Фізичні методи

Фізичні методи [36, 50, 62]. Дослідники відмов виробів використовували принцип каузальності (причинності) і поширили сто вплив на галузі фізики, хімії та матеріалознавства.

В результаті застосування понять "механізм відмови", "енергія активації процесу деградації" зародилися фізичні методи оцінки показників якості на основі рівнянь Арреніуса і Ейрінгом (фізика надійності, фізика відмов). Ключові механізми та фізико-математичні моделі відмов компонентів і входять до їх складу елементів представлені в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Характерні механізми і моделі відмов компонентів і входять до них елементів

Об'єкт

Параметр

Механізми

Модель

Література

Фізико-хімічна система

Час мимовільного виходу з стійкого стану τ

Різні

(16]

Герметизуючі покриття. Полімери

Довговічність t f

Деструкція полімерів, дифузійні процеси

[62]

Поверхня

p -типу

Поверхнева концентрація іонів

n s

Поверхневі явища, процеси сорбціі- десорбції

[62]

Алюміній масивний

Довговічність tj

Старіння

[35, 62]

Металізація

Довговічність t f, опір R

Електроміграціі, окислення, корозія

[37]

Багаторівневі межсоединения

Опір R

Освіта интерметаллидов

[37, 62]

Резистори

Опір R

Окислення

[37, 62]

Конденсатори

Ємність С

Дифузія, окислювання

[8]

Підхід Аррениуса грунтується па емпіричної зв'язку електричного параметра Р компонента або елемента і механізму відмови з енергією активації Е а.

Вираз для часу t f досягнення отказовие стану виробом (тобто довговічності) від номінального значення електричного параметра Р 0 до отказовие значенню Р f (вище або нижче гранично-допустимих значень параметра, зазначених у документації) має вигляд

де А - коефіцієнт пропорційності, який визначається дослідним шляхом; k - постійна Больцмана; Г - температура.

Гідності підходу Аррениуса обумовлені можливістю прогнозування надійності виробів.

До числа недоліків цього підходу відносять такі:

  • • неповнота, не можна передбачати появу катастрофічних відмов;
  • • відсутність в посилках методу конструктивно-технологічних параметрів елементів і компонентів;
  • • обмеженість, метод придатний для термічно активованих механізмів;
  • • емпіризм, він відбивається наявністю в наведеному вище виразі для t f коефіцієнта пропорційності А.

Останній зазначений недолік подоланий теорією Ейрінгом, яким введено поняття активованого комплексу частинок і виконано обгрунтування такого введення за допомогою методів статистичної фізики та квантової механіки. Теорія Ейрінгом - більш досконала, порівняно з підходом Аррениуса, але також не позбавлена недоліків. Вона, зокрема, не враховує досягнень російської термодинамічної школи матеріалознавців, творчо переробити ідеї Д. Гіббса, реалізовані в рівнянні Семенченко (див. В гл. 5).

Таким чином, поки фізичні методи визначення надійності грунтуються тільки на зв'язку вимірюваного параметра приладу і моделі механізму відмови у формі Аррениуса або Ейрінгом.

Гідність фізичних методів: можливість прогнозування параметричних відмов виробів на основі прискорених випробувань.

Недоліки фізичних методів:

  • • необхідність випробувань в умовах багато-номенклатурних виробництва для нових виробів;
  • • непередбачуваність катастрофічних відмов;
  • • відсутність моделей зв'язку показників якості та результатів аналізу відмов при виробництві.

Фізико-статистичні методи

Фізико-статистичні методи [41, 44]. Під фізико-статистичними методами оцінки показників надійності виробів розуміють методи, що базуються на використанні понять фізики і математичної статистики.

Цей клас методів передбачає спільне вивчення фізичних явищ, що викликають або супроводжуючих відмова виробів, та імовірнісних закономірностей відмінності їх дійсних термінів служби. Надійність (довговічність) реальних виробів не безмежна, а стохастически конечна і залежить від інтенсивності сприймаються ними впливів, ступінь напруженості яких обумовлена необхідністю повного використання виробів відповідно до призначення. Надійність, тобто ймовірність безвідмовної роботи виробів, буде тим вище, чим менше їх розрахунковий термін служби в порівнянні з медіанним, тобто витримуваною половиною об'єктів випробувань [62].

В якості ілюстрації застосування фізико-статистичних методів можна вказати приклад втрати виробами працездатності внаслідок втомних руйнувань. У цьому випадку мається температурно-часова залежність міцності деталей при змінних механічних навантаженнях. Для цього випадку розрахунковий медіанний термін служби виробів 1, "визначається як

де τ0 - період теплових коливань атомів; U 0 - енергетичний (потенційний) бар'єр; γ - емпірично визначається коефіцієнт (для А1, наприклад, він дорівнює 1,0, для Ti - 2 і т.д.); σ - розрахункове напруження циклу; п - показник ступеня, величина якого залежить як від форми, так і від типу (характеру) руйнування; f - частота енергетичних флуктуацій; k - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура, К.

Б. С. Сотскову вдалося об'єднати фізичні та статистичні уявлення, користуючись імовірнісними характеристиками міцності матеріалу (де Δ х визначає запас міцності) і швидкістю зміни запасу міцності внаслідок протікають всередині або на поверхні речовин фізико-хімічних процесів. Їм отримано вираз для інтенсивності відмов, що має вигляд:. У роботах Б. С. Сотскова дано приклади застосування цього співвідношення в основному для "об'ємних" елементів автоматики. Однак член у багатьох випадках, зокрема для плівкових елементів мікроелектроніки, не визначений. Крім того, залежність λ (t) введена без урахування результатів аналізу відмов, виробничих дефектів зовнішнього вигляду компонентів і інш.

У лабораторіях надійності організацій МІЕТ, НІІМП, НІІМЕ, МІФІ, НДІЯФ в 1970-1980 рр. активно розвивалися і застосовувалися фізико-статистичні методи оцінки надійності тонкопленочной комутації напівпровідникових ІС (з урахуванням механізмів електроміграціі, дифузії і окислення); тонкопленочной комутації на поліамідних плівках, тонкоплівкових резисторів і конденсаторів.

Для оцінки показників довговічності високонадійних мікросхем відносно недавно розроблений загальний метод [45].

У літературі також є відомості про вжиті цікавих спробах інформаційного підходу до теорії надійності, коли надійність фізико-хімічних систем, що володіють впорядкованістю, розглядається на основі аналогії між ентропією в термодинаміки і теорії інформації та зв'язком з кодом кінетичного закону α:

де а - константа швидкості поширення порушеної імпульсу псевдоравновесного процесу; т - фактор гетерогенності; S - ентропія.

Резюме

Для оцінки технічного рівня і якості виробів на різних етапах їх життєвих циклів використовується сукупність методів, моделей і підходів. Методи оцінки показників якості виробів на етапах проектування і виробництва мають спільну основу - статистичну модель. Відмови розглядаються як події, що підкоряються статистичної закономірності (з допущенням гіпотези справедливості того чи іншого закону розподілу відмов і параметра потоку відмов) як складових системи, що робить можливим оцінку інтенсивності відмов систем. Статистичні методи оцінки показників якості виробів утворюють клас методів, що охоплює статистичні закономірності, що визначають якість виробів на етапах проектування, виробництва, випробувань та експлуатації. Зазначеного класу методів притаманна статистична модель, де відмови виробів розглядаються як випадкові події, ймовірності яких грунтуються на комбинаторном, частотному або теоретико-множині визначенні самого поняття ймовірності. Аналіз якості систем проводять, доповнюючи статистичний метод логічним. Для цього використовуються алгебра логіки, логіко-статистичний метод надежностного аналізу сучасних складних систем, до цього ж класу методів належать соціологічний та експертний методи (див. Гл. 4,8). На основі використання понять "механізм відмови", "енергія активації процесу деградації" з'явилися фізичні методи (фізика надійності, фізика відмов) оцінки показників якості на основі рівнянь Арреніуса і Ейрінгом. Підхід Аррениуса грунтується на емпіричної зв'язку електричного параметра компонента або елемента і механізму відмови з енергією активації Е a. Недолік підходу Аррениуса - емпіризм - подоланий теорією Ейрінгом, який ввів поняття активованого комплексу частинок і обгрунтував його за допомогою методів статистичної та квантової механіки. Фізико-статистичні методи оцінки показників надійності виробів базуються на використанні понять фізики і математичної статистики. Цей клас методів передбачає спільне вивчення фізичних явищ, які супроводжують або викликають відмова виробів, та імовірнісних закономірностей відмінності їх дійсних термінів служби. Надійність (довговічність) реальних виробів не безмежна, а стохастически конечна і залежить від інтенсивності сприймаються ними впливів. Надійність, т.е. ймовірність безвідмовної роботи виробів, тим вище, чим менше їх розрахунковий термін служби в порівнянні з медіанним, тобто витримуваною половиною об'єктів випробувань.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >