Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра ПР-6 «Компьютерные технологии в оптоэлектронике»
Астахов В.П.
Содержание лекционного курса
Направление подготовки 200200 Оптотехника
Специальность 200204 «Оптические технологии и материалы»
Москва
2007 г.
Лекции 1, 2
Полупроводниковая оптоэлектроника, развившаяся из электроники - исключительно быстро прогрессирующая область науки и техники. Ее развитие претерпело несколько стадий от момента изобретения транзистора - что дало возможность на начальном этапе основательно потеснить вакуумные лампы - до использования цифровых (логических) интегральных микросхем, что способствовало переходу к цифровой обработке сигнала.
Внедрение оптоэлектронных приборов в электронную аппаратуру проходило в условиях преодоления существенных трудностей. Одной из основных была проблема обеспечения высокой надежности функционирования приборов в аппаратуре. Теоретически долговечность идеального полупроводникового оптоэлетронного прибора исчислялась несколькими сотнями лет. На практике столь многообещающие прогнозы не подтвердились. Реальные приборы имели сравнительно низкую долговечность.
Для преодоления создавшихся трудностей необходим был научно обоснованный подход к обеспечению высокой работоспособности различной аппаратуры и приборов, в нее входящих. Этот подход и вылился в создание нового научного направления - науки о надежности.
В своем развитии теория и практика надежности прошли несколько этапов. На первом этапе систематизировались данные по отказам аппаратуры и комплектующих изделий, исследовались и определялись законы распределения отказов во времени, разрабатывалась единая терминология в области надежности, создавались методы расчета надежности аппаратуры и ее элементов, накапливался статистический материал о количественных показателях надежности.
На следующих этапах разрабатывались требования по надежности изделий электронной техники, формировались все более объективные и информативные методы испытаний на надежность. В технологический процесс производства приборов вводился более детальный контроль промежуточных операций и выходной контроль готовых изделий перед отправкой потребителю. При производстве электронных средств все шире применялись статистические методы контроля, позволяющие своевременно корректировать технологический процесс с целью недопущения брака на заключительных операциях.
На современном этапе развития сложились и заняли прочные позиции фундаментальные направления теории надежности: это, прежде всего, математическая теория надежности; далее, методы сбора и обработки статистических данных о надежности - статистическая теория надежности; а исследования в области физико-химических процессов стали базой физической теории надежности.
Основные положения общей теории надежности являются фундаментом для разработки прикладных вопросов надежности в различных областях техники, в том числе и в оптоэлектронике.
Наиболее характерными чертами современной полупроводниковой оптоэлектроники являются постоянное повышение функциональной сложности за счет применения интегральных микросхем, что ведет к росту степени интеграции, и уменьшение геометрических размеров отдельных элементов оптоэлектронных структур. Переход к субмикронным размерам порождает новые надежностные проблемы, связанные с увеличением числа контролируемых параметров, по которым судят о качестве и правильности функционирования. В связи с этим остро возникает проблема повышения качества исходных материалов, знание их дефектности, причин возникновения дефектов в процессе изготовления полупроводниковых структур и вакуумных элементов, их эволюции на последующих этапах жизненного цикла приборов и их влияния на надежность. Все это требует совершенствования технологических процессов производства приборов, например повышения чистоты исходных материалов и технологических сред, точности соблюдения температурных, временных режимов и т.д.
Анализ развития полупроводниковой и оптоэлектроники показывает, что дальнейшая миниатюризация приборов возможна только при наличии системного подхода к обеспечению надежной работы полупроводниковых структур в аппаратуре. В основе системы лежит положение, что надежность приборов закладывается при их разработке и все дальнейшие действия по производству изделий должны быть направлены на поддержание на заданном уровне показателей надежности. Заложенный при разработке приборов уровень надежности проявляется при их эксплуатации в различной аппаратуре.
Материальной основой всей системы является подсистема сбора данных о надежности и анализ отказов приборов на всех этапах их жизненного цикла. Согласованность всех составляющих системы обеспечения надежности, постоянное их совершенствование должно соответствовать прогрессу в области электроники и оптоэлектроники.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
Надежность есть свойство изделий выполнять заданные функции, сохранять свои эксплуатационные характеристики в заданных пределах при заданных режимах и условиях работы в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.
Из этого определения следует, что надежность есть внутреннее свойство продукции, объективная реальность, присущая каждому данному образцу изделия. Таким образом, ненадежной считается не только та система, у которой наступает механическое или электрическое повреждение, приводящее к неработоспособности приборов, но также и та, у которой параметры выходят за предельно допустимые значения.
В задачу теории надежности входит решение двух принципиальных задач: оценка надежности выпускаемых изделий и оценка надежности изделий на стадии их проектирования.
Оценка надежности выпускаемых изделий осуществляется в результате их испытаний, т.е. для заданного числа испытаний и интервала времени, в течение которого они проводились, определяется надежность изделия. А оценка надежности полупроводникового прибора на стадии его производства требует априорного знания о наиболее вероятных типах отказов и о физических процессах, лежащих в их основе.
Математические модели, применяемые для количественных оценок надежности, зависят от типа надежности. Современная теория выделяет три
типа надежности:
1. Надежность «мгновенного действия», например надежность плавких
предохранителей.
2. Надежность при нормальной эксплуатационной долговечности, например надежность вычислительной техники. При оценке нормальной эксплуатационной надежности одним из основных количественных показателей является среднее время работы между отказами. Рекомендуемый на практике диапазон - от 100 до 2000 часов.
3. Чрезвычайно продолжительная эксплуатационная надежность, например надежность космических кораблей. Если требования к сроку службы устройств -- свыше 10 лет, то их относят к устройствам с чрезвычайно продолжительной эксплуатационной надежностью.
Для характеристики конкретного прибора пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния.
Исправность — это состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиям нормативной и конструкторской документации.
Работоспособность — это состояние прибора, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической или конструкторской документацией.
Для более полного описания надежности вводят такое понятие, как долговечность.
Долговечность — это свойство изделий сохранять свою работо способность (с возможными перерывами для технического обслуживания или ремонта) до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации (поломка, снижение мощности и т.д.). Данное свойство охватывает ресурсные характеристики прибора и существенно дополняет понятие безотказности.
Безотказность — это свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Применительно к полупроводниковым приборам и микросхемам под безотказностью понимается их способность непрерывно сохранять исходные значения параметров при использовании в выпрямительном, усилительном, переключательном и других режимах, обусловленных схемами и условиями эксплуатации.
Сохраняемость — это свойство прибора сохранять значения показателей безотказности и долговечности в течение и после хранения или транспортирования.
Характеристикой прибора, связанной с его эксплуатацией, является наработка, представляющая собой продолжительность или объем работы изделия. Наработка измеряется в часах или циклах непрерывной или суммарной периодической работы прибора в электрическом режиме. Наработка прибора, измеряемая в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации, называется техническим ресурсом.
Срок службы — это календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала эксплуатации до момента наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации.
Ремонтопригодность — это свойство изделия, выражающееся в его приспособленности к проведению технического обслуживания и ремонта, т.е. к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов.
Фундаментальным понятием в теории надежности является определение отказа как события, заключающегося в полной или частичной утрате изделием его работоспособности, т.е. в нарушении работоспособности изделия.
Отказ может наступить не только в силу механических или электрических повреждений элементов изделия (обрыва, короткого замыкания), но и при нарушении регулировки, из-за ухода параметров элементов за предельно допустимые значения и т.д. Кроме того, отказы системы могут быть обусловлены конструкцией деталей, их изготовлением или эксплуатацией.
В теории надежности существует широкая классификация отказов по различным признакам.
Классификация отказов
1. По характеру наступления отказы делятся на внезапные и постепенные.
Внезапным (катастрофическим) называют отказ, возникший в результате скачкообразных изменений одного или нескольких основных параметров системы, связанных с внутренними дефектами элементов, нарушением рабочих режимов, ошибками обслуживающего персонала и другими неблагоприятными воздействиями.
Постепенным (параметрическим) называют отказ, возникший в результате плавных изменений заданных параметров прибора, во-первых, вследствие деградации физико-химических свойств материала под влиянием эксплуатационных факторов и естественного старения и, во-вторых, вследствие изнашивания элементов системы в результате дрейфа рабочих параметров и их выхода за предельно допустимые значения.
2. По взаимосвязи между собой различают независимые и зависимые отказы.
Независимыми называют отказы, появление которых не изменяет вероятности появления других отказов, например отказы приборов, возникшие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре.
Зависимыми называют отказы, появление которых изменяет (увеличивает) вероятность появления других отказов. Например, выход из строя предохранителей цепи защиты от перегрузок, пассивных ограничительных элементов приводит к повреждению приборов.
3. По признакам проявления различают явные и скрытые отказы. Явные обнаруживаются при внешнем осмотре или включении
аппаратуры.
Скрытые отказы обнаруживаются при применении специальных контрольно-измерительных приборов.
4. По степени влияния на работоспособность аппаратуры различают полные и частичные отказы.
Полным называют такой отказ, до устранения которого использование аппаратуры по назначению невозможно.
Частичным называют отказ, до устранения которого имеется возможность хотя бы частично использовать аппаратуру по назначению.
5. По времени существования различают следующие отказы: устойчивые, сбои, перемежающиеся.
Устойчивым называют отказ, который устраняется только в результате ремонта или регулировки аппаратуры.
Сбоем называют однократно возникающий самоустраняющийся отказ, продолжительность действия которого мала по сравнению с продолжительностью работы аппаратуры до следующего отказа.
Перемежающимся отказом называют ряд быстродействующих, происходящих друг за другом сбоев. Например, могут возникнуть сбои в приборах из-за наличия в объеме герметичного корпуса проводящих частиц, способных создать кратковременные замыкания между внутренними выводами или отдельными токопроводящими дорожками.
При установлении этапа жизненного цикла прибора, на котором возникла первопричина отказов, различают конструктивные, производственные и эксплуатационные отказы.
Конструктивные отказы происходят в результате ошибок и нарушений норм и правил конструирования в период разработки.
Под производственными отказами понимают отказы, возникающие в результате несовершенства процесса изготовления приборов или нарушения технологии.
При неправильной оценке возможностей приборов при их выборе для создания аппаратуры возникают эксплуатационные отказы. В результате этого приборы могут подвергаться перегрузкам в аппаратуре и преждевременно выходить из строя.
Наибольшее количество отказов приборов происходит в период использования аппаратуры потребителями из-за нарушений установленных правил эксплуатации и неблагоприятных воздействий окружающей среды.
В теории надежности различают надежность систем и элементов.
Системой называется совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающих выполнение определенных практических задач.
Элементом называется часть системы, не имеющая самостоятельного значения и выполняющая в ней определенные функции.
Понятия «система» и «элемент» имеют относительный характер. Так, например, различные радиодетали (резисторы, конденсаторы) могут быть элементами таких систем как усилитель, радиоприемник и т.д. В свою очередь, эти системы могут рассматриваться как элементы более сложной системы - радиолокационной, которая также может быть элементом, допустим, системы наблюдения за спутниками и т.д.
Системы могут быть восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми.
Восстанавливаемая (допускающая многократный ремонт) система после отказа подвергается ремонту и продолжает выполнять свои функции (бытовая, вычислительная техника, аудио- и видеоаппаратура и т.п.).
Невосстанавливаемая система в случае возникновения отказа не подлежит либо не поддается восстановлению по экономическим или по техническим соображениям (плавкие предохранители, аппаратура баллистических ракет боевого назначения).
По характеру обслуживания различают обслуживаемые и необслуживаемые системы.
Обслуживаемые системы выполняют свои задачи при наличии обслуживающего персонала и обычно приспособлены к устранению отказов во время профилактических ремонтов.
Необслуживаемые системы выполняют возложенные на них функции без обслуживающего персонала, например аппаратура, устанавливаемая на большинстве невозвращаемых космических объектах.
По характеру влияния отказов элементов системы на ее выходные параметры и, следовательно, на эффективность системы можно разделить на простые и сложные.
Простые системы при отказе одного или нескольких элементов полностью теряют работоспособность.
Сложные системы обладают способностью при отказе элементов продолжать функционировать с пониженной эффективностью.
В теории надежности различают последовательное, параллельное и смешанное соединения элементов. Подробно эти виды соединений будут рассмотрены в одном из следующих разделов.
Приведенные выше термины, применяемые при классификации отказов, нашли свое отражение в государственных стандартах и нормативно-технической документации и являются обязательными.
Лекции 3, 4.
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
1. Вероятность отказа
Для количественной оценки надежности служат различные показатели. Одним из основных является показатель вероятности отказа прибора.
Отказы, как правило, носят случайный характер, поэтому математический аппарат для оценки надежности основан на теории вероятности.
Вероятность отказа - вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени произойдет хотя бы один отказ.
Вероятность отказа характеризуется функцией Q(t).
Пусть t - время, в течение которого необходимо определить вероятность отказа, а Т- время работы аппаратуры от момента ее включения до первого отказа. Очевидно, Т есть непрерывная случайная величина, которую иногда называют временем «жизни» аппаратуры. Согласно определению, для вероятности отказа справедливо выражение
Q(t)=P(T<i); (1)
т.е. вероятность отказа - это вероятность того, что случайное время жизни аппаратуры Т будет меньше наперед заданного времени t, в течение которого определяется вероятность отказа.
Так как вероятность отказа есть не что иное, как функция распределения случайных промежутков времени работы аппаратуры от момента ее включения до первого отказа, или времени жизни аппаратуры, то для вероятности отказа Q(t) будет справедливо:
1. Q(t) - является неубывающей функцией (рис.1);
2. 0 ≤ Q(t) ≤1;
3. Q(0)=0, Q(∞)=1
С точки зрения статистического анализа вероятность отказа определяется следующей формулой:
Q*(t)=n(t)/N(0) (2)
где n(t) - число отказавших образцов аппаратуры за время t;
N(0) - число исправных образцов в начальный момент времени t = 0.
Выражения (1) и (2) носят названия вероятностной и статистической форм вероятностей отказа. Здесь и далее статистические оценки числовых характеристик надежности будут помечаться звездочкой.
Статистическая оценка вероятности (2) существенно зависит от 7V(0) и при малых N(0) является случайной величиной. Однако с ростом N(0) оценка Q*(t) стабилизируется и при достаточно больших N(0) мало отличается от вероятностной оценки Q(t).
В соответствии с формулой (2) вероятность отказа для любого момента времени представляет собой долю образцов аппаратуры (элементов), отказавших к данному моменту времени, из числа первоначально установленных. Поскольку с течением времени количество отказавших экземпляров может только лишь увеличиваться, то функция распределения вероятности отказа есть неубывающая функция (рис. 1).
2. Вероятность безотказной работы
Вероятность безотказной (исправной) работы - вероятность того, что в заданном интервале времени при заданном режиме и определенных условиях работы не произойдет ни единого отказа, т.е. вероятность того, что данное изделие будет непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного интервала времени при определенных условиях эксплуатации.
Вероятность безотказной работы характеризуется функцией P(t).
Согласно определению
P(t) = P(T≥t),
т.е. вероятность того, что случайное время Т от момента включения аппаратуры до ее отказа будет не меньше времени t, в течение которого определяется вероятность безотказной работы.
С точки зрения статистического анализа вероятность безотказной работы в интервале времени 0 / t определяется как отношение числа приборов, безотказно проработавших до момента времени t к числу приборов, исправных в начальный момент времени t = О
(3)
где N(t) — число исправных устройств в момент времени V,
N(0) - число исправных устройств в начальный момент времени t = 0;
n(f) — число отказавших устройств к моменту времени t.
В интервале времени от t до t + t0 вероятность безотказной работы P(t) представляет собой условную вероятность того, что случайное время работы устройства до отказа окажется больше величины t + t0 при условии, что прибор уже проработал безотказно до момента времени t:
(4)
где N(t + to) - число приборов, исправных в момент времени Выражение (3) можно записать как
P*(t) = 1 - Q*(t), (5)
тогда вероятностная форма вероятности безотказной работы примет вид:
P(i) = 1 - Q(t). (6)
Последние соотношения определяют основные свойства вероятности
безотказной работы:
1 . P(t) является убывающей функцией времени (рис. 2);
2. 0< P(t)<1;
3. Р(0)=1, Р(∞) = 0.
Зависимость вероятности безотказной работы P(t) представлена на рис. 2.
Из данного рисунка видно, что P(t) монотонно убывает с увеличением наработки. То есть запас надежности, имеющийся у прибора на начальный момент времени t = 0, постепенно расходуется, и при достаточно длительном времени эксплуатации прибор становится практически неработоспособным.
Рис. 2. Зависимость вероятности безотказной работы P(f) от времени
3. Частота отказов
Частота отказов с точки зрения статистического анализа численно равна отношению числа отказавших устройств в единицу времени к числу первоначально установленных при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются новыми.
Частоты отказов характеризуется функцией f(t).
Согласно данному определению
f*(t)=n(Δt)/N(0)Δt , (7)
где n(Δt) - число отказавших образцов в интервале времени от t до (t+);
∆t - интервал времени;
N(0) - число устройств, первоначально установленных на испытание, т.е. в момент времени t = 0.
Очевидно, что n(∆t) = n(t+∆t)-n(t) или n(∆i) = -[N(t+∆t)-N(t)], (8)
где N(t+∆t) - число образцов, исправно работающих к моменту t+∆t;
N(t) - число образцов, исправно работающих к моменту t.
n(t) - число устройств, отказавших к моменту времени t;
n(t+∆t) - число устройств, отказавших к моменту времени t+∆t. Таким образом, можно записать:
Этой количественной характеристике можно дать вероятностное определение: частота отказов (плотность распределения вероятности отказов во времени) - это плотность вероятности того, что случайное время безотказной работы устройства окажется меньше времени t, или это плотность вероятности отказа для момента времени t.
(10)
Из этого выражения следует, что
Типичная кривая изменения частоты отказов во времени приведена на рис. 3.
Из приведенной зависимости видно, что в работе аппаратуры можно выделить три характерных участка.
Первый участок - участок приработки. В первый момент, времени частота отказов высокая, что объясняется наличием большого количества элементов аппаратуры, имеющих внутренние дефекты, неопытностью обслуживающего персонала и т.п. И с течением короткого промежутка времени (участок от 0 до t1) частота отказов резко уменьшается. Если на заводе-изготовителе обеспечивается точность технологических режимов, проводится тщательная отбраковка элементов на каждом промежуточном этапе их производства и осуществляется выходной контроль качества, то участок приработки в процессе эксплуатации аппаратуры может отсутствовать.
Второй участок (t1 -t2), самый продолжительный, характеризует нормальную работу аппаратуры. На этом участке частота отказов уменьшается экспоненциально.
Увеличение частоты отказов на участке (t2 – t3) объясняется появлением постепенных отказов за счет износа и старения элементов.
Начиная с момента времени f3, частота отказов снова уменьшается, так как остается незначительное количество исправно работающих образцов аппаратуры.
4. Интенсивность отказов
Интенсивность отказов - это условная плотность вероятности отказа устройства в момент времени t, при условии, что до момента t отказ устройства не произошел.
Интенсивность отказа характеризуется функцией K(t) и определяется как:
(11)
Интенсивность отказов с точки зрения статистического анализа определяется отношением числа отказавших образцов аппаратуры в единицу времени к среднему числу образцов, исправно работающих в данный отрезок времени.
где n(∆t) - число отказавших изделий в интервале времени от t до t+∆t;
N(t) - общее число исправных изделий к моменту времени t;
∆t - рассматриваемое время работы изделий.
Для определения интенсивности отказов однотипных комплектов аппаратуры (элементов) при фиксированных интервалах времени формулу (12) можно записать в следующем виде:
где
ni - число отказов в i-м интервале времени ∆t;
Ni - число исправно работающих комплектов аппаратуры к иду интервалу времени:
Интенсивность отказов имеет размерность ч-1. В зависимости от условий эксплуатации значение λ(t) для большинства современных приборов лежит в пределах 10-7 ∕ 10-9 ч-1.
Интенсивность отказов зависит от времени работы приборов и изменяется на протяжении всего срока службы изделий. Функция λ(t) обычно является достаточно наглядной характеристикой, отражающей физическую природу отказов приборов данной партии на различных этапах эксплуатации.
Кривая интенсивности отказов некоторой партии изделий за период их службы представлена на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость интенсивности отказов λ(t) от времени
Область I (интервал времени от 0 до t1)— период приработки изделий -характеризуется высокой интенсивностью ранних отказов, обусловленных наличием скрытых дефектов производства, которые не были выявлены при заводском контроле и испытаниях.
Тщательный контроль качества и длительные испытания первых образцов, как правило, позволяют избежать высокой интенсивности отказов в начальный период работы изделия.
Момент времени t1 обычно соответствует сроку гарантийных обязательств завода-изготовителя.
Область II (от t1 до t2) - рабочая область изделий - характеризуется постоянной или незначительно изменяющейся интенсивностью отказов, т.е. соответствует периоду максимальной надежности изделий.
Отказы на этой стадии чаще всего обусловлены неожиданными изменениями условий эксплуатации, например резкими колебаниями температуры, повышением напряжения питания, случайно возникшими вибрациями и ударами. Интенсивность отказов в этот период зависит от условий эксплуатации и технического обслуживания, чем выше квалификация обслуживающего персонала, тем ниже интенсивность отказов.
Область III (от момента времени t2) - область износа (деградации) изделий - характеризуется резким возрастанием интенсивности отказов, вызванных износом и старением изделий.
Физические причины отказов в этой области обусловлены постепенно нарастающими физико-химическими изменениями в приборе, например постепенным коррозированием электродов, нарушением защитных покрытий, электромиграцией и взаимной диффузией примесей и т.д. По существу, отказы, происходящие после времени t2, определяют срок службы изделия, после которого оно не обеспечивает надежной работы и должно быть заменено.
Кривые интенсивности отказов могут быть самыми различными, например, область I может быть очень затянутой или область III может начаться с момента t = 0. Возможны и кривые с локальными максимумами.
Теоретическое и экспериментальное определение характеристики λ(f) является одной из основных задач теории надежности и играет важную роль для совершенствования изделия.
Лекции 5, 6.
Взаимосвязь между количественными характеристиками надежности
Все рассмотренные показатели надежности являются функциями времени, каждая из которых описывает характер отказов, поэтому если дана лишь одна из этих функций, то можно определить все остальные.
Так как частота отказов то в интервале времени (0 – t)
вероятность отказа Q определяется как
и при t → ∞ (16)
И, выразив вероятность безотказной работы P(t) через Q(t) а затем через f(t) в том же интервале, получим
Если рассматривать интервал времени t + (t + to), то:
и соответственно
Используя выражение (11), можно установить взаимосвязь интенсивности отказов λ(t) с остальными показателями надежности.
Интегрируя выражение (11) методом разделения переменных, разрешим его относительно P(t):
В табл. 1 приведены формулы перехода между различными показателями надежности.
На основе показателей надежности могут быть рассчитаны некоторые важные характеристики надежности: среднее время безотказной работы, средняя наработка на отказ и гамма-процентная наработка до отказа.
Среднее время безотказной работы
Среднее время безотказной работы - среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа, т.е. это математическое ожидание времени безотказной работы.
Среднее время безотказной работы будем обозначать Т.
Так как среднее время безотказной работы Т есть непрерывная положительная случайная величина, то ее вероятностная форма имеет следующий вид:
Из статистических данных средняя наработка до отказа определяется как среднее арифметическое значений наработки всех приборов, участвующих в испытаниях.
Если все элементы в партии однотипны, то
где ti - время исправной работы i-го элемента;
N(0) - число элементов, испытываемой партии. Следовательно, чем больше N(0), тем точнее статистическая оценка Т*.
Если функция распределения носит ступенчатый характер, то формула для Т* может быть записана в виде
где ∆t - время работы объекта между отказами;
∆Nj = N(t) - n(ti) - количество исправных элементов по окончании каждого интервала времени.
С целью оценки времени безотказной работы при приемлемом уровне безотказной работы введены такие понятия как гамма-процентный ресурс и гамма-процентная наработка до отказа.
Гамма-процентный ресурс (показатель долговечности прибора) -наработка, в течение которой прибор не достигает предельного состояния с заданной вероятностью у, выраженной в процентах.
Гамма-процентная наработка до отказа ty, определяется как наработка, в течение которой отказ прибора не возникает с вероятностью у, выраженной в процентах.
Средняя наработка на отказ
Все приведенные выше количественные показатели справедливы для расчета характеристик надежности систем (элементов) до первого отказа, т.е. для невосстанавливаемых систем. Однако они недостаточны для описания восстанавливаемых (допускающих многократный ремонт) систем. В дополнение к вышерассмотренным критериям такие системы характеризуются еще рядом параметров системы.
Средняя наработка на отказ - величина, равная математическому ожиданию времени безотказной работы между последовательными отказами аппаратуры. Обозначим эту характеристику Т.
Очевидно, для Т будет справедливо следующее выражение:
где
ti — время работы аппаратуры между (i - 1) и i-м отказами;
п — количество отказов.
В общем случае T и не совпадают. Они будут одинаковыми, если после ремонта отказавшей аппаратуры все ее свойства восстанавливаются до исходного состояния и аппаратура ведет себя как новая.
Коэффициент готовности КГ - есть величина, равная отношению среднего времени безотказной работы к сумме среднего времени безотказной работы и времени, затрачиваемого на восстановление:
где Т- среднее время безотказной работы;
ТВ - среднее время, затрачиваемое на восстановление аппаратуры после отказа.
Коэффициент использования Ки - есть величина, равная отношению времени безотказной работы аппаратуры за некоторый календарный срок к величине этого календарного срока:
где т∑ - суммарное время безотказной работы за календарный срок Тк. Рассмотрим на примере расчет основных показателей надежности. Пример. При испытании некоторой детали электронной аппаратуры X может определяться через 1000-2000 часов. Проводится испытание четырех групп по 250 изделий в течение 2000 часов.
Результаты испытаний следующие:
Определить: λ(t) в моменты времени t = 500, 1000, 1500, 2000 ч; среднюю интенсивность отказов X; вероятность отказа изделия в моменты времени ?= 500, 1000, 1500, 2000 ч; вероятность безотказной работы в эти же моменты времени и в интервале времени от t = 500 до t + to = 2000 ч; среднее время безотказной работы.
Решение:
1. Вероятность отказа
тогда
аналогично
2. Вероятность безотказной работы
в интервале времени (t, t + to):
3. Интенсивность отказа изделий в соответствии с (13) и (14):
Также можно вычислить, используя первоначальную формулу, т.к. всего за время испытаний вышло из строя 20 изделий (7 + 5 + 4 + 4), то
4. Среднее время наработки можно рассчитать, воспользовавшись одной из приведенных выше формул (21), (22):
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТАТИСТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕОРИИ
НАДЕЖНОСТИ
Показатели надежности прибора можно рассчитать, если известен закон распределения и его основные параметры. В табл. 1 приведены основные показатели надежности для произвольного закона распределения случайных величин. На практике при анализе надежности широкое распространение нашел случай, когда интенсивность отказов полагается постоянной во времени. Этот случай характерен для изделий со случайными, не связанными между собой отказами, когда отказы не обусловлены деградацией прибора со временем. В этом случае λ(t) = λ, где λ, - некоторая постоянная величина.
Распределение вероятности отказов, соответствующее такой λ-характеристике, называется экспоненциальным.
В табл. 2 приведены основные показатели надежности элемента для экспоненциального распределения вероятности отказа.
Как видно из приведенных формул, показатели надежности для экспоненциального распределения очень легко рассчитываются. Это - одна из.причин, определивших его популярность.
Определим гамма-процентную наработку до отказа при
экспоненциальном распределении:
Положим γ = 90 %. Это означает, что не менее 90 % приборов из рассматриваемой нами совокупности должны безотказно работать в течение времени tγ (или вероятность безотказной работы совокупности приборов в течение времени tγ должна быть не ниже 0,9). С учетом этого получим
Полученный результат показывает, что гамма-процентная наработка при γ = 90 % составит всего примерно 0,1 от средней наработки до отказа.
Рассмотрим еще один пример.
Допустим, что мы имеем дело с аппаратурой, построенной на идентичных приборах, имеющих экспоненциальное распределение с интенсивностью отказов 10-7 ч-1. Определить время безотказной работы элемента с вероятностью γ = 99,9 %.
Средняя наработка до отказа из расчета на один прибор составит:
Тогда время безотказной работы составит tγ = 10 005 ч, или почти один год и два месяца.
Экспоненциальное распределение уникально в том смысле, что ожидаемый характер отказов никак не меняется на протяжении всего срока службы изделия. Предшествующее использование прибора никак не влияет на его работоспособность в последующие моменты времени, а определяется длиной интервала ∆t Это означает, что в каком бы месте числовой оси мы не выбрали временной интервал ∆t, если к его началу отказов приборов не наблюдалось, то показатели надежности останутся такими же, какими были на начальный момент времени t = 0. Это свойство изделия однозначно определяет условия применимости экспоненциального распределения.
Рассмотрим пример.
Пример: Пусть элемент имеет экспоненциальное распределение времени работы до отказа с параметром распределения λ = 2,5-1 0-3 1/ч. Вычислить основные показатели надежности.
Решение:
1 . Вероятность безотказной работы за время t = 2000 ч
2. Вероятность отказа за время t0 = 2000 ч :
3. Вероятность безотказной работы в интервале времени от t = 500 ч до t + to = 2500 ч при условии, что элемент проработал безотказно 500 ч.
4. Вероятность отказа в интервале времени от t = 500 ч до t + t0 = 2500 ч при условии, что элемент проработал безотказно 500 ч.
5. Среднее время работы до отказа
6. Время безотказной работы, с вероятностью γ = 90%
7. Плотность вероятности отказов
Для описания показателей надежности полупроводниковых приборов и микросхем на начальном этапе эксплуатации часто используется распределение Вейбулла - Гнеденко, характеризуемое двумя параметрами: параметром масштаба а и параметром формы b. Показатели надежности определяются с использованием следующих выражений:
Экспоненциальное распределение является частным случаем распределения Вейбулла - Гнеденко и реализуется при b = 1.
Особенностью этого распределения является то, что с изменением параметра формы b изменяется и характер зависимости показателей надежности от времени. Так, например, при b < 1 интенсивность отказов λ(t) будет монотонно убывающей функцией, при b > 1 монотонно возрастающей. Данное свойство распределения позволяет соответствующим подбором параметров а и b обеспечить хорошее совпадение результатов опытных данных с аналитическими выражениями показателей распределения.
Графическое изображение зависимости показателей надежности от времени для рассмотренных распределений приведено в табл. 3.
Определенный интерес представляет сравнение показателей надежности для нормального и экспоненциального распределений при одном и том же значении средней наработки до отказа. Графическая зависимость вероятности безотказной работы от времени для этих двух распределений представлена на рис. 5.
Из рассмотрения данных зависимостей следует, что вероятность безотказной работы при экспоненциальном распределении с течением времени (при малых значениях t) уменьшается быстрее, чем при нормальном. По достижении момента времени, равного средней наработке до отказа, при экспоненциальном распределении вероятность безотказной работы P(t) будет равна 0,37, а при нормальном распределении - 0,5. Это наглядно показывает, что более высокие показатели надежности в интервале времени (0; Т) имеют приборы, случайное время безотказной работы которых подчиняется нормальному распределению, чем приборы с экспоненциальным распределением.
Заштрихованный участок рисунка протяженностью 0,1 T представляет собой промежуток времени, в пределах которого обеспечивается максимальный уровень вероятности безотказной работы. При вероятности безотказной работы 0,95 и выше различия между законами распределения становятся несущественными, поэтому применяется наиболее простое для описания показателей надежности приборов экспоненциальное распределение.
Лекции 7, 8.
ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ И СИСТЕМА ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ
1. Основные принципы контроля качества приборов
Технологический процесс изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС) состоит из множества операций.
Получение на заключительных операциях приемлемого процента выхода годных приборов требует, чтобы произведение вероятностей качественной обработки элементов прибора на промежуточных операциях (при большом числе операций) было близко к единице.
Требование высокой вероятности качественной обработки на промежуточных операциях обеспечивается точностью поддержания технологических режимов на оптимальном уровне и контролем результатов обработки на каждой операции. В результате контроля из полуфабрикатов удаляются элементы с явно выраженными дефектами. Тем самым обеспечивается поступление на следующую операцию 100 % годных изделий. Необходимый объем информации о качестве и надежности готовых изделий можно получить следующими способами:
• проведением специальных испытаний в процессе производства на соответствие требованиям НТД и надежности (разработка методов и средств испытаний, обеспечивающих высокую достоверность результатов и надежность изделий);
• точной фиксацией условий и внешних воздействий при производстве и эксплуатации приббров и изучение процессов воздействия этих условий на их надежность (распознание отказов, классификация их по видам и определение их связи с внешними факторами);
• изучение процессов и явлений, протекающих в исходных материалах, конструктивных элементах и готовых приборах в целом при воздействии различных внешних факторов.
2. Классификация испытаний
Испытания по их последствиям делятся на разрушающие и неразрушающие.
При разрушающих испытаниях приборы не сохраняют свои качественные характеристики. При этом наблюдается полная потеря свойств или физическое разрушение прибора (испытание на хранение, грибоустойчивость, радиационную стойкость и др.), или частичное ухудшение качества (испытания на механическую прочность и устойчивость к теплу, влаге и т.д.).
При неразрушающих испытаниях не происходит изменения качества, параметров и характеристик прибора (скрытые дефекты обнаруживают по косвенным признакам).
Для полупроводниковых приборов и ИМС соответствующими отраслевыми стандартами установлена следующая система испытаний:
Каждая категория испытаний отличается по целям, объему и периодичности проведения. Каждой категории соответствует набор проверок параметров, внешнего вида, герметичности и других свойств приборов. Перечень проверок и испытаний оговаривается в общих и частных ТУ на приборы.
Рассмотрим некоторые особенности категорий испытаний, входящих в систему, и порядок их проведения.
Квалификационные испытания — категория К — проводятся с целью оценки готовности производства к выпуску изделий данного типа. Испытания проводят специальные комиссии, назначаемые для приемки установочной партии или серии по специальной программе.
В программу входят проверки внешнего вида, маркировки, электрических и конструктивных параметров, теплоустойчивости, ударной и вибрационной прочности, влагоустойчивости и т.п. Результаты квалификационных испытаний считаются неудовлетворительными, если получены отрицательные результаты хотя бы по одной группе испытаний. В этом случае службы технического контроля и надежности проводят анализ причин отказов, принимают меры по их устранению. После выполнения мероприятий по улучшению качества приборов проводят новые квалификационные испытания по сокращенной программе.
Приемо-сдаточные испытания — категория С - проводятся с целью контроля качества каждой изготовленной партии приборов. Испытания проводятся службами технического контроля по всем группам испытаний, присущих данной категории.
Партию считают прошедшей испытания, если она выдержала испытания по всем группам, входящим в состав этой категории.
При получении в процессе испытаний отрицательных результатов по какой либо группе, проверку изделий по другим группам прекращают. Приемку возобновляют после анализа причин появления дефектов и принятия мер по их устранению.
Периодические испытания — категория П — проводятся с целью периодического контроля качества приборов и проверки стабильности технологического процесса их производства. Они проводятся ОТК для большинства групп испытаний со специальной периодичностью (1, 2, 3 ... 6
месяцев).
При получении неудовлетворительных результатов испытаний отгрузку готовой продукции приостанавливают и проводят анализ дефектов. Если будет установлено, что дефекты связаны с качеством изделий, то все ранее принятые и неотгруженные потребителю изделия возвращаются цеху-изготовителю.
Типовые испытания - категория Т - проводит служба технического контроля, если в прибор внесены конструктивные или технологические изменения. Набор групп испытаний определяют в зависимости от степени возможного влияния вносимых изменений на качество приборов. Испытания проводят по специальной программе.
Контрольно-выборочные испытания — категория KB — проводятся головными НИИ по данному виду продукции с целью определения соответствия изделий серийного производства полному объему требований, установленных в нормативно-технической документации.
Испытания на долговечность - категория Д - и на сохраняемость -категория СХ - проводятся для подтверждения установленных в нормативно-технической документации минимальной наработки и срока сохраняемости.
В зависимости от объема партии проверяемых изделий, их сложности и назначения применяется выборочный или сплошной контроль.
Выборочный контроль, - контроль, при котором решение о качестве контролируемой продукции принимается по результатам проверки одной или нескольких выборок из партии.
Сплошной контроль - контроль, при котором проверке и испытаниям подвергается вся продукция. Такому виду контроля подвергаются приборы, выпускаемые малыми партиями. Кроме того, все приборы подвергаются сплошному контролю по параметрам, определяющим классификационные признаки продукции.
3. Выборочный контроль. Планирование испытаний на надежность. Оперативная характеристика
Алгоритм определения надежности выпускаемых изделий можно представить последовательностью процедур:
Здесь и далее: N- количество изделий в партии; п — выборка изделий из партии.
При проверке качества и надежности изделия требуется, задавшись временем испытания и допустимым количеством отказов, определить минимальное количество элементов (выборку), подлежащих испытанию, для обеспечения достаточной достоверности полученных результатов (эти задачи могут быть решены достаточно точно).
Краткая справка. Выборочный контроль как научный метод статистического контроля был развит Dodge и Roming в телефонной компании в конце 1920-х годов, когда потребовалось обеспечить высокую надежность электронной аппаратуры, встроенной в кабель связи, проложенный по дну Тихого океана. Они не только развили теорию метода, но и подготовили детальные таблицы для их использования при выборочном контроле, чтобы получить информацию о качестве аппаратуры при минимальном количестве инспекций.
Причинами, вызвавшими разработку метода выборочного контроля, явились:
1. Необходимость использования разрушающих методов контроля при измерении таких характеристик, как прочность бумаги или пластика; прочность контейнера; при определении и оценке химического состава,
вкуса пищи или напитка; эффективности лекарств и наркотиков; при проведении различных тестов крови человека.
2. Невозможность 100%-й инспекции из-за значительных затрат времени, сложности и высокой стоимости контроля (например, контроль разъемов высокого напряжения).
3. Отсутствие 100%-й гарантии достоверности результатов контроля даже при 100%-й инспекции; значительный процент дефектных изделий все еще остается, что объясняется усталостью рабочих и другими причинами.
4. Громадный объем продукции, поставляемой на рынок, делает невозможным использование 100%-го контроля.
Основная идея, реализуемая методами выборочного контроля, может быть проиллюстрирована структурограммой плана однократного контроля по качественному признаку (рис.6)
Рис.6. Структурограмма плана однократного контроля по качественному признаку, где z — количество дефектных изделий в выборке; z— количество дефектных изделий осталось без изменения; i - номер изделия в выборке; с - допускаемое количество
дефектных единиц в партии, п - объем выборки.
Нетрудно видеть, что в данном случае решение о приемке или браковке партии изделий принимается в условиях заметной неопределенности, когда объем выборки и, браковочное число с в партии и количество дефектных изделий z в партии выбирается из обработанной версии прошлого опыта на основе самых общих представлений о сути предмета. Именно поэтому выборка изделий и, отобранная из партии объемом в N изделий, автоматически не гарантирует высокое качество всей партии изделий. Это просто индикатор плохого или хорошего качества. Качество изделий партии должно быть определено на основании сведений, полученных из других источников.
Три вида планов контроля по качественным признакам
Возможными видами планов проверок по качественным признакам являются планы с однократной, двукратной или многократной выборками. Эти термины относятся к числу выборок, которые выбраны или могут быть выбраны из партии.
|
1. Однократный контроль |
|||
|
л = 50 |
|||
|
партия принята, если z = 0, 1 , 2 партия отвергнута, если z = 3 и более |
|||
|
2. Двукратный контроль |
|||
|
|
п |
принята |
отвергнута |
|
первая выборка вторая выборка |
32 32 |
z = 0 z<3 |
z>3 , z>4 |
|
3. Многократный контроль |
|||
|
номер выборки |
и |
принята |
отвергнута |
|
1 |
13 |
X |
2 |
|
2 |
26 |
0 |
3 |
|
3 4 |
39 52 |
0 1 |
3 4 |
|
5 |
65 |
2 |
4 |
|
6 |
78 |
3 |
5 |
|
7 |
91 |
4 |
5 |
X - означает, что решение о приеме партии не принимается.
В первом случае решение о приеме партии изделий принимается на основании контроля одной выборки изделий, случайным образом отобранных из партии.
Двукратный контроль также относится к случайно отобранной одной выборке из партии; если это не приводит к принятию решения, то вторая выборка того же самого объема, которая прибавляется к первой, позволяет принять решение о пригодности партии.
Многократный контроль подразумевает серию выборок одного и того же объема, которые поэтапно суммируются с предыдущими выборками изделий. Число дефектных изделий после каждой выборки добавляется к ранее выявленным, и при накоплении достаточной информации принимается решение о пригодности партии. Число таких выборок не постоянно и не фиксируется заранее. При многократных выборках нельзя принять решение о приеме партии изделий по результатам контроля первой выборки, если предполагается, что партия имеет невысокую дефектность или содержит несколько дефектных единиц.
Основные принципы выборочного контроля продукции
Принципы выборочного контроля продукции базируются на основных положениях теории вероятности и математической статистики. Это сложный технический вопрос, требующий тщательной проработки, который позволит гарантировать, что предлагаемый метод контроля будет достаточно эффективен.
Некоторые принципы, обеспечивающие более высокую эффективность технического подхода к выборочному контролю, могут быть сформулированы следующим образом:
1. Случайная выборка объемом п, отобранная из целой партии изделий объемом N, отражает характеристики всей партии изделий. Случайность выборки определяется случайностью отбора, то есть каждой ее единице дается равная вероятность быть выбранной. Это исключает зависимость результатов контроля от особенностей выборочного процесса, но не от других причин. Эффективность случайной выборки основана на ее способности отражать характеристики всей партии изделий.
2. Риск при использовании случайно отобранной выборки связан с тем, что некоторые пригодные партии могут быть отвергнуты, а некоторые непригодные - приняты. Хотя это может случиться даже в том случае, когда будет использован 100%-й контроль партии [ Risk ≠ 0 ].
3. План контроля должен быть построен так, чтобы свести этот риск к минимуму. Это зависит от нескольких факторов, в том числе и от степени обучения инспекторов. При этом [Risk min].
4. План выборочного контроля разрабатывается, исходя из объема партии N, объема выборки п. поступающей непосредственно на контроль, и максимально допустимого числа дефектных изделий с, обеспечивающего прием всей партии с высокой вероятностью.
Поэтому план контроля состоит из трех основных пунктов:
- Объем выборки (п) и партии (N).
- Приемное число (Ac) (accept)
- Браковочное число (Re) (reject)
Например: N=500, и = 80, Ас = 4, Re = 5
5. При выборочном контроле задают два значения:
q1 - приемочный уровень дефектности - отношение количества дефектных единиц к общему количеству изделий в партии (обычно задается поставщиком, например 0,01);
q2 - браковочный уровень дефектности (задается потребителем). Для потребителя q2 - максимально допустимый уровень дефектности, например 0,05.
6. При выборочном контроле возможны ошибки двух видов.
Лекции 9, 10.
Неразрушающие испытания
Готовые полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, подвергнутые воздействию, основанному на разрушающих методах контроля, не подлежат поставке потребителю. Поэтому широкое распространение получили неразрушающие методы контроля и испытаний, применяемые для контроля изделий в процессе их разработки, изготовления и применения. Наибольшее распространение получили следующие методы неразрушающих испытаний.
Оптический метод основан на эффектах взаимодействия различных спектров светового излучения (инфракрасного, ультрафиолетового, видимого) с исследуемым объектом (применяются эффекты поляризации, поглощения, интерференции и рассеяния света на неоднородностях). Данный метод обладает высокой чувствительностью, что позволяет отследить профиль концентрации в р—n-переходах, латеральное распределение загрязнений.
Радиационный метод основан на взаимодействии ионизирующих излучений и частиц высоких энергий с контролируемым объектом и базируется на «просвечивании» исследуемого объекта с регистрацией теневого изображения на фотопленке, флуоресцирующем или телевизионном экране. С его помощью можно проводить физический анализ схемы в корпусе, идентификацию загрязнений, физико-химический состав слоев, определять места электромиграции, образование интерметаллических соединений.
Тепловой метод основан на регистрации тепловых полей или температуры контролируемого объекта, при этом используются термочувствительные краски, термобумага, жидкие кристаллы, наносимые на поверхность исследуемого изделия, термопары, специальные термометры, имеющие тепловой контакт с объектами измерения. Кроме того, используются различные термозависимые параметры приборов, например прямое падение напряжения на р—n-переходе или обратный ток.
Метод растровой электронной микроскопии основан на регистрации в амплитудном, яркостном или цветовом виде на экране электронно-лучевой трубки результатов взаимодействия сфокусированного первичного электронного луча в режиме сканирования с веществом исследуемого объекта или со связанными с ним электромагнитными полями. С помощью данного метода обнаруживают участки выгорания на дорожках алюминия, нарушение окисных слоев, царапины, трещины.
Электрофизический метод основан на исследовании закономерностей изменений электрофизических характеристик и параметров приборов и интегральных микросхем, например ВАХ р—n-переходов, их характерных участков, определяющих надежностные характеристики приборов в целом.
К электрофизическим испытаниям и методам контроля можно отнести:
- контроль качества полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по шумовым характеристикам. Так, наличие дефектных токопроводящих пленок при большом токе (j = 107 А/см2) обнаруживается по увеличению на несколько порядков уровня токовых шумов, это явление может использоваться для отбраковки ИС;
- контроль полупроводниковых структур по рекомбинационному излучению. Регистрируя рекомбинационное излучение с помощью фотоэлектронного умножения, можно наблюдать поле распределения рекомбинационного излучения по кристаллу и выявить места локализации тока по повышенному уровню интенсивности излучения. Разрешающая способность метода по линейным размерам лежит в пределах 1-1,5 мкм, по минимальной мощности излучения в пределах 10 -8-10 -10 Вт;
контроль тепловых параметров с использованием переходных тепловых характеристик. По уровню перегрева полупроводниковой структуры, работающей в активном режиме, можно определить качество напайки кристалла на кристаллодержатель. Для регистрации переходных тепловых характеристик и определения температуры перегрева применяются инфракрасные радиометры. По результатам измерения температуры перегрева строятся гистограммы распределения полупроводниковых структур по уровню перегрева. Удаляя из полученного распределения структуры со значительным перегревом по сравнению со средним уровнем, можно существенно повысить надежность приборов, изготовленных из проверенных структур;
применение жидких кристаллов для контроля приборов. При контроле качества структур и диагностике их дефектов, воздействия тепловых и электрических полей рассматриваются как возмущающие факторы, переводящие жидкие кристаллы в изотропное состояние. Например, термооптический эффект, сопровождающийся изменением цвета и светопропускания кристалла, вызывается тепловыми нагрузками; электрические поля приводят к возникновению эффекта динамического рассеяния света, связанного с турбулентным движением молекул нематика и т.д.;
- ускоренные испытания.
Ускоренные испытания
На практике для подтверждения требуемой надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем часто требуются продолжительные испытания, что экономически не выгодно, так как они требуют значительных затрат оборудования, приборов и энергоресурсов. В этом случае прибегают к ускоренным испытаниям, в процессе которых создаются экстремальные условия эксплуатации, способствующие «старению» изделия. Ускоренные испытания могут выявить только определенные типы отказов. И прогнозирование на их основе надежности изделия в других условиях эксплуатации требует знания всех типов возможных отказов и проходящих при этом физических процессов.
Под ускоренными испытаниями (УИ) понимаются такие испытания, при которых уровень принимаемых нагрузок превышает уровень нагрузок обычных испытаний в целях сокращения времени, необходимого для определения реакции изделия на воздействие нагрузок, или для усиления реакции за определенный промежуток времени.
УИ рассматриваются как разновидность физического моделирования, позволяющего оценить надежность приборов при сжатом масштабе времени. В качестве ускоряющих факторов, способствующих выявлению потенциально слабых, дефектных мест в приборах, используются следующие повышенные нагрузки: тепловое воздействие, механические воздействия в виде линейных ускорений, ударов и вибрационных нагрузок, влажность, давление окружающей среды, электрическая нагрузка и т.д.
Выбор ускоряющих факторов и их интенсивности в каждом конкретном случае должен базироваться на следующих принципах:
1. Определение ускоряющих факторов должно основываться на знании закономерностей воздействия различных видов нагрузки на скрытые дефекты в приборах (желательно знать степень ускорения и быть уверенным в том, что интенсивность воздействия стабильна в заданных условиях и обеспечивает тем самым воспроизводимость результатов).
2. При воздействии ускоряющих факторов физические процессы, возбуждаемые ими, должны быть теми же, что и при обычной эксплуатации, т.е. в ускоренных и обычных условиях типы отказов должны быть одни и те же. С энергетической точки зрения это означает, что энергия активации механизмов отказов, стимулируемых ускоряющими факторами, не изменяется.
3. Условия проведения ускоряющих факторов должны быть такими, чтобы после их окончания была возможность проанализировать отказавшие изделия для установления причин отказов.
Некоторые виды ускоряющих факторов и дефекты, выявляемые ими, приведены в таблице 4.
Таблица 4
|
Дефекты |
Ускоряющие факторы |
||||||||
|
Линейные нагрузки |
Удар |
Вибрация |
Повышенное давление |
Влага |
Термоциклы |
Пониженная температура |
Повышенная температура |
Электричес кий режим |
|
|
Дефекты корпуса |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
+ |
|
Наличие посторонних частиц |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Несогласованность спаев |
- |
- |
- |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
- |
|
Нарушение герметизации |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
|
Наличие посторонних газов |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
+ |
|
Несовершенство перехода |
- |
- |
- |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Несовершенство защиты р-п-перехода |
- |
- |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Микротрещины |
+ |
+ |
+ |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Примечание: (+) — возможность выявления указанного дефекта.
Одним из методов УИ является проведение испытаний под последовательно возрастающей нагрузкой, т.е. нагрузку увеличивают ступенчато через равные промежутки времени. При этом нагрузка ограничивается появлением новых механизмов отказа.
УИ под последовательно возрастающей нагрузкой основываются на двух допущениях:
1. Деградация параметров имеет накопительный характер:
где
D - общее разрушение;
dj — разрушение параметров j-го уровня;
Rj{S,T) - скорость разрушения;
tj- продолжительность испытаний;
S — электрическая нагрузка (ток, мощность и др. факторы);
Т- рассматриваемом разделе - температура;
j— уровень.
2. Скорости деградации и разрушения при наличии нескольких механизмов отказа должны быть независимы.
Наибольший эффект дают ускоренные испытания в электрическом режиме при повышенных температурах. При этом в ряде случаев выбирают повышенные температуры в сочетании с обратным напряжением (смещением). Обычно при выборе режима таких испытаний исходят из закона С.А. Аррениуса, который было введен им для описания деградационных процессов.
Например, для интенсивности отказов он может быть записан в следующей форме:
где Eа — энергия активации процесса;
k - постоянная Больцмана,
Кλ - коэффициент, характеризующий конструкцию прибора и его технологический процесс изготовления.
Данное выражение не может быть непосредственно использовано для вычислений показателей надежности, т.к. коэффициенты Кλ, как правило, не известны. Однако построив в полулогарифмическом масштабе зависимость
можно по ее наклону определить энергию активации дефектов Eа, вызывающих отказы, а по форме кривой судить о стабильности механизма, ответственного за данный вид отказов.
Возможные варианты зависимостей интенсивности отказов приборов и энергии активации дефектов от уровня тепловой и электрической нагрузки приведены на рис. 12.
Рис.12. Зависимости интенсивности отказов приборов и энергии активации дефектов
от уровня тепловой и электрической нагрузок:
a - в диапазоне нагрузки действует один вид дефекта с энергией активации Eа;
б - в диапазоне нагрузки - два вида дефектов с разными энергиями активации;
в - в диапазоне нагрузки - три вида дефектов;
Tк - критическая температура активации дефекта.
Для проведения УИ выбирается диапазон нагрузки с постоянной энергией активации дефектов. В приведенных примерах приемлемые диапазоны нагрузок лежат в пределах заштрихованной части рисунков. Выбор данных уровней нагрузки связан с тем, что за отказы, возникающие в приборах, ответственны дефекты, активируемые нагрузкой, близкой к нагрузке, испытываемой приборами в реальной эксплуатации. При повышении нагрузки активируются дефекты, которые в обычных условиях остаются нейтральными и не влияют на надежность приборов.
Условия УИ для конкретного вида приборов формируются на большом статистическом материале, получаемом при длительных испытаниях в широком диапазоне температур. По результатам испытаний строится семейство характеристик зависимости средней наработки до отказа (что идентично времени испытаний) от температуры при соответствующем электрическом смещении.
Пример такого семейства характеристик УИ при повышенных температурах с приложением обратного смещения показан на рис. 13.
Рис.13. Семейство характеристик УИ при повышенных температурах с приложением
обратного смещения
Исходя из предположения, что в пределах диапазона температур +125...+300 °С действуют одни и те же механизмы отказов, делается вывод о том, что испытания при +300 °С в течение 10 ч (точка А1) идентичны по своему воздействию испытаниям в течение 105 ч при температуре +125 °С (точка В'). Беря отношение среднего времени наработки до отказа при +125 °С к среднему времени наработки при +300 °С, получим коэффициент ускорения ае для данного вида испытаний, он равен 104. Во столько раз сокращается время испытаний при выборе данного конкретного режима ускорения.
С увеличением продолжительности ускоренных испытаний при +300 °С характеристика смещается вправо, в сторону больших значений времени испытаний (УИ при +300 °С в течении 100 ч будут эквивалентны
испытаниям при +125 °С в течении 130 лет (точки С', D')). Смещение характеристик в сторону больших значений времени испытаний свидетельствует 'о значительном повышении надежности приборов относительно первоначального уровня (точки А', В').
Проблемы ускоренных испытаний в форсированных режимах:
1. Определение воздействующих факторов, при которых в течение времени форсирования сохраняется тот же характер и механизм деградации параметров, что и при нормальных видах испытаний, т.е. выполняется условие автомодельности механизма отказа.
2. Нахождение аналитических выражений для определения коэффициентов форсирования режимов испытаний приборов, что чаще всего достигается путем воздействия повышенной температуры окружающей среды, увеличения электрической мощности или комбинации обоих факторов.
При воздействии температуры окружающей среды согласно теории Аррениуса, деградационному процессу, т.е. химическому взаимодействию, предшествуют более быстрые процессы активации и установление статистического равновесия. При этих условиях будет справедливым уравнение Аррениуса:
где R(T) - зависимость константы скорости химической реакции от абсолютной температуры,
- характеризует долю активных столкновений при температуре Т, или вероятность того, что частицы имеют энергию, достаточную для вступления в реакцию;
А - постоянная деградации;
Еа - постоянная (энергия активации), определяемая для каждого процесса его особенностями.
Коэффициент ускорения (форсирования) протекания процесса определяется из уравнения Аррениуса:
где tн и tуск - время появления отказа при нормальной и повышенной температурах соответственно.
Если Тн = 25 °С = 298 К, а Туск = 370 °С = 643 К, то = ехр(20,89 Eа).
Расчет показывает, что время, требуемое для ускорения процесса при Eа = 0,1 эВ, не может быть уменьшено более чем в 10 раз. Если же
При увеличении Tуск коэффициент форсирования повышается, причем Tуск можно повышать только до момента возникновения следующего механизма деградации.
Модель Аррениуса приемлема, когда скорость деградации параметров не зависит от электрической нагрузки или воздействие электрической нагрузки эквивалентно термической. Если для проведения ускоренных испытаний используются другие виды нагрузки, то за основу испытаний берут модель Эйринга.
Например:
где Р — электрическая нагрузка
а, Р, у - коэффициенты, учитывающие функции приложенной нагрузки. Коэффициент форсирования протекания процесса, основанного на модели
Эйринга, определяется как
Однако методика экстраполяции ускоренных испытаний с помощью модели Эйринга сложна и не нашла широкого практического применения.
При выборе электрических режимов и температуры важно не нарушать условие неизменности процесса, вызывающего отказ, так, например, при испытании кремневого транзистора предельная температура на р—-п-переходах приблизительно равна 300-350 °С, т.к. при больших температурах образуется эвтектический сплав Al-Si и появляются отказы, не свойственные эксплуатации при нормальной температуре. Интегральные микросхемы в пластмассовых корпусах нельзя испытывать при Т > 250 °С. Для МОП ИС из-за высокой чувствительности прибора к ионным загрязнениям предельная температура приблизительно равна 300 °С.
Таким образом, ускоренные испытания являются методом отбраковки приборов со скрытыми дефектами и позволяют решать задачу определения количественных показателей надежности.
Пример. Предположим, что из форсированных испытаний микросхем заданного типа было найдено, что срок службы микросхем при заданной квоте отказов при температуре 150 °С составляет 105 ч. Оценить, каков будет срок службы при температуре 50 °С (20 °С), если доминирующими являются отказы с энергией активации Еа = 1 эВ.
Решение. Будем считать, что справедливо соотношение Аррениуса, применимое для интенсивности отказов и срока службы изделия:
Значения электрических (электромагнитных, светотехнических, электромеханических и др.) параметров изделий в течение Т (гх) и 7^ устанавливают в ТЗ, стандартах и ТУ. При этом нормы параметров должны быть равны нормам, установленным для приемки (поставки), если иное не уста новлено в ТЗ, стандартах и ТУ.
Оценку соответствия изделия заданным требованиям к надежности на стадиях разработки и производства осуществляют по ГОСТ РВ 20.57.414.
ТРЕБОВАНИЯ К ПОКАЗАТЕЛЯМ НАДЕЖНОСТИ по ГОСТ РВ 20.39.413-97
1. Требования к показателям безотказности
1.1 Показатели безотказности изделий устанавливают в зависимости от характера применения (функционирования) изделий в соответствии с таблицей 1.
1.2 Значения Г выбирают из ряда: 1000, 1500, 2000, 3000,4000,5000,7500,10000,15000, 20 000, 25 000, 30 000, 40 000, 50 000, 80 000, 100 000, 120 000, 150 000, 200 000, 250 000 ч.
В зависимости от назначения изделий и их физических свойств по согласованию с заказчиком допускается устанавливать значения Т менее 1000 ч.
Примечание — Для изделий многократного циклического срабатывания в ТЗ, стандартах и ТУ устанав ливают минимальное количество срабатываний в течение Тγ(tλ)
1.3. Требования к Тγ устанавливают при значенииу, выбираемом из ряда: 95; 97,5; 99; 99,5; 99,9; 99,99 %.
В технически обоснованных случаях по согласованию с заказчиком допускается устанавливать значение у, равным 90%.
1.4. Значения Я. устанавливают из ряда: 5 • 10-5, 3 • 10-5, 2 • 10-5, 10-5, 5 • 10-6, 3 • 10-6,
2 • 10-6, 10-6, 5 • 10-7, 3 • 10-7, 2 • 10-7, 10-7, 5 • 10-8, • 3 • 10-8, 2 • 10-8, 10-8,
5 • 10-9, 3 • 10-9, 2 • 10-9, 10-9, 5 • 10-10, 3 • 10-10, 2 • 10-10, 10-10 1/ч и менее.
Значения А, устанавливают в пределах наработки tv численно равной значению, выбираемому из ряда для Т.
1.5. Ряды значений Ро для изделий однократного применения устанавливают в стандартах на группы изделий, а конкретные значения этого показателя — в ТЗ и ТУ.
1.6. Требования к показателям безотказности действуют в пределах срока службы Тт, устанав ливаемого численно равным Тcγ в соответствии с 5.2 (с учетом коэффициентов сокращения).
Примечание — Для изделий с ограниченным Тcγ предшествующим вводу их в эксплуатацию, срок служ бы может превышать значение Тcγ. В этом случае срок службы исчисляют после окончания Тcγ.
Требования к показателям сохраняемости
1. В качестве показателя сохраняемости устанавливают Тcγ.
2. Значения Тс (включая время транспортирования) для изделий в упаковке изготовителя в условиях отапливаемых хранилищ, хранилищ с кондиционированием воздуха по ГОСТ В 9.003, а также для изделий, вмонтированных в защищенную аппаратуру или находящихся в защищенном комплекте ЗИП во всех местах хранения, выбирают из ряда: 15, 20, 25, 30, 35 лет.
3. Для изделий с ограниченной сохраняемостью по согласованию с заказчиком Тcγ выбирают из ряда: 5, 8, 10, 12 лет.
4. Значения Т в условиях, отличающихся от условий, указанных в 5.2.2, устанавливают в зависимости от мест хранения исходя из коэффициентов сокращения Тcγ, указанных в таблице 2 для всех климатических районов по ГОСТ В 9.003 (кроме районов с тропическим климатом).
Значения Тcγ в районах с тропическим климатом по ГОСТ 24482 устанавливают в ТЗ, стандартах и ТУ на изделия по согласованию с заказчиком.
При хранении изделий в местах, указанных в таблице 2, оставшееся время для хранения изделий t в годах в условиях отапливаемого хранилища по ГОСТ В 9.003, а также вмонтированных в защи щенную аппаратуру или находящихся в защищенном комплекте ЗИП, вычисляют по формуле
где Кс — коэффициент сокращения Т при хранении в местах, указанных в таблице 2;
txp — время хранения в местах хранения, указанных в таблице 2, лет.
* Допускается устанавливать по согласованию с заказчиком.
** Допускается устанавливать по согласованию с заказчиком для электротехнических изделий, кото рые существующими средствами и методами не могут быть эффективно защищены от коррозии
5. Требования к Тcγ устанавливают при значении у, выбираемом из ряда: 95; 97,5; 99; 99,5 %. Конкретное значение у указывают в ТЗ, стандартах и ТУ.
В технически обоснованных случаях по согласованию с заказчиком допускается устанавливать значение у, равным 90%.
6. Требования к надежности записывают в ТЗ, стандартах и ТУ в соответствии с формой, приведенной в приложении А.
7. Действие требований к Тcγ и Тсл прекращаются после достижения наработки, равной Тγ, tλ
8. Для электротехнических изделий требования по сочетанию условий хранения и гамма-про центных сроков сохраняемости для этих условий, а также по изменению указанных условий и гамма-процентных сроков устанавливают в стандартах и ТУ в соответствии с ГОСТ ВД 23216.
Лекции 13, 14.
Методы ускоренных испытаний на безот казность и долговечность
по ГОСТ РД.11 0755-90
Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов является повы шенная, температура. Для расчета коэффициента ускорения Кт используют уравнение
где Еа - энергия активации механизмов отказов, эВ;
k - постоянная. Больцмана, равная 8,6∙10-5 эВ∙К-1
Т пер,О и Тпер.Ф - температура кристалла (перехода) в нормальном и форси рованном режимах соответственно, °С
Оценку коэффициента ускорения по данной модели рекомендуется проводить по номограм ме, приведенной в приложении 8 (черт. I)
Значения энергии активации для отдельных механизмов отказов (£аО определя ют экспериментально одним их следующих способов:
- на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах (метод 2-1);
- по накопленным данным (метод 2-2);
- по результатам испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой (метод 2-3);
- но результатам электротермотреннровки (ЭТТ) при ступенчато возрастающей на грузке (метод 2-4).
Перечисленные методы изложены в приложениях 2-5.
При отсутствии экспериментальных данных, а также в тех случаях, когда значения Еai превосходят значения, указанные в приложении 1, за значения Eai принимают минимальное значение Еа приведенное в приложении 1 для соответствующих механизмов отказов.
При недостаточном объеме данных для определения q, общий коэффициент ус корения Кт рассчитывают по формуле:
(3)
где Еа min и Еа max - соответственно минимальное и максимальное значение энергии активации из диапазона наименьших значений для основных механизмов отказов.
Если энергию активации и механизмы отказов определить не удается (отсутст вие отказов и. неизменность параметров-критериев годности), то значение обобщенной (средней) энергии активации выбирают из табл. 1. При этом, если Тпер.O и Тпер.Ф лежат в раз ных диапазонах температур (для которых в табл. 1 указаны разные значения энергии актива ции), то общий коэффициент ускорения равен произведению коэффициентов ускорения , рассчитанных для каждого диапазона в пределах Тпер. о и Тпер.ф по формуле (2).
Примеры расчета режимов и длительности ускоренных испытаний
Пример 1 .Расчет- режимов и длительности УИ на безотказность и долговечность для цифровой ИС, изготавливаемой по биполярной технологии, ТТЛ.
Данные из ТУ:
ТИБ = 1000 ч; ТН.М. - 100000 ч; Кпер-окр = 150 °С-Вт-1
Режим испытаний на безотказность:
Токр = 125 °С; Uпит = 5,5 В; Ррасс = 180 мВт.
Режим испытаний на долговечность:
Токр = 65 °С; Uпит = 5,5 В; Ррасс = 180 мВт.
1. Определение области допустимого форсирования по результатам испытаний по оценке КТЗ:
Uпит = 14В; Тпер = 2500С.
2. Выбор режима УИ на безотказность и долговечность:
Uпит = 12В; Токр=140°С.
При этом Ррасс = 500 мВт; Тпер = 140 °С + 150 °С∙Вт-4∙0,5 Вт = 215 °С.
3. Определение доминирующих механизмов отказов и констант ускорения.
Имеющиеся статистические данные испытаний и эксплуатации ИС недостаточны для
выявления доминирующих механизмов отказов и определения констант ускорения, поэтому для расчета коэффициента ускорения используют данные табл. 1.
4. Расчет коэффициента ускорения и определение длительности УИ на безотказность
В режиме нормальных испытаний на безотказность Тпер = 125 °С + 150 °С∙Вт-1∙0,18 Вт
= 152 °С.
Коэффициент ускорения для режима УИ на безотказность определяют по формуле:
Коэффициент ускорения для режима УИ на безотказность определяют по формуле:
КУИБ расч = 6,4
Учитывая, что для УИ на безотказность коэффициент ускорения не должен превы шать 5, следует провести уточнение режима УИ на безотказность таким образом, чтобы КУИБ = 5. Для этого К2 должен быть равен 1,25. По номограмме определяют для этого случая Тперф = 208°С и соответственно Токрф = 133°С.
Таким образом, режим У И на безотказность выбирают равным:
Uпит = 12 В; Токрф = 133°С; Тперф = 208°С; КУИБ = 5, при этом tУИБ = 200 ч.
6. Определение продолжительности УИ на долговечность
Предварительный режим УИ на долговечность принимают соответствующим режиму УИ на безотказность.
В режиме нормальных испытаний Тпер = 65°С + 150 °С∙Вт-1∙0,18 Вт = 92 °С.
В режиме УИ на долговечность Тперф = 208°С.
Коэффициент ускорения определяют по формуле
7. Оценку выполнения требований ТУ по минимальной наработке производят по ис-течении 33О ч в режиме УИ на долговечность, затем испытания продолжают до 4000 ч для проверки запасов.
Лекции 15, 16
СЕРТИФИКАЦИЯ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ.
СХЕМЫ СЕРТИФИКАЦИИ. СЕРТИФИКАТ И ЗНАК СООТВЕТСТВИЯ
Терминология и понятия, используемые в деятельности по сертификации, в значительной своей части стали уже общеприня тыми и зафиксированы в специальных публикациях (руководствах) ИСО и МЭК.
Схемы сертификации
Для различных видов продукции, в разных системах серти фикации состав и содержание трех основных операций (испытания, оценка производства, инспекционный контроль) могут быть раз личными. Набор доказательств может включать (или не вклю чать), в зависимости от требуемой уверенности, разные отдельные виды испытаний, оценки производства и инспекционного контроля, описанные выше и показанные на рис. 1, например, испытания типового образца (представителя) продукции и последующий конт роль путем периодических испытаний образцов, изымаемых у из готовителя. Совокупность и последовательность отдельных операций, выполняемых третьей стороной для подтверждения соответствия, принято в нашей стране называть схемой сертификации. Эксперты ИСО, исследуя практику сертификации, выделили восемь наиболее употребительных в национальной, и международной практике схем (табл. 2). В дополнение к ним можно указать еще несколько (см. гл. 3), но главное, что следует иметь в виду, не существует единой, универ сальной, всеми однозначно принятой схемы сертификации. Каждая система сертификации устанавливает в своих правилах используемые схемы.
1. СИСТЕМЫ СЕРТИФИКАЦИИ И ЕЕ
УЧАСТНИКИ. ОРГАНЫ ПО СЕРТИФИКАЦИИ
Важнейшей особенностью сертификации является то, что все операции осуществляются в рамках определенной системы, которая имеет четкие правила их выполнения и функционирует под руко водством специально уполномоченного органа. Этот орган в качестве третьей стороны осуществляет руководство организацией и функци онированием системы в соответствии с действующим законодатель ством и нормативными актами страны.
Системы сертификации могут действовать на национальном, региональном или международном уровнях. Примером национальной системы сертификации является Система сертификации ГОСТ Р, действующая в Российской Федерации, региональной—система сер тификации, управляемая Европейской организацией по испытаниям и сертификации (ЕОИС), международной—Система МЭК по серти фикации изделий электронной техники (МСС ИЭТ).
В любой системе сертификации устанавливаются:
область функционирования, т.е. виды продукции, на которые она распространяется, и нормативные документы, соответствие ко торым подтверждается;
правила сертификации;
состав участников и порядок их взаимодействия, требования к ним и порядок их аккредитации или включения в систему.
Правила сертификации устанавливают схемы сертификации, требования к отбору и идентификации образцов, испытаниям и инспекционному контролю, форму и содержание сертификата и, если это предусмотрено, знака, порядок их выдачи и использования, информационное обеспечение, правила рассмотрения апелляций.
Система может распространяться на несколько различных видов продукции (в пределе на любую продукцию) или на один вид (хотя и достаточно широкий). В первом случае речь идет об универсальной системе, в последнем—о системе сертификации однородной продук ции, которая в Руководстве ИСО/МЭК 2 определена как "система сертификации, относящаяся к определенной продукции, процессам или услугам, для которых применяются одни и те же конкретные стандарты и правила и та же самая процедура".
Примером универсальной системы является система сертифика ции французской ассоциации по стандартизации (AFNOR-АФНОР), распространяющаяся на 140 видов продукции. В то же время между народная система сертификации электронной техники (МСС ИЭТ)— типичная система сертификации однородной продукции.
Главным участником системы является орган по сертификации, который выдает сертификат и (или) лицензию на право его выдачи или применения знака соответствия. Совокупность требований, со блюдение которых является гарантией того, что органы по серти фикации обладают необходимым уровнем компетентности и надеж ности для осуществления сертификации и (или) управления системой сертификации третьей стороной, применяемых при приемке или признании этих органов на международном или национальном уров не, установлена в Руководстве ИСО/МЭК 40 и в европейском стандарте EN 45011.
В общем случае задачами органа по сертификации являются:
формирование и ведение нормативной и организационно-мето дической базы сертификации в рамках данной системы;
организация и (или) проведение сертификации по установлен ным в рамках данной системы схемам сертификации;
выдача сертификатов и лицензий на проведение определенных работ по сертификации в рамках данной системы.
Орган по сертификации должен располагать организационной структурой и компетентными кадрами для выполнения всех предус мотренных правилами данной системы процедур (рис. 2).
Органы по сертификации могут быть зарегистрированы, упол номочены (нотифицированы), приняты, но могут быть и аккреди тованы, как испытательные лаборатории. Порядок аккредитации в каждой стране или международной системе устанавливается особым образом.
Обычно в зарубежной практике органы по сертификации рабо тают на некоммерческой основе, без прибыли, при фиксированной заработной плате сотрудников (без выплаты дивидендов).
Возможны ситуации, когда в рамках одной системы могут действовать несколько органов по сертификации. В этом случае один из них или специально уполномоченная организация может дейст вовать как центральный орган системы. Этот орган управляет системой, обеспечивая методическую и организационную координа цию работ в системе. Кроме органов по сертификации, центрального органа, в систему сертификации могут входить, как самостоятельно действующие ее участники, испытательные лаборатории и органы инспекционного контроля (надзора), когда орган по сертификации сам не выполняет испытания и не проводит надзор.
Участие испытательных лабораторий в сертификации основывается на получении ими соответствующих полномочий или поручений от органов по сертификации. При этом обычно проводится аккредитация испытательных лабораторий, которой, как это указано в Руководстве ИСО/МЭК 2, является "официальное признание авторитетным ор ганом способности лаборатории осуществлять испытания конкретной продукции или конкретные виды испытаний". Аккредитация может означать признание как технической компетентности и независимо сти лаборатории, так и только ее технической компетенции. Раз работан целый комплекс международных руководств (см. табл. 1) и евронорм ( EN 45001, EN 45002, EN 45003), которые содержат требования к аккредитуемым испытательным лабораториям и порядку их аккредитации. Выполнение этих руководств создает условия для взаимного признания деятельности испытательных лабораторий в раз личных странах.
В заключение можно отметить, что, как и схемы (процедуры) сертификации, системы сертификации чрезвычайно разнообразны по своей организации и структуре.
2. ОБЪЕКТЫ СЕРТИФИКАЦИИ
В определениях руководств ИСО/МЭК, относящихся к серти фикации, указывается на продукцию, процессы и услуги как объекты сертификации. Но в принципе ими может быть все, на что могут быть разработаны и документально установлены:
требования;
методы достоверной и убедительной проверки выполнения этих требований (методы испытаний).
Например, существует европейский стандарт, устанавливающий требования к квалификации специалистов неразрушающего контро ля, методы ее проверки, порядок сертификации этих специалистов.
Однако основным объектом сертификации остается промышленная продукция—материальные объекты. Сертифицируется прежде всего и главным образом продукция, использование которой может создать прямую или косвенную угрозу здоровью и жизни людей, а также окружающей среде. Поэтому при сертификации этой продукции контролируются и подтверждаются требования, направленные на обес печение защиты от такой угрозы. Это связано, во-первых, с тем, что во всех странах действуют законы, направленные на охрану здоровья населения, производственного персонала, окружающей среды, прав потребителей, а во-вторых, техническая регламентация и стан дарты распространяются прежде всего на требования безопасности.
В последние годы, в связи с регламентацией в национальных законах и стандартах ряда стран требований, обеспечивающих экономное расходование энергии и топлива, появилась сертификация I по этим требованиям. Все шире сертификация применяется в сфере услуг (сервис), касаясь не только соответствующего оборудо вания, технологических процессов, но и квалификации персонала. Особое место среди объектов сертификации заняли системы обеспечения качества в связи с разработкой международных стан дартов ИСО серии 9000. Эти стандарты установили требования к различным видам систем качества и порядок их сертификации. В результате во многих странах начинают применять сертификацию таких систем.
3. НОРМАТИВНАЯ БАЗА СЕРТИФИКАЦИИ
В основе любой системы сертификации лежат нормативные документы, соответствие которым и подтверждает сертификат. В национальных системах обычно используют национальные стандар ты, в международных — международные.
В отдельных случаях используют спецификации (технические условия) международных или национальных технических обществ (институтов). Руководство ИСО/МЭК 7 содержит рекомендации к нормативным документам, используемым для целей сертификации.
Нормативные документы, применяемые при сертификации, дол жны содержать два класса требований: к самой продукции и к процедурам определения соответствия этим требованиям. Однако не все документы, даже содержащие эти два класса требований, можно непосредственно использовать при сертификации.
Положения нормативных документов должны быть сформулиро ваны четко, обеспечивая их точное и единообразное толкование. Размерность и количественные значения характеристик должны быть заданы таким образом, чтобы имелась возможность их воспроизво димого определения с заданной или известной точностью при ис пытаниях.
Количество испытываемых образцов (проб) и порядок их отбора, идентификации и хранения, а также методы, условия, объем и порядок испытаний для определения показателей (характеристик, требований), проверяемых при сертификации, должны быть уста новлены в специальном разделе или должна быть ссылка на другой нормативный документ. Содержание и изложение этих сведений должно позволить различным лабораториям (центрам) получать сопоставимые результаты. Необходимо указать последовательность проведения испытаний, если она влияет на их результаты.
Нормативные документы на продукцию, подлежащую в соот ветствии с законодательством обязательной сертификации, должны содержать требования, по которым осуществляется обязательная сертификация, методы контроля на соответствие этим требованиям, правила маркировки продукции, требования к информации о сер тификации, включаемой в сопроводительную документацию.
4. ДОБРОВОЛЬНАЯ И ОБЯЗАТЕЛЬНАЯ СЕРТИФИКАЦИЯ
В большинстве случаев сертификация проводится добровольно, по желанию изготовителя или поставщика продукции и дает им возмож ность удостовериться самим и заявить всем, что их продукция (товар, услуга) соответствует тем или иным требованиям. Но в ряде случаев, не являясь формально обязательной, сертификация становится таковой из-за экономической целесообразности ее в условиях острой конку ренции, из-за того, что заказывающие продукцию структуры (мини стерства, оптовые торговые компании) отдают предпочтение сертифи цируемой продукции. В некоторых случаях изготовители и потребители сами организуют систему сертификации, кладя в ее основу совместно разработанные требования к продукции, ее производству, методам испытаний. Так, например, действует система сертификации нефтега зового оборудования Американского института нефти (API). Изделия этого вида (насосы, буровые трубы, арматура и т.д.), не подвергавшиеся сертификации в этой системе и не маркированные знаком API, продаются на мировом рынке со значительной скидкой. В странах с высоким уровнем развития экономики действуют десятки и сотни систем добровольной сертификации продукции. На добровольной основе проводится сертификация систем качества, иногда по прямому требо ванию заказчика.
Во всех странах действуют законодательные или нормативные акты, устанавливающие обязательные требования к продукции, а в ряде случаев и обязательность их сертификации. Это приводит к тому, что товар разрешается к реализации или использованию только после положительной сертификации, за проведением которой следят государственные органы.
Обязательная сертификация распространяется, как правило, на подтверждение безопасности потребительских товаров, а также не которых видов оборудования и транспортных средств. В России обязательность сертификации уже установлена некоторыми законо дательными актами, прежде всего законом "О защите прав потребителей".