Расчет режимов ускоренных испытаний на безотказность и долговечность на примере ИС серии 1526

Рассмотрим практический пример, касающийся реальных ускоренных испытаний интегральных схем.

Сокращение продолжительности испытаний микросхем на безотказность и долговечность может быть достигнуто в результате ускорения механизмов старения изделий за счет ужесточения режимов, в первую очередь температуры испытаний. При расчете продолжительности испытаний микросхем используется РД 11 0755−90.

Фактор ускорения процессов старения, приводящих к ранним отказам потенциально ненадежных приборов при воздействии на них повышенных температурных нагрузок (с учетом энергии активации), определяется с использованием рассмотренной выше формулы (7.1).

где k — константа Больцмана, равная 8,625 • 10−5 эВ/К; Т1 и Т2 — абсолютные значения температуры элементов в кристалле (чаще всего — кристалла) микросхемы при испытаниях: регламентированная ТУ (Т1) и форсирующая (Т2), которая превышает требования ТУ на микросхемы.

Расчет режимов ускоренных испытаний проводился для разных значений повышенной температуры окружающей среды, регламентированной ТУ на микросхемы для испытаний на безотказность и долговечность: +85 и +125°С.

При расчете режимов ускоренных испытаний нетепловыделяющих микросхем, к которым относятся КМОП-микросхемы, температура кристалла практически совпадает с температурой корпуса, и следовательно, можно не учитывать эффекты, связанные с перегревом кристалла.

Расчет коэффициента ускорения ky для микросхем серии 1526, изготовленных по КМОП-технологии, проведен при значении Еа = 0,65 эВ с учетом требования РД 11 0755−90, согласно которому величина kу при проведении ускоренных испытаний (УИ) микросхем на безотказность и долговечность не должна превышать 5. Результаты расчета представлены в табл. 7.5.

Зависимость коэффициентов ускорения от температуры испытаний для микросхем серии 1526 приведена на рис. 7.2 (график 2 соответствует режиму ускоренных испытаний для типов микросхем с повышенной температурой по ТУ, равной +85°С; график 3 — для микросхем с температурой по ТУ +125°С). Для ускоренной оценки гамма-процентного ресурса (см. ГОСТ 27.002−89), средней наработки до отказа и длительной, до нескольких сотен тысяч часов, наработки при нормальной температуре окружающей среды Тс = Тисп = +25°С) можно использовать режим, показанный на графике 1.

Таблица 7.5

Результаты расчета коэффициента ускорения ky для разных условий испытаний.

Рис. 7.2. Данные для графоаналитического способа определения коэффициента ускорения kу при испытаниях на безотказность и долговечность:

1 — при нормальной температуре окружающей среды +25°С; 2 — при повышенной температуре по ТУ +85°С; 3 — при повышенной температуре по ТУ +125°С Внедрение в технологию изготовления ускоренных испытаний изделий на безотказность значительно сокращает продолжительность испытаний. Это дает большую экономию материальных затрат на проведение испытаний и снижает себестоимость изделий.

Средства проведения испытаний

К средствам проведения испытаний относятся используемые оборудование, приборы, оснастка. Рассмотрим их на следующем примере.

Испытательный стенд И6М2.628.000 предназначен для испытания микросхем на надежность под электрической нагрузкой в диапазоне значений температур от соответствующего нормальным лабораторным условиям до +125°С.

Условия эксплуатации стенда:

• • температура окружающей среды — 20 ± 10 °C;
• • атмосферное давление — 750 ± 30 мм рт. ст.;
• • относительная влажность воздуха — до 95%.

Технические характеристики стенда. Возможно проведение испытаний цифровых, линейных (аналоговых) и функционально сложных микросхем, выполненных в различных корпусах. Стенд имеет следующие характеристики:

• • диапазон температур — от нормальной (комнатной, Т = 25°С) до +125°С;
• • питание стенда — от сети переменного тока с напряжением 380 В ± 10% с нулем и частотой 50 Гц;
• • потребляемая мощность — не более 3 кВт;
• • масса — 250 кг;
• • габаритные размеры — 670? 760? 1700 мм.

Загрузка испытуемых микросхем — кассетная. Крепление микросхем в кассете осуществляется пайкой на сменных печатных платах.

Емкость кассеты И6М4.212.038:

• • 80 микросхем в корпусах с числом выводов 16;
• • 50 микросхем в корпусах с числом выводов 24.

Для питания испытуемых микросхем в стенде применяются стабилизированные блоки источников питания И6М3.508.012 и И6М3.508.037 с выходным напряжением в диапазоне 3−30 В, обеспечивающие общий ток нагрузки до 18 А.

Для управления микросхемами по входам в стенде применяется генератор И6М3.548.061, имеющий один канал напряжения синусоидальной формы частотой до 20 кГц и два канала напряжения прямоугольной формы частотой до 0,5 МГц.

Устройство стенда — стенд содержит следующие основные части, шт.:

• • устройство УНТМ/Д-1 — 1;
• • кассета — 1;
• • эквивалент — 10;
• • блок питания — 7;
• • генератор — 1.

Принцип работы стенда — создание требуемых электрических условий для испытуемых микросхем с подачей на их выводы напряжений питания и управления, а также температурных условий в термостате и контроль функционирования микросхем во время испытаний.

Необходимый температурный режим для микросхем обеспечивается термостатом УНТМ/Д-1, являющимся конструктивной базой стенда, в каркасе-стойке которого размещены функциональные блоки.

Верхнюю часть каркаса-стойки занимает термостат с кассетой, в которой размещаются распаянные на печатных платах испытуемые микросхемы.

Кассета имеет следующую структуру. На внутренней стороне кассеты, помещаемой в термостат, расположены контактные разъемы для подключения печатных плат с распаянными на них микросхемами. Типы плат выбираются в зависимости от типа корпуса микросхемы. Выводы от плат с разъемами подпаиваются проводом к расположенным рядом штырям. Штыри соединены с контактами разъемов типа 6Р-150 В, расположенных на лицевой стороне кассеты. Выводы от плат электрически соединены с выводами 1−140 соответствующего разъема и изолированы друг от друга.

Так, для корпуса с количеством выводов 14 первая микросхема занимает контакты 1 — 14, вторая — 15−28, третья — 29−42 и т. д. Для корпуса с количеством выводов 16 первая микросхема занимает контакты 1−16, вторая — 17−32 и т. д.

С увеличением количества выводов корпуса число одновременно испытуемых микросхем в стенде соответственно сокращается.

Контакты 141−150 каждого разъема 6Р-150 В соединены с разъемом? П10−30, через который в кассету вводятся линии проводов от блоков питания и каналов генератора стенда. Разъемы 6Р-150 В предназначены для подключения эквивалентов-устройств, в которых проводится необходимая коммутация выводов микросхем: подключение к ним блоков питания, напряжения смещения, сигналов управления от генератора, эквивалентных нагрузок и т. п. Эквиваленты имеют контрольные гнезда для проверки функционирования микросхем (рис. 7.3).

Для каждого типа микросхем требуется соответствующий комплект эквивалентов.

Рис. 7.3. Схематическое изображение эквивалента с контрольными гнездами для проверки функционирования ИС:

1−28 — номера гнезд колодки для измерения параметров микросхем до, во время и после испытаний Питание испытуемых микросхем осуществляется от стабилизированных источников напряжения или аналогичных им по параметрам приборов. Все блоки выполнены по схеме стабилизатора компенсационного типа, имеют четырехпроводной вывод, содержат устройства защиты от перенапряжения подключаемой нагрузки и различаются диапазоном выходного напряжения и нагрузочной способностью.

Напряжение управления для микросхем создает генератор по трем каналам: первый канал — напряжение синусоидальной формы частотой до 20 кГц; второй и третий каналы — напряжения прямоугольной формы частотой до 0,5 МГц, сдвинутые по фазе на 90°.

Конструктивно блоки питания и генератор имеют один типоразмер.

Стенд имеет восемь одинаковых установочных гнезд БП1 — БП8 для блоков питания и генератора (рис. 7.4), поэтому каждый блок может быть установлен в любое гнездо, однако генераторы, не имеющие внутреннего источника питания, должны размещаться в гнездах БП7 или БП8, имеющих дополнительные линии для внешнего питания генераторов.

Рис. 7.4. Схема размещения блоков и маркировка гнезд.

Потенциальные и токовые линии от восьми гнезд для блоков заведены на клеммные платы с маркировкой «-И», «-ОС» (обратная связь), «+И», «+ОС» от каждого гнезда БП1-БП8. Клеммы платы электрически соединены с разъемом РП10−30, через который запитываются микросхемы в кассете.

Подключение необходимых блоков питания, генераторов, обеспечение нужной полярности напряжений и другие задачи выполняются в результате коммутации с помощью проводников на клеммных платах.

При работе стенда блоки питания и генератор принудительно охлаждаются системой обдува, установленной в «подвале» каркаса-стойки.

Контроль функционирования испытываемых микросхем осуществляется с помощью осциллографа, подключаемого к гнездам, имеющимся на эквивалентах.

Подготовка стенда к работе состоит из трех основных этапов:

• • осуществление коммутации на специальных платах;
• • установка заданных режимов для проведения испытаний микросхем;
• • распайка микросхем на коммутационные платы.

При выполнении коммутации на платах необходимо руководствоваться следующими данными:

• • стенд имеет семь гнезд для размещения блоков питания и генератора, которым присвоены наименования (см. рис. 7.4);
• • выходные линии от гнезд БП1 -БП8 заведены на коммутационные платы с маркировкой «-И» («минус» блока), «-ОС» («минус» обратная связь), «+И» («плюс» блока), «+ОС» («плюс» обратная связь) для каждого блока; обратные связи линий не замкнуты с токовыми линиями (замыкаются при вводе в кассету); гнезда БП1 и БП8 имеют дополнительные выводы на плату с целью использования их для установки как блоков питания, так и генераторов, не имеющих внутреннего источника напряжения; через дополнительные клеммы платы 5 («плюс») и б («минус») для БП7, 14 («плюс») и 15 («минус») для БП8 проводится коммутация одного из блоков стенда для питания генератора.

Контакты с 141-го по 150-й разъемов 6Р-150 В кассеты используются для подведения напряжения питания и управления к испытываемым микросхемам (коммутация осуществляется через эквиваленты) и соединены с коммутационной платой, линии питания промаркированы и разбиты по группам.

При коммутации к соответствующим клеммам испытательных плат подключаются выходы блоков питания с учетом требуемой полярности, а также генератор с коммутационной платой.

После выполнения необходимых соединений требуется включить стенд и убедиться в работоспособности системы обдува блоков. При неисправной системе обдува блоки питания не следует включать.

Проведение испытаний на безотказность, долговечность. Рассмотрим порядок проведения испытаний на примере микросхемы 1526ЛН1ММ со следующими данными:

• • напряжение блока питания БП1 — 11 В;
• • ток потребления — 10 мА;
• • сигнал управления — прямоугольные импульсы с частотой 50 Гц и скважностью 2.

По данным ТУ для испытуемой микросхемы (рис. 7.5), приняв во внимание количество микросхем в кассете, например 80 шт., необходимо подключить для проведения испытаний следующие блоки:

• • генератор — каналы импульсного напряжения в качестве сигналов управления;
• • блоки питания — в количестве 5 шт. (из расчета не более 4 А потребления по току на блок).

Рис. 7.5. Схема включения микросхем 1526ЛН1ММ-ник при испытаниях на безотказность и долговечность:

D — микросхема; Ucc — напряжение питания; G1, G2 — генераторы сигналов; N — осциллограф После установки блоков следует провести соединения на коммутационных платах. Коммутацию выходов генератора можно выполнять в результате соединения высокочастотными кабелями разъемов кассеты и выходных разъемов блока генератора.

В случае использования генератора как источника сигнала синусоидальной формы его необходимо запитать от блока, установленного в гнездо БП7, при этом выводы «-ОС», «-И» БП7 следует соединить с клеммой «минус», а «+ОС», «+И» этого блока питания — с клеммой «плюс» .

Далее надо включить генератор, выбрать заданную частоту импульсов переключателем «Частота», проконтролировать осциллографом наличие выходных сигналов (рис. 7.6) на соответствие временной диаграмме, приведенной в техническом документе для генератора.

Рис. 7.6. Временны?е диаграммы входных и выходного сигналов для микросхем 1526ЛН1 ММ-ннк при испытаниях:

U11 = Uвх от генератора G2 (клемма 12); U12 = Uвх от генератора G1 (клеммы 1, 3, 6,10,13, 15); U0 = Uвых (клеммы 2, 5, 7, 9, 11, 14) (см. рис. 7.5).

При использовании канала синусоидального напряжения амплитуду выходного сигнала следует контролировать вольтметром.

На выходных сигналах допускается помеха, обусловленная конечной длительностью импульса на уровне 0,5 не более 1 мкс. Форма и длительность фронтов выходного сигнала регламентируются.

Следует выбрать необходимые эквиваленты и убедиться в их работоспособности в результате прозвонки и проверки функционирования на контрольных микросхемах того же типа. Необходимо установить кассету с распаянными микросхемами в термостат, подключить к ней кабель питания. Включить стенд и поочередно блоки питания и генератор; проверить наличие напряжений в контактах 141 — 150 разъемов кассеты согласно режиму испытаний. Следует установить поочередно эквиваленты на кассету, убедиться в наличии выходных сигналов на микросхемах с помощью осциллографа, подключая его к контрольным гнездам эквивалентов.

После проверки при функционировании всех микросхем надо снять эквиваленты и выполнить операции подготовки к работе термостата согласно эксплуатационной документации.

При возникновении аварийного режима в любом блоке питания (горит сигнальная лампа «Авария») необходимо выключить блок тумблером «Сеть», переключателем «Нагрузка — Вкл.» отключить нагрузку.

После устранения неисправности следует включить блок тумблером «Сеть» и кнопкой «Пуск». При нормальном запуске надо выключить блок, включить нагрузку, затем включить блок. При повторном аварийном режиме необходимо снять эквиваленты с кассеты и устранить причину перегрузки блока. При неисправности самого блока следует заменить его резервным блоком. Полное отключение стенда можно проводить только после выключения всех блоков.

Рассмотрим контроль параметров испытательного стенда. При ремонте и аттестации испытательного стенда следует выполнять контроль параметров термостата, блоков питания и генераторов, установленных в нем. Для проверки параметров блоков питания необходимы следующие приборы:

• • вольтметр постоянного тока для измерения напряжения Uвых;
• • амперметр постоянного тока для контроля тока нагрузки;
• • милливольтметр переменного тока для измерения напряжений пульсаций;
• • вольтметр переменного тока для измерения напряжения сети;
• • реостат нагрузки;
• • лабораторный автотрансформатор для измерения напряжения сети.

Для контроля параметров генераторов необходимы двухили четырехлучевой осциллограф, в общем случае, а также частотомер, измеритель нелинейных искажений, эквивалент нагрузки и другие измерительные приборы и приспособления, характеристики которых должны соответствовать требованиям к параметрам проверяемых типов генераторов. Амплитуда сигнала (или уровни) контролируются при указанной допустимой нагрузке, подключаемой к выходным каналам генератора.

Экономические аспекты контроля и испытаний изделий (ИС). Испытания изделий при приемочном контроле — очень трудоемкий процесс, продолжительность цикла испытания занимает много времени. Все это приводит к большим затратам по использованию производственных мощностей, основных фондов, рабочей силы и, что очень важно, — к увеличению времени изготовления изделий, определяемому от начала процесса изготовления до отгрузки готовой продукции.

Если рассмотреть распределение затрат по видам испытаний в процентах к стоимости всех испытаний, то получится такая картина:

• • долговечность, безотказность — 49;
• • технологические отбраковочные испытания — 33,8;
• • термоудар — 4,5;
• • гермоциклы — 3,6;
• • вибропрочность — 5;
• • влагостойкость — 2,7;
• • теплоустойчивость — 0,7;
• • холодоустойчивость — 0,7.

Из представленных опытных данных следует, что затраты на проведение испытаний на долговечность и безотказность составляют примерно половину стоимости всех испытаний. Поэтому для усовершенствования процесса и сокращения времени испытаний изделий разработан, опробован и внедрен в производство ускоренный метод испытаний изделий, в частности ИС, на безотказность и долговечность, применение которого позволяет значительно снизить затраты на испытания и время испытаний.

Пример 7.1.

Пусть изделие состоит из пяти блоков, данные о надежности и стоимости которых приведены в табл. 7.6.

Таблица 7.6

Показатели надежности и стоимости испытуемых блоков

Требуется спланировать испытания отдельных блоков в течение ? = 1000 ч так, чтобы половина ширины доверительного интервала ?? для отвечающего доверительной вероятности? = 0,9, не превышала 20% от расчетного значения.

Решение

Вначале по справочной таблице^[1] находят значение квантиля t? = 1,645, затем вычисляют.

И затем определяется количество блоков, подлежащих испытаниям, но формуле, приведенной (после решения задачи оптимизации по критерию надежности и стоимости) в работе [29, т. 4]. Как показывают вычисления, для реализации оптимального плана испытаний потребуется взять n1 = 6, n2 = 11, n3 = 3, n4 = 2, п5 = 11 блоков, при суммарных затратах в 220 усл. ден. ед.

• [1] См., например: Сборник задач по теории надежности / под ред. А. М. Половко и Η. М. Маликова. М.: Советское радио, 1972. С. 233.