Климатические испытания. 
Основы теории надежности

Требуемая стойкость изделий к воздействиям климатических факторов закладывается на этапе их разработки и конструирования и обеспечивается в производстве. Наиболее достоверную оценку дают испытания изделий в условиях, имитирующих эксплуатационные воздействия. Однако некоторые изделия, например ИС в составе ЭА, эксплуатируются в различных климатических условиях, и для них практически невозможно при испытаниях имитировать все без исключения условия эксплуатации. Многолетний опыт деятельности в области испытаний показал, что можно ограничиться определенным комплексом стандартных климатических воздействий. Простые и универсальные, они сложились исторически на эмпирических принципах. Не имитируя реальные условия эксплуатации, они, тем нс менее, позволяют получать нужную информацию в кратчайшие сроки, что достигается за счет увеличения уровня и длительности используемых нагрузок на изделия в процессе испытаний. Принципы оценки результатов испытаний должны создавать уверенность в том, что вновь разрабатываемые изделия будут обладать в эксплуатации не худшей стойкостью, чем их предшественники. Первым и непременным условием воспроизводимости результатов испытаний является их полное и точное описание, исключающее всякую неопределенность толкования.

Виды основных климатических испытаний: воздействие пониженных и (или) повышенных температур, циклическое воздействие смены температур, на теплоустойчивость и на влагоустойчивость.

Воздействие внешних пониженных и повышенных температур на приборы связано со всегда имеющими место в эксплуатации суточными и сезонными изменениями температуры окружающей среды. Внешние температурные факторы могут действовать и в сочетании с определенным (повышенным) тепловым режимом и другими внешними воздействующими факторами при эксплуатации изделий, построенных во многих случаях на полупроводниковых приборах и микросхемах. Наиболее благоприятные условия функционирования для приборов складываются при стационарном температурном воздействии на них, в условиях установившегося режима эксплуатации или хранения, когда приборы длительное время находятся в относительно неизменных температурных условиях, не превышающих по степени жесткости воздействия оптимальные условия, рекомендуемые нормативно-технической документацией.

Испытания на тепловое воздействие (теплоустойчивость) проводят с целью определения способности изделий сохранять свои параметры и внешний вид в пределах норм ТУ в процессе и после воздействия температуры вплоть до ее верхнего значения (см. табл. 7.1).

Изделия, отобранные для испытаний, должны удовлетворять требованиям ТУ по внешнему виду и значениям контролируемых параметров. Изделия помещают в камеру и испытывают в течение заданного времени при повышенной температуре внешней среды, устанавливаемой в зависимости от степени жесткости испытаний.

Испытания па циклическое воздействие смены температур проводят для определения способности изделий противостоять быстрой смене температуры (см. табл. 7.1). В ходе испытаний изделия подвергают воздействию быстрой смены температуры от верхнего до нижнего значений и в обратном направлении. Общее число циклов воздействий обычно устанавливается равным трем, иногда выбирается другое число циклов (когда оно специально не оговорено). Каждый цикл состоит из двух этапов: сначала изделия помещают в камеру холода, а затем в камеру тепла, температуры в которых устанавливаются в зависимости от степени жесткости испытаний.

Разновидностью данного вида испытаний является испытание на тепловой удар, при котором изделия помещают повременно в жидкости, находящиеся при минимальной и максимальной допустимых температурах (по ТУ).

Испытания на влагоустойчивость бывают длительные и кратковременные. Длительные испытания проводят с целью определения способности изделий сохранять свои параметры в условиях и после длительного воздействия влажности. Кратковременные испытания реализуют для оперативного выявления грубых технологических дефектов в серийном производстве и дефектов, которые могли возникнуть в предшествующих испытаниях. Оба вида испытаний на влагоустойчивость могут проводиться в циклическом (с конденсацией влаги) или непрерывном (без конденсации влаги) режимах. Конкретный вид испытаний устанавливается в зависимости от назначения и условий эксплуатации изделий.

Циклический режим испытаний характеризуется воздействием повышенной влажности при циклическом изменении температуры воздуха в камере (см. табл. 7.1). В результате создают условия для выпадения росы на наружных поверхностях изделий (при быстром снижении температуры) и последующего ее испарения (в период повышения температуры), что способствует интенсивному развитию процессов коррозии. При снижении температуры в камере влага может проникать внутрь изделий через различные микроканалы в сварных, паяных швах, местах сопряжения материалов.

Физический механизм этого явления заключается в следующем. При снижении температуры в камере охлаждается воздух во внутренней полости испытуемого изделия и давление там уменьшается. За счет возникшего перепада давлений в окружающем объеме и внутри полости влага диффундирует по капиллярам внутрь этой полости (корпуса). Учитывая эти особенности, испытания на влагоустойчивость в циклическом режиме следует рекомендовать в первую очередь для изделий, имеющих свободные внутренние полости, например для изделий в пластмассовых корпусах со свободным внутренним объемом, ИС в металлостеклянных и металлокерамических корпусах со свободным объемом и т. п.

В процессе непрерывных испытаний не предусматривается конденсация влаги на изделия, поэтому непрерывные испытания проводят при постоянных температуре и влажности в камере. Время выдержки изделий при заданной температуре определяется необходимостью достижения изделиями теплового равновесия. Аналогично построена методика кратковременных испытаний изделий при непрерывном режиме.

Электрические испытания

Испытания изделий под электрической нагрузкой предусматриваются в том случае, если в условиях эксплуатации этих изделий при увлажнении под напряжением возможно появление разрушающих действий электролиза или электрохимической коррозии. В качестве нагрузки используется напряжение, обеспечивающее минимальное выделение тепла в испытываемых изделиях.

Испытания на безотказность, долговечность и сохраняемость

Поскольку под безотказностью понимают свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки, то из этого определения следует, что данное свойство отражает основное содержание понятия надежности, так как главное назначение любого прибора состоит в исправном выполнении им заданных функций в течение определенного промежутка времени. Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы, означающая, что в пределах заданной наработки отказ изделия не возникает с заданной в ТЗ вероятностью. Таким образом, конкретное численное значение вероятности безотказной работы прибора имеет смысл лишь тогда, когда оно поставлено в соответствие заданной наработке, в течение которой возможно возникновение отказа. Долговечность — свойство прибора сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания, данное свойство охватывает ресурсные характеристики изделия и существенно дополняет свойство безотказности (см. табл. 7.1). Сохраняемость — свойство прибора сохранять значения показателей безотказности и долговечности в течение и после хранения и транспортирования.

В зависимости от характера и уровня интенсивности воздействующих на изделие внешних факторов различные виды испытаний имеют разную эффективность с точки зрения выявления скрытых дефектов, определяющих надежность изделий. Вышеуказанная зависимость отражена в табл. 7.1, из которой следует, что одним из наиболее эффективных видов испытаний, выявляющих наибольшее количество скрытых дефектов изделия (на примере ИС), являются термоэлектрические испытания на безотказность и долговечность. Поэтому в данном учебнике рассмотрим подробно испытательное оборудование и последовательность проведения именно этого вида испытаний (для ИС).