Способ проведения многофакторных эквивалентно-циклических испытаний
METHOD FOR CONDUCTING MULTIFACTOR EQUIVALENT-CYCLIC TESTS

Изобретение относится к области испытаний на надежность по подтверждению показателей безотказности элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры.
Современные тенденции развития устройств радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники направлены на повышение плотности монтажа радиоэлементов на модулях, что требует усовершенствование методов контроля, позволяющих в кратчайшие сроки определять уровень их надежности, таких как средняя наработка на отказ и назначенный ресурс. В целях контроля показателей безотказности элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники проводятся эквивалентно-циклические испытания, которые имеют высокую продолжительность проведения. Например, для подтверждения показателя безотказности в 20000 ч требуется, как правило, не менее 1000 часов эквивалентно-циклических испытаний, проводимых в соответствии с отраслевыми стандартами на основе последовательного воспроизведения воздействия внешних факторов.
Наиболее эффективными эквивалентно-циклическими
испытаниями являются многофакторные испытания, при которых одновременно имитируется наибольшее количество воздействующих факторов. Продолжительность ЭЦИ зависит от коэффициента ускорения - безразмерного параметра, обозначающего отношение параметра безотказности (средней наработки на отказ) к продолжительности испытаний.
Известен способ многофакторных испытаний, описанный в патенте №2027246 (МПК Н01Н 49/00 от 01.04.1992), при котором испытания проводятся по специальным планам - полного факторного эксперимента (ПФЭ), ортогональным и ротатабельным центральным композиционным планам (соответственно ОЦКП и РЦКП) и др. В ходе таких испытаний уровни воздействующих факторов задаются на экспериментальных установках в соответствии с планами (ПФЭ, ОЦКП, РЦКП) и измеряются значения параметров исследуемого объекта. Недостатком данного способа является необходимость достаточно большого числа испытаний для построения моделей регрессии, что увеличивает продолжительность и стоимость испытаний, а также наличие у исследуемого изделия выходных параметров, однозначно определяющих изменение состояния работоспобности, что для радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники авиационного назначения в виде бортового электронного оборудования трудно выполнимо и требует дорогостоящих средств диагностики.
Известны модели, основанные на принципе независимости расходования ресурса: надежность объекта испытаний при условии сохранения физической картины отказов зависит от величины, выработанной им доли ресурса в прошлом, и не зависит от того, как выработан этот ресурс (принцип Седякина):
Ресурс, выработанный в процессе испытаний, должен соответствовать ресурсу, выработанному при эксплуатации. В этом случае коэффициент ускорения будет определяться как [1]:
Наиболее распространенным подходом в практическом применении нашла модель коэффициента ускорения многофакторных испытаний, где предполагается, что все воздействующие факторы влияют на все механизмы отказов в равной степени значимости, тогда получим [2]:
Указанная модель нашла широкое применение в различных видах ускоренных испытаний, предполагая, что каждое приложенное воздействие увеличивает базовую интенсивность отказов, а следующее приложенное напряжение увеличивает общую интенсивность отказов, увеличенную предыдущим фактором, и так далее. Однако, основной недостаток такой модели является переоценка воздействия приложенных воздействующих факторов, отсутствие различия в развитии механизмов отказа, при которых некоторые воздействия не оказывают ускоряющего эффекта.
yij
В европейском стандарте IEC 62506 по методам ускоренных испытаний приведена модель воздействия i-го фактора, ускоряющего один из j-механизмов отказа с коэффициентом ускорения K, при этом обобщенный коэффициент ускорения многофакторных испытаний [2]:
Недостатком данной модели является отсутствие весовых коэффициентов доминирующих механизмов отказа в виде относительной
t
доли вероятности отказа q при воздействие i-го фактора.
Данный недостаток устранен моделью, описанной в ГОСТ Р 57394-2017. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые, однако, в ней отсутствует усреднение суммарного воздействия факторов и не учитывается этап жизненного цикла изделия [3]:
i
Иi
При этом,  где d - число отказов изделий, вследствие развития j-го механизма отказа; S - общее число отказов; λ - интенсивность отказов, вследствие развития j-го механизма отказа; а
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является сокращение продолжительности и повышение эффективности эквивалентно-циклических испытаний для выявления отказов радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники путем моделирования оптимальных для интенсификации отказов условий.
Технический результат заключается в сокращении продолжительности и повышении эффективности эквивалентно-циклических испытаний в части выявления отказов вследствие деградационных процессов элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники авиационного назначения за счет синергетического эффекта воздействия интенсифицирующих подобные отказы факторов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в ходе моделирования контрольных многофакторных испытаний на безотказность жизненный цикл изделия разделяют на несколько этапов с собственной вероятностью отказа и факторов, оказывающих наибольшее влияние на развитие механизмов отказа на данном этапе, определяют модель накопления усталости, интенсифицирующую основные виды отказов, рассчитывают коэффициенты ускорения для каждой стадии жизненного цикла при воздействии факторов, вызывающих отказ или группу отказов, рассчитывают количество циклов воздействия и продолжительность многофакторных эквивалентно-циклических испытаний, затем проводят предварительные исследования, включающие отбраковочные испытания и физико-технический анализ отказов, далее проводят многофакторные эквивалентно-циклические испытания, на основании которых определяют мероприятия и оценивают их эффективность по повышению надежности.
Способ проведения многофакторных эквивалентно-циклических испытаний на примере бортового радиоэлектронного оборудования начинается с определения стадий жизненного цикла изделия. Для этого, согласно опыту эксплуатации изделий - аналогов, выделяют этапы, обозначающие взаимосвязь процессов изменения состояния изделия. Для БРЭО это будет транспортирование - как стадия имитации предполетных условий ВС, функционирование на борту - как стадия имитации полетных условий ВС и сохраняемость - как стадия имитации послеполетных условий. Далее определяют основные виды отказов и их причины, присущие той или иной стадии жизненного цикла. По опыту эксплуатации изделий-аналогов, а также согласно анализу, проведенному в соответствии с руководством по методам оценки безопасности систем и бортового оборудования воздушных судов гражданской авиации Р4761, отказы, вызванные факторами тепловой и механической энергии, составляют в совокупности от 80% до 95%. После определения основных причин отказов, методом подбора наиболее подходящей данным отказам модели физики отказов или на основе параметрических моделей, определяют модель накопления повреждений, интенсифицирующую указанные отказы. Для БРЭО моделью физики отказов является модель расходования ресурса, где ресурс представлен как интеграл от изменения энтропии: при λ = const dS/dt(t), выполняется принцип Седякина (1). Время выработки ресурса может быть найдено из соотношения S(t)=S*, где S* - критическое значение накопленной энтропии.
i
Иi
i
k
Где  где d - число отказов изделий, вследствие развития j-го механизма отказа; S - общее число отказов; λ - интенсивность отказов, вследствие развития j-го механизма отказа; a  q = 1; P - вероятность отказа на М-стадии жизненного цикла.
Вероятность отказа на протяжении всего жизненного цикла
Определение коэффициента ускорения МФЭЦИ, осуществляем согласно следующей формулы:
шсв
цит
Трансп
Функц
Сохр
вп
МФЭЦИ
xi
ц
о
н
н
о
, где доли отказов при воздействии механической и тепловой энергии обозначены как q и q соответственно, а вероятности отказа на стадиях «Транспортирование», «Функционирование на борту ВС» и «Сохраняемость» обозначены как Р, Р, Р соответственно. Расчет количества циклов и их продолжительности производим для каждой стадии отдельно. Для БРЭО количество циклов на стадии «Функционирование на борту» рассчитывается по формуле: , где N - количество взлетов/посадок ВС за год, а продолжительность одного цикла по формуле:  где Т - планируемая продолжительность МФЭЦИ. На стадии «Сохраняемость» количество циклов изменения температуры определяется по формуле:  где N - среднемесячное количество колебаний суточной температуры в течении года, а продолжительность одного цикла воздействий изменения температуры рассчитывается по формуле: t=τ+τ, где τ, τ - время достижения нагрева и охлаждения установившейся температуры в наиболее массивном элементе БРЭО соответственно.
Для подтверждения того, что конструкция блока обладает необходимой прочностью и виброустойчивостью проводят анализ вибропрочности с определением резонансных частот с помощью программных пакетов САЕ-систем (ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, MARC, Асоника и пр.), а также натурных испытаний в соответствии нормативно-технической документацией.
Далее необходимо удостовериться, что во время проведения многофакторных испытаний с указанными коэффициентами ускорения, параметр потоков отказов будет постоянным. Для этого проводят предварительные исследования, суть которых заключается в фиксации и последующей классификации отказов, а также определение их влияния на скорость изменения параметра надежности.
Для определения уровней воздействующих факторов многофакторных эквивалентно-циклических испытаний на безотказность проводят отбраковочные испытания по процедурам и на оборудовании HALT (High accelerated life(limited) test) состоящих из:
- воздействия повышенных и пониженных температур, состоящих из двух стадий, в ходе которых температура ступенчато изменяется с начального уровня до пределов, при котором изделие не может выполнять заложенные в него функции;
- воздействие циклического изменения температуры со скоростью от 10°С/мин до 60°С/мин в диапазоне на 10-20% ниже и выше предельных значений эксплуатации;
- воздействия многоосной широкополосной случайной вибрацией (далее ШСВ) с равномерным спектром без ограничения диапазона нагружения;
- комбинированного воздействия циклического изменения температуры (далее ЦИТ) и ШСВ.
В каждой процедуре последовательно определяют следующие уровни внешних воздействующих факторов для изделия:
- Предельное значение пониженной температуры, при котором сохраняется работоспособность;
- Предельное значение повышенной температура при котором сохраняется работоспособность;
Предельный уровень ШСВ, при котором сохраняется работоспособность;
- Предельное значение пониженной температуры, при котором работоспособность не восстанавливается (разрушение);
- Предельное значение повышенной температуры, при котором работоспособность не восстанавливается (разрушение);
- Предельное уровень ШСВ, при котором работоспособность не восстанавливается (разрушение).
1
2
K
Все отказы фиксируют с определенным временем наработки (Т,Т,…,T) и анализируют методами, описанными в руководстве 4761 (FMEA, анализ дерева неисправности (FTA), анализа логической схемы (DD), Марковский анализ (МА) и др.). По каждому отказу принимают решение, например, с оценкой необходимости корректирующих действий. При критических дефектах изделие снимают с испытаний для устранения замечаний и внедрения корректирующих действий, либо изменения требований научно-технической документации.
Физико-технический анализ отказов объекта испытаний проводят в следующем порядке:
1) Проведение контроля работоспособности в соответствие с научно-технической документацией (НТД) изделия на основе:
- проверки электрической схемы;
- проверки электрического сопротивления и электрической прочности изоляции;
- проверки при крайних значениях напряжения питания.
2) Локализация отказавшего модуля объекта испытаний (конструктивно-сменного элемента).
3) Проведение контроля работоспобности модуля объекта испытаний с целью локализации отказавшего элемента (межсоединения, разъема, печатной платы, ЭКБ) и выявления конструктивно-технологический элемента, вызвавший отказ.
В случае обнаружения перемежающегося отказа, повторяют отбраковочные испытания по процедурам HALT, устанавливая предельные режимы воздействия. При отсутствии однозначного вывода о виде и причине отказа объекта испытаний вследствие перемежающего характера отказа проводят замену всех элементов цепочки, потенциально ответственных за возникновение зафиксированного несоответствия.
4) В случае определения отказа конструктивно-технологического элемента (печатные платы, межсоединения, разъемы и др.), устанавливают причину его возникновения.
0
i
После проведения отбраковочных испытаний производят классификацию выявленных отказов по характеру изменения параметра надежности во времени. В связи с тем, что определяющим фактором является скорость изменения параметра надежности (мгновенная для внезапных и постоянная для постепенных), установление которой по ряду объективных причин связано с проведением длительных экспериментов, для классификации отказов принимается следующее условие, где Т - гарантийная наработка, T - время возникновения i-го отказа:
i
0
- для внезапных отказов: T≤0,1⋅Т;
i
0
- для постепенных отказов: T>0,1⋅Т.
На фиг. 1 представлена кривая интенсивности отказов во времени.
Время жизни любого изделия принято разделять на три стадии. Первая стадия - период приработки, характеризующаяся большим количеством отказов, вызванных сбоями в работе дефектных элементов. Так как дефектные элементы отказывают один за другим, интенсивность отказов быстро снижается и к окончанию первой стадии выходит на плато. Вторая стадия характеризуется постоянством отказов и имеет наиболее низкий уровень интенсивности отказов. По окончании второй стадии, когда на изделии начинает сказываться износ, интенсивность отказов начинает быстро расти и наступает третья стадия, характеризующаяся повышением интенсивности отказов.
Для определения границ указанных стадий производят проверку гипотезы о постоянстве отказов. Проверку гипотезы проводят в соответствии с критерием согласия Пирсона по числу зафиксированных внезапных отказов к в ходе процедур HALT, при этом количество внезапных отказов должно быть от 3 до 40. Критерий согласия Пирсона принимает следующий вид:
1
2
K
где Т, Т, …, T - моменты отказов объекта испытаний (или группы объектов);
Σ
K
T=T - суммарное учитываемое время, если используется план по ограничению числа отказов;
Σ
K
T=T+T, где Т - время наработки после последнего учитываемого отказа, если используется план с ограничением по времени;
d=k-1 - при ограничении числа отказов,
d=k - план с ограничением по времени.
2
Расчетное значение χ сравнивается с теоретическими значениями Р-квантилей [4]. двустороннего доверительного интервала, которые при уровне значимости 10% для числа степеней свободы ν=2(k-1) [4].
Если расчетное значение  лежит в пределах двустороннего интервала, то принимается гипотеза, что интенсивность отказов постоянна во времени, (λ=const»).
Если расчетное значение  то интенсивность отказов вероятно возрастет и необходимо повторное выполнение отбраковочных испытаний.
Если расчетное значение , то интенсивность отказов вероятно уменьшается и необходимо дальнейшее проведение отбраковочных испытаний с учетом предыдущих результатов, для определения момента времени, когда интенсивность отказов становится постоянной.
После проведения отбраковочных испытаний и подтверждения гипотезы о постоянстве отказов проводят планирование многофакторных эквивалентно-циклических испытаний с расчетным значением коэффициента ускорения по модели (1) последовательным методом Вальда, обеспечивающим среднюю ожидаемую продолжительность испытаний при ограниченном количестве испытываемых образцов.
Согласно методическим указаниям ГосНИИАС, продолжительность МФЭЦИ с учетом шифра плана испытаний, выбираемого согласно ОСТ 1 01204-2012 для подтверждения заданного уровня показателя безотказности будет рассчитывают по следующим выражениям:
Линия несоответствия:
При отсутствии отказов:
Линия соответствия:
HP
TP
МФЭЦИ
yc
где  продолжительность непрерывной работы БРЭО, заданной в техническом задании; T - средняя наработка на отказ и повреждение, (при контрольных испытаниях по настоящей методике назначенный ресурс T); N - число циклов испытаний, b(b) - нормированный коэффициент, n - число испытываемых образцов.
α
β
Для наглядного отображения полученных результатов, по заданным значениям Т, Т, α, β, ведут графическое представление оперативной характеристики МФЭЦИ.
Далее проводят многофакторные эквивалентно-циклические контрольные испытания на безотказность для трех стадий жизненого цикла «Транспортирование», «Функционирование на борту ВС» и «Сохраняемость» в камере HALT при одновременном воздействии циклического изменения температуры, широкополосной случайной вибрации и электрического напряжения в режимах воздействия определенных ранее на этапе предварительных исследований.
э
nnм
dnм
После подтверждения или не подтверждения показателя безотказности (средней наработки на отказ) принимают решение о разработке мероприятий по повышению надежности изделия в зависимости от выявленных причин дефектов (например, в ходе апробации способа была определена группа отказов, связанных с нарушением паянного соединения микросхем в BGA-корпусах, для устранения чего были разработаны специальные технологические процессы по их реболлингу) и последующая оценка их эффективности в соответствии с OCT В1 00094 с помощью коэффициента эффективности (K), который определяется отношением наработки на неисправность после проведения мероприятия (Т) к наработке на неисправность до проведения мероприятия (Т):
Э
ппм
дпм
K=Т/Т
Таким образом, указанный способ проведения многофакторных эквивалентно-циклических испытаний на основе моделирования воздействия множества факторов позволяет сократить продолжительность и повышает эффективность испытаний элементов и устройств радиоэлектронной техники на безотказность.
Источники информации:
1. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. Известия академии наук СССР. Техническая кибернетика. №3. 1966
2. IEC 62506. Methods for product accelerated testing. Edition 1.0. - 2013. - 188 c.
3. ГОСТ P 57394-2017. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы испытаний на безотказность.
4. РД107.460000.010-89. Радиоэлектронные средства. Методы технологической тренировки. Дата введения - 01.07.1990. ГНТУ МРП. - 1990. - 57 с.