170

Глава 7 МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АППАРАТУРЫ КА ИЗДЕЛИЯМИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ НЕОБХОДИМОГО УРОВНЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ

7.1МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ, ПРОШЕДШИХ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОИ

Анализ контрактных требований к показателям надежности современных отечественных КА разработки ОАО «ИСС» показывает (см. табл. 51), что требования к показателю долговечности КА – сроку активного существования (САС) или ресурсу постоянно растут. Растут, также, требования к показателям безотказности КА (вероятности безотказной работы (ВБР)) на конец САС.

Таблица 51 Динамика изменения требований к ресурсу и вероятности безотказной работы КА

Рост требований к показателям долговечности и безотказности КА означает директивное ужесточение требований к нормированным показателям безотказности бортовых систем КА на конец требуемого САС или ресурса. В табл.52, для примера, приведен нормативный бюджет надежности перспективного КА на базе платформы «Экспресс-1000» с требуемым САС 15 лет.

Таблица 52 Нормативный бюджет надежности перспективного КА на базе платформы «Экспресс-1000»

Вместе с тем, используемые при проектных расчетах надежности аппаратуры справочные значения базовых интенсивностей отказов основной номенклатуры отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ) (табл.53) за последние 10 лет по ряду причин росли незначительно, в связи с чем разработчики аппаратуры бортовых систем испытывают трудности при подтверждении требуемой безотказности на этапе проектирования.

Таблица 53 - Изменение базовых интенсивностей отказов основных классов и функциональных групп ЭРИ, изготовленных отечественной промышленностью

172

Один из методов обеспечения требуемой безотказности – совершенствование применяемых способов резервирования оборудования бортовых систем (способ включения резерва, кратность резервирования, схема включения резерва, характеристика резерва, фиксация резерва, однородность резервирования). Однако, возможности обеспечения требуемой надежности за счет, например, увеличения кратности резерва, как правило, ограничены. При резервировании замещением данный прием действительно ведет к повышению ВБР, однако приводит и к существенному повышению суммарной массы КА, что противоречит налагаемым на КА ограничениям по массе и стоимости. Использование иных, кроме структурной, методов избыточности, например, функциональной (резервирование последовательной цепи приборов одним универсальным и др. приемы), также, по ряду причин, технически редко реализуемы. Таким образом, в целях проектного подтверждения требуемой ВБР КА, зачастую, требуются дополнительные или иные принципы обеспечения нормированных показателей безотказности проектируемого оборудования.

Одним из этих принципов является применение высоконадежных ЭРИ, для которых дополнительно можно использовать понижающие коэффициенты для базовых интенсивностей отказов.

173

К качеству и надёжности ИС предъявляются очень высокие требования, независимо от того, в какой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) они будут применены: в системах управления ракет, авиационных объектов, атомных электростанций или в телевизорах и видеомагнитофонах. Подсчитано [66], что при доле дефектности партий ИС в пределах 0,01%, то есть 100 дефектных схем на один миллион поставленных, процент отказов печатных плат, на которых смонтировано 100 ИС, составит 9,5%. При дефектности партий ИС в пределах 1% выход годных печатных плат составит 63,4%, то есть брак составит 36,6%.

В настоящее время общепринятыми считаются два направления увеличения надёжности выпускаемых ИС [66]:

¾устранение причин отказов за счёт совершенствования конструкции и технологии изготовления, то есть воздействия на процесс производства посредством обратной связи (передачи информации), и создание, в конечном счете, бездефектной технологии;

¾выявление и удаление изделий с отказами (действительными и потенциальными) из готовой партии до поставки потребителю.

Второй вариант обычно не реализуется, так как изготовитель поставляет

потребителю ЭРИ строго в соответствии с техническими условиями. Поэтому можно предложить третий вариант: выявление и удаление изделий с отказами (действительными и потенциальными) из готовой партии на входном контроле у потребителя ЭРИ.

Необходимо отметить, что для оценки достаточности принятых мероприятий необходима информация о надежности ЭРИ. Оперативность получения такой информации из сферы эксплуатации чрезвычайно низка. В этой связи все более актуальным становится разработка и применение специальных методов прогнозирования надежности ЭРИ [69].

Очевидно, что при прогнозировании работоспособности ЭРИ практически невозможно учесть реальный разброс времени наработки до отказа, связанный с разбросом электрофизических параметров ЭРИ и наличием в их структуре различных дефектов и неоднородностей. Поэтому, даже при оптимистических результатах прогноза, необходимым условием является научно-обоснованный выбор и введение дополнительных методов отбраковочных испытаний. И, в пер-

174

вую очередь, эффективных методов диагностирования до установки ЭРИ в БА. Физические и методологические основы применения методов диагностирования изложены, например, в [67, 68, 69].

Применительно к аппаратуре КА и другой высоконадежной аппаратуры важно быть уверенным в отсутствии дефектных (потенциально ненадежных) ЭРИ в выборке, предназначенной для установки в аппаратуру. В технологическом процессе изготовления ИС предусмотрен производственный контроль качества, предназначенный для выявления явных дефектов, характеризующих процент выхода годных изделий, и скрытых дефектов, характеризующих надежность выпускаемых ИС. Если рассматривать отказ ИС как результат развития в ней во времени дефекта, характеризуемого размером Дi, то суть сказанного можно проиллюстрировать графиком, приведенным на рис. 17 [70], на котором дан график зависимости плотности дефектов (а) от их величины (Д).

a λ

аti

а0

Скрытые дефекты Явные дефекты

Рис. 17 Зависимость плотности дефектов от их величины

Дефекты величиной Дi≥Д0 (где Д0 критический размер дефекта, нарушающий работоспособность изделия и зависящий от требований контроля) приводят к браку или отказу ИС и называются «явными». Дефекты величиной Дi<Д0 обнаруживаются лишь в процессе эксплуатации и называются «скрытыми». Природа генерируемых технологическим процессом явных и скрытых дефектов одна и та же, а разброс начальных размеров дефектов Дi от 0 до ∞ и определяет

175

на практике уровень брака при изготовлении и разброс характеристик надежности однотипных изделий в одинаковых условиях эксплуатации. Пусть Дi - некоторая условная величина дефекта, при которой его развитие не достигает в течение времени ti эксплуатации критического размера Д0. Тогда изделия с дефектами Дti < Дi< Д0 образуют группу потенциально ненадежных изделий с точки зрения заданных требований по надежности ИС. На рис. 17 показана кривая интенсивности отказов ИС в зависимости от величины скрытых дефектов. Нарас-

тающий характер кривой λ(Дi) в диапазоне Дti <Дi < Д0 и определяет так называемую проблему «ранних» отказов ИС в эксплуатации.

Ежегодно в практике ОАО «ИСС» в приборных цехах происходит 8÷12 отказов аппаратуры различной сложности из-за отказов ЭРИ, устанавливаемых в аппаратуру, по результатам сплошного входного контроля (ВК) без проведения дополнительных отбраковочных испытаний. Это приводит к существенным материальным и временным затратам. Поэтому задача выявления скрытых дефектов в ЭРИ до их установки в бортовую аппаратуру является весьма актуальной.

При проведении дополнительных отбраковочных испытаний ЭРИ на входном контроле у потребителя предлагается использовать понижающие коэффициенты для базовых интенсивностей отказов, приводимые в справочниках [24] При этом, в соответствии с НТД, за основу для расчета эксплуатационной надежности ЭРИ принимаются коэффициентные математические модели вида

[24]:

n

λэ = λ' б × K p ×∏Ki ,

i=1

где, λэ −значение величины эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ, используемое при расчете надежности аппаратуры;

λ'б − исходная (базовая) интенсивность отказов типа (группы) ЭРИ

(табл.53), приведенная к условиям: номинальная электрическая нагрузка при температуре окружающей среды 25°С;

K p −коэффициент режима, учитывающий изменение λ'б в зависимости от электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды;

Кi − коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интен-

сивности отказов от различных факторов: коэффициент приемки, коэффициент

176

эксплуатации, коэффициент качества разработки и изготовления аппаратуры, коэффициент ионизирующих излучений и т.д.;

n −количество учитываемых факторов.

Длительное время (начиная с КА «SESAT» - год запуска 2000) НПО ПМ и предприятия - контрагенты применяют ЭРИ, категории качества «ВП», «ОС» («ОСМ»), прошедшие дополнительные ОИ, включая диагностический неразрушающий контроль и разрушающий физический анализ, в испытательных технических центрах, аккредитованных в системах «Военэлектронсерт» и Федеральной системе сертификации космической техники (ФСКТ). Дополнительные испытания, по данным [71, 72] и по моему мнению, «повышают» качество применяемых партий ЭРИ, идущих на комплектацию БА, снижают интенсивность отказов за счет исключения из них ЭРИ со скрытыми дефектами и позволяют при-

менять понижающий коэффициент Kитц , уточняющий значения λ'б .

Однако, в настоящее время поправочный коэффициент Китц , не учитыва-

ется при расчете проектной оценки надежности аппаратуры КА, так как не предложено метода количественной оценки данного коэффициента. Таким образом, актуальной является задача технического обоснования величины Китц для при-

менения при уточнении значения эксплуатационной интенсивности отказов. Опыт в области дополнительных отбраковочных испытаний ЭРИ перед их

установкой в бортовую аппаратуру позволяет мне предложить способ определения количественного значения Китц методом оценки коэффициентов, характери-

зующих степень отличия ЭРИ, успешно прошедших дополнительные ОИ и полученных с завода – изготовителя.

Суть метода заключается в том, что, исходя из общепринятой функции интенсивности отказов ЭРИ во времени, требуемый срок службы ЭРИ без отбраковки в составе аппаратуры соответствует периоду стабильной интенсивности отказов ЭРИ, обеспечиваемой базовой среднегрупповой интенсивностью отказов и полями допусков параметров ЭРИ по ТУ.

Практика показывает, что при штатной эксплуатации аппаратуры отказы ЭРИ носят, в основном, параметрический характер, т.е. возникают отказы типа «выход за поле допуска». Дополнительные отбраковочные испытания позволяют классифицировать элементы с суженными значениями параметров по сравнению

177

с полями допусков по ТУ. Это ведет к приросту периода стабильной интенсивности отказов ЭРИ, прошедших классификацию [73].

Справедливость такого подхода основана на том, что при оценке интенсивности отказов по результатам испытаний за отказ принимают полную потерю работоспособности или уход параметров-критериев годности за нормы, установленные в ТУ на ЭРИ [74]. Проверка соответствия согласия фактического распределения контролируемого параметра ЭРИ с нормальным или логарифмически нормальным законом распределения, при необходимости, может проводиться, например, в соответствии с [75]. Иллюстрация данного подхода приведена на рис.18.

Рис. 18 Уточнение функции интенсивности отказов для ЭРИ, прошедших ОИ в ИТЦ:

а)- без дополнительных ОИ; б) - прошедших дополнительные ОИ; ТАС − гарантийный

срок службы аппаратуры и КА, обеспечиваемый участком стабильной интенсивности отказов ЭРИ по ТУ; TАС − прирост ТАС за счет дополнительных ОИ в ИТЦ.

На рис.18 введены обозначения следующих периодов:

1)приработки ЭРИ на заводе - изготовителе;

2)стабильной эксплуатации ЭРИ, не подвергаемых дополнительным ОИ;

3)износа и старения ЭРИ, не подвергаемых дополнительным ОИ;

4)дополнительных ОИ в ИТЦ;

5)стабильной эксплуатации ЭРИ, подвергнутых дополнительным ОИ;

6)износа и старения ЭРИ, подвергнутых дополнительным ОИ.

178

Конкретное значение Китц зависит от объема дополнительных отбрако-

вочных испытаний, для примера в (табл. 54) приведен объем ДОИ сложившийся к настоящему времени.

Таблица 54 – Объем проведения дополнительных отбраковочных испытаний ЭРИ

Учитывая, что результаты испытаний по каждому виду дополнительных испытаний являются независимыми событиями, Китц будет определяться выра-

жением:

n

Китц = ∏ki ,

1

где ki - коэффициент запаса по i виду дополнительных отбраковочных испытаний (ОИ);

n – количество видов дополнительных ОИ.

В соответствии с приведенным объемом дополнительных ОИ участвуют в образовании Китц следующие виды испытаний: разрушающий физический ана-

лиз (РФА) - КРФА , классификация по ужесточенным нормам - kУН и оценка дрейфа параметров - kД .

179

Необходимо подчеркнуть, что коэффициент ki для испытаний, связанных с измерений электрических параметров, является комплексным, так как учитывает все электрические параметры, участвующие в классификации, и определяется по формуле:

ki = max k j ,

где k j - коэффициент по каждому параметру дополнительных ОИ.

Таким образом, обобщенный коэффициент запаса по параметрической надежности конкретной партии ЭРИ, в соответствии с табл. 54 будет равен:

КИТЦ = kРФА ×kУН ×k Д ,

И, соответственно, выражение для оценки эксплуатационной интенсивности отказов примет вид:

n

λэ = λ' б × K p ×∏Ki × КИТЦ

i=1

Вкачестве параметра, характеризующего запас параметрической надеж-

ности по величине ужесточенных норм, при условии М(х) > ХУН предлагается использовать коэффициент, определяемый соотношением:

kУН =1/[(М(х) − ХУН ) /(М(х) − ХТУ )],

где М(х) - оценка математического ожидания параметра ЭРИ в конкрет-

ной производственной партии;

ХТУ - нижнее или верхнее значения параметра, установленные техническими условиями;

ХУН - значение параметра, установленное в качестве критерия «ужесточенной» нормы на конкретный параметр при проведении дополнительных ОИ, и

при условии М(х) < ХУН :

kУН =1/[(ХУН − М(х) /(ХТУ − М(х)].

Несмещенной и состоятельной оценкой математического ожидания параметра ЭРИ в партии является среднее арифметическое значение всех независи-

мых измеренных значений параметра ЭРИ в партии: M (x) = 1 ∑N xi . Принцип n i=1

«ужесточения» норм приведен на рис.19, 20.

181

являются случайными (в смысле математической статистики) величинами, и любая величина, определяемая по выборке, так же является случайной величиной. Поэтому при оценке ХУН приходим к необходимости использования толерант-

ных границ. Принимая, что распределение электрических параметров выборки ЭРИ, подвергаемых ОИ, имеют распределение близкое к нормальному, величина ХУН определяется соотношением:

ХУН = М(х) ± к s ,

гдеМ(х) – оценка математического ожидания параметра;

s- оценка среднеквадратического отклонения, полученная по выборке;

к– толерантный коэффициент, зависящий от объема выборки, доли генеральной совокупности, накрываемой данным интервалом с вероятностью не менее Р с достоверностью не менее γ [75].

Р принимается, например, равным 0,9 при γ = 0,9.

Для количества измерений >50 среднеквадратическое отклонение параметра ЭРИ в партии определяется:

N

s = 1 n∑[xi − M (X )]2`

i=1

Вслучае логарифмически-нормального распределения в качестве параметров распределения используются среднее арифметическое и среднеквадратическое отклонение логарифма параметра ЭРИ.

Дрейф параметров на заводах – изготовителях ЭРИ не оценивается. При проведении электротермотренировки (ЭТТ) фиксируются случаи выхода параметров за нормы ТУ. Фактически это означает, что отбраковываются ЭРИ с дрейфом параметров, соответствующим границам ХТУ. В качестве параметра, характеризующего запас параметрической надежности по величине дрейфа параметров, предлагается использовать коэффициент, определяемый соотношением:

k Д =1/[( ХТУ − М(хТУ ) /(ХД − М( y)],

гдеМ(х) - оценка математического ожидания параметра в соответствии с

ТУ;

182

M(y) – оценка математического ожидания дрейфа параметра в конкретной производственной партии;

ХД - граница дрейфа параметра, установленная по выборке;

ХТУ - верхняя или нижняя граница параметра по ТУ.

Математическое ожидание параметра по ТУ, фактически, является номинальным значением параметра ЭРИ по ТУ и может быть приближенно оценено по формуле:

M (X ТУ ) = 12 (X ТУв − X ТУн )

В качестве параметра, характеризующего нормы на границы дрейфа, установленные по выборке, принимается величина:

YД = М( y) ± k s Д ,

где s Д – оценка среднеквадратического отклонения дрейфа параметра; k – толерантный коэффициент.

Ниже приведены результаты оценки коэффициентов по вышеприведенной методике для конкретной партии ИС 597СА3 в количестве 988 штук (партия 6 дата изготовления 01.08).

Таблица 55 Оценка коэффициентов отбраковочных испытаний

183

Из данных табл.55, при КРФА =1, вычисляется и Китц =0,3025.

Анализ данных, приведенных в табл.55, приводит к следующим выводам:

¾Коэффициент «улучшения» интенсивности отказов Китц для конкретной классифицированной партии ИС 597СА3, подвергнутой дополнительным испытаниям, составляет 0,3025, то есть в 3,3 раза.

¾Возможна оценка Китц для любой конкретной партии или типа ЭРИ за оп-

ределенный период изготовления, например, за год.

¾Количественно определена степень критичности конкретных электрических параметров: параметры, для которых коэффициенты имеют наибольшее значение, являются наиболее критичными определяющими работоспособность ЭРИ.

¾Возможен выбор состава дополнительных отбраковочных испытаний исходя из необходимого «улучшения» интенсивности отказов ЭРИ для оценки надежности конкретной радиоэлектронной аппаратуры.

¾Возможен выбор величины значения коэффициента «улучшения» интенсивности отказов ЭРИ в привязке к конкретному электрическому пара-

185

данного НПО ПМ по заказу Европейской организации "Eutelsat", при комплектации аппаратуры которого впервые в отечественной практике были массово применены дополнительные ОИ ЭРИ в том числе и РФА.

Имеющаяся на предприятии постоянно пополняемая база данных содержит результаты ВК и ОИ всех проверяемых партий ЭРИ. Она позволяет провести оценку их качества (по предприятиям-изготовителям, времени изготовления, этапу испытаний и др.), а также, в случае возникновения нештатных условий при эксплуатации, проанализировать начальные значения параметров, которые были на этапе ОИ, и динамику их изменения в процессе ОИ.

Решение о допуске прошедших ОИ партий ЭРИ к установке в аппаратуру принимается с обязательным учетом полученных результатов РФА.

Сводные результаты РФА, применительно к конкретным заводам – изготовителям, представлены рис.22. На рис.23 в качестве примера приведена динамика изменения дефектности интегральных схем конкретного завода – изготовителя в зависимости от года изготовления. На рис.24 приведены результаты забракования ИС по результатам РФА.

Рис. 23 Динамика изменения дефектности ИС

0

Рис. 24 Результаты забракования ИС по результатам РФА

189

По результатам РФА могут проводиться дополнительные ОИ партий ЭРИ, для которых получены замечания, и приниматься решения по дальнейшему использованию этих партий (замена на заводе – изготовителе, использование в наземной аппаратуре и т.д.).

Например, дополнительной проверке на наличие посторонних частиц в подкорпусном пространстве (PIND-испытания) было подвергнуто 1815 микросхем (90% этого количества составила продукция ОАО "Экситон"), частицы обнаружены в 317 микросхемах (или 17,45% от общего количества проверенных), которые отнесены к категории потенциально ненадежных «ПН».

РФА позволяют выявить партии ЭРИ, дефекты в которых обусловлены технологией изготовления ЭРИ на заводах-изготовителях и не выявляются при проведении ОИ и ДНК.

Решения по отрицательным результатам РФА, часто после выезда на предприятия-изготовители ЭРИ, принимаются совместно с головным разработчиком КА (аппаратуры).

По результатам комплектации КА «Экспресс-АМ» (см. рис.24) по результатам РФА не были допущены к установке в аппаратуру и отнесены к категории потенциально-ненадежных 39 партий микросхем (6644 шт.).

Таким образом, отсутствие в России производства ЭРИ космического уровня качества, является главной проблемой при комплектации аппаратуры КА с длительными сроками активного существования. При этом необходимо помнить, что требования, предъявляемые к ЭРИ, используемым в КА, выше, чем требования к технологическому процессу изготовления ЭРИ категории качества «ОС». Эти различия приведены в табл. 56.

Таблица 56 Различие в методах контроля в процессе производства ИС и в методах контроля РФА

1 Аттестационный метод – контроль по данному методу проводится во время аттестации производства, при сдаче ОКР, смене типа оборудования, изменении технологии изготовления на данной операции [76].

1

193

Метод оценки понижающего коэффициента Kитц , уточняющий значения

λэ по определению kУН , kД рассмотрены в разделе 7.1. Ниже предлагается метод

количественной оценки влияния дополнительных отбраковочных испытаний – разрушающего физического анализа (РФА) - kРФА на исходную (базовую) интен-

сивность отказов ИС λб′ [80]. При этом РФА проводится, например, в соответст-

вии с табл. 57 до установки в бортовую аппаратуру.

Таблица 57 Объем разрушающего физического анализа.

Партии ИС, несоответствующие критериям табл. 57, не подлежат установке в аппаратуру, хотя конкретные ЭРИ в этих партиях по электрическим параметрам соответствуют техническим условиям (ТУ), это приводит к повышению качества партий ЭРИ, устанавливаемых в аппаратуру. При этом надо подчеркнуть, что без проведения РФА дефекты, потенциально имеющееся в ИС, опосредовано, учтены в оценке λб′, приводимой в справочнике [81], а, значит,

после проведения РФА оценка вероятности безотказной работы - λб′ может быть скорректирована (уменьшена) за счет отклонения партий, имеющих дефекты изготовления.

В России пока не наработана практика использования изготовителем радиоэлектронной аппаратуры процедуры РФА партий ЭРИ для оценки качества.

194

Каждый изготовитель аппаратуры самостоятельно принимает решение о внедрении данной проверки, или принимается директивное решение, например, на уровне космического аппарата: «Sesat», «Экспресс-АМ», «Ямал», и др.

На сегодня разработан так называемый «компонентный» подход к определению удельной доли отказов ИС для этапа производства, который позволяет выявить наиболее часто встречающиеся виды отказов в целях принятия мер по исключению причин превалирующих дефектов при изготовлении партий ЭРИ и определения интенсивности отказов за счет данных типов дефектов. Основные механизмы отказов ИС, связанные с технологическими операциями, приведены в табл.3 [82]:

Таблица 58 Основные механизмы отказов ИС