В. Лакшминарайянан (перевод Ю. Потапова)

Методы повышения надежности электронных систем. Часть 2

Достижение высокой надёжности электронных систем требует использования специальных компонентов и методов проектирования, соответствующих конечным условиям эксплуатации оборудования. Всестороннее обсуждение потенциальных проблем, возникающих в этом случае, и методов их решения поможет разработчику значительно снизить вероятность отказов.

Bыбор конструктивного исполнения компонентов и создание топологии

На работу электронной схемы влияют технология монтажа компонентов на плате, способ их размещения и соединения проводниками. Отдельные печатные платы, в свою очередь, соединяются с основной платой, через которую по кабелям осуществляется связь с другими системами.

Для снижения уровня шумов и помех рекомендуется группировать компоненты по уровню мощности и рабочим частотам. Печатные проводники должны быть прямыми и предельно короткими. В длинных проводниках начинают проявляться различные паразитные эффекты, и на высоких частотах может возникнуть резонанс. Не рекомендуется использовать изломы проводников под прямым или острым углом; лучше делать изгибы плавными и закруглёнными. Необходимо минимизировать присутствие на плате токовых петель, для чего рекомендуется использовать внутренние слои питания и заземления. Во избежание возникновения перекрёстных искажений необходимо тщательно контролировать ширину проводников и зазоры между ними. Рекомендуется также заранее оценить значения паразитных индуктивности и ёмкости, чтобы предсказать вероятность проявления связанных с ними физических эффектов на высоких частотах. Также необходимо учитывать диэлектрические свойства многослойного материала печатной платы.

Для предотвращения повреждений компонентов токами, возникающими в результате утечки статического электричества с рук монтажника, рекомендуется прокладывать проводники подальше от краёв платы. Следует также отметить, что все самые строгие меры по защите чувствительных к электростатическим разрядам компонентов могут оказаться бессмысленными, если персонал небрежно обращается с платами. Полезно рядом с сигнальными прокладывать защитные проводники, обеспечивающие утечку заряда на землю. Во входных цепях всех чувствительных элементов рекомендуется ставить защитные элементы, например, ограничительные диоды. Для снижения уровня помех и шумов необходимо обеспечить хорошее заземление с низким импедансом.

Экранировка всей системы

Как и в случае с отдельными компонентами, экранировка системы в целом позволяет значительно снизить вредное воздействие внешних электромагнитных помех. Принцип работы экрана заключается в поглощении или отражении электромагнитных и электростатических полей. На низких частотах магнитное поле поглощается, на высоких — отражается. Отражение на высоких частотах объясняется несоответствием между низким импедансом металла и высоким импедансом фронта волны.

Для защиты от низкочастотных электрических полей рекомендуется использовать экраны из немагнитных материалов, например, алюминия или меди, так как они лучше отражают нежелательные поля. Материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как железо, железоникелевые сплавы, мю-металлы и пермаллой, используются для защиты от низкочастотных магнитных полей. Магнитная проницаемость этих материалов снижается с ростом частоты, поэтому экраны из них на высоких частотах не эффективны. Однако, в этом случае хорошо работают экраны из меди и алюминия, так как они отражают падающую волну из-за разницы импедансов среды и экрана. Материалы с высокой проводимостью, такие как медь или алюминий, являются полезными для экранировки от электрических полей, но для низкочастотных магнитных полей они неэффективны.

Важно обеспечить сплошной экран вокруг защищаемой системы. Для устранения утечек поля, все отверстия в экране должны иметь диаметр, не превышающий l/20, где l — минимальная длина волны сигналов. Другими словами, не должно быть отверстий, работающих как щелевые антенны. Неиспользуемые разъёмы также могут работать как антенны, поэтому их необходимо закрывать поглощающим материалом. Все изолирующие элементы должны иметь достаточную электрическую прочность диэлектрика, чтобы избежать пробоя под воздействием высокого электрического поля. Установка соединителей внутри углублений помогает избегать случайного контакта с объектами, заряженными статическим электричеством. Все кабели, используемые для введения сигналов внутрь экранированного корпуса, должны быть экранированными, а их оплетка должна иметь качественный круговой контакт с корпусом, что позволит избежать появления антенных эффектов.

Для длительного хранения уже собранных плат рекомендуется использовать прозрачные пластиковые пакеты с металлизированным покрытием, имеющие высокую стойкость к воздействию температуры и влажности.

Предотвращение тепловых повреждений

Высокая температура является одним из вредных факторов, воздействующих на все без исключения типы компонентов электронной схемы. Для предотвращения отказов компонентов из-за чрезмерного нагрева, тепловой анализ проекта должен быть выполнен так же тщательно, как и анализ электрических схем. Аналогично электрическим токам в цепях, в системе существуют тепловые потоки от переходов в окружающую среду (смотри врезку “Основные концепции теплового анализа”). Предельная температура перехода для полупроводниковых устройств общего назначения составляет около 150°C. Чем ниже рабочая температура перехода, там выше надёжность устройства. Снизить температуру переходов во время функционирования аппаратуры можно посредством специальных теплоотводов, охлаждающих вентиляторов или просто отверстий в корпусе для естественной вентиляции воздуха. Такие же меры применяются для охлаждения и других элементов схем: конденсаторов, трансформаторов, катушек, резисторов, реле и др. Дополнительными источниками тепла могут быть электрические перегрузки и ряд других факторов, например, процесс пайки или близость к нагревающимся элементам, поэтому разработчик должен полностью оценить тепловое поведение системы до начала производства.

На тепловую нагрузку электронных устройств большое влияние оказывает температура окружающей среды. Ситуация ухудшается в области высоких температур, а значит при моделировании необходимо оценивать весь диапазон температур в реальных условиях эксплуатации. Ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что повышенная температура резко увеличивает вероятность выхода из строя полупроводниковых приборов. Это объясняется тем, что все реакции имеют физико-химическую природу и при повышенных температурах протекают быстрее. Таким образом подавляющее большинство механизмов отказов является зависимым от температуры. Косвенными причинами тепловых повреждений являются электрические перегрузки и электростатические разряды, вызывающие перегорание или плавление проводников, а также карбонизация пластиковых инкапсулирующих материалов. Для предотвращения таких повреждений необходимо эксплуатировать устройство в пределах его рабочей температуры и соответствующим образом защищать от воздействия статического электричества, электромагнитных помех и тепловых перегрузок. Последние могут стать причиной термической усталости материалов, тепловых уходов параметров, появления точек перегрева и некоторых других форм тепловых повреждений, в конечном счёте приводящих к полному или частичному отказу оборудования.

Все типы компонентов выделяют и рассеивают тепло. Некоторые из них делают это более интенсивно, например, проволочные резисторы, мощные регуляторы напряжения, транзисторы и диоды. В число способов передачи тепла входят отвод тепла через материал и проводники печатной платы, конвекция окружающего воздуха и тепловое излучение компонентов. Перегрев компонентов и участков платы во время пайки может вызвать существенные их повреждения. В общем случае, тепловые перегрузки вызывают следующие повреждения печатных плат: перегорание проводников вследствие протекания большого тока, потеря адгезии и расслаивание, обесцвечивание, деформирование и, в чрезвычайных случаях, обугливание платы. Компоненты могут противостоять умеренному тепловому воздействию в процессе монтажа и сборки, например, при кратковременном нагревании во время пайки. Однако, тепловое воздействие сверх установленной нормы вызовет сбои в работе устройства или его полный отказ.

Основные аспекты теплового анализа проекта

Тепловой анализ проекта электронной схемы или системы является неотъемлемым этапом проектирования. Все тепловые проблемы должны быть рассмотрены на начальном этапе, пока стоимость их решения минимальна. Если отказ, связанный с тепловой перегрузкой компонента, идентифицируется на заключительных этапах работы над проектом, затраты на исправления выявленных ошибок могут оказаться весьма значительными. Выберите компоненты, соответствующие требованиям вашей разработки и заданным условиям эксплуатации. Используйте элементы с высокой надёжностью, проверенной и подтверждённой в ходе специальных испытаний. Полупроводниковые устройства более надёжны при пониженных температурах переходов, поэтому рекомендуется выбирать их рабочие точки таким образом, чтобы они не работали вблизи предельных значений параметров (смотри врезку “Выбор режимов для повышения надёжности”). Необходимо убедиться, что при использовании оборудования в самых жёстких рабочих условиях температуры переходов не превышают определённые границы. Для снижения температуры элементов необходимо использовать теплоотводы и вентиляцию. В некоторых случаях в мощном оборудовании может понадобиться непрерывная принудительная вентиляция. Рекомендуетмые температуры переходов — не выше 125°C. Это повышает надёжность устройства.

Однако, чрезмерные требования по охлаждению системы могут привести к резкому увеличению её стоимости без существенного снижения температуры. Аналогичным образом увеличение скорости воздушного потока при принудительной вентиляции после определённого значения не приводит к охлаждению компонентов. Поэтому главная цель проведения качественного теплового анализа заключается в поиске оптимального соотношения между степенью охлаждения и стоимостью оборудования.

Рекомендации по устранению проблем, связанных с перегревом:

• Чувствительные к нагреванию элементы, например, электролитические конденсаторы и полупроводниковые устройства, необходимо размещать отдельно от интенсивных источников тепла, таких как проволочные резисторы, мощные диоды, транзисторы и регуляторы напряжения, установленные на теплоотводах.
• Вокруг теплоотводов должны быть созданы хорошие условия для циркуляции воздуха.
• Запомните, интенсивность охлаждения теплоотвода тем выше, чем больше площадь его поверхности.
• При необходимости в корпусе устройства должны быть проделаны вентиляционные отверстия.
• Оцените количество тепла, рассеиваемого компонентами в наиболее жёстких условиях эксплуатации, и откорректируйте ваш тепловой проект.
• Выбор теплоотводов и вентиляторов необходимо произвести на начальном этапе проектирования, так как доработки, связанные с их присутствием, сокращают полезное пространство оборудования и ухудшают циркуляцию воздуха.
• Требования к охлаждению должны определяться назначением оборудования и степенью его надёжности. Достаточным коэффициентом снижения температуры переходов и рассеиваемой мощности считается 80%.
• Для оценки температуры переходов критических полупроводниковых устройств и внутренних температур других компонентов рекомендуется провести моделирование тепловых процессов в системе.
• Наиболее качественное моделирование тепловых процессов в системе производится с помощью специальных пакетов программ.
• Съёмка рабочего макета печатной платы с помощью тепловизора в условиях предельной нагрузки позволяет выявить локальные перегревающиеся области на ней, которые впоследствии могут вызвать отказы. Ранняя диагностика подобных сбоев позволяет значительно сократить время и стоимость разработки.

Использование тепловых ударов

Воздействие тепловых ударов можно использовать для оценки надёжности и отбраковки электронных компонентов и систем. Такие ускоренные испытания называются термоциклированием и могут быстро определить срок службы изделия без больших материальных и временных затрат. Испытания проходят с использованием максимально допустимых уровней сигналов. В случае полупроводниковых устройств, термоциклирование в комбинации с рядом других воздействующих факторов позволяет значительно сократить длительность испытаний, направленных на выяснение скрытых дефектов. Данные, полученные в ходе таких испытаний, могут быть использованы для оценки надёжности устройств при работе в нормальных условиях эксплуатации. При ускоренных испытаниях максимальные воздействующие температуры могут колебаться в пределах от +75 до +225°C, а влажность составляет от 50 до 90%, в зависимости от исполнения устройств и природы выявляемых дефектов. Такие испытания могут провоцировать отказы, связанные с явлениями коррозии и наращиванием слоя металлов за счёт перемещения ионов. Испытания, использующие воздействие комбинации повышенных температур и иных жёстких условий окружающей среды, обозначаются как HAST (Highly Accelerated Stress Tests). Для них используются модели расчёта вероятности отказов электронных компонентов по Аррениусу (Arrhenius), Эйрингу (Eyring), Рейху-Хакиму (Reich-Hakim), Пеку (Peck) и Лавсону (Lawson).

Главная цель любых испытаний заключается в том, чтобы ускорить механизмы проявления отказов и выявить слабые изделия со скрытыми производственными дефектами, то есть спровоцировать случаи ранних отказов. Изделия, выдержавшие такие испытания, можно считать находящимися во второй области на кривой, изображённой на рис. 1, то есть в зоне активного периода жизни. Наиболее широкоиспользуемой техникой отбраковки ненадёжных компонентов является ESS (Environmental Stress Screening) — отбраковка жёсткими внешними воздействиями, то есть посредством воздействия вибрации, термоциклирования, теплового удара, предельных температур и чрезвычайно больших сигналов. Такая технология наиболее эффективна при проверке компонентов, имеющих очень длинный активный срок службы.

Эффективные испытания должны включать несколько циклов с тщательным контролем температуры и выдержкой временных интервалов, основанных на параметрах реальных условий эксплуатации. Частое и многократное воздействие минимальной и максимальной предельно допустимых температур вызывает ускорение проявления отказов, вследствие возникающих при этом механических напряжений из-за отличий в температурных коэффициентах расширения различных материалов. Оптимальное изменение температуры при таких испытаниях составляет от 5 до 10°C в минуту в диапазоне от -10 до +70°C с выдержкой времени на граничных температурах не менее 30 минут.

Таким образом, для выявления ранних отказов компонентов и систем необходимо проводить различные процедуры отбраковки, что позволит избежать сбоев в работе аппаратуры. Для большего понимания этого вопроса приведём краткий обзор различных видов испытаний.

Отбраковочные испытания

Для высоконадёжного оборудования необходимо использовать два уровня испытаний. На первом уровне тестированию подвергаются отдельные компоненты, на втором — система в целом в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации.

При ускоренных испытаниях компонент подвергается высоким уровням воздействия в сжатые временные отрезки, что значительно снижает стоимость проведения испытаний и сокращает время, необходимое для оценки надёжности. В состав таких испытаний входит термоциклирование, воздействие повышенной влажности, тепловые удары и выжигание дефектов высокой температурой. Диапазон изменения температур в общем случае может составлять от 75 до 225°C, а относительной влажности — от 50 до 90%. Стандартной комбинацией температуры и влажности является 85°C и 85%. Она позволяет выявить большинство скрытых дефектов, проявляющихся на ранней стадии эксплуатации, а также спровоцировать некоторые отказы в полупроводниковых устройствах. Различные исследования показывают, что компоненты, выдержавшие такого рода испытания, работают намного надёжнее.

При сертификации компонентов для высоконадёжной аппаратуры используют три основных типа испытаний: климатические, физические и электрические, описанные в литературе [1]. Промышленные стандарты выжигания дефектов в электронных компонентах приведены в документах MIL-STD-883, MIL-STD-750 и MIL-STD-S-19500. В таблице сведены воедино различные методы отбраковки компонентов. Приведём описание наиболее существенных характеристик методов, относящихся к проявлению тепловых эффектов.

При высокотемпературном выжигании дефектов устройство тестируется в диапазоне рабочих температур, который составляет 70°C для коммерческих устройств и 125°C для устройств военного назначения. Продолжительность воздействия может варьироваться от 24 до 168 часов. При функциональных испытаниях производится включение напряжения питания устройства и манипуляции с ним, согласно специальной программе (шаблону), что делает испытания динамическими. Главной целью испытаний с выжиганием дефектов является выявление устройств, имеющих внутренние дефекты, причиной которых стали ошибки, допущенные в ходе производственного процесса, например, дефекты проволочных соединений, оксидных слоёв и областей металлизации. Выжигание дефектов ускоряет процесс старения полупроводниковых устройств и выявляет ранние отказы. После таких испытаний необходимо проверить общую работоспособность устройства, а также его параметры. Испытания с выжиганием дефектов являются наиболее эффективными по стоимости, по сравнению с испытаниями собранных плат или системы в целом.

Термоциклирование выявляет дефекты посредством чередующегося воздействия низких и высоких температур. Для промышленных систем оно производится в диапазоне температур от -40 до +125°C, а для военных — от -65 до +150°C. Рекомендуемое число циклов составляет 20, минимальное — 10. Время выдержки устройства на граничных температурах должно составлять не менее 10 минут. После проведения термоциклирования необходимо довести температуру до +25°C, измерить все электрические параметры устройства и сравнить их с паспортными данными. Этот метод позволяет оценить стойкость компонента к воздействию предельных температур и к чередованию их воздействий. В число выявляемых дефектов входят: дефекты проводных соединений и соединений кристалл-подложка, трещины в кристаллах, несоответствия коэффициентов температурного расширения различных материалов, разгерметизация и дефекты пластмассовых корпусов.

При хранении при повышенной температуре компонент подвергается длительному воздействию температуры, превышающей верхнюю границу диапазона, используемого при выжигании дефектов, но при этом отсутствуют напряжение питания и входные сигналы. Для изделий в пластмассовых корпусах эта температура составляет +150°C, а для изделий в герметичных металлокерамических корпусах — +250°C. Испытания проводятся в течение 24 часов. Воздействие повышенных температур позволяет выявить насыщение влагой, дефекты металлизации и контактов, объёмные дефекты в кристаллах кремния, ионное загрязнение и окисление, поверхностные дефекты.

Испытание повышенной температурой помогает оценить работу компонента при высокой температуре окружающей среды в течение установленного промежутка времени. Воздействие повышенной температуры может отразиться на ёмкости, электрической прочности диэлектрика, сопротивлении изоляции и токе перегрузки.

Тепловой удар позволяет проверить стойкость компонента к циклическому воздействию предельных температур. При этом выявляются такие дефекты, как трещины на поверхности, расслаивание, разгерметизация, уход электрических параметров и утечки в материале заполнения.

Таблица. Методы отбраковки компонентов

Паяльная ванна

В результате воздействия высокой температуры в процессе пайки, в компонентах могут измениться электрические характеристики и возникнуть механические повреждения, такие как потеря контакта в выводах, размягчение изоляции, разгерметизация и ослабление механических соединений. Во время испытаний тестируемый компонент на 10 ± 2 с погружается в ванну с расплавленным припоем с температурой 260°C. Такой вид испытания рекомендуется для компонентов, монтируемых в отверстия на печатной плате.

При отбраковочных испытаниях систем (например, ESS) внешние воздействия применяются ко всей системе в ускоренном режиме, провоцируя отказы до передачи оборудования заказчику. В число таких воздействий входят: высокая температура, повышенные напряжения и токи. Все воздействия происходят циклично некоторое количество раз с выдержкой в граничных условиях в течение заданного промежутка времени. В результате выявляются отказы систем, происходящие на начальной стадии эксплуатации, и скрытые дефекты. Такой подход позволяет значительно повысить надёжность системы в целом и снизить затраты на ремонт.

Заключительные рекомендации

Общие рекомендации по повышению надёжности электронного оборудования в целом:

• Для выявления ранних отказов необходимо использовать специальные методы отбраковки и выжигания дефектов. Используемые компоненты должны иметь должное качество и высокую надёжность.
• В наиболее критические точки схемы необходимо вводить ограничители напряжения и тока или иные защитные устройства.
• При выявлении непредвиденных воздействий проект необходимо к ним адаптировать. Реальные условия эксплуатации оборудования на местах могут значительно отличаться от лабораторных. На компоненты могут воздействовать электромагнитные помехи, электростатические разряды, высокая температура, агрессивная химическая среда и вибрация. Рабочие точки компонентов по току и напряжению, температуры переходов и рассеваемая мощность выбираются оптимально для стойкости к перегрузкам.
• Избыточность системы должна определяться требованиями надёжности и стоимостью оборудования.
• Помимо аппаратной надёжности, при использовании в системе программного обеспечения, оно должно быть построено таким образом, чтобы небольшие сбои в работе оборудования обрабатывались безопасно и не приводили к отказам всей системы.
• Требуемый уровень надёжности необходимо обеспечивать на уровне проекта. Дополнительные меры, применяемые во время производства, хранения, тестирования, системной интеграции и эксплуатации, позволят улучшить суммарную надёжность оборудования.
• Проект должен быть предельно простым и использовать широкодоступные стандартные компоненты с целью минимизировать количество типов компонентов. Это позволяет значительно сократить затраты на производство и повысить надёжность.
• Необходимо применять методы контроля качества к изделию в целом. Это позволит гарантировать высокую надёжность устройства на всех уровнях.

1. MIL-HDBK-202: Test Methods for Electronic and Electrical Component Parts.

EDN, август 2000 г.