РАЗДЕЛ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ
2.1. Физические основы надежности элементов
2.1.1. О п р и р о д е о т к а з о в.
Основным понятием науки о надежности является отказ – событие, заключающееся в
нарушении работоспособности объекта. Правильное понимание физической природы
отказов, их причин и корректное математическое описание явлений, лежащих в
основе природы отказов, являются важнейшими условиями успешного решения всех
практических задач надежности.
Так как время до отказа объекта является случайной величиной, то принято эту
величину описывать некоторым законом распределения. И здесь оказывается
чрезвычайно важным принятие той или иной теоретической модели распределения
времени до отказа объекта. Известно [155,258], что расхождение в оценке
показателей надежности в зависимости от принятой теоретической модели может
составлять несколько порядков.
Однако правильный выбор теоретической модели распределения отказов
высоконадежных элементов, в частности изделий электронной техники (интегральных
схем, полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов), оказывается не
простой задачей. При выборе теоретической модели отказов для элементов с низкой
надежностью, например, для некоторых механических объектов, можно более
подходящую по физическому обоснованию модель далее проверить статистическими
методами. Имеется множество экспериментальных данных (полных выборок) отказов
различных механических объектов, которые могут служить для проверки гипотез и
выбора теоретической модели с использованием известных критериев согласия. Для
изделий электронной техники такой подход выбора подходящей модели не
представляется возможным, так как из-за высокой собственной надежности
элементов электронной техники практически нельзя получить выборку отказов всех
поставленных на испытание элементов.
Таким образом, выбор теоретической модели отказов изделий электронной техники,
а также других высоконадежных элементов в основном определяется физическим
обоснованием, т.е. только тщательное исследование причинно-следственных связей
отказов элементов, механизмов отказов позволяет установить более подходящую
модель распределения времени до отказа.
Теперь о природе отказов. Общепринятое деление отказов технических устройств на
“внезапные” и “постепенные”, приводящие к неоднозначному выбору теоретических
моделей отказов, в последнее время ставится под сомнение. Несмотря на то, что
деление отказов существует практически с начала развития теории надежности, до
сих пор даже на инженерном уровне нет такого определения, которое позволяло бы
отличать их друг от друга. Обычно отказ считается “внезапным”, если не
установлена причина отказа, отказ связан с грубым нарушением эксплуатационного
режима или наличием грубого дефекта в изделии. Во всех случаях подразумевается,
что отказ появился в результате мгновенного изменения наблюдаемых параметров,
т.е. отрицается существование каких-либо физических деградационных процессов -
истинных причин, предшествующих появлению отказа.
Упомянутое толкование природы “внезапных” отказов весьма условно. Оказывается,
отказ часто представляется “внезапным” лишь потому, что исследователи не в
состоянии, на сегодняшний день, проконтролировать изменение всех определяющих
параметров, способных вызвать отказ. С развитием контрольно-измерительной
аппаратуры объем контролируемых параметров расширяется и доля так называемых
“внезапных” отказов уменьшается.
Сравнительно большая доля внезапных отказов приписывается изделиям электронной
техники, в частности микросхемам. Поскольку именно в этих сложных изделиях
очень трудно иногда обнаружить истинную причину отказа какого-либо элемента или
компонента.
Сказанное касается отказов с неустановленной причиной. Другая же часть отказов,
традиционно относимая к “внезапным” и обусловленная грубыми ошибками в
принципиальной схеме или конструкции, в технологических режимах обработки,
применением некондиционных материалов, а также ошибками монтажа, несоблюдением
правил и условий эксплуатации и других подобных причин, действительно может
являться следствием действия перечисленных факторов, которые приводят к
экстремальным нагрузкам и в результате к повышенным скоростям деградационных
процессов.
Продолжительность разрушения, составляющая малые доли секунды, это также
конечное и вполне измеримое время и в этом случае, несомненно, имеет место
процесс, который обладает соответствующими закономерностями. Реализации
изменения определяющего параметра, имеющие резкое увеличение скорости (скачок),
в вероятностном смысле, т.е. с точки зрения измерения времени достижения
определяющим параметром критического уровня, являются непрерывными. Другими
словами, подобные реализации являются частным случаем изменения определяющего
параметра, рассматриваемого как случайный процесс.
Время появления любого отказа случайно. Некоторые авторы ошибочно считают, что
“постепенные” отказы не настолько случайны, как “внезапные”. В этой связи
заметим, что коэффициент вариации распределения “постепенных” (параметрических)
отказов, определяющий разброс значений наработок до отказа изделий, при
механическом износе равен 0,3-0,6, а при усталостном разрушении 0,3-0,8.
Коэффициент вариации ресурса изделий электронной техники находится в диапазоне
0,75-1,1, хотя реальной статистики отказов элементов, подтверждающей это
значение, нет. Статистика отказов крупноблочных изделий (аппаратуры) имеет
коэффициент вариации порядка 0,5-1,2.
Таким образом, физическая природа “внезапных” и “постепенных” отказов одна и та
же - это результат деградационных процессов, протекающих в любом объекте во
время
- Київ+380960830922