2.5.4.Надежность полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы чувствительны к перегрузкам как по I так и по U

Для германиевых диодов и транзисторов интенсивность лежит в интервале.

λ_о= ( 1.5 …… 3 ) * 10^-6 1/ч

Для кремневых λ_о = 1*10⁶ 1/r

Для микромодулей и микросхем λ_о = 0.01 *10^-6 1/ч

Отказы к полупроводниковых приборов бывают постепенно и внезапно для синелевых диодов характерны постепенные отказы. Для транзисторов чаще всего внезапные отказы, пробой коротким замыканием и реже всегообрыв обрыв, перегорание соединений.

Постепенно отказы в транзисторах характеризуются понижению Кус по току и ростом неуправляемого обратоного тока.

Полупроводниковые приборы чувствительны к перегрузкам, особенно точечные, они выходят из строя за тысячные доли секунд. Причина этих отказов малая тепловая инертность.

Причины перегрузок

-Переходные процессы

-Кратковременное повышения U

-Изменения параметров других приборов

КVTн = Рф / Рн (для транзисторов)

(2.19)

где

Рф фактическая рассеиваемость на мощности на коллекторе

Р_н допустимая мощность, которая может рассеяна на коллекторе

Надежность полупроводниковых приборов также сильно зависит от температуры, так для германиевых диодов при температуре окружающей среды больше 20˚С предельно допустимая мощность, рассеиваемость на коллекторе определяется следующим образом.

Ркmax = 90˚С – t корпуса˚С / 2˚С/Вт

(2.20)

Кроме того, при повышении температуры растет I_обр он увеличивается в 2 раза на каждые 10˚С, то есть имеет экспоненциальное значение

Повышенная влажность приводит к коррозии. Попадание влажности на полупроводниковые материал, выводит прибор из строя, особенно сильно влияет на надежность радиации.

2.6.Уточненные расчеты надежности.

Производятся на последнем этапе проектирования. По готовым схемам определяется температура и электронная нагрузка на каждый элемент.

Сущность метода уточнения расчета с учетом режимов работы элементов состоит в том, что вместо средне групповых значений отказов в формулу подставляется интенсивность отказов λi(ν) зависящая от режимов работы и температуры элементов λi(ν) – определяется по формулам, таблицам или графикам

При этом препятствует что

1) Справедлив экспоненциальный. Закон надежности

2) Отказы элементов взаимно не зависящий

Для расчета необходимо знать

1) Режимы работы каждого элемента, то есть Кн и температуру

2) Количество элементов каждого типа

3) Интенсивность отказов элементов различных типов при соответствующих режимах λ_i(ν)

Расчет производиться по тем же формулам что и приблизительный расчет.

к Λ (ν) = ∑ Niλi(ν) i=1

(2.21)

To = 1/ Λ (ν)

(2.22)

P(t) = e- Λ (ν)t

(2.23)

Расчет удобно производить покаскадно в следующем порядке.

1) Производиться разделение аппаратуры на блоки, узлы и каскады и на основании этого высчитывается структурная схема надежности

2) В каждом блоке производится детальный анализ элементов темповых режимов и определяется К_н элементов.

3) Определяется интенсивность отказов элементов при заданных режимах λ_i(ν)

4) Рассчитывается интенсивность отказов блоков по формулам

5) Определяется общая интенсивность отказов систем

6) Определяется остальные количественные характеристики надежности.

Пример1: расчет надежности RC – фильтра при различных режимов его работы

1).К_н = 1;t=80˚С →λ₁(ν) = (2+2*10)*10⁶ =22*10⁶ 1/r

2). К_н =0.5 ; t=40˚С → λ₂(ν) = (0.9 +2*0.15)*10⁶ = 1.2*10 1/r

Результаты сводятся в таблицу

Структурная схема надежности

Надежность увеличивается в 20 раз

Пример2 Определит вероятность безотказной работыв точении 10000 часов без учета и с учетом усл. работы тригера.

R1,R2 – сопротивление МЛТ–0.5–620 Ом

R3,R4 – МЛТ – 0.25 – 3.3 кОм

R5,R6 – МЛТ – 0.25 – 10 кОм

С1,С2 – слюденной конденсатор

Un – 20В

VT1,Vt2 – МП 40 , Рн = 100мВт

U_n = 12В

Е_сm = 6В

Решение

1.определение Кн элементов

I_к = Un – ΔUVT2 / 620 =(12 – 0.5)/620 = 20*10^-3 A

К ^R1R н = Р_ф / Р_н = I²_к * R²2 / 0,5 = (20 * 10^-3)²*620/ 0.5 = 0.5

I=12–0,5/(R1 R2)=(12–0,5)/(620+3300)=3,5*10-³ A

К ^R3R4н = I² R3/0,25 = 0.16

К^R5R6н =0,1

К ^С1С2н = U_ф/U_н = 12 / 20 = 0.6

К ^VT1VT2н = Р_ф/Р_н =(20 * 10^-3 А * 0.5 В)/ 100 * 10^-3 Вт = 0.1

Тепловой расчет определяется t˚C элементов

Обозначение в схеме	Тип элемента	N i	Кн	t˚C	α1	λ1(ν)*10-6	Niλi(ν)10-6	λо 10-6
R1 R2	МЛТ-0.5-620 Ом	2	0,5	25	0,45	0,23	0,46	0,5
R3 R4	МЛТ-0.25-3.3 кОм	2	0,5	25	0,25	0,1	0,2	0,4
R5 R6	МЛТ-0,25-10кОм	2	0,5	25	0,1	0,175	0,07	0,14
С1 С2	КСО1	2	0,5	25	0,6	0,208	0,25	0,5
VT1 VT2	МП- 40	2	0,5	25	0,1	0,2	0,92	1,84

Определить интенсивность отказа триггера без учета условий эксплуатаций.

1. Λ_т1 (ν) = ( 2*0.5 +2*0.4+2*0.4+2*1.2+2*4.6) * 10⁶ = 14.2 * 10⁶ 1/ч

2. Λ_т2 (ν) = ( 0.46+0.2+0.14+0.50+1.84) = 3.14 * 10⁶ 1/ч

-14.2*10^-6*10^-4

1.Р (10000) = е = 0,8694

-3.14 * 10^-6* 10⁴

2.Р(10000) = е = 0.9704

Наработка на отказ.

Т_о1 = 1 / λ(ν) = 7042 ч

Т_о2 = 31847 ч

Опыт эксплуатации аппаратуры показывает, что при достаточно высокой частоте включения происходит повышение интенсивности отказов. Интенсивность отказов можно определить

λ(ν) = λ_р(ν)+ λ_цn

где

λ_р(ν) интенсивность отказов при непрерывной работ аппаратуры

λ_ц интенсивность отказов на 1 цикл включения

n средняя частота включения в час

λ_р(ν) = λ_оα₁α₂

Если при определенных характеристиках надежность системы на интервале t окажется, что часть этого времени находится в выключенном состоянии, то есть t_хр=t-t_р ,то необходимо учитывать, что в выключенном состоянии интенсивность λ_хр меньше интенсивности отказов λ(ν)

Учитывая работу хранения и выключения аппаратуры, вероятность безотказной работы системы или элемента можно определить из следующего выражения.

P(t) = exp [-λ_p(ν) t_p (1+α*z+φ*N*/t_p)]

где

α = λ_хр| λ_p(ν); φ = λ_ц| λ_p(ν) ; z = T_xp / t_p

где

λ_хр интенсивность отказов аппаратуры в выключенном состоянии

для полупроводниковых приборов λ_хр = (0.01 ÷0.1)

N* обшее число включений за рассмотренный промежуток t