Надежность электронных приборов

Надежность — это свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Радиоэлектронное и электронное оборудование современных космических аппаратов включает в себя до десятка миллионов сложных устройств, поэтому проблема повышения надежности имеет крайне важное значение.

В качестве одного из основных количественных критериев надежности используется интенсивность отказов. При этом под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Свойство электронного прибора сохранять работоспособность в течение определенного промежутка времени t называется безотказностью. Это свойство характеризуется вероятностью безотказной работы p (t) в течение промежутка времени t. Она может быть вычислена по формуле: p (t) = n (t)/N> где n (t) — число исправных приборов в любой рассматриваемый момент времени; N — начальное общее число испытуемых приборов; n (t)/N — в любой момент времени / определяет вероятность безотказной работы отдельно взятого прибора.

Интенсивность отказов (t) характеризует интенсивность выхода приборов.

Рис. 23.24.

за малый промежуток времени А*; N — общее число испытуемых приборов; с1 — число приборов, отказавших до начала интервала А/.

Вероятность безотказной работы и интенсивность отказов связаны между собой соотношением Интенсивность отказов для электронных приборов имеет три характерных временных интервала (рис. 23.24). Начальный интервал времени (обл. I) соответствует ранним отказам (периоду приработки приборов), причины которых заключаются в быстро проявляющихся скрытых производственных дефектах. Второй участок времени (обл. II) соответствует периоду нормальной эксплуатации у когда значения A.(f) мало изменяются во времени и существенно меньше по сравнению с периодом ранних отказов. На третьем временном участке (обл. III) интенсивность отказов вновь возрастает из-за износа и старения приборов. На этом участке преобладают отказы из-за изменения параметров приборов. Средняя наработка времени на один отказ f_cp определяется через X (t) по формуле ?_ср = 1/Х.

При X = 5*10 ⁶ ч^-1 и? = 5000 ч Xt = 2,5* 10^-2, тогда p (t) = = р (5000) = 0,975; ?_ср = 2 • 10⁵ ч, т. е. средняя наработка до отказа в данном примере составляет 20 000 ч.

Показатели надежности определяют такой важный эксплуатационный параметр приборов, как его долговечность, которая устанавливает гарантированную продолжительность работоспособного состояния электронных приборов в процессе их эксплуатации.

В соответствии с характером изменения параметров электронных приборов отказы могут быть разбиты на две большие группы:

• 1) катастрофические (внезапные)у характеризующиеся импульсным (скачкообразным) изменением параметров прибора;
• 2) условные (постепенные)у возникающие в результате плавного изменения параметров.

Первый вид отказов часто приводит к полной потере работоспособности приборов. Во втором случае прибор может сохранять полную или частичную работоспособность, но его параметры с течением времени заметно отклоняются от первоначальных или комплексных значений.

Катастрофические отказы, относящиеся к безусловным отказам, как правило, обусловлены недостатками конструкции или технологии, а также условиями эксплуатации.

Конструктивные недостатки, приводящие к катастрофическим отказам, могут проявляться из-за различия коэффициентов теплового расширения материалов сочленяющихся элементов приборов, что приводит к механическим нарушениям различного вида контактов, растрескиванию кристаллов полупроводников, баллонов ламп. Это наиболее ярко проявляется в мощных приборах. Чтобы не допустить дефектов такого рода, применяют термокомпенсирующие прокладки между отдельными элементами конструкции.

В высокочастотных приборах размеры электродов составляют часто единицы и десятки мкм, особенно это относится к полупроводниковым приборам. Выводы у таких приборов выполняются тонкими проводниками (~ 8 мкм), которые невозможно сделать строго однородными по длине. В результате могут возникнуть обрывы или перегорание внутренних выводов. Перегорание может быть вызвано также значительным перепадом температур при использовании длинных внутренних выводов и технологическими нарушениями процесса пайки контактов. Кроме обрывов и перегораний выводов, в электронных приборах возможны пробои переходов или окисных слоев, короткие замыкания. Пробои возникают во всех типах электронных приборов. Они приводят к коротким замыканиям между различными электродами. Причины пробоев обусловлены нарушением и несовершенством технологии, неправильной эксплуатацией приборов, связанной с несоблюдением режимов работы приборов. Примером несовершенства технологии в планарных транзисторах является наличие в окисном слое микроскопических отверстий, являющихся одной из причин возникновения пробоев. Наличие пылинок на поверхности фоторезистора после процесса травления приводит к возникновению отверстий в месте их расположения.

Рассмотрим основные причины катастрофических отказов при неправильной эксплуатации, поскольку надежность работы приборов в схеме (устройстве) определяется не только его собственной надежностью, но и условиями его эксплуатации. До 70% всех отказов полупроводниковых приборов обусловлено неправильной эксплуатацией. Наиболее часто встречающимся примером неправильной эксплуатации является использование приборов в режимах, превышающих максимально допустимые или близких к ним.

Одним из важнейших параметров, определяющих надежность прибора, является максимально допустимая температура перехода, которая определяется мощностью, рассеиваемой в приборе, температурой окружающей среды и условиями теплообмена между переходом и окружающей средой.

Повышение мощности, рассеиваемой прибором, будет приводить к разогреву элементов прибора. Увеличение температуры приводит к росту доли собственной электропроводности в примесном полупроводнике. В результате при некоторой температуре электронно-дырочный переход вообще перестает существовать. За максимально допустимую температуру принимается более низкая температура, при которой основные свойства прибора сохраняются. Температура перехода определяется материалом (германий, кремний, арсенид галлия и т. д.) и степенью легирования полупроводника. Полупроводниковые приборы с высокой степенью легирования (например, туннельные диоды) имеют наиболее высокую максимально допустимую температуру перехода (Тумаке, «)» ^а приборы на основе слаболегированных материалов (например, высоковольтные диоды) имеют самую низкую температуру Т_{мин п}. На практике для повышения надежности температуру окружающей среды ограничивают 30…40°С, а рабочая мощность устанавливается менее половины от Р_макс.

Максимально допустимые напряжения между электродами приборов часто устанавливаются значительно меньше напряжения пробоя перехода: из-за возможности пробоя как в объеме, так и на поверхности полупроводника; из-за требований отсутствия влияния размножения носителей в коллекторном переходе на коэффициент передачи тока; из-за технологических дефектов полупроводникового материала (неоднородности, посторонние включения и т. п.) и ряда других причин.

Максимально допустимые значения токов определяются из условий разогрева перехода с учетом неоднородностей материала. Катастрофические отказы составляют 15…20% от общего числа отказов.

Большинство отказов обусловлены постепенным изменением параметров приборов сверх допустимых отклонений. Условные отказы чаще всего вызваны физическими и химическими про цессами на поверхности и в объеме полупроводниковых приборов, и процессами на катодах в электронных лампах. Объемные процессы, приводящие к недопустимому изменению параметров, в полупроводниковых приборах играют незначительную роль. Постепенные изменения параметров полупроводниковых приборов связаны в основном с явлениями на поверхности (см. § 1.5). Изменение поверхностных состояний приводит к заметному изменению обратных токов, коэффициентов передачи и пробивных напряжений полупроводниковых приборов.

Одним из основных факторов, определяющих нестабильность электрофизических свойств полупроводников, является наличие влаги. Для предотвращения попадания влаги на поверхность полупроводника корпуса приборов тщательно герметизируют и, кроме того, внутри корпуса помещают влагопоглотитель (сорбент): силикагель или алюмогель. Другая причина нестабильности свойств поверхности связана с движением ионов щелочных металлов (натрия, кальция, калия) в слое окисла. Поверхностная плотность этих ионов может достигать 10^й ионов/см². Они образуют в пленке двуокиси кремния подвижные объемные заряды, влияющие на свойства переходов и параметры приборов, особенно при повышенных температурах.

Таким образом, влияние условий работы сказывается на интенсивности как катастрофических, так и условных отказов. Для транзисторов такое влияние можно проиллюстрировать на основе зависимостей, представленных на рис. 23.25, где отражено воздействие нормализованной температуры Т_н и рассеиваемой мощности Р_к на величину X (Р_Кмакс — максимальная допустимая мощность на коллекторе). Нормализованная температура определяется следующим образом:

где Т_раб — рабочая температура; Т_макс — максимально допустимая температура; Т_сн — температура начала снижения электрического режима.

Таким образом, при длительной и безотказной (надежной) работе при;

Рис. 23.25.

боров целесообразно эксплуатационные режимы выбирать ниже максимально допустимых. Для определения надежности приборов проводятся механические, климатические испытания и испытания на долговечность.

В заключение можно привести конкретные значения интенсивности отказов электронных приборов. Период приработки (участок I зависимости А.(0 на рис. 23.24) для различных электронных приборов колеблется от единиц до сотен часов. Заметно выраженного увеличения интенсивности отказов, соответствующих периоду старения и износа (участок III, рис. 23.24) для полупроводниковых приборов не наблюдается, что и отражает большую долговечность этих приборов. Интенсивность отказов Х (0, соответствующая периоду нормальной эксплуатации при номинальных режимах (участок II, рис. 23.24), для диодов и транзисторов лежит в диапазоне 10″⁷…10^-3ч^-1, а для электронных ламп— 10 ⁴…10 ⁵ ч¹.