XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Надежность радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени определяется качеством и надежностью используемых комплектующих, основная доля которых приходится на пассивные электронные компоненты (ПЭК), т.к. отказ одного ПЭК может привести к выходу из строя целого комплекса дорогостоящей высокопроизводительной аппаратуры. ПЭК занимают значительную долю в составе аппаратуры. К ним относятся резисторы, конденсаторы, дроссели, индуктивности, различные разъемы, коммутаторы и т.п.

Понятие «отказ» относится к числу основных понятий надежности [1]. Отказ - это событие, после возникновения которого изделие утрачивает способность выполнять заданные функции. Для ПЭК отказ означает либо полную утрату работоспособности или уходе одного, либо нескольких параметров за допустимые по технологическим условиям нормы.

По механизму возникновения отказы ПЭК можно разделить на 5 категорий:

• отказы, связанные с явлениями в объеме тела ПЭК,

• отказы, обусловленные явлениями на поверхности ПЭК,

• отказы, зависящие от состояния внутренних контактных соединений,

• отказы, связанные с конструктивным оформлением,

• отказы, связанные с внешним воздействием при использовании ПЭК.

Причинами отказа ПЭК могут быть дефекты (сколы, трещины проводящего слоя и/или изоляционного основания), «слабые» места в контактных узлах и выводах. В достаточной мере условно отказы ПЭК можно разделить на внезапные (катастрофические) и постепенные (параметрические), связанные с изменением во времени (старением) параметров изделий. В некоторых случаях, например при повреждении спиральной нарезки постоянного прецизионного резистора, локальная перегрузка может привести к катастрофическому отказу. Очевидно, что количественные характеристики надежности определяются, кроме дефектов конструкции, условиями эксплуатации (нагрузкой, окружающей температурой, монтажом изделий) и допустимыми изменениями параметров прецизионных ПЭК. Следует отметить, что как перегрузка, так и недогрузка ПЭК ведут к снижению показателей надежности. Даже для одинаковой радиоэлектронной аппаратуры методы ее сборки оказывают существенное влияние на надежность.

Основными факторами, приводящими к отказу ПЭК, являются электрические перегрузки, повышенная влажность и температура, плохая адгезия слоя с подложкой. Сравнительно редко короткие замыкания возникают в результате случайного попадания внутрь корпуса ПЭК токопроводящих частиц. Замыкания электродов структуры с подложкой возникают иногда из-за провисания внутренних проводников вследствие их избыточной длины. Надежность ПЭК при эксплуатации характеризуется кривой зависимости интенсивности отказов λ от времени (рисунок 1).

Рисунок 1 – Типовая зависимость интенсивности отказов ПЭК от времени

На этой кривой видно относительно высокое значение λ в период ранних отказов (период приработки), сравнительно низкое и постоянное значение в период эксплуатации и возрастающая интенсивность в период износа (примерно через 25-30 лет нормальной работы). Ранние отказы возникают, как правило, вследствие конструктивных и технологических недостатков. В нормальных условиях работы этот период длится до 1000 ч или примерно шесть недель. На окончание этого этапа указывает выравнивание кривой интенсивности отказов. Интенсивность отказов в период приработки имеет тенденцию к уменьшению по мере усовершенствования конструкции и технологии [2].

Следует отметить, что на надежность ПЭК влияет не только их собственная надежность, но условия эксплуатации в аппаратуре. На ПЭК в составе радиоэлектронной аппаратуры постоянно воздействуют внешние и внутренние эксплуатационные факторы. К первым относятся: температура, влажность, давление и химический состав среды, радиация и другие факторы, влияющие на элементы независимо от того, работают они или нет. Ко вторым факторам относятся напряжения и токи установившихся и переходных режимов работающих элементов и возникающее в связи с этим выделение в элементе тепла, образование электрических и магнитных полей, механические нагрузки. Из-за воздействия эксплуатационных факторов в материалах элементов протекают различные физико-химические процессы, в результате которых возникают обратимые и необратимые изменения в материалах. Обратимые изменения обусловлены обменом материала элемента с внешней средой за счет сорбции и десорбции, температурными изменениями свойств материала и другими явлениями.

Необратимые изменения вызываются протеканием в материалах химических реакций, проникновением в них различных веществ из внешней среды, развитием микротрещин в структуре материала и другими процессами. Накопление изменений в материалах приводит к изменению их свойств, параметров элементов и, в конечном счете, к появлению постепенных и внезапных отказов, которые отличаются друг от друга скоростью накопления изменений.

Наибольшие необратимые изменения сопротивления ПЭК вызываются электрической нагрузкой, повышенной температурой и повышенной влажностью окружающей среды и в ряде случаев действием проникающей радиации. Характер действия электрической нагрузки и температуры на резисторы идентичен (тепловое старение). Однако за счет локальных перегревов в объемном слое и контактных узлах повышение электрической нагрузки приводит, как правили, к большему изменению параметров ПЭК, чем соответствующее повышение окружающей темпера­туры. Степень влияния электрической нагрузки и температуры на пара­метры ПЭК зависит от их конструктивного исполнения, примененных материалов и особенностей технологии их производства.

К сожалению, процесс изготовления ПЭК никогда не соответствует строго теоретическому предписанию и, следовательно, имеют место дефекты, которые приводят к отказу изделия. При возникновении преждевременных отказов часто создается конфликтная ситуация между конструкторами, технологами и эксплуатационниками. Чтобы найти виновника и источник возникновения отказа необходимо проанализировать причины преждевременного отказа, т.е. обстоятельства, которые обусловили внезапность его возникновения. В таблице 1 приведены причины и виновники возникновения отказов.

Таблица 1 - Категории преждевременных отказов

В то же время, на начальных этапах изготовления радиоэлектронной аппаратуры наблюдаются отказы, причины которых часто не связаны с качеством ПЭК. Большое число отказов обусловлено ошибками производственного персонала и перегрузками ПЭК. Часть исправных изделий изымается из аппаратуры ошибочно. Для повышения надёжности радиоэлектронной аппаратуры изготовители аппаратуры должны выбрать стратегию, то есть решить, на каком уровне следует проводить тренировку: всей аппаратуры, электронные блоки или платы и отдельные компоненты, или проводить её на всех уровнях, или на некоторых из них не проводить вообще.

К основным факторам, влияющим на выбор стратегии, относятся: занимаемое компанией (фирмой, предприятием) положение в области качества или желаемый уровень надёжности выпускаемой аппаратуры, предполагаемый коэффициент отказов потенциально ненадёжных изделий, стоимость восстановления неисправностей в аппаратуре и стоимость тренировок на различных уровнях. Для этих целей эффективно использовать метод FMEA, который представляет собой систематизированный комплекс действий, проводимых для того, чтобы [2]:

− выявить несоответствия изготавливаемой продукции и процессов, а также последствия возникновения этих несоответствий, и дать им количественную оценку;

− создать ранжированный список видов и причин несоответствий для планирования корректирующих и предупреждающих действий;

− определить корректирующие и предупреждающие действия, которые могли бы устранить или снизить вероятность возникновения несоответствий;

− документировать данные по результатам анализа для накопления в базе знаний.

Главной целью метода FMEA является предупреждение и ослабление влияния возможных дефектов (отказов) продукции (конструкции), процесса на потребителя. С помощью данного метода можно выбрать наиболее критические процессы из всех процессов и определить критические точки производственного процесса.

Оценка вероятности возникновения отказа c использованием метода FMEA проводится экспертным методом. С этой целью на предприятии создается специально подобранная многофункциональная команда экспертов, в состав которой могут входить специалисты разного профиля: ответственные за основные бизнес-процессы, представители службы качества предприятия, руководящие сотрудники (лица, принимающие решения). Эффективность анализа напрямую зависит от профессионального уровня, практического опыта и согласованности действий экспертов. Экспертная группа определяет виды рисков и угроз возникновения отказов. Идентифицированные риски заносятся в реестр идентифицированных рисков. Исходя из оценки текущей ситуации, экспертная группа устанавливает балльные оценки:

• ранг (балл) значимости (S) – балльная оценка по шкале от 1 до 10 серьезности по­следствий несоответствия;

• ранг (балл) возникновения (O) – балльная оценка по шкале от 1 до 10 частоты воз­никновения причины несоответствия (несоответствия);

• ранг (балл) обнаружения (D) – балльная оценка по шкале от 1 до 10 способности су­ществующих действий контроля обнаруживать потенциальные причины несоответствия.

Выбор значений показателей О, D, S производится с помощью
таблицы 2. На основании выбранных показателей О, D, S производится расчет приоритетного числа риска (ПЧР) по фор­муле:

где S - значимость;

О - вероятность возникновения;

D - вероятность обнаружения.

Очевидно, что показатель ПЧР является обобщенной количественной характеристикой, учитывающей значимость и вероятности возникновения и обнаружения.

Таблица 2 – Квалиметрические шкалы значимости факторов S , O, D

Исходя из величины ПЧР, экспертной группой принимается решение:

- если ПЧР меньше 40, то уровень данного вида риска - низкий, в этом случае не требу­ется дополнительных мер;

- если ПЧР больше 40, но меньше 100, то уровень риска приемлемый, при этом воз­можно начать проработку предупреждающих действий по снижению риска;

- если ПЧР больше 100, то уровень риска высокий – в этом случае требуется незамедли­тельная разработка и принятие мер для снижения риска/угрозы.

Если для риска показатель ПЧР превысил число 100, экспертная группа определяет по­тенциальные причины такого уровня риска. Эти причины, в свою очередь, рассматриваются экс­пертной группой как нежелательные ситуации, и проводится оценка уровня возможности их по­явления с помощью показателей О, D, S и расчета ПЧР. В случае, если ПЧР для любой из причин превышает 100, экспертная группа формулирует предупреждающие действия, а затем оценивает уровень риска их невыполнения тем же способом. И так продолжается до тех пор, пока уровень риска не станет приемлемым и, следовательно, предупреждающие действия - результативными. Оценки всех рисков и угроз отражаются в «Протоколах оценки и анализа рисков и угроз» работ­ником службы качества. Для рисков, ПЧР которых равно или больше 100 (неприемлемых рис­ков), работник службы качества ведет «Реестр неприемлемых рисков», для нейтрализации которых меры минимизации должны приниматься в первую очередь.

Применение FMEA в процессе разработки и производства должно существенно улучшить качество производимой продукции и повысить её конкурентоспособность.

Список используемых источников

1. ГОСТ Р 51901.5-2005 «Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности». [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200041156

2. ГОСТР 51901.12 2007 (МЭК 60812:2006) Менеджмент риска. Метод анализа видов и последствий отказов [Электронный ресурс].// КонсультантПлюс: справочно-правовая система. URL: https://ohranatruda.ru/upload/iblock/b15/4293835051.pdf