Для заполнения необходимых данных в АСОНИКА-К использовалась подробная таблица из Приложения №1 к диплому, в которой введены параметры 5 ИМС выбранных в пункте 1.3 к диплому.

Для расчета в системе АСОНИКА-К необходимо добавить ЭРИ из группы интегральные микросхемы «MIL-HDBK-217F». Затем по пунктам заполняются необходимые для расчета данные:

1. Выбор группы ЭРИ. В соответствии с типом ЭРИ выбираем группу.

2. Затем в связи с тем какая подгруппа выбираем подгруппу ЭРИ.

3. Необходимо ввести сокращённый тип и номер технического устройства. К примеру, в случае с операционным усилителем Texas Instruments OPA-2333HTвводим следующие обозначения:

4. Вводим позиционное обозначение устройства.

5. Вводим технические параметры интегральной микросхемы, ввод параметров на примере операционного усилителя Texas Instruments OPA-2333HT. Если же у нас ИС является микросхемой памяти, то вместо количества элементов нужно ввести количество бит. Также необходимо ввести: приёмку, время применения микросхемы, мощность, температуру, количество контактов, тип корпуса.

6. Выбираем параметры типа хранения ИМС. В данном случае для всех 5 ИМС из Приложения №1 необходимо выбрать согласно исходным данным «в отапливаемом помещении».

7. В соответствии с американским стандартом, приведенным в справочнике «MIL-HDBK-217F», выбираем группу аппаратуры. Для пяти ИМС указанных в ТЗ, выбираем группу Gb, которая соответствует группе 1.1 из ГОСТ В 20.39.304-98.

8. На этом ввод параметров закончен. Интегральная микросхема добавляется в проект для расчета надёжности На этом ввод параметров закончен. Интегральная микросхема добавляется в проект для расчета надёжности.

9. Нажимаем расчет параметров и выводим результаты. В итоге получаем эксплуатационную интенсивность отказов и график интенсивности отказов.

Эксплуатационная интенсивность отказов представлена в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Наименование ИМС	Эксплуатационная интенсивность отказов ?Э
Texas Instruments OPA-2333 (DA1)	2,13e-10
Miсrosemi A3P0602 (DS2)	2,51e-08
Atmel AT32UC3A05123	3,50e-08
Microchip TC44674	1,72e-08
Xilinx XC3S2005	1,88e-09

6. Расчёт безотказности по справочнику «RIAC-HDBK-217Plus»

Для расчета эксплуатационной интенсивности отказов по справочнику «RIAC-HDBK-217Plus» использовалась программа АСОНИКА-К-ИС. Данная программа предназначена для расчета надежности именно интегральных микросхем. АСОНИКА-К-ИС основана на математической модели расчёта интенсивности ИМС отказов, представленной в справочнике.

Для расчета интенсивности отказов необходимо:

1. Добавить ИМС в базу данных программы. В базу данных вводятся основные параметры такие как: из таблицы в приложении №1 к диплому. Подробнее все параметры и общий вид базы данных программы АСОНИКА-К-ИС показаны на рис.1.29., на примере микросхемы AtmelAT32UC3A05123.

2. После того как внесли в базу данных 5 интегральных микросхемиз технического задания, необходимо провести расчёт эксплуатационной интенсивности отказов по каждой из микросхем, для этого необходимо:

· Создать проект для расчета.

· Выбрать ИМС из базы данных, которая заполняется в пункте №1.

· Провести расчет.

В итоге получаем рассчитанную интенсивность отказов для ИМС и график вкладов интенсивностей отказов связанных с влиянием:

· Статического электричества;

· Отказами корпуса;

· Прочими причинами деградации;

· Точечных дефектов;

· Эффектом горячих носителей;

· Эффектом электромиграции;

· Пробоя диэлектрика.

3. Аналогично проводим расчёт эксплуатационной интенсивности отказов для каждой из пяти интегральных микросхем и результаты расчетов заносим в таблицу1.6.

Таблица 1.6

Название ИМС	Эксплуатационная ИО ?Э
Texas Instruments OPA-2333 (DA1)	1,4674099794653E-6
Mirosemi A3P0602 (DS2)	1,45472180979708E-6
Atmel AT32UC3A05123	1,73157164696642E-6
Microchip TC4467	1,31894290078194E-6
Xilinx XC3S2005	1,29640843649631E-6



4. По результатам расчётов для наглядности построим диаграмму, на которой изображены интенсивности отказов ?Эпо результатам расчёта в программе АСОНИКА-К-ИС.

7. Дифференциальный подход оценки надежности по стандартизированным методикам.

ИМС представляет из себя очень сложное устройство, следовательно показатель эксплуатационной интенсивности отказов , будет зависеть от очень многих факторов и процессов протекающих в микросхеме.

На элементы интегральных схем постоянно воздействуют внешние и внутренние эксплуатационные факторы. К первым относятся температура, влажность, давление и химический состав окружающей среды, радиация, электромагнитные поля, механические нагрузки, возникающие при эксплуатации (вибрации, удары) и другие факторы, влияющие на элементы независимо от того, работают они или выключены. Ко вторым факторам относятся напряжения и токи установившихся переходных режимов работающих под нагрузкой элементов и возникающие в связи с этим выделение в элементе тепла, образование электрических и магнитных полей, механические нагрузки.

В основном, во всех существующих методиках для расчета эксплуатационной интенсивности отказов, в математических моделях, учитываются факторы, характеризующие интенсивность отказов кристалла, интенсивность отказа корпуса и устойчивость микросхемы к воздействию электростатического разряда.

Подробнее данные факторы показаны в Таблице 1.7.

Таблица 1.7

Факторы, влияющие на отказы кристалла	Факторы, влияющие на отказы корпуса	Электростатический разряд
· Электромиграция · Пробой подзатворного диэлектрика · Эффект горячих носителей · Точечные дефекты · Прочие воздействия	· Тип корпуса · Герметичность · Количество выводов · Топологический размер · Температура	· Стойкость интегральной микросхемы к электростатическому разряду.

Рассмотрим на примере математической модели расчета интенсивности отказов справочника [2], как влияют на общую эксплуатационную интенсивность отказов, интенсивности отказов связанные с влиянием:

• Статического электричества;

• Отказами корпуса;

• Прочими причинами деградации;

• Точечных дефектов;

• Эффектом горячих носителей;

• Эффектом электромиграции;

• Пробоя диэлектрика.

Все расчёты проводились при помощи программы АСОНИКА-К-ИС, которая работает на основе математической модели из справочника [2].

На примере микросхемы Texas Instruments OPA-2333 проведем расчет в АСОНИКЕ-К-ИС каждой из интенсивностей отказов и заполним таблицу 1.8.

Таблица 1.8

Факторы влияющие на общую эксплуатационную интенсивность отказов .	Рассчитанная интенсивность отказов для Texas Instruments OPA-2333 в АСОНИКА К-ИС
Разряд статического электричества	2,92409033375945E-8
Отказы корпуса	3,185E-10
Прочие причины деградации	1,85465448434719E-11
Точечные дефекты	1,25236736350922E-12
Эффект горячих носителей	1,43703334451896E-7
Эффект электромиграции	7,54199592762705E-10
Пробой диэлектрика	7,54199592762705E-10

По результатам таблицы построим диаграмму, чтобы можно было наглядно определить, какой из факторов больше всего влияет на общую эксплуатационную интенсивность отказов .

На примере ИМС Texas Instruments OPA-2333 наглядно видно, что наибольшее влияние в данном случае оказывают: разряд статического электричества и эффект горячих носителей. Таким образом, мы выяснили, что для расчета эксплуатационной интенсивности отказов используется дифференциальный подход. Это обусловлено тем, что на надежность микросхем влияет большое количество факторов и условий, поэтому математические модели в справочниках являются очень сложными и каждая из них учитывает определенные факторы и характеристики ИМС.

8. Создание алгоритма методики оценки безотказности интегральных микросхем по конструктивно-технологическим параметрам на основе «RADC-TR-89-177». Подробное описание математической модели основанной на справочнике приведено в главе №5 (Конструктивно-технологическая часть проекта). Алгоритм для расчёта эксплуатационной интенсивности отказов по математической модели из справочника изображен на рис.



Рис. Алгоритм расчета эксплуатационной интенсивности отказов на основе справочника



Расчет безотказности СБИС на основе полученного алгоритма.

Для расчёта эксплуатационной интенсивности отказов пяти интегральных микросхем зарубежного производства из технического задания на основе алгоритма из раздела №1.8, был использован программный комплекс Mathcad 15.

Mathcad 15 - программное средство, предназначенное для проведения на компьютере технических и математических расчётов. Пользователю предоставлено множество инструментов для работы с текстами, формулами, графиками и числами. В программе Mathcadдоступно около сотни логических функций и операторов, которые предназначены для символьного и численного решения технических и математических задач любой сложности.

Программа расчета эксплуатационной интенсивности отказов построена на основе алгоритма из пункта №1.8. Для ввода исходных параметров используется таблица П1.1 из приложения №1 к диплому, в ней указаны все необходимые технические параметры для пяти ИМС из технического задания.

Расчет эксплуатационной интенсивности отказов , на примере ИМС Atmel AT32UC3A0512.

Расчёт для остальных интегральных микросхем из технического задания:

· Texas Instruments OPA2333-HT

· Mirosemi (Actel)ProASIC3 A3P0602

· Microchip TC4467

· Xilinx XC3S2005

Результаты расчета эксплуатационной интенсивности отказов внесены в таблицу 1.7 и для наглядности построена диаграмма интенсивностей отказа по справочнику [4].



Таблица 1.9

Название ИМС	Эксплуатационная интенсивность отказов ?Э
Texas Instruments OPA-2333	5,342E-8
Mirosemi A3P0602	7,552E-8
Atmel AT32UC3A05123	9,394E-8
Microchip TC4467	5,187E-8
Xilinx XC3S2005	5,286E-8

10. Сравнение результатов, полученных на основе стандартизированных методик, с результатами, полученными на основе RADC-TR-89-177.

Для проведения сравнительного анализа была составлена сводная таблица №10., в которую были занесены эксплуатационные интенсивности отказов пяти ИМС, которые были просчитана по стандартизированным методикам и методике из справочника.

Таблица 1.10

Название ИМС	, «Надёжность ЭРИ ИП»	, «MIL-HDBK-217F»	, «RIAC-HDBK-217PLUS»	, «RADC-TR-89-177»
Texas Instruments OPA-2333	3,31e-10	2,13e-10	1,4674099794653E-6	3,436E-7
Mirosemi ProASIC3 A3P0602	9,09e-10	2,51e-08	1,45472180979708E-6	4,070E-7
Atmel AT32UC3A05123	1,89e-08	3,50e-08	1,73157164696642E-6	6,487E-7
Microchip TC4467	7,78e-11	1,72e-08	1,31894290078194E-6	3,047E-7
Xilinx Sparta XC3S2005	5,06e-09	1,88e-09	1,29640843649631E-6	2,650E-7

Выводы

В специальной части дипломного проекта мной был проанализирован рынок современных интегральных микросхем и по результатам анализа были выбраны пять ИМС зарубежного производства фирм: Texas Instruments, Xilinx, Microchip, Atmel, Actel (Microsemi). Далее было изучено на примере фирмы Microsemi (Actel), как крупнейшие производители электронной компонентной базы проводят испытания электронных устройств на безотказность. Также были подробно рассмотрены и изучены методики расчета безотказности по российскому и американским справочникам: «Надёжность ЭРИ ИП» ,«MIL-HDBK-217F, «RIAC-HDBK-217PLUS». Далее был произведен расчет эксплуатационной интенсивности отказов по указанным выше методикам при помощи программного комплекса АСОНИКА-К и АСОНИКА-К-ИС. Основное в специальной части -это создание алгоритма методики оценки безотказности интегральных схем по конструктивно-технологическим параметрам на основе американской методики RADC-TR-89-177 и создание программы расчета эксплуатационной интенсивности отказов на основе полученного алгоритма в программном комплексе Mathcad. Затем были произведены расчеты при помощи данной программы и составлена итоговая, сравнительная диаграмма. В результате анализа сравнительной диаграммы, изображённой на рис. 1.37 в разделе №10 можно сделать вывод, что методика расчета эксплуатационной интенсивности отказов, основанная на справочнике RADC-TR-89-177 не хуже стандартизированных (уже известных) методик, с учётом того, что для расчёта требуется меньше времени и не нужно применять специализированные программы.



2. Конструктивно-технологическая часть проекта

2.1 Создание математической модели оценки безотказности на основе RADC-TR-89-177.

Одной из наиболее важных характеристик безотказности «сверхбольших» и «сверхбыстродействующих» интегральных микросхем (ИМС) является их эксплуатационная интенсивность отказов ?Э (?P по RADC-TR-89-177). Стандартная модель прогнозирования (расчета) эксплуатационной интенсивности отказов (reliabilityprediction) для «сверхбольших» и «сверхбыстродействующих» и микросхем (N> 6·104 вентилей), приведенная в американском военном стандарте RADC-TR-89-177 [1] (п. 7), имеет вид:

В первое слагаемое характеризует интенсивность отказов кристалла; второе слагаемое характеризует интенсивность отказов корпуса; третье слагаемое характеризует устойчивость к воздействию заряда статического электричества.

1. - интенсивность отказов кристалла. Значение выбирается в зависимости от типа микросхемы.

Таблица. 2.1 Значения

Тип микросхемы	Значение
Logic and Custom Devices	0.02
Memory and Gate Array	0.03

2. - коэффициент, зависящий от процесса производства. Значения берутся из таблицы 2.2.

Таблица 2.. Значения

Процесс производства	Значение
QML или QPL	0.55
Не QMLили не QPL	2.0

3. - коэффициент, зависящий от температуры. Описывает зависимость интенсивности отказов кристалла от температуры, а его математическая модель основана на законе Аррениуса: Считается по формуле

где: k- постоянная Больцмана, [эВ/°К];

T - рабочая температура кристалла (кристаллической решетки);

Т0 - номинальная температура кристалла (кристаллической решетки).

- температура корпуса, в °С;

- температура окружающей среды, в °С;

- тепловое сопротивление кристалл-корпус, в °С/Вт;

- тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда, в °С/Вт;

- фактическая рассеиваемая мощность, в Вт.

4. - коэффициент, зависящий от проведенных испытаний кристалла. Выбирается из таблицы 2.3.

Таблица 2.3 Таблица коэффициентов, зависящих от уровня испытаний

Уровень качества проведённых испытаний
D	1.0
B	0.94
S	0.85

5. - коэффициент, зависящий от сложности структуры кристалла.

Считается по формуле

где: - площадь кристалла, см2

- топологический размер, мкм

6. - интенсивность отказов корпуса

Считается по формуле:

где: - количество выводов корпуса.

7. - коэффициент, зависящий от воздействия окружающей среды. Выбирается из таблицы 2.4.



Таблица 2.4 Воздействие окружающей среды

Окружающая среда		Окружающая среда
GB GMS GF GM MP NSB NS NU NH NUU ARW AIC AIT	0.52 0.88 3.4 5.7 5.2 5.4 5.4 7.7 8.0 8.6 12 3.4 4.0	AIB AIA AIF AUC AUT AUB AUA AUF SF MFF MFA ML CL	6.8 5.4 8.1 4.0 5.4 10 8.1 12 1.2 5.3 15 17 300

8. - коэффициент, зависящий от проведенных испытаний корпуса. Выбирается из таблицы 2.5.

Таблица 2.5 Коэффициент, зависящий от проведённых испытаний корпуса

Уровень качества
D B S	10 1.0 1.0

9. - коэффициент, зависящий от типа корпуса. В зависимости от типа корпуса выбирается из таблицы 2.6.

Таблица 2.6 Таблица коэффициентов зависящих от типа корпуса

Тип корпуса	Герметичный Негерметичный
DIP PinGrid Array Chip Carrier	1.0 2.2 4.7	2.8 4.0 6.5

10. - интенсивность отказов, связанная со стойкостью к электростатическому разряду.

Значения выбираются из таблицы 6., в соответствии с стойкостью ИМС к электростатическому разряду.

Таблица 2.7 Стойкость к электростатическому разряду

VTH(Стойкость к электростатическому разряду(В))
0-1000 1000-2000 2000-4000 4000-16000 >16000	0.057 0.048 0.040 0.034 0.025

2.2 Технология создания блок схемы ЕСПД

Блок-схемы алгоритмов должны соответствовать требованиям Единой системы программной документации.

Единая система программной документации

Единая система программной документации (ЕСПД) - комплекс государственных стандартов, устанавливающих взаимоувязанные правила разработки, оформления и обращения программ и программной документации [1].

В стандартах ЕСПД установлены специальные требования, регламентирующие сопровождение, изготовление, разработку и эксплуатацию программ, что даёт возможность:

· автоматизации изготовления и хранения программной документации;

· снижения трудоемкости и повышения эффективности разработки, сопровождения, изготовления и эксплуатации программных изделий;

· автоматизации изготовления и хранения программной документации.

· унификации программных изделий для взаимного обмена программами, применения ранее разработанных программ в новых разработках;

· снижения трудоемкости и повышения эффективности разработки, сопровождения, изготовления и эксплуатации программных изделий.

Сопровождение программы включает анализ функционирования, совершенствование и развитие программы, а также внесение определённых изменений в нее для того, чтобы устранения ошибок.

Область распространения и состав ЕСПД

Правила и положения, установленные в стандартах ЕСПД, распространяются на программы и программную документацию для вычислительных машин, комплексов и систем независимо от их назначения и области применения.

В состав ЕСПД входят:

· основополагающие и организационно-методические стандарты;

· стандарты, обеспечивающие автоматизацию разработки программных документов;

· снижения трудоемкости и повышения эффективности разработки, сопровождения, изготовления и эксплуатации программных изделий;

· основополагающие и организационно-методические стандарты;

· основополагающие и организационно-методические стандарты.

Разработка организационно-методической документации, определяющей и регламентирующей деятельность организаций по разработке, сопровождению и эксплуатации программ, должна проводиться на основе стандартов ЕСПД.

Создание блок схемы алгоритма расчета на основе математической модели «RADC-ЕК-89-177». Исходя из исходной математической модели оценки показателей безотказности, был разработан алгоритм для расчёта эксплуатационной интенсивности отказов. Блока схема алгоритма подробно показана на рис.

Рис. Блок схема алгоритма расчета эксплуатационной интенсивности отказов



Выводы по конструкторско-технологической части

В конструкторско-технологической части был изучен справочник «RADC-TR-89-177», на основе которого была создана математическая модель для расчета отказов с полным описанием необходимых условий и параметров расчёта, а также создан алгоритм по стандарту построения блок-схемы ЕСП, в основу которого легла вышеуказанная математическая модель.

С помощью разработанной модели и алгоритма можно просчитать интенсивность с использованием легкодоступных исходных данных производителя ИМС любой степени интеграции, при этом потратив совсем небольшое количество времени.



3. Охрана труда

3.1 Электробезопасность

В соответствии с ГОСТ 12.1.009-76 (1999), под термином "электробезопасность" понимается определённая система технических и организационных средств и мероприятий, которые обеспечивают защиту людей от опасного и вредного воздействия статического электричества, электрического тока, электрической дуги и электромагнитного поля [21].

В последнее время везде очень широко используется электроэнергия, практически во всех сферах деятельности человека. Это очень влияет на неуклонный рост энерговооружённости труда и влечет за собой повышение опасности поражения человека электрическим током. Человек не может ощущать электрический ток какими-либо органами чувств, потому что электрический ток совершенно не имеет каких либо физических свойств и признаков, что существенно усугубляет его опасность для человека. Электротравматизм занимает одно из ведущих мест, в списке всех несчастных случаев.

В связи с этим важным является выбор защитных мер электробезопасности для обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

Самая большая опасность поражения электрическим токoм в быту и на производстве обычно появляется при несоблюдении мер осторожности и безопасности, а также при неисправности или отказе электрооборудования и бытовых приборов. Без специальных приборов человек не может обнаружить напряжение на расстоянии, оно выявляется лишь тогда, когда человек прикасается к токопроводящим частям.

По сравнению с другими видами травматизма, полученного на производстве, электротравматизм составляет достаточно небольшой процент. Однако не смотря на это, электротравматизм занимает одно из первых мест по числу травм с довольно тяжелым последствиями, в особенности, с летальным исходом занимает. До 75% электропоражений происходит на производстве из-за несоблюдения правил техники электробезопасности.

Существующие электрозащитные мероприятия можно поделить на основные три группы, которые рассмотрим далее:

1. Организационно-технические мероприятия, которые включают в себя: ограждение и изоляцию частей электрооборудования, которые проводят ток; изолирование рабочего места; защитной изоляции, защитных средств, безопасные режимы работы сети; сигнализации; переносные заземлители, предупредительных плакатов, применение блокировок; изолирование рабочего места и др.

2. Организационные мероприятия (для персонала, имеющего высокую квалификацию), которые включают в себя: оформление работ допуск-нарядом, подготовку рабочих мест и оформление допуска к работе, надзор в ходе выполнения работы и т. п.

3. Технические меры защиты, предусматривают:

· защитное зануление;

· сверхнизкое напряжение;

· защитное заземление;

· защитное разделение сетей;

· уравнивание потенциалов;

· выравнивание потенциалов

· защитное заземление;

· двойная изоляция;

· изолирование приборов на рабочем месте;

· отключение питания в автоматическом режиме;

· защиту от грозы;

· защита от замыканий на землю.

В стандарте ГОСТ Р МЭК 61140-2000 основное правило защиты от поражения электрическим током сформулировано следующим образом: опасные токоведущие части не должны быть доступными, а доступные проводящие части не должны быть опасными в нормальных условиях и при наличии неисправности[11].

Сегодня одним из самых эффективных средств по обеспечению электробезопасности является отключение источника питания прибор в автоматическом режиме, что достигается благодаря защитному отключению и защитному занулению. Всё это помогает защитить человека от поражения электрическим током при повреждении электрической установки, то есть когда происходит повреждение или пробой изоляции электрооборудования на корпус. Благодаря современным системам заземления (TT, TN-C-S, TN-S) и автоматическому отключению электроприбора, обеспечивается достаточно высокий уровень электро-безопасности в сетях до 1000В.

Основной задачей защитного зануления является надежное и быстрое отключение электрооборудования в автоматическом режиме при повреждении или нарушении изоляции электрооборудования и во время появления опасного напряжения на корпусе.

С этой целью металлические нетоковедущие элементы электрооборудования, которые потенциально которые могут быть под напряжением, шунтируются проводами с заземлённой нейтральной точкой обмотки источника или глухо заземлённой нейтралью. Типовая схема защитного зануления в сети трёхфазного тока приведена на рис. 3.1.

Проводник, соединяющий зануляемые части с глухо заземленной нейтральной точкой, называется нулевым защитным проводником. В качестве нулевых защитных проводников используют изолированные и неизолированные проводники, металлические полосы, токопроводящие оболочки кабелей, металлические конструкции элементов зданий и т. д.

Принцип действия зануления основывается на том факте, что при возникновении напряжения на нетоковедущих элементах оборудования возникает ток короткого замыкания Iк.з, фактически происходит замыкание между нулевым и фазовым проводниками (петля "фаза - ноль"). Его значение будет превосходить номинальный ток ближайшего предохранителя или автоматических выключателей (другого защитного оборудования) как минимум в 3 раза. Такая сила тока вызывает короткое замыкание с практически мгновенным выгоранием плавкой вставки (или срабатывание автоматики защиты других средств). Выгорание плавких вставок занимает 5…7 с, а срабатывание автоматического устройства - за 1…2 с.

Рис. Типовая схема защитного зануления в сети трёхфазного тока

Из рис. следует, что схема зануления требует наличия глухого заземления нейтрали обмоток источника тока и последующего заземления нулевого защитного провода. Заземление нейтрали обмоток источника питания сети при замыкании фазы на землю выполняет функцию уменьшения напряжения занулённых токоведущих корпусов (и как следствие нулевого защитного провода) относительно потенциала земли до безопасных величин. Последующее заземление нулевого защитного провода фактически не оказывает воздействия на отключающие возможности зануления и практически можно его не использовать. При его отсутствии для человека остается риск поражения током при прикосновении к занулённому оборудованию во время замыкание на корпус фазы. Это вызвано тем, что за местом обрыва напряжение относительно земли участка нулевого защитного проводника и всех соединяющихся с ним токоведущих частей корпусов исправного оборудования будет практически равно фазному сетевому напряжению. Напряжение не будет снято автоматически до выключения оборудования (установки). Кроме того, такую установку для отключения нелегко обнаружить среди исправных.

3.2 Расчет защитного зануления на рабочем месте

Самой распространенной защитой от поражения электрическим током на рабочих местах является зануление. Занулением (защитным занулением) называется электрическое соединение металлических частей ПЭВМ, которые потенциально могут оказаться под напряжением, с нулевым проводом. (Рис.).

Зануление используется в установках рабочим напряжением до 1000 В, питаемых трехфазными сетями с глухо заземленной нейтралью.

Защита при занулении основывается на отключении питающей сети ПЭВМ за счет тока, возникающего при коротком замыкании.

В качестве рабочего места будем предполагать ПЭВМ следующей конфигурации:

· системный блок на основе процессора Intel Core2 Quad Duo c набором устройств ввода-вывода и долговременного хранения информации (ZIP-drive, CD/DVD-RW, );

· принтер лазерный Samsung ML-1210;

· жидкокристаллический монитор Samsung SyncMaster 2233 “22” (TCO''03):

· разрешение экрана - 1920*1080 пикселей;

· частота кадровой развертки при максимальном разрешении - 65 Гц;



Рис. Зануление

где: Iк.з. - ток короткого замыкания [А];

Uф - напряжение фазовое [B];

rm - сопротивление трансформаторных катушек [Ом];

rнзп - сопротивление нулевого защитного проводника [Ом].

По заданным параметрам определим возможный Jк.з.

Uф = 220 В

rm =0,312 Ом (по паспорту )

где: - удельное сопротивление материала проводника [Ом*м];

l - длина проводника [м];

s - площадь поперечного сечения проводника [мм2].

рмедь= 0,0175 Ом*м

=450 м ; =170 м ; =60 м

; 10,325 Ом

По величине определим с каким необходимо включить в цепь питания ПЭВМ автомат.

Iкзk*Iном

где K - качество автомата.

Л=3.

Следовательно, для отключения ПЭВМ от сети в случае короткого замыкания или других неисправностей в цепь питания ПЭВМ необходимо ставить автомат с

= 10 А.



Выводы

В разделе охраны труда исследовались опасные и вредные факторы возникающие при работе пользователей с ЭВМ и были проанализированы меры, которые необходимо принимать для защиты от этих факторов. Также был произведён расчет защитного зануления на рабочем месте.



4. Экологическая часть проекта

4.1 Микроклимат в рабочей зоне

Параметры микроклимата в рабочей зоне определяются гигиеническими нормативами в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 (2001). К рабочей зоне относится пространство ограниченное высотой до 2 м над уровнем пола где расположено рабочее место. Рабочее место называется постоянным, если работающий находится на нем более половины своего рабочего времени или более 2 ч непрерывно. При работе в различных местах рабочей зоны, она вся считаете постоянным рабочим местом.

Микроклимат в рабочей зоне определяется следующими факторами, оказывающими непосредственное влияние на организм человека: температура, влажность и скорость движения воздуха. Кроме того существенно может влиять температура окружающих поверхностей. Оптимальными параметрами микроклимата являются те, которые при длительном и систематическом воздействии на человека гарантируют нормальное функциональное и тепловое состояния организма. В климатической зоне Москвы поддержание оптимального микроклимата при работе с ПЭВМ возможно только при использовании кондиционирования. При его отсутствии возможно поддержание только допустимых микроклиматических условий. В этом случае хотя и могут требоваться от организма напряжения терморегуляции, но они соответствуют пределам его физиологических приспособительных возможностей. При этом не должны проявляться нарушения состояния здоровья, однако допустимо некоторое ухудшение самочувствия и снижение работоспособности. Гигиенические нормы зависят от периода года, избытков тепла, выделяемого в помещении расположенным в нем оборудованием и ПЭВМ. Избытки теплоты считают незначительными, если они составляют не более 23 Дж/(м3 х с). При больших значениях помещение относится к горячем цехам.

Например, в теплый период (поздняя весна, лето, ранняя осень) для легких работ оптимальной температурой являются 22...25° С, а допустимой (при значительных избытках теплоты) на 5 °С выше средней наружной температуры в 13 ч самого жаркого месяца, но не выше 28 °С. Относительная влажность не должна превышать 55 %. Скорость движения воздуха не должна быть больше 0,2...0,5 м/с (оптимальной является скорость 0,2 м/с). На тех же работах в холодный период года оптимальной является температура 20... 23 °С, допустимой -- 19... 25 °С. В ряде случаев допускают определенные отклонения от норм. Регистрирующим прибором-термографом типа М-1В измеряют температуру воздуха, а психрометром -- влажность в тени или более 2 ч непрерывно.

Отопление предусматривают в бытовых и производственных помещениях, где люди находятся постоянно. Систему отопления выбирают в зависимости от вида помещения и от наличия в нем воспламеняющихся газов, паров, пыли. Например, при их отсутствии рекомендуются паровая, воздушная (калориферная) или водяная системы отопления. При площади пола до 500 м2 допускается печное отопление. Кабины автомобилей, тракторов и мобильных сельскохозяйственных машин чаще всего имеют воздушное отопление: воздух нагревается от радиатора охлаждения двигателя. Однако возможен и электрический обогрев.
При выполнении работ в неблагоприятных микроклиматических условиях, например на открытом воздухе в морозную погоду, кроме выдачи соответствующей одежды и обуви надо так организовать работу, чтобы была возможность периодического обогрева рабочих. Для этого необходимо предусматривать стационарные или передвижные помещения с температурой не ниже 25 °С и с сушилками.

4.2 Защита от шума

В соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 (1999) при создании технологических процессов, проектировании и эксплуатации машин, производственных зданий и сооружений, а также при организации рабочих мест следует принимать все необходимые меры по снижению шума, воздействующего на человека, до значений, не превышающих допустимые.

В помещениях, где размещены технические средства создающие шум (матричные, барабанные принтеры и т.п.), уровень их шума не должен превышать 75дБА, в обычных же помещениях, где размещаются ПЭВМ, допускается не более 65 дБА.

Защита от шума обеспечивается применением шумобезопасной техники, использованием средств коллективной защиты, в том числе строительно-акустических. Важным является применение средств индивидуальной защиты.

Вначале следует применять возможности средств коллективной защиты. По отношению к источнику шума коллективные средства защиты делятся на снижающие шум в источнике его возникновения и снижающие шум на пути его распространения к защищаемому объекту.

В первом случае снижение шума в источнике достигается путем совершенствования конструкции объекта или технологического процесса.

К средствам коллективной защиты относится также создание санитарно-защитных зон вокруг предприятий. Создание санитарно-защитной зоны необходимой ширины является наиболее простым способом обеспечения санитарно-гигиенических норм вокруг шумных предприятий.

Выбор ширины санитарно-защитной зоны зависит от типа установленного оборудования, например, ширина санитарно-защитной зоны вокруг крупных теплоэлектростанций может составлять несколько километров. Для объектов в черте города создание санитарно-защитной зоны часто является практически неразрешимой задачей. Сократить ширину санитарно-защитной зоны можно снижением шума по пути его распространения.

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) применяются в том случае, если другими доступными способами обеспечить допустимый уровень шума на рабочем месте не удается.

СИЗ защищает наиболее чувствительный воздействия - ухо. Использование СИЗ предупреждает возникновение расстройств не только органов слуха, но и нервной системы от действия раздражителей.

СИЗ, как правило, наиболее эффективно в области высоких частот.

К СИЗ относятся беруши (противошумные вкладыши), наушники, шлемофоны, защитные каски, специальные костюмы.

Выводы

В разделе «экологическая часть проекта» были проанализированы нормы по микроклимату на рабочем месте, которые необходимо соблюдать при работе. Также были рассмотрены методы и средства необходимые для защиты от шума.

Заключение

В дипломе отражены результаты проведенного дипломного проектирования, включающие анализ методов разработки и принципа функционирования ИМС, ознакомление с существующими методиками оценки показателей безотказности (в частности, интенсивности отказов) сложных ИМС (приведенные в справочниках «Надёжность ЭРИ ИП», «MIL-HDBK-217F» и «RIAC-HDBK-217PLUS»), разработка и реализация алгоритма оценки интенсивности отказов согласно методике из справочника «RADC-TR-89-177».

Для достижения вышеописанных результатов был, во-первых, проведён анализ рынка современных интегральных схем и выбрано 5 ИМС крупнейших иностранных производителей, во-вторых, изучен алгоритм испытаний на безотказность ведущих фирм-производителей ИМС и изучены стандартизированные методики прогнозирования показателей безотказности (отечественный справочник «Надёжность ЭРИ ИП» и зарубежные «MIL-HDBK-217F» и «RIAC-HDBK-217PLUS». На основе этих методик был проведен расчет эксплуатационной интенсивности отказов при помощи специализированных программных комплексов АСОНИКА-К и АСОНИКА-К-ИС, а также проанализирован дифференциальный подход к оценке показателей безотказности ИМС.

Основным объектом исследования в дипломном проектировании, является иностранная методика прогнозирования показателей безотказности «RADC-TR-89-177», которая была тщательно проанализирована, адаптирована и апробирована. По результатам проведенного анализа был разработан алгоритм оценки эксплуатационной интенсивности отказов ИМС () в соответствии с ЕСПД для дальнейшей реализации этого алгоритма средствами СAD-системы Mathcad 15.

В итоге, путем сравнительного анализа результатов проведенной оценки интенсивности отказов ИМС по различным методикам, был сделан вывод, что методика, приведенная в справочнике «RADC-TR-89-177» позволяет провести количественную оценку интенсивности отказов не хуже стандартизированных методик, с учётом того, что для проведения расчёта требуется гораздо меньше времени и не нужно применять специализированные программы. Также для расчёта требуется меньше исходных данных, и в основном лишь те, которые легко можно найти на сайте производителя ИМС. Это очень важно, так как в настоящее время происходит снижение сроков на разработку и производство РЭС и, как следствие, снижение времени проведения предварительных испытаний. Часто даже нет возможности повторно провести испытание РЭС после обнаружения и устранения дефекта или ошибки проектирования. Это предъявляет высокие требования по скорости и точности проведения оценки безотказности на этапе проектирования

Также в результате дипломного проектирования исследовались опасные и вредные факторы, возникающие при работе пользователей с ЭВМ, и были проанализированы меры, которые необходимо принимать для защиты от этих факторов. Был произведён расчет защитного зануления на рабочем месте. В разделе «экологическая часть проекта» были проанализированы нормы по микроклимату на рабочем месте, которые необходимо соблюдать при работе и рассмотрены методы и средства необходимые для защиты от шума.

Список использованной литературы

1. Строгонов А. Долговечность интегральных схем и производственные методы ее прогнозирования // Chip News. 2002. № 6.

2. Лидский Э., Мироненко О., Гусев А. Современный подход к оценке надежности изделий электронной техники// Компоненты и технология. 2000. № 3.

3. MIL-HDBK-217F: Reliability prediction of electronic equipment. (Notice 1, Notice 2) / Department of defense - 28 February 1995.

4. RADC-TR-89-177: VHSIC/VHSIC-Like Reliability Prediction Modeling

5. Горлов М.И., Королев С.Ю., Кулаков А.В., Строгонов А.В. Расчет надежности интегральных схем по конструктивно-технологическим данным. Воронеж: Изд. Воронежского университета, 1996,с.

6. RIAC-HDBK-217Plus (Handbook of 217PlusTM Reliability Prediction Models). Reliability Information Analysis Center, 2006.

7. Справочник. Надежность ЭРИ иностранного производства. Редакция 2006г. М.В. Романов., Количественная оценка надёжности интегральных микросхем с учётом математической модели отказов, 2009г.

8. Actel Digital Library. Space FPGAs Product Brochure. Q4.2012.

9. Actel (Microsemi) ProASIC3 Flash Family FPGAs, 2013.

10. Atmel, 32-Bit Atmel AVR Microcontroller, 2012.

11. Atmel Reliability Monitor Report, 2013.

12. Texas Instruments OPA-2233HT Data Sheet, Q4.2012.

13. Texas Instruments High Rel Products Reliability Report OPA-2233HT,2012.

14. Xilinx Spartan-3 FPGA Data Sheet, 2012.

15. Xilinx Device Reliability Report Third Quarter, 2012.

16. Microchip TC4467 Family's DataSheet, 2013.

17. MIL-STD-883. Test method and procedures for microelectronics. 1986. Lattice Semiconductor Corporation. Reliability and Quality Assurance.

18. Полесский С.Н., МИЭМ НИУ ВШЭ Карапузов М.А., ОАО «НИИ ТП» Сравнительный анализ методик расчёта интенсивности отказов сеансно работающих ИМ иностранного производства., 2013.

19. ГОСТ 19.701-90, Схемы алгоритмов, программ, данных и систем.

20. ГОСТ 12.1.209-76 (1999) Электробезопасность термины и определения.

21. ГОСТ Р МЭК 61140-200, Защита от поражения электрическим током..

22. ГОСТ - 12.1.005.-88(2001) Санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.



Приложение 1

Это приложение содержит подробную таблицу конструктивно-технологических параметров интегральных микросхем:

· Texas Instruments OPA-2333

· Mirosemi ProASIC3 A3P0602

· Atmel AT32UC3A05123

· Microchip TC4467

· Xilinx Sparta XC3S2005

Данные для таблицы были взяты из технических описаний ИМС (datasheets) и из отчётов по надёжности каждой ИМС (reliabilityreports), которые были скачаны с сайтов производителей интегральных микросхем.

Таблица разбита на четыре подгруппы:

· Параметры ТУ (Data Sheet)

· Параметры режима применения

· Параметры режима электротермотренировки

· Физические константы

Таблица П 1.1

Обозначение	Наименование	Texas Instruments OPA2333-HT	Microsemi ProASIC3 (A3P060)	Atmel AT32UC3A0512	Microchip TC4467	Xilinx Spartan-3 XC3S200	Ед. измерения
1	2	3	4	5	6	7	8
Параметры ТУ (DataSheet)
VTH	Стойкость к воздействию электростатического разряда	4000	2000	2000	2000	2000	[В]
?JC	Тепловое сопротивление кристалл-корпус	39,4	0,3	5,5	35	12	[°С/Вт]
Кпр	Коэффициент, зависящий от уровня качества	S	S	S	S	S	[отн. ед.]
?PT	Коэффициент, зависящий от типа корпуса	DIP Hermetic 8 - pins	QFN No hermetic132 - pins	LQFP No hermetic 144 pins	DIP No hermetic 14 - pins	VQFP Hermetic 100- pins	[отн. ед.]
tСС	Срок службы	100000	175200	131400	206447	135000	[ч.]
KQML	Коэффициент, зависящий от качества производства	QML	QML	QML	QML	QML	[отн. ед.]
KMETALTYPE	Коэффициент, зависящий от типа микросхемы	Logic	Flash -Memory	Logic	Logic	Logic	[отн. ед.]
	Коэффициент, зависящий от типа микросхемы (процесс MET)	Al-Cu	Cu	Al-Cu	Al-Cu	Al-Cu	[отн. ед.]
A	Полная площадь кристалла	0,06	0,21	1,32	0,42	0,85	[см2]
DMET	Плотность дефектов в металлизации	32 нм	130 нм	180 нм	180нм	90нм	[нм]
	Номинальная напряженность электрического поля	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	[МВ/см]
	Коэффициент, зависящий от типа микросхемы (процесс OX)	Logic Device	Memory	Logic Device	Logic Device	Logic Device	[тип]
DOX	Плотность дефектов в подзатворном окисле	32 нм	130 нм	180 нм	180 нм	90нм	[нм]
Параметры режима применения
КЭ	Коэффициент, зависящий от жесткости условий эксплуатации	1.1	1.1	1.1	1.1	1.1	[отн.ед.]
#Pins	Число задействованных выводов корпуса	8	132	144	14	100	[шт.]
TЭ	Рабочая температура корпуса	30+273	30+273	30+273	30+273	30+273	[°К]
РЭ	Рабочая мощность	0,0275	0,5	0,09165	0,8	0,41	[Вт]
	Ток стока	2,11	2	4	4	1,5	[мА]
	Ток в подложку	0,64	0.5	0,001	0,5	0,48	[мА]
Параметры режима электротермотренировки
TЭТТ	Номинальная температура корпуса	130+273	125+273	85+273	150+273	85+273	[°К]
РЭТТ	Рабочая мощность	0,0275	0,5	0,09165	0,8	0,41	[Вт]
DCЭТТ	Рабочее напряжения питания	5,5	3.3	3,6	18	3,4	[В]
RHЭТТ	Рабочая влажность	85%	85%	85%	85%	85%	[%]
tЭТТ	Время технологической электротермотренировки	96	96	96	96	96	[ч.]
J	Среднее абсолютное значение плотности тока в металлизации	0,5	0.5	0.5	0.5	0.5	[МА/см2]
	Напряженность электрического поля	2,5	2.5	2.5	2.5	2.5	[МВ/см]
AR	Полная площадь кристалла тестовой структуры	0,06	0.21	1,32	0,42	0,85	[см2]
	Плотность дефектов в металлизации	32	130	180	180	90	[нм]
Физические константы
k	Постоянная Больцмана	8,617•10-5	8,617•10-5	8,617•10-5	8,617•10-5	8,617•10-5	[эВ/°К]
T0	Номинальная температура	298	298	298	298	298	[°К]
RH0	Номинальная влажность	85,0	85,0	85,0	85,0	85,0	[%]

Приложение 2

В приложение №2 представлены расчеты эксплуатационной интенсивности отказов (см. часть 4.9 диплома)для ИМС из технического задания на основе американской методики RADC-TR-89-177.

1.Текст программы расчёта ИО для Texas Instruments OPA-2333HT:

Программа расчёта эксплуатационной интенсивности отказов на основе справочника RADC-TR-89-177.

Расчет интенсивности отказов для ИМС Texas Instruments OPA-2333HT.

Выполнено на основе алгоритма из пункта №4.8 диплома.

Необходимо ввести все необходимые данные и рассчитать необходимые коэффициенты и интенсивности отказов.

1.Расчет :

- интенсивность отказов, зависящая от типа ИМС

2.Расчет :

- зависит от процесса производства ИМС

3. Расчет :

Необходимые данные для расчёта :

- тепловое сопротивление кристалл-корпус (С/Вт)



- температура корпуса (С)

- номинальная температура кристалла (К)

- мощность рассеивания (Вт)

- рабочая температура кристалла (К)

- формула для расчёта

- коэффициент, зависящий от температуры

4. Расчет :

- коэффициент, зависящий от уровня качества проведённых испытаний кристалла

5. Расчет :

Необходимые данные для расчета

- площадь кристалла (см2)

- топологический размер (мкм)

- формула для расчета

- коэффициент зависящий от сложности структуры кристалла

6. Расчет :

Необходимые данные для расчета :

- количество выводов

- формула расчета

- интенсивность отказов корпуса

7. Расчёт:

- коэффициент, зависящий от воздействия окружающей среды

8. Расчет :

- коэффициент, зависящий от качества проведённых испытаний корпуса

9. Расчёт

- коэффициент, зависящий от типа корпуса

10. Расчет :

- интенсивность отказов, связанная с ESD

Все необходимые данные введены, далее рассчитываем эксплуатационную интенсивность отказов

- математическая модель расчёта ИО ИМС

2. Текст программы расчёта ИО для Microsemi (Actel) ProASIC3 A3P0602:

Программа расчёта эксплуатационной интенсивности отказов на основе справочника RADC-TR-89-177.

Расчет интенсивности отказов для ИМС Microsemi ProASIC3(A3P060),

Выполнено на основе алгоритма из пункта №4.8 диплома.

Необходимо ввести все необходимые данные и рассчитать необходимые коэффициенты и интенсивности отказов.

1.Расчет :

- интенсивность отказов, зависящая от типа ИМС

2.Расчет :

- зависит от процесса производства ИМС

3. Расчет :

Необходимые данные для расчёта :

- тепловое сопротивление кристалл-корпус (С/Вт)

- температура корпуса (С)

- номинальная температура кристалла (К)

- мощность рассеивания (Вт)

- рабочая температура кристалла (К)

- формула для расчёта

- коэффициент, зависящий от температуры

4. Расчет :

- коэффициент, зависящий от уровня качества проведённых испытаний кристалла

5. Расчет :

Необходимые данные для расчета

- площадь кристалла (см2)



- топологический размер (мкм)

- формула для расчета

- коэффициент, зависящий от сложности структуры кристалла

6. Расчет :

Необходимые данные для расчета :

- количество выводов

- формула расчета

- интенсивность отказов корпуса

7. Расчёт:

- коэффициент, зависящий от воздействия окружающей среды

8. Расчет :

- коэффициент, зависящий от качества проведённых испытаний корпуса

9. Расчёт

- коэффициент, зависящий от типа корпуса

10. Расчет :

- интенсивность отказов, связанная с ESD

Все необходимые данные введены, далее рассчитываем эксплуатационную интенсивность отказов

- математическая модель расчёта ИО ИМС

3. Текст программы расчёта ИО для Atmel AT32UC3A05123 :

Программа расчёта эксплуатационной интенсивности отказов на основе справочника RADC-TR-89-177.

Расчет интенсивности отказов для ИМС Atmel AT32UC3A0512,

Выполнено на основе алгоритма из пункта №4.8 диплома.

Необходимо ввести все необходимые данные и рассчитать необходимые коэффициенты и интенсивности отказов.

1.Расчет :

- интенсивность отказов, зависящая от типа ИМС

2.Расчет :

- зависит от процесса производства ИМС

3. Расчет :

Необходимые данные для расчёта :

- тепловое сопротивление кристалл-корпус (С/Вт)

- температура корпуса (С)

- номинальная температ...