Affidabilita’ e metodologie
di qualifica
dei sistemi elettronici
in ambienti ostili
Giancarlo Barbarino
Dipartimento di Scienze Fisiche
Universita’ di Napoli Federico II
&
Istitutito Nazionale di Fisica Nucleare
Sezione di Napoli
Analisi affidabilistiche e
qualifiche
Per sistemi e componenti elettronici
Disciplina importante in ambito:
– Scientifico
La complessita’ degli esperimenti impone
elevati standard di affidabilita’
– Industriale
Miglioramento e competivita’ dei prodotti
anche di elevata complessita’ tecnologica
Esigenze ed Esperienze scaturite in
esperimenti condotti dall’Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare
Specificita’ di tipici ambienti di misura
Fisica agli acceleratori di particelle:
quantita’ e durata dei sistemi,
accessibilita’, danno da radiazioni.
Fisica delle astroparticelle: ricerca in
ambienti spaziali e sottomarini,
quantita’ e durata dei sistemi,
sollecitazioni meccaniche,
inaccessibilita’ e danno da radiazioni.
Operare in ambienti ostili
•Grande affidabilità nel tempo
•Impossibilità di intervento
•Resistenza alle radiazioni
ionizzanti
Sviluppati
protocolli & specifiche
Tasso di guasto
Probabilita` di guasto di un
sistema o componente elettronico
l(t)
Rt e
l t dt
progetto
Bathtube
curve
produzione
t
Guasti infantili
10-100 ore
Guasti da usura
Guasti casuali
Due tipologie di test
Test sui Prototipi
(test di invecchiamento/
vita media)
Metodologie ALT
accelerated life test
verifica del progetto
Test in produzione
(test di qualifica)
Verifica dei componenti
•Telecamera IR
•Camera climatica
•shaker
I-Test di affidabilità in fase di
progetto & sviluppo
Test sui prototipi
Obiettivo:
Verifica del progetto
vita media
Fornisce informazioni sulla
qualita’ della progettazione:
-elementi vitali
-circuiti di alimentazione
l(t)
t
Stima del tempo di vita medio
Del dispositivo/componente elettronico
I-Test sui Prototipi:
Scansione IR-mappa termica
Controllo degli Hot-spot
Controllo sul
piazzamento dei componenti
Controllo sui connettori
Analisi non distruttiva:
complementa informazioni
Anche dopo test di vita accelerati
I-Test d’invecchiamento
l(t)
Modello di accelerazione di vita di Arrhenius
Stima vita media
Mean Time
To Failure (MTTF)
MTTF=AeEa/KT
t
MTTFu = AF x MTTFs
8 h ≈ 1 anno
Tu = 15 C Ts = 100 C
AF = 973
Ambiente Camera
105,00
U25
95,00
85,00
T camera_climatica
Analisi termica
T U25sk4
T(C)
75,00
65,00
80,00
55,00
70,00
45,00
35,00
T= cost.
60,00
50,00
15,00
0,00
T(C)
25,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
t_test(h)
60,00
70,00
80,00
40,00
30,00
90,00
100,00
Cicli termici
20,00
10,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
t(h)
Fattore di accelerazione ottenuto a:
-temperatura costante
-cicli termici (maggiore stress)
Scelte che dipendono:
-dal progetto
-dalle condizioni di lavoro
30,00
I-Test sui Prototipi:
Test termici
Cicli termici da effettuare nel range di temperature di lavoro
Cicli differenti per componenti e condizioni di lavoro
differenti
Controllo dei
parametri vitali:
•Temperatura punti
caldi
•Tensione
•Corrente
•Funzionamento
+ analisi termografica IR
I-Test sui Prototipi:
Test di vibrazione
Spettro di vibrazione atteso:
Trasporto
Condizioni ambientali
(spazio……)
Fattore peggiorativo
Controllo sulla tenuta dei componenti
II-Screening in produzione:
Piano di qualifica
l(t)
-Controllo dei difetti
di produzione
-Procedure per fare
precipitare un guasto
iniziale
-Screening non invasivo
-sistemi da utilizzare
-stress tollerabili
t
Fattore di accelerazione
AF in temperatura
controllato
II-Test durante la produzione:
Temperatura costante
Controllo dei
parametri vitali:
•Temperatura punti
caldi
•Tensione
•Corrente
•Funzionamento
T
60o
8h t
Ricerca di difetti:
Saldature
Componenti difettosi
II-Test di screening
l(t)
Cicli termici
t
T camera_climatica
Analisi termica
T U25sk4
80,00
Controllo difetti
di produzione
70,00
60,00
T(C)
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
t(h)
+ analisi termografica IR
20,00
25,00
30,00
Circuiti di alimentazione
scansione IR
Ricerca di difetti:
Circuito stampato
Componenti difettosi
Circuito sottoposto al test
Scansione IR
Laboratorio Qualifiche
Sez.INFN Napoli
Camera climatica
per test di
invecchiamento e
screening
Telecamera per
scansioni IR
Sistema di acquisizione
Sensori monitoraggio
funzionale
Danni da radiazioni ionizzanti
nei componenti elettronici
Effetti a lungo termine
Effetti da singola interazione
TID (Total Ionization Dose)
SEE (Single Event Effect)
Dati e simulazioni
SEU
SET
SEL
Single Event
Single Event
Single Event
Upset
Transient
Latchup
(stato logico)
(Stato logico)
(conduzione)
Danni da radiazioni ionizzanti
in sistemi elettronici
Simulazioni e esposizione ad irragiamento
Tecniche di progettazione e di protezione:
-Ridondanze hardware
-Protezioni alimentazioni
Qualifiche di componenti commerciali
Vantaggi:
-Componentistica aggiornata
-Basso costo
Protocolli e test messi a punto
dall’INFN.
– Progettazione elettronica
Affidabilita’ e ridondanze
Test tempo di vita sistemi e componenti
Test con telecamera IR
– Produzione
Test mortalita’ infantile
– Danni da radiazione
Trasferibile ai prodotti industriali di qualita’
