Размещено на http://www.allbest.ru/

1

НАДЕЖНОСТЬ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

1. Уровень надежности микроэлектронных систем

Невысокое быстродействие релейных СЖАТ, большая материалоемкость и значительный расход дефицитных металлов, относительно невысокая надежность обусловливают практическую неразрешимость введения в таких системах информационной и структурной избыточности, что необходимо для создания необслуживаемых систем.

Решение данного вопроса возможно в бесконтактных системах. Первые работы по применению в СЖАТ полупроводниковой техники начались в 50-х годах. Тогда были разработаны с применением транзисторов и внедрены системы диспетчерской централизации ЧДЦ (1961 г.) и «Нева» (1967 г.), а также бесконтактный маршрутный набор на транзисторных элементах (1967 г.). Бесконтактная техника использовалась при этом в основном для решения задач, не связанных непосредственно с обеспечением безопасности движения поездов.

С начала 80-х годов начинаются работы по использованию микроэлектронной, микропроцессорной и компьютерной техники для построения СЖАТ: микропроцессорных и компьютерных ЭЦ, многозначной АЛС, микропроцессорных и компьютерных ДЦ, микропроцессорных комплексов горочной автоматики и др.

Одной из причин сравнительно медленного внедрения бесконтактной техники в СЖАТ является то, что проблема обеспечения безопасности при ее использовании теряет свою наглядность и становится неочевидной. Разработка специальных методов обеспечения безопасности микроэлектронных и микропроцессорных СЖАТ и методов доказательства безопасности технических средств ведется с конца 60-х - начала 70-х годов в Ленинградском и Московском институтах инженеров железнодорожного транспорта.

В табл. 4.1 приведены некоторые статистические данные ЦСС МПС по уровню безотказности отдельных блоков бесконтактных СЖАТ.

надежность микроэлектронный полупроводниковый интегральный

Таблица 4.1 Параметры потока отказов бесконтактной аппаратуры

Следует отметить, что усложнение схем при переходе с релейной на бесконтактную транзисторную элементную базу часто приводит к тому, что электронная аппаратура ЖАТ по безотказности оказывается не лучше, чем комбинированные блоки, в которых остается часть электромагнитных реле. Переход на транзисторную технику в тональных рельсовых цепях (ТРЦ) без изолирующих стыков для автоблокировки привел, например, даже к снижению в 1,2 раза средней наработки на отказ аппаратуры по сравнению с аппаратурой числовой кодовой АБ. Это явилось, прежде всего, следствием размещения электронных блоков в путевых коробках и релейных шкафах, где аппаратура подвержена повышенному влиянию внешних неблагоприятных воздействий..

Переход на микропроцессорную технику позволил существенно повысить безотказность аппаратуры СЖАТ. Средняя наработка на защитный отказ, по данным МГУПС, аппаратуры микропроцессорной системы автоблокировки с РЦ без изолирующих стыков типа АБ-Е3 составляет 5105 ч., что в 2,27 раз больше по сравнению с аппаратурой числовой кодовой АБ и в 2,77 раза больше по сравнению с АБ с тональными рельсовыми цепями без изолирующих стыков.

По мнению разработчиков, безопасность и общая безотказность систем микропроцессорной централизации (МПЦ) более высока, чем у релейных систем. Так, для японской системы SMILE интенсивность опасных отказов находится в пределах 1,610-10 - 5,810-12 ч-1, а защитных - в пределах 110-7 - 4,810-9 ч-1, что меньше на два порядка, чем у существующих релейных систем. Время наработки на опасный отказ английской системы SSI - 4105 - 1106 лет. Срок службы МПЦ не меньше, чем релейных систем. Например, срок службы системы ELECTRA австрийской фирмы «Alcatel» не менее 25 лет. Время ремонта МПЦ 0,2 - 12 ч при коэффициенте готовности не менее 0,9999 [3].

Разработка новых релейных ЭЦ сопровождалась заметным ростом стоимости аппаратуры. Так, среднее количество реле на одну централизованную стрелку в унифицированных ЭЦ, системах БМРЦ и ЭЦИ соотносится в пропорции 1:1,28:1,94. Устойчивая тенденция снижения стоимости микропроцессорных систем ЖАТ при одновременном расширении их функциональных возможностей определяет повышение темпов внедрения их на железных дорогах.

Одна из особенностей систем управления и контроля, построенных с использованием элементной базы микроэлектроники, заключается в том, что интенсивность кратковременных самоустраняющихся отказов (сбоев) на один-два порядка выше интенсивности устойчивых отказов. Интенсивность сбойных ошибок существенно зависит от содержания выполняемых алгоритмов и возрастает с увеличением скорости выполнения операций и команд [5].

Для таких систем очень важно обеспечение требуемого уровня функциональной надежности, под которой понимают завершенность, достоверность и своевременность реализации заданного алгоритма функционирования. Количественной оценкой функциональной надежности служит вероятность правильного функционирования, для определения которой необходимо оценить вероятности правильного выполнения элементами аппаратуры соответствующих логических функций, микроопераций, команд и т.п.

Сбойные ошибки в микроэлектронных дискретных устройствах появляются вследствие критических состязаний сигналов или от внутренних помех в кристаллах микросхем. Для борьбы с критическими состязаниями используют системы специальных синхронизирующих сигналов или различные методы временной расстановки сигналов с помощью устройств задержки. Разработан также математический аппарат для анализа различных видов состязаний в комбинационных и последовательностных схемах, который позволяет разработчикам уже на этапе проектирования принять необходимые меры для обеспечения устойчивой работы дискретных устройств [27].

2. Отказы полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

В микроэлектронной и микропроцессорной аппаратуре СЖАТ основной вклад в суммарную интенсивность отказов вносят интегральные микросхемы. Например, в блоках и модулях микропроцессорных АБ на микросхемы с их пайкой приходится от 80 до 97 процентов от общей интенсивности отказов, а на полупроводниковые приборы - до 2-3 %.

Количественные данные по интенсивности отказов изделий электронной техники определяются по результатам производственных испытаний на заводах изготовителях, а также испытаний и эксплуатации изделий потребителями. Испытания проводят при номинальной электрической нагрузке и температуре окружающей среды +250С (интенсивность отказов - 0) или максимально допустимой по техническим условиям температуре для конкретных типономиналов интегральных микросхем и типов полупроводниковых приборов (Н). Одна из этих цифр обычно и публикуется в справочниках, например в [14]. В табл. 4.2 приведены усредненные значения интенсивностей отказов по видам рассматриваемых изделий.

Для расчета по справочным данным ожидаемой интенсивности отказов в конкретных условиях эксплуатации используют поправочные коэффициенты, подставляемые в формулу

.

Для диодов и биполярных транзисторов эта формула имеет вид:

,

где -- коэффициент режима, зависящий от электрической нагрузки (тока) и (или) температуры окружающей среды;

-- коэффициент, учитывающий функциональное назначение прибора;

-- коэффициент, зависящий от величины максимально допустимой по ТУ нагрузки по мощности рассеяния (току);

-- коэффициент, зависящий от величины отношения рабочего напряжения к максимально допустимому по ТУ;

-- коэффициент, зависящий от условий эксплуатации.

Таблица 4.2 Значения интенсивности отказов интегральных микросхем и полупроводниковых приборов в нормальном режиме

Коэффициент берется равным единице для рассматриваемых изделий при использовании их в стационарной аппаратуре, применяемой в лабораторных условиях, и равным 2,5 для подвижной аппаратуры. В переносной аппаратуре этот коэффициент равен 1,7 для интегральных микросхем и 1,5 для полупроводниковых приборов. Численные значения остальных коэффициентов из формулы (4.2) выбираются по таблицам из справочников, например [14].

Для полевых транзисторов не учитываются коэффициенты и , а для тиристоров и . Для стабилитронов и оптоэлектронных полупроводниковых приборов учитываются только и .

Если интегральные микросхемы эксплуатируются в облегченных режимах, или проводятся специальные мероприятия по обеспечению надежности аппаратуры (входной контроль, дополнительные отбраковочные испытания плат, узлов, блоков и т.д.) для определения эксплуатационной интенсивности отказов , то дополнительно используется поправочный коэффициент , выбираемый из следующих диапазонов его значения:

0,2 - 0,4 -- при эксплуатации микросхем в облегченных режимах;

0,4 - 0,7 -- при проведении комплекса дополнительных мероприятий;

0,1 - 0,3 -- при совместном использовании указанных мер.

При расчете суммарной интенсивности отказов аппаратуры применяют дополнительно два коэффициента: - коэффициент, учитывающий наличие амортизации аппаратуры и .- коэффициент качества обслуживания аппаратуры. Для аппаратуры СЖАТ берется = 0,85 и = 0,5.

У полупроводниковых приборов кроме отказа типа «обрыв», «короткое замыкание», «пробой» возможны и параметрические отказы, связанные с ухудшением их параметров (табл. 4.3).

Таблица 4.3 Распределение в процентах по видам отказов полупроводниковых приборов

Внешними неблагоприятными воздействиями в микросхемах и полупроводниковых приборах вызываются различные деградационные процессы, создающие предпосылки для отказов (табл. 4.4) [5].

Термические отказы рассматриваемых изделий являются следствием электрических перегрузок проводников, действия внешних тепловых полей и термических пробоев диэлектриков и полупроводников. Токовые перегрузки контактов приводят к теплопереносу с приваркой контактов или их разогревом дуговым разрядом, возникновению токовых шумов, ускорению электролитической эрозии.

Допускаемые значения механических воздействий на интегральные микросхемы и полупроводниковые приборы в 1,5-2 раза больше, чем для аппаратуры ЖАТ. Из-за ограничения по нижнему значению рабочей температуры --450 С микропроцессоры и однокристальные ЭВМ могут использоваться только в аппаратуре ЖАТ исполнения У. Основными причинами отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем являются: дефекты металлизации -- 26% и внутренних выводов -- 23%; дефекты в сборке корпуса -- 17% и изменение электрических характеристик -- 12%; поверхностные нарушения и несовмещения -- по 7%; дефекты окисла и негерметичность -- по 4% [24].

Таблица 4.4 Предпосылки типичных отказов микросхем в зависимости от внешних воздействий и деградационных процессов

Внутренние межэлементные соединения активных структур современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем выполняются нанесением с соответствующей разводкой алюминиевой пленки толщиной примерно 1 мкм на поверхность кристалла. В процессе эксплуатации происходит деградация пленки, занимающей до 50% площади поверхности кристалла. Проникновение влаги в корпус вызывает коррозию и окисление алюминиевой металлизации. Электродиффузия, электрохимическая коррозия и окисление алюминия вызывает увеличение сопротивления токоведущих дорожек. Этим нарушается температурный режим работы прибора, что приводит к локальным перегревам и росту вероятности обрыва металлизации.

Внутренние выводы из золотой проволоки крепятся к алюминиевым контактным площадкам термокомпрессионной сваркой. Из-за роста сопротивления контактов снижается быстродействие интегральной микросхемы, увеличивается напряжение насыщения транзисторов в импульсном режиме. Внезапные отказы возникают при обрывах контактов от механических нагрузок, от повышенной хрупкости контактных соединений [21].

За повышение быстродействия цифровых схем и дискретных устройств приходится расплачиваться увеличением интенсивности их сбоев, приводящих к сбойным ошибкам. Последние вызывают потерю или искажение результатов выполнения предусмотренного алгоритма.

Для повышения быстродействия уменьшают переход между уровнями выходного напряжения, соответствующими логическим «единице» и «нулю», что приводит к снижению помехоустойчивости системы. Вольт-секундная площадь допустимых помех для ламповых приборов была 610-6 Вс, для транзисторных схем - 310-6 Вс, для интегральных микросхем типа ЭСЛ - 0,0510-6 Вс, т.е. она уменьшилась на два порядка. При этом амплитуды и длительности помех и полезных сигналов стали соизмеримы.

Повышение плотности монтажа и снижение питающих напряжений интегральных схем также приводит к росту влияния внутренних помех на работу микроэлектронных устройств. Помехи возникают в кристаллах интегральных микросхем при подключениях логических элементов и проявляются в виде перекрестных емкостных наводок, импульсных индуктивных и кондуктивных помех в шинах питания и заземления. Вероятность правильного переключения логического элемента зависит от числа элементов и усредненного шага их размещения на кристалле, геометрических параметров шин питания и заземления, линий связи между элементами, трассировочной способности кристалла, от характера входных сигналов и типа реализуемой логической функции, температуры, нагруженности логического элемента, напряжения питания.

3. Надежность компонентов электронных схем

В данном параграфе рассмотрена надежность конденсаторов, резисторов, трансформаторов, коммутационных и установочных изделий, низкочастотных соединителей, используемых в электронной и микроэлектронной аппаратуре. В табл. 4.5 приведены усредненные значения интенсивностей отказов по указанным видам изделий.

Для магнитоуправляемых контактов в табл. 4.5 интенсивность отказов приведена в расчете на одно срабатывание.

Формулы для расчета интенсивности отказов в конкретных условиях эксплуатации рассматриваемых изделий различаются даже для разных типов конденсаторов и резисторов, поэтому они не приводятся. Для всех типов данных изделий используется коэффициент , а коэффициент применяется для конденсаторов, резисторов, тумблеров и штепсельных соединителей.

Для компонентов электронных схем дополнительно используются следующие коэффициенты формулы (4.1): - коэффициент режима для конденсаторов и предохранителей, зависящий от температуры окружаю-

Таблица 4.5 Значения интенсивности отказов компонентов электронных схем

Примечание: Ш - на штырек; КГ - на контактную группу.

щей среды; - коэффициент, зависящий от величины номинальной емкости конденсатора; - коэффициент, определяемый величиной последовательного активного сопротивления в схеме между конденсатором и источником питания; - коэффициент, зависящий от величины номинального сопротивления резистора; - коэффициент, определяемый величиной номинальной мощности резистора; - коэффициент, определяемый количеством сочленений - расчленений соединителя; - коэффициент, зависящий от количества контактов коммутационного изделия или соединителя.

Значения коэффициента для рассматриваемых компонентов приведены в табл. 4.6. Значения остальных коэффициентов приведены в таблицах справочника [14].

Таблица 4.6 Значения коэффициента по группам аппаратуры

В аппаратуре микроэлектронных систем автоблокировки на отказы резисторов приходится до 8%, на отказы конденсаторов - до 4% и на отказы трансформаторов при их наличии - до 2% от общей интенсивности отказов блока или модуля. Следовательно, на эти элементы вместе с микросхемами и полупроводниковыми приборами приходится до 95 - 99,9% от рассматриваемой общей интенсивности отказов. Поэтому в данном параграфе основное внимание уделено указанным элементам.

Деградационные процессы в конденсаторах вызывают появление как внезапных, так и постепенных (параметрических) отказов (табл. 4.7).

Таблица 4.7 Распределение в процентах по видам отказов низковольтных конденсаторов

Конденсаторы керамические монолитные относятся к группе наиболее массовых низковольтных конденсаторов (К10-17, К10-28, К10-50 и др.). Основными причинами их отказов являются: пробой вследствие микротрещин и расслоений пакета, повышенной пористости керамики, загрязнений на поверхности и посторонних включений в керамике, миграции серебра в керамику, некачественного глазурирования и т.п. - 27%; снижение сопротивления изоляции из-за дефектов керамики и покрытий, а также поверхностных загрязнений - 45%; некачественная пайка контактного узла и нарушение режимов сжигания серебра, приводящие к потере емкости - 4%.

Из электролитических самыми массовыми являются конденсаторы алюминиевые оксидноэлектролитические. В основном эти конденсаторы полярные, но имеются и неполярные, представляющие две встречно включенные секции. Основной вид отказа таких конденсаторов (до 30%) - снижение емкости и рост tg вследствие потери электролита, обусловленной повышенным газовыделением из-за роста тока утечки и развития коррозионных процессов на анодных пластинах и выводах, а также некачественным исполнением узлов уплотнения, недопропиткой секций электролитом. Второй по значимости причиной отказов (26%) является коррозия анодного вывода и анодной фольги.

В процессе эксплуатации электролитических конденсаторов частой причиной отказов является кратковременная подача напряжения обратной полярности или значительные превышения переменного напряжения (в процессе настройки, при проверке тестером, в переходных режимах и др.). Такие нарушения режимов работы, как правило, не сразу сказываются на электрических характеристиках конденсаторов, однако вызываемые ими перегревы и частичное растворение оксидного слоя проявляется при дальнейшей эксплуатации конденсаторов.

У резисторов от 10 до 25 процентов отказов приходится на обрывы, остальное - параметрические отказы [14]. Основные причины отказов наименее надежных проволочных резисторов приведены в табл. 4.8 [27].

Таблица 4.8 Отказы проволочных резисторов

В трансформаторах и дросселях отказы происходят из-за пробоя изоляции на корпус или между обмотками, обрыва проводников в обмотке, замыкания между витками обмотки, нарушения контактов и соединений, недопустимого снижения сопротивления изоляции вследствие ее старения или чрезмерного увлажнения, нарушения межлистовой изоляции магнитопроводов.

Витковое короткое замыкание обмотки приводит к чрезмерному нагреву трансформатора или дросселя. Нарушение межлистовой изоляции сердечников магнитопровода приводит к недопустимому повышению температуры отдельных участков магнитопровода и всего магнитопровода в целом, повышенному нагреву обмоток, выгоранию части магнитопровода (пожар в стали).

4. Надежность программного обеспечения

Работоспособность микропроцессорных и компьютерных СЖАТ возможна только при одновременной работоспособности аппаратуры и программных средств.

По мере развития микропроцессорной техники, расширения ее возможностей благодаря увеличению разрядности, быстродействия и объемов памяти постоянно возрастает число функций, выполняемых программными средствами. Материальные затраты на разработку программного обеспечения могут достигать 90% общих затрат. Поэтому программное обеспечение превратилось в самостоятельное промышленное изделие, оказывающее огромное влияние на трудоемкость, стоимость, работоспособность микропроцессорных СЖАТ.

При разработке программ очень важна проблема обеспечения их надежности. Например, в 1968 г космический корабль «Маринер-1» упал в океан потому, что программист не поставил знак минус в утверждении Фортрана. Ошибки в программном обеспечении были причиной серьезных осложнений в возвращении на землю одного из советских космических кораблей.

Для СЖАТ рассматриваются следующие составляющие надежности программного обеспечения - корректность, устойчивость, безопасность и недоступность [12].

Корректность - свойство программы удовлетворять ее функциональным спецификациям. Корректность требует вычисления правильных выходных данных в области изменения входных данных, удовлетворяющих спецификациям, при условии безотказности аппаратных средств.

Устойчивость - свойство программы быть в процессе ее выполнения нечувствительной к ошибкам, отказам аппаратуры и некорректным входным данным. Это свойство аналогично свойству отказоустойчивости аппаратуры.

Безопасность - свойство программы вычислять правильные или защитные выходные данные при наличии ошибок или появлении отказов аппаратуры и некорректных входных данных. Под защитными выходными данными понимают неправильные результаты при реализации программ, которые не переводят управляющую систему в опасное состояние.

Недоступность - свойство программного обеспечения исключать возможность обращения одного пользователя к данным и программам, которые являются собственностью другого пользователя. Недоступность достигается тщательной изоляцией данных и программ разных пользователей друг от друга и от операционной системы, а также применением ключевых слов, кодов и др.

Надежность программного обеспечения - это свойство сохранять корректность, устойчивость, безопасность и недоступность в течение определенного периода времени при данных условиях эксплуатации и технического обслуживания [12].

Интенсивность ошибок программного обеспечения лежит в пределах от 0,25 до 10 на 1000 команд [9]. Следовательно, в новой системе, содержащей 500 000 команд, следует ожидать от 125 до 5000 ошибок.

Ошибки программного обеспечения делят на программные, алгоритмические и системные.

Программные ошибки вызываются неправильной записью команд на языке программирования и ошибками при трансляции. Их количество зависит от квалификации программистов, степени автоматизации программирования, глубины и качества тестирования. На начальных этапах разработки программные ошибки составляют одну треть всех ошибок, но эти ошибки сравнительно легко обнаруживаются.

Алгоритмические ошибки возникают из-за неправильной постановки задачи или из-за некорректной формулировки алгоритма ее решения и обнаруживаются они сложнее, чем программные. Типичны такие ошибки: неполный учет условий решения или диапазонов изменения переменных; превышение выделенных ресурсов; неправильная оценка времени реализации отдельных программных модулей и др.

Труднее всего обнаруживаются системные ошибки, которые связаны с неправильным взаимодействием комплексов программ между собой и внешними объектами.

В жизненном цикле программного обеспечения выделяют шесть этапов: анализ требований к системе, определение спецификаций, проектирование, программирование, тестирование, эксплуатация и сопровождение. Наибольшее число ошибок допускается при проектировании (60 %) и программировании (40%). Однако и при тестировании и при сопровождении могут быть внесены новые ошибки. Исправление одной программной, алгоритмической или системной ошибки требует корректировки в среднем соответственно 6, 14 и 25 команд [10]. С течением времени жизненного цикла программного обеспечения материальные затраты на исправление ошибки возрастают, а вероятность правильного исправления уменьшается.

Программные и аппаратные отказы имеют много общего, но во многом существенно различаются]. Общее между ними: невыполнение объектом заданных функций; времена до отказа и времена устранения отказов носят случайных характер; статистические оценки показателей аппаратурной и программной надежности могут быть одинаковы по своему названию: средняя наработка на программный отказ, интенсивность программных отказов и т.п.

Вместе с тем отказы программные существенно отличаются от отказов аппаратурных:

отказ аппаратурный зависит либо от времени, либо от объема выполненной работы, а отказ программный - от вероятности выхода программы на ее участок, содержащий ошибку;

устраненный аппаратурный отказ может повториться при дальнейшей эксплуатации объекта, устраненный программный отказ в дальнейшем не повторяется;

прогнозировать возникновение многих аппаратурных отказов возможно, а прогнозировать возникновение отдельных программных отказов затруднительно или просто невозможно;

делить программные отказы на внезапные и постепенные по аналогии с аппаратурными отказами не имеет смысла.

Испытания программ на надежность и испытание изделий на надежность их программного обеспечения - обязательные этапы при проверке надежности систем. Испытания на надежность программ проводят с помощью специальных программ (тестированием) и специальных (имитационных) стендов. Затем проверяется надежность изделий при совместной работе программы и изделия. При этом тестирование требует до 50-60% всех затрат труда на программирование [10].

В безотказных системах часто применяют двухвариантное программирование с контролем совпадения результатов или разрабатывают для таких систем самопроверяемые программы.

Размещено на Allbest.ru