <1	1 <2	2 <3	3
6,3	85	1
>85 100	0,7
>0,7	3,5	1,6	1,35	1,2
<100 125	0,5
>0,5 0,7		1,4	1,2	1,1
>6,3 16	50	1
>50 85	0,7
>0,7	2,5	1,5	1,25	1,125
>85 100	0,7
>0,7		1,8	1,4	1,2
>100 125	0,5
>0,5 0,7		1,8	1,4	1,2
>16	50	0,7
>0,7		1,4	1,2	1,1
<50 85	0,5
>0,5 0,7		1,4	1,2	1,1
>0,7		1,8	1,4	1,2
>85 100	0,4
>0,4 0,7		1,8	1,4	1,2
>0,7			1,5	1,25
>100 125	0,3
>3 0,5		1,8	1,4	1,2
>0,5 0,7			1,5	1,25

Пример 3. Определить ИО керамического высоковольтного конденсатора емкостью С=1000 пФ, эксплуатируемого в стационарном телевизоре при номинальном напряжении , нормальной влажности и температуре t =40°C.

В соответствии с формулой (1.5) и данными таблицы 2.10 ИО конденсатора рассчитывается по модели

Значения составляющих модели находят из соответствующих таблиц: по табл 1.2 =1; по табл 1.3 =1, =1; по табл 2.11 =0,075∙ ( ); по табл 1.4 К=1.7 при t =40°C, =U/U =1;по табл 2.12 =0.4∙С =0.4∙1000 =0.9.

Резисторы

Модели ИО резисторов приведены в таблице 2.14.

Таблица 2.14

Модели ИО резисторов

Группа изделий	Вид моделей
Резисторы постоянные непроволочные металлодиэлектрические
Резисторы постоянные непроволочные углеродистые. Резисторы постоянные проволочные и металлофольгированные. Резисторы переменные проволочные. Наборы резисторов
Резисторы переменные непроволочные
Резистивные микросхемы
Терморезисторы

В таблице 2.14, кроме вышеупомянутых и , использованы коэффициенты: - учитывает номинальное сопротивление, - учитывает номинальную мощность рассеяния, учитывает нагрузку по напряжению . ИО резисторов приведены в таблице 2.15.

Таблица 2.15

ИО резисторов

Группа приборов	106,
Резисторы постоянные непроволочные	0,005
Резисторы постоянные проволочные и металлофольговые: нагрузочные, прецизионные, особостабильные и металлофольговые	0,01
Резисторы переменные непроволочные	0,005
Резисторы переменные проволочные: подстроечные, регулировочные	0,015
Терморезисторы	0,015….0,010
Наборы резисторов	0,01
Резистивные микросхемы	0,005

Таблица 2.16

Значения коэффициента K_R.

Тип резисторов	Диапозон сопротивлений	KR
Резисторы постоянные непроволочные: металлодиэлектрические	R<1 кОм	1,0
1 кОм<R<100 кОм	0,7
100 кОм R<1 МОм
R МОм	0,6
-углеродистые	R 100 кОм	0,5
100 кОм R 1 МОм	2,7
R>1 МОм	0,7
Резисторы постоянные проволочные: -нагрузочные	R 1 кОм	1,3
1 кОм<R 10 кОм	0,8
10 кОм<R 100 кОм	1,5
-прецизионные, особостабильные и металлофольговые	R 1 кОм	1,6
1 кОм<R 10 кОм	0,6
10 кОм<R 100 кОм	0,4
100 кОм<R
Резисторы переменные непроволочные:-керметные	10 Ом<R 100 Ом	1,6
100 Ом<R 330 Ом	1,4
330 Ом<R

Таблица 2.17

Значение коэффициента

Номинальная мощность, Вт
0,062…0,5 1…2 5…10	0,7 1,5 4,5

Таблица 2.18

Значение коэффициента

0,1 КU 0,8 0,8 КU 0,9 0,9 КU 1,0	1,0 1,05 1,2

Пример 4. Определить ИО металлодиэлектрического резистора С2-23 номинальной мощностью 0,125 Вт и сопротивлением 10 Ом, эксплуатируемого на судах , при =25 , влажности 90% и мощности 0,1 Вт.

В соответствии с формулой (1,5) и данными табл 2.14 ИО резистора рассчитывается по модели

Значения составляющих модели находят из соответствующих таблиц: по табл.1.2 ; по табл. 1.3 , ; по табл. 1.4 при t =25 ; по табл. 2.15 ; по табл. 2.16 для R<1 кОм; по табл. 2.17 при номинальной мощности 0,125 Вт. ИО резистора в реальных условиях равна

Радиокомпоненты

В число радиокомпонентов (РК) включены коммутационые,

установочные изделия и трансформаторы.

Модели ИО РК представлены в табл. 2.19.

Таблица 2.19