История развития теории надежности

Основное содержание этого раздела основано на аналитической статье И.А. Ушакова «Жива ли еще теория надежности?» (journal «Reliability: Theory & Applications» No 1, Vol. 2. March 2007). И.А. Ушаков - один из основоположников теории надежности в СССР, бывший советский, а ныне американский профессор.

Начальный этап развития теории надежности охватывает период с появления первых технических устройств (конец XIX века) и до появления электроники и автоматики, авиации и ракетно-космической техники (середина XX века). На этом этапе появилось понятие «запас прочности», как отношение «нагрузка/прочность». Основой теории надежности стала теория вероятностей и математическая статистика. В 30-х годах ХХ столетия было сформулировано понятие отказа. С началом развития авиации и применения в ней электроники и автоматики теория надежности начинает бурно развиваться.

Этап становления теории надежности (1950 г. – 1960 г.). В 1950 г. военно-воздушные силы США организовали первую группу для изучения проблем надежности радиоэлектронного оборудования. Группа установила, что основная причина выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры заключалась в низкой надежности ее элементов. Стали в этом разбираться, изучать влияние различных эксплуатационных факторов на исправную работу элементов. Был собран богатый статистический материал, который и явился основой теории надежности.

Этап классической теории надежности (1960 г. – 1970 г). В эти годы появляется космическая техника, требующая повышенной надежности. С целью обеспечения требуемой надежности исследуется надежность при разработке, производстве и эксплуатации изделий. Разрабатывается теория диагностики сложных систем. Появляются новые стандарты по надежности машин.

Этап системных методов надежности (с 1970 г.). На этом этапе были разработаны новые требования к надежности, заложившие основу современных систем и программ обеспечения надежности. Были разработаны типовые методы обеспечения надежности на всех стадиях жизненного цикла изделий: конструктивные (выбор материала, запас прочности и т.д.), технологические (ужесточение допусков, повышение чистоты поверхности и т.д.), эксплуатационные (стабилизация условий эксплуатации, совершенствование методов диагностики, ТО и ремонта и т.д.).

В упомянутой статье Ушаков пишет, что значительное увеличение надежности технических устройств (переход от вакуумных ламп с интенсивностью отказов 10^-2 – 10^-3 в час к микросхемам с интенсивностью отказов 10^-6 – 10^-8 в час) уменьшило актуальность теоретических работ по надежности, особенно оторванных от практических задач и эклектичных. С другой стороны, колоссальное усложнение технических систем требует развития адекватных методов анализа и прогноза надежности. Иными словами, теория надежности развивается и меняется в соответствии с развитием и изменением своего объекта исследований.

В этой же статье он по праву непосредственного участника процесса отмечает наиболее важные события в развитии отечественной школы надежности. Среди которых отметим следующие: В 50-х годах ХХ-го века в СССР были созданы первые группы надежности в ВВА им. Н.Е. Жуковского и ЦНИИ 22 МО. В конце 50-х в НИИ МЭП была разработана первая отраслевая методика расчета надежности. В начале 60-х при Госстандарте создан НТС по проблемам надежности. В середине 60-х на предприятиях оборонного комплекса были созданы службы надежности. В 1969 году стал выходить журнал «Надежность и контроль качества». В середине 70-х в журнале Известия АН СССР «Техническая кибернетика» открыт раздел «Теория надежности». В конце 50-х, в начале 60-х годов в различных городах СССР зарождались научные школы надежности (Москва, Ленинград, Киев, Иркутск, Минск и др.). В 1985 был издан справочник «Надежность технических систем» под редакцией И.А. Ушакова с участием большого числа авторов не только из СССР, но и из США и других стран, обобщивший мировой опыт теоретических разработок и практических исследований надежности.

В электронике проблема надежности возникла в начале пятидесятых годов ХХ-го столетия, когда развитие техники привело к необходимости создания сложной радиоэлектронной аппаратуры. Развитие полупроводниковой электроники и аппаратуры высокой надежности привело к созданию гибридных схем, объединяющих дискретные активные и пассивные элементы в одной схеме. Это позволило существенно уменьшить размеры аппаратуры и значительно расширить ее функциональные возможности. Наибольшее распространение при этом получили цифровые интегральные микросхемы (ИМС), применяемые в современной электронике.

На первом этапе развития надежности электронной техники систематизировались данные по отказам аппаратуры и комплектующих изделий, исследовались и определялись законы распределения отказов во времени, разрабатывалась единая терминология в области надежности, создавались методы расчета надежности аппаратуры и ее элементов, накапливался статистический материал о количественных показателях надежности. Сложившаяся практика контроля качества и надежности ИМС не всегда удовлетворяла возрастающим требованиям, а иногда и сдерживала темпы развития. Это объяснялось: быстрым ростом функциональной сложности приборов, недостаточной эффективностью методов контроля качества и оценки надежности ИМС и изготавливаемой на их основе микроэлектронной аппаратуры (МЭА), сложностью и многообразием технологических процессов изготовления ИМС, постоянным совершенствованием конструкций, использованием новых материалов и видов оборудования, неподготовленностью разработчиков к проектированию аппаратуры на основе.

На последующем этапе, характеризующемся более глубоким пониманием проблемы надежности приборов, разрабатывались требования по надежности аппаратуры и приборов, формировались все более объективные и информативные методы испытаний. В технологический процесс производства ИМС при необходимости вводится более детальный контроль промежуточных операций и выходной контроль готовых приборов. В производство все шире внедряются статистические методы контроля, позволяющие своевременно корректировать технологический процесс с целью недопущения брака на промежуточных и заключительных операциях. В повседневную практику внедряется изучение причин отказов.

На современном этапе возникла потребность в новых методах оценки надежности ИМС и изготовленных на их основе приборов. Это стимулировало развитие фундаментальных направлений теории надежности. В первую очередь, математической и статистической теорий надежности.

Разнообразные и обширные исследования в области физико-химических процессов, обуславливающих изменение физических и электрических параметров материалов и приборов, явились базой становления физической теории надежности. Формирование последнего направления в науке о надежности позволило от пассивного наблюдения статистических данных по надежности перейти к углубленному изучению причин возникновения отказов, выявлению механизмов деградации характеристик материалов и параметров приборов, к активному воздействию на технологические процессы и конструкцию приборов посредством научно обоснованных корректирующих действий.

Наиболее характерными чертами современной полупроводниковой электроники являются рост сложности приборов и уменьшение геометрических размеров отдельных элементов полупроводниковых структур. Ежегодно сложность ИМС примерно удваивается, а рост степени интеграции вызывается ростом их функциональной сложности.

Уменьшение геометрических размеров элементов ИМС делает наиболее острой проблему качества исходных материалов и совершенства технологических процессов изготовления приборов. Из-за этого уменьшения, изготавливаемые ИМС весьма чувствительны к дефектам с размерами, приближающимися к атомным. В этих условиях становится исключительно важным знание дефектности исходных материалов, причин возникновения дефектов в процессе изготовления полупроводниковых структур, эволюции дефектов на последующих этапах жизненного цикла приборов и их влияния на надежность.

Следует особо подчеркнуть, что изучение механизмов отказов приборов должно осуществляться с учетом не только внутренних физико-химических процессов, происходящих в них, но и всех условий окружающей среды и всех факторов внешних воздействий, которые во многих случаях играют доминирующую роль в развитии тех или иных процессов деградации параметров. Расширение диапазона применения полупроводниковых приборов и ИМС в разнообразной аппаратуре выдвигает более жесткие требования по механическим вибрационным и ударным воздействиям, весьма широкому температурному диапазону их работы, радиационной стойкости, работе при повышенной влажности, приводящей к коррозионным отказам и т.д.

Прогнозирование надежности является составной частью обеспечения надежности ИМС и МЭА и имеет смысл только в случае, если, являясь составной частью этапов разработки и производства изделий, оказывает влияние на выбор и обоснование конкретных решений проекта по показателям надежности, позволяет установить технически обоснованную полноту контроля качества в условиях производства и эксплуатации.

Возрастающая надежность техники вообще и элементов электроники в частности требует пересмотра методов оценки надежности, поскольку низкая интенсивность отказов приводит к увеличению длительности и объема испытаний. Актуальными становятся ускоренные испытания. Однако основной проблемой ускоренных испытаний является обоснование переноса их результатов на номинальные условия эксплуатации. Эта проблема пока не решена окончательно. Это хорошо видно на примере обсуждения общности и универсальности принципа Н.М. Седякина: «Надежность элемента (системы) зависит от величины выработанного им (ей) ресурса в прошлом и не зависит от того, как выработан ресурс» (Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. Изв. АН СССР. Техническая кибернетика №3. 1966. С. 80-87).

В.А. Смагин о принципе Седякина писал: «Профессор Х.Л. Смолицкий назвал предложенный закон правдоподобным и заслуживающим внимания, предложил другую, более общую, дифференциальную форму закона:

означающую, что скорость увеличения ресурса в момент, когда выработан ресурс , равна интенсивности отказов в этот момент». Под понимается относительная величина нагрузки; векторная величина.

Дифференциальная форма закона как частный случай содержит в себе закон Седякина в интегральной форме. Справедливость закона могут подтвердить лишь экспериментальные лабораторные испытания выборок элементов из одной партии.

Возвращаясь к выводам в работе (Перроте А.И., Карташев Г.Д., Цветаев К.Н. Основы ускоренных испытаний радиоэлементов на надежность. М.: Сов. Радио, 1968), следует еще раз указать, что авторам этой работы не удалось существенно продвинуться при изучении форсированных испытаний. Они пришли к выводу о том, что следствием внедрения вообще ускоренных испытаний является ухудшение достоверности результатов, за счет конечных объемов предварительных исследований. Авторы констатировали: «здесь возникает весьма важная и пока еще не исследованная задача о целесообразности разработки методов ускоренных испытаний для конкретных видов изделий».

Принцип Седякина в отличие от принципа наследственности является пока единственным мощным средством оценивания надежности элементов и систем, работающих в переменных нагрузочных условиях. Математическая форма его сжата, физически достаточно корректна, позволяет сравнительно просто получать прогностические значения оценок надежности в отличие от размытого во множестве формул, достаточно нечеткого и громоздкого аппарата принципа наследственности.

Экспериментальная проверка физического принципа надежности на различных элементах электроники и автоматики, механических элементов на прочность и др. показала, что он выполняется при весьма ограниченных условиях воздействия внешних факторов. К аналогичному выводу пришли и авторы книги (Половко А.М. Основы теории надежности. M: Наука, 1964) на основе сформулированного ими принципа «наследственности»: «производство может изменять значения внутренних параметров изделий, но не может нарушить функциональные связи между ними». Принцип не позволил авторам данной работы внести уточняющие изменения в принцип Седякина и развить его» - конец цитаты.

Кроме того, миниатюризация ИМС сопровождается радикальными усовершенствованиями технологических процессов производства. Следствием этого является проявление новых механизмов отказов, а значит и новых моделей физико-химических процессов, влияющих на надежность ИМС.

В связи с этим основным направлением дальнейшего развития теории и практики надежности является сочетание статистических, вероятностных методов анализа надежности с глубоким изучением физики отказов.