9.5.1. Обеспечение надежности рэс на этапе проектирования схем

На этапе проектирования схем (структурных, функциональных, принципиальных) заданный уровень безотказности достигается уменьшением суммарной интенсивности отказов изделия за счет минимизации числа ЭРК, использованием высоконадежных ЭРК и облегчением условий их эксплуатации.

Минимизация числа ЭРК. Известно, что компонентная база РЭС постоянно обновляется. Растет степень интеграции ИМС, возрастает их функциональная сложность, вследствие чего устройство, состоящее из нескольких узлов на основе ИМС, выполняющих простые функции преобразования сигнала (усиление, генерацию, задержку), может быть заменено узлом в виде одной ИМС (в одном корпусе), выполняющей функции этого! устройства.

Широкое распространение получили матричные и особенно программиру-емые логические ИМС (ПЛИС). В результате сокращения числа корпусов ИМС уменьшается и число внешних связей, что также повышает надежность устройства в целом. Однако наибольшая степень интеграции функций в одном узле достигнута в приборах функциональной электроники, например оптоэлектронных, акустооптических приборах, приборах с зарядовой связью и др.

Использование высоконадежных ЭРК.

Высоконадежные электрорадиокомпоненты изготавливают при особо тщательном соблюдении технологической дисциплины. Их также подвергают дополнительным операциям электротермотренировки и отбора по специальным параметрам, характеризующим возможное развитие скрытого деградационного процесса. Эти меры существенно увеличивают стоимость ЭРК, а следовательно, и себестоимость изделия в целом. Однако есть области техники, где требуется наивысшая достижимая надежность изделий, а экономический фактор является важным, но не главным условием выпуска продукции (в военной технике, космонавтике).

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, абсолютной эволюционной стабильностью и неограниченным ресурсом обладают кремниевые п—р—п и германиевые р— п—р транзисторы. Их структуры не разрушаются даже под действием нагрузок, в десятки раз превышающих предельно допустимые, при которых они переходят в состояние теплового npoбоя, но после кратковременного отключения и остывания их paботоспособность полностью восстанавливается. Это свойство обусловлено особенностями совместной диффузии доноров и акцепторов в кристаллах кремния и германия при высокой температуре и большом ее градиенте в области перехода коллектор—база, т.е. более активном уходе доноров из базы в коллектор в кремнии и акцепторов — в германии. При этом в процессе эволюции (деградации) базовые области всегда приобретают проводимость p-типа и кремнии и n-типа в германии. И если в исходной структуре проводимость базы была именно такой, эволюция (деградация) транзистора быстро прекращается и значения параметров стабилизируются.

Ограниченным ресурсом вследствие эволюционной нестабильности и необратимой деградации обладают кремниевые р—п—р и германиевые п—р—п транзисторы, полевые n-канальные транзисторы, а также четырехслойные структуры, например тиристоры и IGBT любых модификаций. Особо малым ресурсом отличаются p-канальные кремниевые транзисторы, поэтому к-МОП компоненты следует применять с большой осторожностью, по возможности избегая их использования. Это касается и дискретных, и интегральных полупроводниковых приборов.

Кроме того, необходимо отказываться от использования потенциально ненадежных ЭРК, интенсивность отказов которых на 2 — 3 порядка выше остальных: моточных изделий, коммутационных изделий с сухим контактированием, электровакуумных приборов, механических узлов, стрелочных электроизмерительных приборов. В изделиях их немного, но именно они дают основной вклад в их ненадежность.

Облегчение условий эксплуатации ЭРК.

Это достигается уменьшением электрической нагрузки на компоненты, снижением влияния неблагоприятных факторов условий эксплуатации и, прежде всего, повышенной температуры окружающей среды. Влияние этих факторов учитывается показателем безотказности ЭРК — интенсивности отказов λ, значение которого, как было сказано ранее, зависит от электрической нагрузки и условий эксплуатации.

Существуют общие рекомендации по допустимой электрической нагрузке для некоторых ЭРК, способствующие существенному снижению значения λ,:

-для одного параметра (например, мощности, выделяемой на резисторе, или напряжения на конденсаторе) К_н ≤ 0,8;

-одновременно для двух параметров (например, обратного напряжения и прямого тока диода или тиристора) К_н ≤ 0,7;

-одновременно для трех параметров (например, напряжения на коллекторе, тока коллектора и постоянной мощности, выделяемой на коллекторе транзистора) К_н < 0,6.

В некоторых случаях специального применения ЭРК могут быть наложены дополнительные ограничения на их электрические режимы. Например, у транзисторов, используемых в качестве ключа, кратковременное значение мощности (пиковой разрывной мощности Р_р), выделяемой на коллекторе за время переключения τ, может превышать допустимое значение -Р_р._доп (рис. 9.9). В стати ческом же режиме, когда ключ открыт или закрыт, значения мощности на коллекторе

U, I, Р_р Рис. 9.9. Параметры ключевого режима; транзистора

Р_{к о} =I _K.₀U_K0 или Р_{к з} = I_к.₃U_к.₃ существенно меньше ее допустимого значения Р_{к доп}.