В. Лакшминарайянан

Методы повышения надежности электронных систем. Часть 1

Достижение высокой надёжности электронных систем требует использования специальных компонентов и методов проектирования, соответствующих конечным условиям эксплуатации оборудования. Эта статья посвящена всестороннему обсуждению потенциальных проблем, возникающих в этом случае, и методов их решения.

Несмотря на то, что контролю качества изделий электроники в настоящее время уделяется большое внимание, отказы отдельных компонентов или целых систем продолжаются.

К сожалению, истинную причину отказа выяснить удаётся далеко не всегда. Выход из строя компонента подразумевает, что он не функционирует должным образом или его параметры больше не соответствуют изначальным техническим требованиям. Это может произойти по целому ряду причин, в том числе из-за перегрузок по току или напряжению, чрезмерного нагревания, воздействия агрессивных химических веществ или повышенной влажности, а также некоторых других условий, встречающихся в процессе производства и использования оборудования.

Постоянно увеличивающаяся сложность компонентов электронного оборудования и потребность в портативных маломощных устройствах, способных работать в жёстких условиях эксплуатации, — вот основные причины, заставляющие разработчиков создавать новые высоконадёжные устройства. Ключом к достижению повышенной надёжности даже в чрезвычайно жёстких условиях эксплуатации является использование такого оборудования и программного обеспечения, в основе которых лежит специальная, защищённая от ошибок философия проектирования. Всесторонний обзор различных типов отказов и профилактических методов проектирования, позволяющих их избежать, поможет разработчикам значительно повысить надёжность оборудования.

Идентификация сущности и механизма отказа

Известно, что некоторые отказы приводят к распознаваемым изменениям в компоненте. В этом случае отказ может быть очевиден, проявившись, например, в резком ухудшении параметров или прекращении правильного функционирования устройства. Однако больше неприятностей принести могут скрытые неполадки, так как их трудно обнаружить на этапе наладки, а сами они могут явиться причиной ещё более серьёзных эксплуатационных отказов оборудования.

Объяснение причины выхода из строя полупроводниковых устройств связано с пониманием физической сущности отказа. Приведённая на рис. 1 кривая представляет собой общую модель описания отказов электронных или механических компонентов. На начальном этапе эксплуатации отказы являются результатом производственных дефектов, неправильного построения проекта или использования компонентов, а также использования дефектных компонентов, которые не были выявлены на этапе входного контроля. Длительность активного периода эксплуатации электронных компонентов сопоставима с таковым у механиче-ских деталей, и большинство проектов к концу этого периода устаревает и пересматривается. Большинство отказов в этот период происходит по причине воздействия высокой температуры и влажности, перегрузок по току и напряжению, вибрации, тепловых и механических воздействий. Дальнейшие отказы происходят в основном из-за старения компонентов. Примерами здесь могут служить проявление коррозии, электрическая утечка, пробой изоляции, перемещение металлических ионов в направлении тока под воздействием электрического поля, а также разрушение инкапсулированных материалов и проводников. Отказы механических компонентов, например, разъёмов, включают износ контактов и увеличение их сопротивления.

Рис. 1. Зависимость интенсивности отказов электроники от времени

Все типы электронных систем используют активные и пассивные электронные компоненты, а также электромеханические детали, такие как реле, разъёмы и кабели. Механизмы отказов различных типов компонентов отличаются друг от друга, поэтому во избежание неудач чрезвычайно полезно знать их общие причины.

В число факторов, которые наиболее часто являются причиной выхода из строя электронного оборудования, входят: EOS (электрические перегрузки), ESD (электростатический разряд), EMI (электромагнитные помехи) и тепловой удар. Каждая из этих причин заслуживает отдельного рассмотрения и обсуждения.

Таблица 1. Обзор механизмов отказов

Повреждения, вызванные электрическими перегрузками

Повреждения такого рода наблюдаются при использовании компонента вне области устойчивой работы. В справочной литературе или сопроводительной документации на каждый компонент приводятся предельно допустимые значения таких параметров, как напряжение, протекающие токи и максимальная рассеиваемая мощность. Если при работе происходит превышение этих значений, вероятность отказа устройства резко возрастает.

Повреждения, вызванные электрическими перегрузками, возникают в результате воздействия прямых или косвенных эффектов. К прямым эффектам относятся воздействие повышенного напряжения или тока в процессе работы устройства. В этом случае, даже при работе устройства в штатном режиме, в пределах области устойчивой работы, в результате переходных процессов на нём могут возникнуть резкие выбросы напряжения или тока. Под косвенными эффектами подразумевается ситуация, когда отказ одного устройства ведёт к выходу из строя другого.

Повреждения, вызываемые электрическими перегрузками:

• в полупроводниковых устройствах — это разрушение переходов и областей металлизации, а также обугливание и разрушение, связанное с перегревом отдельных областей кристаллов;
• в резисторах — разрушение резистивного слоя или перегорание (плавление) провода в проволочных резисторах, появление разломов и изменение цвета корпуса;
• в конденсаторах — пробой диэлектрического материала и выделение тепла;
• в трансформаторах и катушках — плавление провода в обмотках, приводящее к короткому замыканию витков, чрезмерному выделению тепла в них, перегоранию или обугливанию компонента.

Повреждения, вызванные электростатическими разрядами и электромагнитными помехами

В последнее время разработчики микросхем и электронных систем большое внимание уделяют борьбе с электростатическими разрядами и электромагнитными помехами. Стремительное развитие портативных электронных устройств, включающих импульсные источники питания и высокочастотные передатчики и приёмники, обострило проблему борьбы с этими факторами. Миниатюризация современных электронных компонентов дополнительно увеличила риск отказов оборудования.

Электростатические разряды происходят из-за накопления заряда на выводах микросхем за счёт трибоэлектрического эффекта при трении. При соприкосновении заряженного объекта с проводящей поверхностью происходит электрический разряд, приводящий к кратковременному потоку большого количества электронов в проводнике. Если при этом происходят необратимые изменения во внутренней структуре микросхемы, она выходит из строя.

Простые и безобидные на первый взгляд действия человека, например, касание руками синтетической обивки стула или одежды, перемещение его по полу с ковровым покрытием, могут привести к появлению высокого электрического потенциала на теле. В условиях повышенной влажности из-за увеличения проводимости на поверхности объектов возникают дополнительные пути утечки заряда, и электростатический эффект несколько уменьшается. Таким образом, наличие сухого воздуха повышает риск повреждения компонентов электростатическими разрядами, а повышенная влажность, наоборот, его снижает.

Для проявления электростатического разряда необходимо наличие его источника и рецептора. В общем случае, источник заряда может быть искусственным или естественным, а в роли рецептора может выступать любой компонент системы. Следует учитывать, что на компоненты может косвенно воздействовать электрическое поле, возникающее вокруг заряженного объекта.

Повреждения, вызываемые электростатическими разрядами:

• разрыв тонких оксидных плёнок в полупроводниковых устройствах как следствие пробоя диэлектрика;
• плавление проводников и областей металлизации как следствие перегрева при воздействии высокого напряжения;
• запирание КМОП-устройств вследствие возникновения паразитных p-n-p-n структур;
• ухудшение параметров или скрытые дефекты в структуре компонентов, не приводящие к немедленному выходу устройства из строя, но делающие работу системы неустойчивой и провоцирующие эксплуатационные отказы в жёстких условиях;
• наведение мощных электрических полей, приводящих к возникновению помех и сбоев в работе расположенных рядом электронных устройств.

Чувствительность устройств к электростатическим разрядам зави- сит от используемой технологии. Для MOSFET-устройств разрушающий потенциал лежит в диапазоне от 10 до 100 В, для биполярных устройств это значение составляет от 300 до 7000 В, и для КМОП-устройств — от 150 до 3000 В. Разумеется, выбор используемой технологии необходимо осуществлять, ориентируясь на условия эксплуатации конечного оборудования.

Некоторые меры защиты оборудования от электростатических разрядов разработчики закладывают уже на этапе проектирования электронных схем. Сюда входят: введение специальных защитных устройств в наиболее критические точки схемы; оптимизация проекта печатной платы с целью уменьшения длин проводников и предотвращения возникновения паразитных петель, правильный выбор используемой компонентами технологии и экранировка схемы от внешних электрических полей. Для моделирования воздействия разрядов на электронные компоненты и определения реальных порогов устойчивости возможно использование различных моделей электростатических разрядов, в зависимости от назначения конечного оборудования. В число таких моделей входят: модель человеческого тела, наэлектризованного устройства, механическая модель и модель наведённого поля.

Повреждения, вызванные быстро меняющимися электромагнитными полями

Быстро изменяющиеся электрические и магнитные поля наводят в проводниках электромагнитные помехи. Электробытовые приборы, использующие электродвигатели, электрозажигалки, промышленное и медицинское электронное оборудование, флуоресцентные лампы — вот наиболее часто встречающиеся источники электромагнитных помех. К естественным источникам такого рода помех можно от-нести грозовые разряды, причиняющие массу неприятностей связистам во всём мире. Электромагнитные помехи могут просто мешать работе устройства или быть источником больших неприятностей — в любом случае, их уровень необходимо контролировать.

Электромагнитные помехи в системе становятся проблемой, когда имеются их источник, среда, передающая или ответвляющая помехи, и чувствительная к ним система. В идеальном случае необходимо устранить все три составляющие. Электромагнитный сигнал от источника помех передаётся на чувствительное устройство благодаря явлениям проводимости и излучения. В первом случае, помехи проникают в устройство через прямой проводящий тракт, во втором случае — через окружающую среду. Наиболее рентабельным способом снизить электромагнитные помехи является правильный подход к проектированию оборудования. Его основные составляющие: выбор правильных схемотехнических решений и соответствующих им компонентов, правильная разводка печатных плат, специальные приёмы заземления и экранировки. Эти меры позволят достичь большего соответствия жёстким стандартам по электромагнитной совместимости.

Рекомендации по устранению проблем, связанных с наличием электромагнитных помех:

• Не следует увлекаться использованием быстродействующих модулей без особой необходимости. Наличие высокой тактовой частоты в быстродействующих устройствах может стать причиной нежелательных излучений и шумов.
• Каждый “плавающий” вывод микросхемы может работать как антенна: излучать или принимать помехи, вызывающие сбои в системе. Во избежание этого рекомендуется все неиспользуемые выводы связывать с общим проводом и шиной питания системы.
• Вместо простых двусторонних плат рекомендуется использовать многослойные платы с внутренними слоями питания и заземления. Дополнительная развязка должна быть выполнена между цепями тактирования и заземления.
• Минимизируйте использование в проекте триггерных устройств. Переходные процессы в таких устройствах могут стать причиной их ложного срабатывания. По возможности используйте простые пороговые устройства, менее чувствительные к случайным выбросам напряжения, появляющимся в ходе переходных процессов, а также излучающие меньше помех.
• Длина выводов компонентов должна быть минимальна, что позволит уменьшить их паразитную индуктивность. Паразитные индуктивные связи могут стать причиной перекрёстных искажений сигналов в различных цепях, излишних задержек распространения и нежелательных колебаний.
• Избегайте гибких соединений защитных экранов с землёй. При использовании гибкого экранированного кабеля, его оплётка должна быть тщательно соединена с общим проводом, в противном случае, кабель будет работать как антенна.
• Для уменьшения емкостной связи между расположенными на шасси теплоотводами и прикреплёнными к ним компонентами необходимо создавать экранирующие клетки Фарадея.
• Для защиты чувствительных к разрядам устройств, в наиболее критических точках системы рекомендуется ставить специальные подавители помех переходных процессов и токовые ограничители.
• Для подавления шумов на все выводы, чувствительные к высокочастотным шумам в диапазоне выше 1 МГц, рекомендуется надевать ферритовые кольца и бусинки.
• Для ввода всех сигналов в блоки рекомендуется использовать проходные конденсаторы или фильтры.
• Для всех полосковых линий должны быть подобраны соответствующие концевые нагрузки, что позволит избежать нежелательных отражений сигналов.
• При прокладке кабелей в блоках и разводке проводников на печатных платах необходимо всячески снижать эффекты, связанные с наличием синфазных цепей и индуктивных связей.
• Для снижения антенных эффектов все неиспользуемые, выступающие из плат концы выводов должны быть обрезаны.
• Рядом с каждой микросхемой между выводом питания и общим проводом должны стоять блокировочные конденсаторы.
• Во избежание взаимных помех рекомендуется группировать компоненты на платах в отдельные зоны с учётом рабочих частот, уровней сигналов и уровней потребляемой мощности.
• На печатных платах следует до минимума сократить размеры петель проводников. Наличие петель в цепях питания с большими токами может привести к мощным наводкам на другие расположенные рядом проводники.
• Для обеспечения максимальной развязки и снижения помех рекомендуется прокладывать шины синхронизации на некотором удалении от входных и выходных цепей.
• При прокладке на плате длинных сигнальных проводников, между ними полезно размещать заземлённый проводник. Это позволит сократить площадь петли проводника, а значит, и взаимные наводки.
• Во избежание отражений высокочастотных составляющих сигналов не рекомендуется использовать на платах изломы проводников под углом 90°, вместо них лучше применять закругления.
• Для предотвращения возникновения в проводниках стоячей волны необходимо тщательно выполнять условия согласования импедансов цепей и нагрузок.
• Для уменьшения площади петель проводников необходимо использовать специальные оптимальные методы размещения компонентов и трассировки проводников (рис. 2).

Рис. 2. Сокращение площади петли проводников достигается правильным размещением и соединением компонентов

Повышение надёжности за счёт выбора щадящих режимов работы устройств

Дополнительного увеличения надёжности оборудования можно достичь посредством выбора щадящих режимов работы отдельных устройств, поскольку подавляющее большинство отказов происходит вследствие электрических и тепловых перегрузок. Разумеется, выбор нового режима работы должен производиться для групп взаимосвязанных компонентов, причём правильный выбор позволит повысить срок службы критических компонентов, по каким-либо причинам избежавших отбраковочных испытаний. В общем случае, невозможно оценить все внешние факторы, воздействующие на систему в реальных условиях эксплуатации, поэтому выбор щадящего режима может стать своеобразным буфером против всех неучтённых факторов.

Твёрдых правил выбора коэффициента снижения параметров не существует. В основе его принципа лежит степень надёжности конечного оборудования и связанные с этим затраты. Следует также помнить, что наложение неоправданно жёстких требований значительно увеличивает стоимость проекта, поэтому не стоит это делать в системах, не имеющих повышенных требований к надёжности.

Выбор наиболее рентабельного коэффициента снижения параметров можно производить, исходя из личного опыта, а также опираясь на основные стандарты, особенно военные (табл. 2).

Таблица 2. Правила выбора щадящего режима

В дополнение к общим методам, разработчик должен обратить особое внимание на наличие коммутирующих устройств, топологию печатной платы, типы корпусов используемых компонентов и наличие металлических экранов. Катушки, трансформаторы, быстродействующие коммутаторы, электромагнитные реле являются наиболее мощными источниками помех в электронных схемах. Сигналы прямоугольной формы на выходе импульсных источников питания имеют достаточно широкий спектр, и его высокочастотные составляющие могут стать источником паразитных шумов в системе. В число общих проблем источников питания входят излучение мощных электромагнитных полей трансформаторами и катушками индуктивности, дифференциальные шумы выпрямительных диодов, высокая частота переключения активных и коммутирующих элементов, а также обратная связь между входом и выходом.

Итак, для уменьшения влияния электромагнитных помех необходимо тщательно экранировать наиболее критические компоненты и фильтры. Необходимо максимально удалять от них трансформаторы. Для дополнительного подавления помех можно использовать электростатический экран между первичной и вторичной обмотками трансформатора, который представляет собой слой тонкой медной фольги, проложенный между обмотками при изготовлении таким образом, что образует собой короткозамкнутый виток. Центральная точка экрана заземляется, поэтому наводимые в нём противоположно направленные токи взаимно уничтожаются вследствие эффекта взаимоиндукции. Наличие такого экрана Фарадея предотвращает проникновение высокочастотных помех из первичной обмотки во вторичную. Для подавления излучаемого трансформатором электромагнитного поля рекомендуется строить вокруг него заземлённый экран, препятствующий распространению магнитного потока.

Во второй части статьи будут рассмотрены: выбор конструктивного исполнения компонентов и создание топлогии, экранировка всей системы, методы предотвращения тепловых повреждений, основные аспекты теплового анализа проекта и методы оценки надёжности и проведения отбраковочных испытаний ЭК.

Литература

1. MIL-HDBK-202: Test Methods for Electronic and Electrical Component Parts.
2. Amerasekara, et al, Failure Mechanisms in Semiconductor Devices, John Wi-ley & Sons, New York, 1987.
3. Doyle, et al, How parts fail, IEEE Spectrum, October 1981.
4. Pollino E. Microelectronic Reliability, Volume II, Artech House, Norwood, MA,1981.
5. Boxleitner, Warren, Electrostatic Discharge and Electronic Equipment, IEEE Press, New York 1989.
6. Lakshminarayanan V. Revisiting environmental stress screening, Evaluation Engineering, December 1999, pp. 72–78.
7. Lakshminarayanan V. What causes semiconductor devices to fail? Test & Measurement World, November 1999, pp. 49–55.
8. Lakshminarayanan V. Basic steps to successful EMC design, RF Design, September 1999, pp. 35–47.
9. Lakshminarayanan V. Minimize ESD-induced failures, Advanced Packaging, August 1999, pp. 36–39.
10. Bipolar Power Transistor Data-book, Motorola Inc, 1995.
11. MIL-HDBK-217F: Reliability Prediction for Electronic Equipment.
12. MIL-STD-883E: Test Method Standard for Microcircuits.

EDN, август 2000 г.
Перевод Ю. Потапова