Лабораторный практикум Метрология

Лабораторная работа 4

ПРОВЕДЕНИЕ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПАРТИИ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ ПО ОДНОМУ ПАРАМЕТРУ. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Цель работы: ознакомиться со способом измерения линейных величин; получить навыки проверки партии изделий по одному параметру и оценки качества изделий; изучить статистические методы обработки опытных данных, вычисление числовых характеристик статистического распределения, графическое представление распределения.

Теоретические сведения

Качество и испытания продукции. Качество изделий микро-

электроники – это совокупность свойств, обуславливающих их способность удовлетворить определенным требованиям в соответствии с назначением.

Качество полупроводниковых приборов и других изделий электронной техники характеризуется рядом таких показателей, как электрические параметры, устойчивость к воздействию внешних факторов, а также стабильность положительных результатов при оценочных испытаниях на соответствие требованиям технических условий. Наиболее важным показателем качества являются результаты испытаний изделий на надежность. Надежностью называют свойство изделия выполнять определенные функции, сохраняя во времени установленные эксплуатационные показатели в заданных пределах, соответствующих режимам и условиям эксплуатации, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность полупроводниковых приборов характеризуется

безотказностью, долговечностью и сохраняемостью.

Безотказность – это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность как в период эксплуатации, так и в периоды хранения и транспортирования. Основными показателями работо-

способности являются вероятность безотказной работы P(t) и интенсивность отказов λ(t).

41

Вероятность безотказной работы означает, что в заданном ин-

тервале времени не произойдет отказа и определяется отношением безотказно проработавших изделий до момента времени t к числу работоспособных изделий, имевшихся в выборке n с начала испытаний:

где d – число отказавших изделий к моменту времени t. Интенсивность отказов представляет собой число отказов,

произошедших в единицу времени и определяется отношением числа отказавших изделий за определенный промежуток времени к

Долговечность – это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, при котором дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена. Предельное состояние характеризуется неустранимым уходом основных параметров за определенные пределы, а также достижением заранее установленного предельно допустимого срока службы или суммарной наработки, при которой суммируется все время работы, если изделие работало с перерывами. Основными показателями долговечности являются средний срок службы (средний ресурс) и гамма-процентный ресурс.

Средний срок службы – средняя календарная продолжительность работы изделий и средний ресурс – средняя суммарная наработка изделий до наступления предельного состояния определяются по формуле:

где хi – продолжительность работы отдельных изделий; n – количество изделий.

Гамма-процентный ресурс – наработку, при которой изделие не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, определяют при одном из трех значений γ, равных 90, 95 и 98 %.

Техническими условиями нормируется какой-либо один показатель долговечности: средний срок службы, выбираемый из ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25 и 30 лет, либо средний или гамма-

42

процентный ресурс, выбираемый из ряда 500, 1000, 2000, 4000 и

т.д. до 25000 ч.

Сохраняемость – это свойство изделия непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние при хранении и транспортировании. Сохраняемость определяется календарной продолжительностью хранения и транспортирования изделия и характеризуется гамма-процентным сроком сохраняемости, при котором изделие не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, также равной 90, 95 и 98 %. По техническим условиям срок сохраняемости выбирают из ряда 0,5; 1; 2 и т.д. до 15 лет.

Надежность изделий электронной техники закладывается на стадиях их разработки, а также выбора конструкции и технологии изготовления. Качество выпускаемых изделий повышают, выявляя дефектные образцы во время различных испытаний, а также термо- и электротренировок. При этом удается отбраковать образцы не только по отказам из-за коротких замыканий или обрывов в цепях электродов, но и такие, в которых имеются постепенные (деградационные) изменения параметров, обусловленные объемными и поверхностными нарушениями полупроводниковой структуры. Такие дефекты сказываются больше на изменении обратных токов p-n- переходов диодов и транзисторов и меньше – на изменении коэффициента передачи тока и пробивных напряжений транзисторов.

Следует различать производственную и эксплуатационную на-

дежность приборов. Эксплуатационная надежность, как правило, значительно превосходит производственную, поскольку режимы производственных испытаний жестче условий эксплуатации. Производственные испытания на безотказность и долговечность, позволяющие оценивать надежность приборов, являются ускоренными и дают возможность за сравнительно короткий промежуток времени получить информацию о качестве приборов.

При производственных испытаниях устанавливают повышенные требования к параметрам-критериям годности, что позволяет в более короткие сроки выявить потенциально ненадежные приборы. Поэтому фактический уровень надежности приборов, работающих в аппаратуре, как правило, на 2–3 порядка выше уровня надежности, контролируемого согласно техническим условиям на предприятиях, изготавливающих эти приборы.

43

Отказы, нарушения работоспособности приборов, могут быть

систематическими, частичными или полными. При систематиче-

ских отказах дефект может повторяться многократно. Под частичными отказами понимают выход электрических параметров за нормы ТУ или появление других дефектов, при которых приборы ограниченно работоспособны. При полных отказах приборы полностью неработоспособны.

Производственный контроль и контроль готовых изделий – это проведение испытаний и проверок в процессе производства изделия или уже готовой продукции в соответствии с требованиями технических условий.

Категории и виды испытаний. Квалификационные испытания

– определяют соответствие изделий новой серии полному объему требований стандартов, ТУ и готовность производства к их массовому изготовлению.

Приемо-сдаточные испытания – контролируют качество каж-

дой предъявляемой сдачи партии изделий и по результатам принимают решение о поставке.

Периодические испытания – служат для периодического (в определенные сроки) контроля качества изделий и подтверждают стабильность технологического процесса.

Типовые испытания проводят при изменении конструкции, технологии материалов, полуфабрикатов и компонентов.

Контрольно-выборочные испытания определяют соответствие серийно-выпускаемых изделий полному требованию стандартов и ТУ.

Виды испытаний по характеру воздействия подразделяют на

конструктивные, электрические, механические и климатические

испытания.

Конструктивные испытания проводят для проверки конструкции: размеров, массы, герметичности, механической прочности.

Электрические испытания проводят для проверки работоспособности и стабильности параметров в различных режимах.

Механические испытания проводят для проверки виброустойчивости, вибропрочности, ударной прочности и воздействия линейной нагрузки.

44

Климатические испытания проводят для проверки тепло- и холодоустойчивости, влагоустойчивости, устойчивости к давлению и т.д.

Проведение контроля качества партии изделий. Контроль качества изделия определяется требованиями технических условий (ТУ), согласно которым производится изготовление данного изделия. Как правило, в ТУ указываются многие требования, которым должно удовлетворять изделие. Практически в производственных условиях при проведении входного контроля производят проверку одного (реже двух) параметров.

Входной контроль резисторов и конденсаторов чаще всего ограничивается контролем значений их сопротивлений и емкостей.

После проведения измерений сопротивлений или емкостей партии резисторов или конденсаторов проводится статистическая обработка опытных данных.

По проведенным расчетам строится гистограмма, на которой указывается интервал допустимого разброса. По форме гистограммы можно судить о качестве изготовления резисторов или конденсаторов по параметру их номинального значения. Чем уже гистограмма, тем качественнее партия изделий. Широкая гистограмма говорит о продукции плохого качества

Резисторы или конденсаторы, номинальные значения которых выходят за пределы допустимого интервала, являются бракованной продукцией.

Статистическая обработка опытных данных. Результат изме-

рения какой-либо величины зависит от многих факторов, влияние которых заранее учесть невозможно. Результат измерения имеет две составляющие погрешности: систематическую и случайную. Систематическая в основном связана с погрешностью измерительного прибора и метода измерений. Эту погрешность можно заранее учесть и иногда исключить путем внесения поправок. Случайную погрешность заранее учесть невозможно. Она выявляется в результате многократных измерений. Если число измерений одного и того же параметра велико, то в распределении его значений обнаруживаются некоторые закономерности. Использование методов математической статистики для обработки результатов измерений позволяет установить эти закономерности.

45

Статистической совокупностью называется совокупность объ-

ектов, характеризующаяся наличием некоторого общего признака. Наиболее полная совокупность, которая включает в себя все объекты, обладающие данным признаком, является генеральной совокуп-

ностью.

Провести изучение (измерение) всей генеральной совокупности, как правило, не представляется возможным, поэтому для исследования берут часть ее объектов, которые образуют выборочную совокупность, или выборку. В зависимости от числа объектов (объе-

ма выборки) п различают большую (п ≥ 30) и малую (п ≤ 30) вы-

борки.

Наблюдаемые значения членов выборки называются вариантами. При проведении большого числа измерений значения измеряемой величины повторяются, поэтому число вариант k ≤ п. Число mi наблюдений варианты хi называется частотой данной варианты.

Относительной частотой Pi* называется величина, равная отношению частоты mi данной варианты к общему числу п значений измеряемой величины:

Данные, получаемые при проведении экспериментов, представляют в виде статистических рядов. Значения величины X в выборке, записанные в последовательности измерений, составляют простой статистический ряд. Располагая полученные значения в последовательности их возрастания (или убывания), получают

ранжированный ряд: х1 ≤ х2 ≤ ... ≤ хп.

Точечное (дискретное) статистическое распределение (вариа-

ционный ряд) – это статистическое распределение, состоящее из вариант и соответствующих им частот и относительных частот

(табл. 4.1).

Для составления интервального (непрерывного) статистиче-

ского распределения весь диапазон значений величины X делят на

46

равные по величине интервалы хi-1 ... хi и указывают mi – сумму частот вариант, попавших в каждый интервал, и Р* – сумму относительных частот (табл. 4.2).

Ширина интервала х = хmax − xmin , где xmax и xmin – наибольшее

N

и наименьшее значения измеряемой величины соответственно; N – число интервалов, определяемое по формуле:

N = 3,3lgn + 1. (4.5)

Графически статистическое распределение изображают в виде полигона частот и гистограммы. Для построения полигона частот (графика вариационного ряда) по оси абсцисс откладывают варианты х, а по оси ординат – значения частот т или относительных частот Р*, полученные точки соединяют ломаной линией (рис. 4.1).

Гистограмму строят по данным интервального статистического распределения. Она представляет собой совокупность смежных прямоугольников, основанием которых является отрезок оси абс-

47

цисс, равный ширине интервала х, а высота равна отношению P* для каждого интервала к х (рис. 4.2).

Задание

1.Измерить сопротивления и емкости партии резисторов и конденсаторов.

2.Провести статистическую обработку полученных результатов.

3.Оценить качество изготовления резисторов и конденсаторов.

Ход работы

1. Получить у преподавателя: партию резисторов, партию конденсаторов и приборы, на которых следует произвести измерения сопротивлений и емкостей, а также инструкции по эксплуатации выданных приборов или выписки из них.

2. Провести измерения сопротивлений и емкостей всех выданных резисторов и конденсаторов (каждый резистор и конденсатор измерить по 5 раз). Результаты занести в табл. 4.3 и 4.4 (простой статистический ряд).

48

4. Рассчитать:

а) среднеарифметическое значение измеренных величин; б) среднеквадратичный разброс по формуле:

где n – количество измерений; Аi – значение величины при текущем измерении; Аср – среднеарифметическое значение.

в) рассчитать вероятность появления погрешностей по формуле:

Р( Ai ) = mni ,

где mi – количество одинаковых значений Аi; n – количество измерений.

5. Определить интервал допустимого разброса параметров по формуле:

Адоп = ± Аном Д(%) ,

100%

49

где Аном – номинальное значение параметра; Д (%) – процентный допуск номинального значения согласно ТУ.

6. Составить интервальный ряд значений сопротивлений (табл.

4.5) и емкостей (табл. 4.6).

Таблица 4.5

а) разбить диапазон значений x на N равных интервалов с границами xi min и xi max. Число интервалов N определить по формуле (4.5);

в) подсчитать частоту mi для каждого интервала;

г) по формуле (4.4) определить относительные частоты, соответствующие каждому интервалу;

7.По данным интервальных рядов построить гистограммы.

8.На полученных гистограммах отметить интервал допустимого разброса значений сопротивлений и емкостей. Провести оценку качества изготовления резисторов и конденсаторов по величине разброса параметров.

50