Определительные ускоренные испытания на надёжность с использованием прогнозирования

Ускоренные испытания служат для получения в укороченный промежуток времени t_у до появле­ния в РЭС первого отказа необходимой диагностической информа­ции, по которой можно судить о состоянии РЭС при ее дальней­шей технической эксплуатации в течение времени t при t_y << t.

Введение между работоспособным и неработоспособным состояниями промежуточного предотказового состояния характеризует процесс накопления нарушений в контролируемом объекте или, что то же самое, процесс изменения технического состояния, предшествующий возникновению неработоспособного состояния контролируемого объекта. Предотказовым состоянием изделия называется такое его состояние, при котором накапливающиеся в нем нарушения, различимые с помощью заданных средств и мето­дов, не препятствуют в течение некоторого периода времени безотказной работе.

Различают ускоренные испытания в нормальном и форсиро­ванном режимах. Ускорение испытаний в нор­мальных условиях можно достигнуть назначением более жестких допусков Δх_И на изменение диагностируемого параметра х по сравнению с допуском на него Δх, заданного ТУ. Время t_y, в течение которого х не выйдет за границы Δх_И, будет меньше времени t его пребывания в границах допуска Δх. Другим способом ускорения испытаний в нормальных услови­ях является увеличение объема испытуемой партии, так как с увеличением числа проверяемых приборов увеличивается вероят­ность появления отказов [1].

Существует также ряд эмпирически установленных косвенных признаков, по изменению которых можно с определенной досто­верностью судить о предотказовом состоянии объекта и, следовательно, прогнозировать в скором будущем наступление отказа. Определение предотказового состояния по этим признакам осуществляют методами локальной и методами интегральной диагностики. Методы интегральной диагностики позволяют обнаружить потенциально ненадёжные изделия, например, изделия со скрытыми дефектами, нестабильными характеристиками и др. Но они не позволяют установить причину дефекта или локализовать его местоположение в изделии.

К методам локальной диагностики относятся: методы дефектоскопии (рентгеновские, тепловые, ультразвуковые и др.), методы физического эксперимента (растровая электронная микроскопия, радиоспектральные методы и др.) и методы локального измерения специально выбранных характеристик электромагнитных, тепловых и других полей.

При предотказовом состоянии происходит измене­ние спектра электрического шума полупроводниковых приборов и увеличение средней мощности такого шума, увеличение перегрева радиоэлементов, появление характерных для предотказового состояния звуков при работе электродвигателей, вентиляторов подшипников и т.п. При подаче синусоидального напряжения на участок цепи, имеющий строго постоянное (не зависящее от силы тока, протекающему по нему) сопротивление, ток, протекающий через элемент будет тоже строго синусоидальным. Несинусоидальность тока при подаче на участок цепи строго синусоидального напряжения свидетельствует о том, что в цепи имеется переменное, зависящее от тока сопротивление. Если элементы в цепи должны иметь строго постоянное сопротивление, значит, в цепи возник ненадёжный контакт, представляющий собой источник нелинейности. Степень искажения оценивают по доле третьей гармоники в кривой тока. Прогнозирование надёжности полупроводниковых приборов производят по отклонению формы вольтамперной характеристики от образцовой. Более подробно вопросы диагностики предотказового состояния при неразрушающем контроле элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры изложены в [29].

Ускоренными испытаниями в форсированных режимах (или просто форсированными испытаниями) называют такие, которые проводят в условиях форсирования процесса возникновения отка­зов. Создать такие условия можно, изменив, например, тем­пературу, влажность и давление среды, в которой осуществляется испытание, или увеличив рабочие нагрузки и диапазон частот, в котором работает прибор. Форсированные режимы ускоряют фи­зико-химические процессы в материалах испытуемых изделий и способствуют более быстрому развитию в них процессов износа и старения.

В качестве примера приведём результаты ускоренных испытаний на срок службы в форсированном циклическом режиме транзисторов типа П210 (рисунок 6.7). Испытания проводились в 50 нагрузочных циклов одинаковой
длительности и напряжённости.

Транзисторы, имеющие большое тепловое сопротивление переход- корпус и соответственно повышенные температуры кристалла, имеют значительно меньший срок службы, чем остальные транзисторы. Транзисторы, имеющие тепловое сопротивление ниже определённого уровня, имеют срок службы, практически не зависящий от теплового сопротивления. Надёжность этих транзисторов определяется другими факторами, а у транзисторов с большим тепловым сопротивлением, тепловое сопротивление является доминирующим фактором, определяющим их надёжность.

Для обнаружения предотказовых состояний с целью прогнозирования надёжности различных элементов можно использовать переходные тепловые характеристики. Результаты прогнозирования надёжности резисторов по переходным тепловым характеристикам иллюстрируются рисунком 6.8, на котором приведены графики изменения сопротивления резисторов типа МЛТ-0,5 во времени форсированных испытаний при импульсной нагрузке с повышенным тепловыделением. Амплитуда и длительность импульса выбираются такими, чтобы выделяемая в резистивном элементе энергия была немного меньше энергии, приводящей к необратимым изменениям в резисторе. В результате исследований, проводившихся на резисторах типа МЛТ мощностью 0,5 Вт было установлено, что для резисторов, не имеющих дефектов, изменение сопротивления (рисунок 6.8, а) имеет линейный характер при длительности импульса не более 5 с и мощности не превышающей номинальную более чем в 4-7 раз.

Температурная зависимость изменения сопротивления резистора с различными дефектами изображена на рисунке 6.8 б, в, г. Было подвергнуто исследованию 1180 резисторов, значительная часть которых специально была выбрана из числа забракованных производственным контролем. У 136 резисторов была обнаружена нелинейная характеристика. Вся партия была подвергнута испытаниям при номинальной нагрузке в течение 5000 ч при повышенной температуре. За это время отказало 13 резисторов, 11 из них имели нелинейную характеристику (8,1 % от общего количества таких резисторов) и 2-линейную (0,19% от общего количества резисторов с линейной характеристикой). При данном режиме испытаний резисторы с нелинейной характеристикой отказывали почти в 50 раз чаще, чем резисторы с линейной характеристикой. Поэтому появление у резистора во время эксплуатации нелинейности в переходной тепловой характеристике можно считать прогнозом появления в ближайшем времени его отказа.

В основе идеи ускоренных испытаний при форсированных ре­жимах лежат уравнения вида [1]

q₀(ε₀, t₀ ) = φ[q_Ф(ε_Ф, t_y)], (6.45)

λ₀ × t₀ ≈ λ_Ф × t_y, (6.46)

где q₀, q_Ф - соответственно вероятности возникновения отказов в нормальном и форсированном режимах; ε₀, ε_Ф - признаки, харак­теризующие соответственно нормальное состояние РЭС и ее со­стояние при форсированных испытаниях; t₀, t_y - время работы РЭС, гарантированное ТУ для работы в нормальном режиме, и время форсированных испытаний; λ₀ и λ_Ф - интенсивности отказов РЭС при работе в нормальном и форсированном режимах.

Проиллюстрируем графически возможность практического ис­пользования уравнений (6.45) и (6.46). Для этого по известным статистическим данным построим график q₀(ε₀, t₀) = f(t). Пусть он, например, имеет вид кривой во втором квадранте на рисунке 6.9. Форсированные испытания проведем в интервале времени t_y. Полученный в результате график q_Ф(ε_Ф, t_{y) =} φ(t) поместим в первый квадрант рисунка 6.9. Зная время t_y (как показано на рисунке стрелками), определим q = q_Ф и приравняем ее к q₀, т.е. q_Ф = q₀. По из­вестному q₀ и кривой q₀(ε₀, t₀) = f(t) определим искомое t₀.

Отно­шение t₀ / t_y = λ_Ф / λ₀ [в соответствии с (6.46)] называют коэффициен­том ускорения испытаний.

Форсированные испытания менее точны, чем ускоренные в нормальном режиме, а последние усту­пают испытаниям, проводимым в нормальных условиях и в нату­ральном масштабе времени [1].

Для экстраполяции результатов ускоренных испытаний в нормальном режиме необхо­димо знать истинное распределение наработки на отказ испытывае­мых изделий. Подходить к этой проблеме нужно так же, как к ре­шению любой статистической задачи, не делая заранее предположе­ний о законе распределения. Для установления закона распределения следует обязательно удалить из генеральной совокупности изделия с ранними отказами (потенциально ненадежные), так как появление ранних отказов из-за дефектов изготовления может привести к по­лучению распределения, отличающегося от истинного. При этом не­обходимо выбрать такое время испытания, которое позволит не только удалить из исследуемой совокупности потенциально ненадеж­ные изделия со скрытыми дефектами, но и установить истинное рас­пределение наработки на отказ. Тогда, например, при экспоненциальном законе распределения вероят­ности безотказной работы значения вероятностей Р₂(t_Г) и Р₂(t_И), заданных на гарантированное время безотказной работы t_Г и на время ускоренных испытаний в нормальном режиме t_И, связаны соотношением (6.7), приведённым ранее в разделе 6.1.2:

ln Р₂(t_И) = [ln Р₂(t_Г)] × t_И / t_Г. (6.7)

Испытания ЭС для определения фактора ускорения можно осуществлять при фиксированной или переменной нагрузке. Из испытаний при переменной нагрузке большой практический интерес представляют испытания РЭС методом шаговой нагрузки (ступенчатые испытания). При этом методе первоначально измеряют значения вы­бранных параметров-критериев годности (ПКГ) изделий, после чего изделия подвергают действию нагрузки. По окончании испытания снова изме­ряют параметры РЭС с целью обнаружения отказов. За­тем эти же РЭС вновь подвергают воздействию большей нагрузки. Шаговое (ступенчатое) увеличение нагрузки производят до тех пор, пока не будет достигнут опреде­ленный процент отказов. Преимущество метода ступенчатых испытаний по сравнению с методом испытаний при фиксированной на­грузке состоит в том, что требуется меньшее число изде­лий для определения фактора ускорения и режима уско­ренных испытаний, так как достаточно лишь одной вы­борки, чтобы выявить ту перегрузку, при которой сохраняется один и тот же механизм отказов. Кроме то­го, при ступенчатом методе испытаний затрачивается меньшее время для получения информации о надёжности испытываемых изделий, так как отказы наступают за меньший промежуток времени, чем при фиксированной нагрузке, за счет эффекта накопления деградационных изменений в физической структуре объекта испытаний по мере перехода от одной ступени к другой. Благодаря от­меченным преимуществам метод ступенчатых ускоренных испытаний может быть полезен на раннем этапе исследо­вания надёжности изделий. Однако в процессе разработ­ки этого метода приходится сталкиваться с рядом труд­ностей, которые отсутствуют при испытании при фикси­рованной нагрузке. Это выбор высоты ступени (приращение нагрузки) и продолжительности этой сту­пени (времени действия на изделие данной нагрузки) [20].

Например, при уменьшении продолжительности сту­пени возрастает интенсивность отказов по сравнению с испытаниями при фикси­рованной нагрузке. Это связано с тем, что один уровень нагрузки может влиять на результаты последующих более высоких нагрузок, что затрудняет интерпретацию результатов испытаний.

Итак, ускоренные испытания позволяют:

- прогнозировать интенсивность отказов при данной нагрузке или при данных условиях путём экстраполяции за пределы периода испытания изделия при этих условиях;

- установить корреляцию между сроком службы изделия и уровнями нагрузок с целью предсказания путём экстраполяции отказов изделий на других уровнях нагрузок;

- выявить влияние различных факторов на надёжность изделия;

- разработать методы испытаний изделий на надёжность, обеспечивающих получение максимума сведений при минимальных затратах.

Ускоренные испытания могут быть использованы для количественной оценки надёжности только тогда, когда фактор ускорения, полученный путём сравнения результатов испытания под нормальной и форсированной нагрузками остаётся в процессе производства или в процессе эксплуатации изделий неизменным. Если учесть также, что всякого рода экстраполяции обладают сравнительно низкой точностью, то результаты ускоренных испытаний могут служить только для ориентировочной оценки показателей надёжности.