Надежность основных видов изделий электронной техники и электротехники

Основным источником отказов РЭА яв­ляются отказы элементов электронных схем. Во многих случаях отказы изделий элект­ронной техники и электротехники достига­ют, а в ряде случаев и превышают 20—30% всех отказов, иногда превышая число от­казов за счет производственно-технологи­ческих и схемно-конструктивных недостат­ков. Поэтому всегда нужно знать меха­низмы и причины отказов основных ви­дов этих изделий. Отказы других конструктивных элементов РЭА возникают сравнительно редко и в пределах срока службы не определяют ее надежности.

В зависимости от сложности конструк­ции и чувствительности к воздействию внешних условий изделия электронной тех­ники и электротехники далеко не равно­прочны и имеют часто специфические ме­ханизмы нарушения работоспособности. Это сказывается и на количестве отказов тех или иных элементов в электронных схемах и узлах.

Примерное распределение отказов в РЭА по основным элементам представлено в табл. 1-2-1.1.

Таблица 1-2-1.1

Распределение отказов по видам изделийэлектронной техники и электротехники в аппаратуре

Рассмотрение данных табл.1-2-1.1 показывает, что наибольшее число отказов дают полупроводниковые приборы, резисторы, реле и переключатели. Однако среди этих приборов резисторы работают наиболее надежно, а высокий процент их отказов определяется тем, что их число в аппаратуре велико по сравнению с другими приборами.

Полупроводниковые приборы. По сравнению с ЭВП полупроводниковые приборы (ППП) обладают большей надежностью в условиях воздействия всех факторов, за исключением ионизирующих излучений (гамма-нейронная радиация энергетических

Рис. 1-2-1.1. Зависимость коэффициента интенсивности отказов полупроводниковых приборов от коэффициента электрической нагрузки и температуры.

а – полупроводниковые диоды (1-германиевые, 2-кремниевые); б – германиевые транзисторы; в – кремниевые транзисторы (средние значения λ₀ для германиевых транзисторов составляют 1/ч, для кремниевых - 1/ч).

и силовых ядерных устройств, потоки заряженных частиц п космическом пространстве). Действительно, ППП не имеют накаливаемого катода и вакуумного баллона, обладают компактной, жесткой конструкцией, способной лучше противостоять ударно-вибрационным нагрузкам. Для питания ППП требуются сравнительно небольшие напряжения и токи (рассеиваемые мощности меньше).

Частой причиной внезапных отказов в транзисторах являются кратковременные перенапряжения между коллектором и базой, эмиттером и базой, возникающие при переходных процессах (включение, выключение, изменение электрического режима). Такие отказы характерны для быстродействующих переключающих транзисторов. Постепенные отказы могут возникать при нарушениях герметичности приборов. В этом случае водяные пары, попадая на р-n переход, образуют окисные пленки, что приводит к росту обратного тока и уменьшению коэффициента усиления по току. Наблюдаются случаи растрескивания кристалла при ударах и вибрациях. При повышенных температурах (более 60° С) наблюдается нестабильность параметров. На рис. 1-2-1.1 показана зависимость изменения интенсивности отказов полупроводниковых диодов от температуры окружающей среды. Изменение интенсивности отказов λ_i отнесено к значению интенсивности отказов в номинальном режиме (λ_i0) и при начальнойтемпературе (обычно +20°С). Отношение называется эксплуатационнымкоэффициентом интенсивности отказов.

Резисторы. Значительная часть отказоврезисторов (до 50%) происходит вследствиеобрывов или нарушения контактов в узле,соединяющем токопроводящий элемент свыводами. До 35% отказов происходит из-за перегорания проводящего слоя, причемчасто отказы этого типа являются зависимыми и называются короткими замыканиями пробоями конденсаторов и т. д. Постепенные отказы резисторов из-за ухода их номинала составляют небольшой процент. Особенно ненадежны резисторы поверхностного типа со спиральной нарезкой, которая уменьшает сечение проводящего слоя и увеличивает его длину. При этом повышение номинала ведет к повышению интенсивности отказов.

Высокой надежностью обладают объемные резисторы типа ТВО. Они теплоустойчивы, способны выдерживать большие кратковременные перегрузки, но недостаточно стабильны. Резисторы типа МЛТ более надежны, чем резисторы типа ВС, но у них с увеличением номиналов возрастает интенсивность отказов. Наиболее ненадежны среди резисторов с постоянным сопротивлением проволочные, и их следует применять только в крайних случаях. Ненадежны также регулируемые резисторы

Большинство отказов потенциометров вызывается загрязнением и отравлением скользящего контакта. На рис. 1-2-1.2 представлены графики зависимости интенсивности отказов резисторов от температуры окружающей средыи коэффициента электрической нагрузки.

Рис. 1-2-1.2. Зависимость коэффициента интенсивности отказов резисторов от окружающей температуры и электрической нагрузки.

а — случай объемных резисторов (типа ТВО); б — случай пленочных резисторов (типа МЛТ).

Конденсаторы. Наиболее характерные отказы конденсаторов происходят из-за пропоя диэлектрика и обрыва выводов (до 80% отказов). Для электролитических конденсаторов характерны постепенные отказы, проявляющиеся в виде уменьшения емкости с течением времени.

Надежность конденсаторов в сильной степени зависит от электрической нагрузки и температуры окружающей среды. Интенсивность отказов конденсаторов в зависимости от электрической нагрузки может быть ориентировочно определена по формуле:

,

где — интенсивность отказов при коэффициенте нагрузки, равном единице; — рабочие напряжения на обкладках конденсатора и температура окружающей среды (°С) соответственно; , — номинальные напряжения и температура окружающей среды соответственно; — коэффициент, зависящий от типа конденсаторов (для керамических конденсаторов , для слюдяных конденсаторов )

На рис: 1-2-1.3проведены зависимости отказов конденсаторов от электрическом нагрузки и температуры окружающей среды.

Рис. 1-2-1.3. Зависимость коэффициента интенсивности отказов конденсаторов от окружающей температуры и электрической нагрузки.

– случай керамических конденсаторов (типов КДК. КТК); б — случай конденсаторов со слюдяной изоляцией и прокладками из фольги (типов КСО. ОКСО, кроме типа Г).

Следует заметить, что если дли ЭВП увеличение температуры окружающей среды на 40—60° С приводит к увеличению интенсивности отказов (при данной величине k_н) на несколько десятков процентов, то для конденсаторов — в несколько раз.

Надежность конденсаторов попытается с увеличением толщины диэлектрика. В условиях небольших рабочих температур (до +60° С) надежно работают пленочные конденсаторы. Особенно чувствительны к повышению температуры и рабочих напряжений электролитические конденсаторы. Повышение окружающей температуры выше +40° С на10 —15° С увеличивает интенсивность отказов до 10 раз (при этом значительно падает емкость). При температуресреды +60° С среднее время до отказа этих конденсаторов обычно не превышает 3—4 тыс. ч.

Электромагнитные реле. По характеристикам безотказности электромагнитные реле близки к характеристикам ЭВП. Более надежны мощные реле и менее надежны чувствительные реле и термореле. Основные отказы в реле происходят в контактныхгруппах (до 55%) и в обмотках (до 20%), причем характерными неисправностями являются: обгорание и загрязнение контактов, пробои изоляции обмотки па корпус, обрывы обмотки, разрегулировка, поломка или ослабление контактных пружин.

При оценке надежности реле, а также переключателей и других коммутирующих устройств наряду с интенсивностью отказов, отнесенной к одной контактной паре, пользуются средним числом циклов Т_ц работы (срабатывании, включении) до отказа или интенсивностью отказов на 1 цикл срабатываний. Если известна средняя частота F_срсрабатывании (включении), то средняя наработка до отказа реле (переключателей) составляет: , где F_ср — число срабатываний (включений) в единицу времени. Коэффициент нагрузки реле определяется как отношение рабочего тока, протекающего через контакты реле,к номинальному значению тока. Рекомендуется, чтобы коэффициент нагрузки не,превышал 0,4. Если не применяются защитные диоды для предотвращения обгорания и эрозии контактов реле, вызываемых индуктивной нагрузкой, то должна быть обеспечена двух-трехкратная стойкостьконтактных пар к максимально возможной индуктивной нагрузке.

Реле чувствительны к ударно-вибрационным нагрузкам, причем удары и вибрации могут приводить к сбоям в работе аппаратуры из-за случайного срабатывания реле. При работе аппаратуры в условиях повышенной влажности и пониженного атмосферного давления необходимо применять герметизированные реле. На рис. 1-2-1.4показана зависимость безотказности реле от различных факторов.

Рис. 1-2-1.4. Зависимость надежности реле от различных факторов.

— распределение процента отказов реле в зависимости от различных внешних факторов (1 —вибрации, 2 — удары, 3 — температура. 4 — число

включений при окружающей температуре25° С; 5 — число включении при температуре 125° С; 6 — пребывание и камере 100%-ной влажности при температуре 25° С): б — зависимость коэффициента интенсивности отказов от коэффициента нагрузки.

Трансформаторы, дроссели и катушки индуктивности. Надежность моточных изделий примерно соответствует высоконадежным типам конденсаторов и резисторов.

Большое влияние на работоспособность моточных изделий оказывают значения рабочего тока (плотность тока) и напряжения между обмотками, а также влажность и температура окружающей среды. Повышение температуры всего на 10° С приводит примерно к двукратному снижению тсредней наработки до отказа этих изделий. Для трансформаторов окраска внутренней и внешней поверхностей защитного кожуха черной матовой краской приводит к уменьшению температуры магнитопровода на 5 — 10° С. Недопустим режим работы моточных изделии при температуре окружающейсреды более 80° С. На рис. 1-2-1.5 показана зависимость изменения интенсивности отказов от температуры и коэффициента нагрузки.

Рис. 1-2-1.5. Зависимость коэффициента интенсивности отказов трансформаторов от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки.

— анодные 1 и накальные 2 трансформаторы; б – трансформаторы с изоляцией класса А; в — трансформаторы с изоляцией класса В (эмалевая изоляция).

Ферриты. Эти элементы относятся к высоконадежным: средняя наработка до отказа ферритовых элементов составляет сотни тысяч часов (значение интенсивности отказов составляет 1/ч).

Отказы ферритов являются преимущественно постепенными и вызываются необратимыми изменениями магнитных свойств феррита, обрывами обмоток, разрушением материала феррита. Работоспособность феррита в сильной степени зависит от температуры окружающей среды, повышение которой ведет к сужению петли гистерезиса и уменьшению остаточной индукции. Повышенная влажность отрицательно сказывается на надежности ферритов. Поэтому при конструировании аппаратуры следует принимать меры к влагозащите ферритовых элементов.

Микросхемы. Наряду с широкими возможностями уменьшения габаритов и масс, а также энергопотребления аппаратуры, сконструированной на элементах микроэлектроники и прежде всего на интегральных полупроводниковых и тонкопленочных микросхемах, появляется возможность значительно повысить надежность аппаратуры.

Малые габариты и масса микросхем позволяют широко применить дублирование и в ряде случаев даже многократное резервирование.

Полупроводниковые интегральные микросхемы имеют интенсивность отказов менее 1/ч, причем каждая из таких схем представляет собой интеграцию 10 – 15 дискретных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.). Аналогичная аппаратура. изготовленная на схемах с дискретными элементами, обладает в среднем в 10—20 раз меньшей надежностью. При совершенствовании конструкции интегральных схем их надежность может быть увеличена по сравнению со схемами на дискретных элементах до 100, а в случае ЭВМ еще больше [16]. Особенно высокий выигрыш в надежности обеспечивает применение больших интегральных схем и микропроцессоров.

Основными причинами отказов интегральных схем являются нарушения во внутренних соединениях (обрывы), короткие замыкания из-за царапин при металлизации, трещины в подложках и местах спая. Эти виды отказов относятся к внезапным и обусловлены главным образом несовершенством технологических операций изготовлении отдельных элементов интегральных схем. Постепенные отказы интегральных схем часто проявляются а увеличении токов утечки и составляют небольшую часть всех отказов этих приборов.

Другая часть отказов интегральных схем связана с резкими изменениями температурного и электрического режимов работы.

Разъемы. Большинство отказов разъемов вызывается недостаточным согласованием гнездовой и штырьковой частей, а также воздействием влаги. Применение направляющих штырей позволяет резко снизить интенсивность отказов разъемов.

Среднее значение интенсивности отказов разъемов составляет (по результатам лабораторных испытаний) около 1/ч; в эксплуатационных условиях это значение может увеличиваться до двух-трех порядков, если разъемы не защищены от влаги и не имеют прочного соединения с помощью направляющих штырей.

Механические и монтажные детали. Радиоэлектронная аппаратура наряду с электронными и электротехническими элементами имеет большое число механических и монтажных деталей, которые также подвержены изнашиванию и старению, аследовательно, могут отказывать. Одной из наиболее частых причин отказов (поломок) механических и монтажных детален является коррозия из-за длительного действия влаги. Нередки отказы из-за усталости механических конструкций при действии ударов и вибраций.

Одной из радикальных мер защиты против коррозии является герметизация или применение уплотнительных соединении, препятствующих проникновению влаги в блоки аппаратуры. Если блоки не герметизированы и не имеют сплошных кожухов, то в случае применения, например, неоднородных металлов, соединяющихся между собой, следует применять, анодирование или другие меры защиты от коррозии.

Пайки. Основным видом отказов паек являются обрыв в месте соединения или наличие прерывистого контакта. Как правило, эти отказы возникают внезапно. Причинами отказов паек служат плохая зачистка выводов, некачественное лужение, недостаточный нагрев соединения во время пайки и др. Эти технологические недостатки проявляются особенно в той РЭА, которая подвержена ударно-вибрационным нагрузкам. Большие преимущества перед паяными соединениями имеют сварные. Так, например, точечная сварка выдерживает разрывное усилие 62,7 Н, в то время как пайка — 3,9 Н [17]. Интенсивность отказов паек в среднем оценивается величиной 1/ч.

1.2.2 Факторы, влияющие на надёжность в процессе изготовления

1. Качество материалов. Необходим хороший входной контроль материалов и комплектующих изделий, поступающих от других предприятий.

2. Качество хранения материалов и комплектующих изделий.

3. Чистота рабочих мест, оборудования, рабочего помещения. „

4. Соблюдение технологии изготовления и сборки: термообработка, антикоррозийные покрытия и т.п.