Фізико-статистичний метод визначення надійності виробів твердотільної електроніки
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. На сьогоднішній день вироби твердотільної електроніки (ТТЕ) є необхідною «інтелектуальною» складовою практично кожної технічної системи управління та зв'язку космічних апаратів, атомних електростанцій, хімічних комбінатів, газо- і нафтопроводів і т.д. Всі ці об'єкти виконують надзвичайно відповідальні функції і мають бути максимально надійними, оскільки їх відмова може призвести до аварії або катастрофи. Зменшення ймовірності таких аварій шляхом забезпечення необхідного рівня надійності виробів ТТЕ є більш ефективним, економічним і гуманним, ніж ліквідація наслідків техногенних катастроф [Б.В. Гнеденко, І. А. Ушаков, В.П. Стрельников, В.Л. Воробйов, М.А. Ястребецький, В.В. Бегун, О.М. Гуліна, І. А. Рябінін та ін.].
До найважливіших завдань з забезпечення надійності відносяться її апріорна і апостеріорна оцінки, що ґрунтуються на моделях надійності. Для сучасних виробів ТТЕ з дифузійним механізмом старіння, які характеризуються інтенсивністю 10-9 - 10-12 відмов у годину, традиційне апостеріорне визначення моделей надійності статистичними методами обмежена необхідністю проведення витратних випробувань на великих вибірках протягом десятиліть [С.В. Ленков, В. Романов]. Скорочення тривалості і обсягу випробувань веде до зниження достовірності результатів і не може бути ефективним вирішенням проблеми. У цьому випадку істотно зростають методичні похибки в оцінках надійності через неадекватність моделі і неоднорідності сукупності виробів за причинами їх відмов [В.П. Стрельников, В.Л. Воробйов, А. Медведев, А. Строганов, О.М. Гулина, О.В. Федухін, А. Хальд, В.Ф. Сиронов та ін.].
Більш ефективне рішення проблеми оцінки надійності може бути знайдене шляхом поєднання імовірнісних, статистичних концепцій теорії і практики надійності з нерівноважною термодинамікою, яка описує процеси деградації матеріалів виробів. І в зв’язку з тим, що ця проблема недостатньо вирішена актуальним напрямком є розробка фізико-статистичного методу оцінки надійності сучасних виробів ТТЕ з дифузійним механізмом старіння, який не вимагає проведення тривалих, об'ємних і витратних випробувань для визначення найбільш адекватної моделі надійності однорідних і неоднорідних сукупностей і дозволяє розширити можливості оцінки і управління надійністю виробів на різних етапах їх функціонування [Дж. Фон Нейман, Б.С. Сотсков, І. М. Меламедов, М.М. Некрасов, В.М. Кириленко, О.В. Бакунцев, В.Л. Воробйов, В.Н. Федюдін, В.Ф. Сиронов та ін.].
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана на кафедрі мікроелектроніки Національного технічного університету України «КПІ» у відповідності до міжвідомчої науково-технічної програми «Нанофізика та наноелектроніка» (Розпорядження Кабінету Міністрів України від 14.03.2001 №85-р, Розпорядження Кабінету Міністрів України від 14.02.2007 №42-р, наказ Міністра освіти і науки України від 28.04.2007 р. №350) «Створення функціональних п’єзоелектричних матеріалів для одержання плівкових МЕМS-структур у складі наноелектронних комірок» (№ держреєстрації 0107U008827), та пов’язана з пріоритетною програмою Міністерства освіти і науки України, напрямок 06 «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі», а саме «Розроблення технології отримання та вивчення особливостей застосування пористого і нанопористого кремнію для створення високоефективних наноструктурних фотоелектричних перетворювачів» (№ держреєстрації 0111U003244) та «Розробка та створення пристроїв фільтрації електричних сигналів на основі мікроелектромеханічних резонаторів для організації функціональних МЕМС-структур» (№ держреєстрації 0111U003243).
Тема дисертаційної роботи затверджена і перезатверджена Ученою радою НТУУ «КПІ» (протокол №1/03 від 27 січня 2003 г. і №2 від 4 лютого 2013 г. відповідно).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення фізико-статистичного методу визначення надійності виробів ТТЕ з дифузійним механізмом деградації на основі поєднання нерівноважної термодинаміки і статистичних концепцій, що дозволяє підвищити точність, знизити час і витрати при апріорних і апостеріорних оцінках надійності.
Досягнення мети передбачало вирішення наступних завдань:
. Розробка фізичної моделі надійності виробів, визначення критеріальних фізичних характеристик деградуючого матеріалу і законів їх розподілів.
2. Розробка фізико-статистичних моделей надійності для однорідних і неоднорідних сукупностей виробів та критеріїв їх ідентифікації.
3. Обґрунтування методів і здійснення експериментального контролю адекватності розроблених моделей надійності.
. Розробка способів прискореного визначення коефіцієнта дифузії і граничної втрати легованим матеріалом легуючих домішок на прикладі полівінілхлоридного (ПВХ) пластикату, як модельного матеріалу з дифузійним механізмом старіння.
Об'єкт дослідження - надійність виробів ТТЕ з дифузійним механізмом деградації
Предмет дослідження - фізико-статистичний метод оцінки надійності виробів ТТЕ з дифузійним механізмом деградації.
Методи дослідження. Для вирішення поставлених в дисертаційній роботі перших двох задач використовувалися методи теорії ймовірності, математичної статистики, нерівноважної термодинаміки, а для вирішення позосталих задач - експериментальне дослідження механічних, діелектричних характеристик і дифузійних параметрів сукупностей модельного матеріалу з дифузійним механізмом деградації, дисперсійний аналіз, вибір законів розподілу часів його відмов.
Наукова новизна одержаних результатів
1. Вперше для підвищення точності оцінок надійності обґрунтовані фізико-статистичні критерії відбору однорідних і неоднорідних сукупностей виробів ТТЕ з дифузійним механізмом деградації, які відрізняються тим, що ідентифікація сукупностей з причини їх відмови здійснюється на підставі статистики критеріальних фізичних характеристик дифузійно-деградуючих матеріалів виробів.
. Вперше для ідентифікованих однорідних і неоднорідних сукупностей виробів ТТЕ з дифузійним механізмом деградації розроблено фізико-статистичні моделі надійності, параметри котрих на відміну від статистичних моделей детерміновані критеріальними фізичними характеристиками матеріалів виробів і факторами їх експлуатації. І тому параметри моделей можуть бути визначені не тільки за результатами проведення тривалих, об’ємних і витратних випробувань на надійність, а і за короткотривалою оцінкою критеріальних фізичних характеристик, а також при поєднанні інформації обох типів.
. На основі детермінованості фізико-статистичних моделей критеріальними фізичними характеристиками вперше розкриті фізичні причини статистичного розподілу часів відмов виробів ТТЕ і періодів їх припрацювання, нормальної експлуатації та старіння. Показано, що всі ці періоди на відміну від традиційного описання кожного періоду окремо вибраним законом можуть бути описані одним законом. Конкретизовано межі застосування логарифмічно-нормального і нормального законів для підвищення точності оцінок надійності однорідних і неоднорідних сукупностей виробів ТТЕ.
. Вперше розроблено й апробовано фізико-статистичний метод апріорної оцінки надійності виробів ТТЕ з дифузійним механізмом деградації, за короткотривалою, на відміну від статистичного методу, оцінкою параметрів нормально-розподілених критеріальних фізичних характеристик матеріалів виробів без проведення тривалих, об’ємних і витратних випробувань на визначення їх надійності.
. На основі статистичного аналізу відносної швидкості зміни маси зразків полівінілхлоридного пластикату в мінеральному маслі вперше встановлено, що час досягнення максимального значення функції стандартного відхилення відносної зміни маси визначається постійною часу дифузії пластифікатора в пластикаті. Завдяки встановленому співвідношенню розроблені і запатентовані як винаходи способи прискореного визначення коефіцієнта дифузії і граничної втрати пластифікатора пластикатом, які відрізняються від традиційних тим, що дослідження проводяться до часу встановлення максимального значення стандартним відхиленням і визначенням за цим часом коефіцієнта дифузії і граничних втрат. Запропоновані способи дозволяють скоротити в кілька разів час визначення дифузійних параметрів в порівнянні з традиційними методами.
Практичне значення одержаних результатів
1. Розроблений фізико-статистичний метод на відміну від статистичного методу дозволяє сформувати модель надійності для виробів ТТЕ з дифузійним механізмом старіння, детерміновану нормальними законами розподілів критеріальних фізичних характеристик, і знизити неточність, час і витрати при оцінках надійності однорідних і неоднорідних сукупностей на етапах від проектування до кінця експлуатації.
. Фізико-статистичні моделі надійності дифузійно-деградуючих виробів можуть бути рекомендовані як основа прискорених випробувань, які відрізняються тим, що випробування реалізуються шляхом короткотривалої оцінки параметрів нормально розподілених критеріальних характеристик дифузійно-деградуючого матеріалу та розрахунку параметрів форми і масштабу закону розподілу часів параметричних відмов за коефіцієнтами прискорення, встановленими без проведення додаткових досліджень виробів.
. Вперше запропоновані способи визначення коефіцієнта дифузії і граничної втрати пластифікатора ПВХ-пластикатом за часом досягнення максимуму стандартного відхилення відносної зміни маси можуть використовуватися при побудові моделей надійності для швидкого визначення дифузійних параметрів в різноманітних матеріалах, сукупності з яких однорідні за енергією активації і характеризуються нормальним розподілом по товщині.
. Закономірності експериментального дослідження дифузійної деградації сукупностей ПВХ-пластикату в мінеральному маслі різної температури і залежності зміни їх механічних і діелектричних властивостей від депластіфікації можуть бути рекомендовані при розробці методів діагностичного контролю виробів ТТЕ.
. Результати дисертаційної роботи використовуються при оцінці терміну служби полімерних корпусів ІМС в Інституті мікроприладів НАН України та в навчальному процесі на кафедрі мікроелектроніки Національного технічного університету України «КПІ» при викладені дисципліни «Фізичні основи надійності».
Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора. Головну ідею роботи та напрям досліджень було запропоновано науковим керівником, а її практичне втілення належить здобувачеві. Роль автора дисертаційної роботи полягає в підборі та опрацюванні наукової літератури, проведенні аналітичних і експериментальних досліджень, інтерпретації та узагальненні експериментальних результатів, їх аналізі, формулюванні наукових положень та основних висновків у співпраці з науковим керівником. В роботах, опублікованих у співавторстві здобувачеві належить: розроблення, аналіз і аналітичне дослідження фізико-статистичних моделей надійності для виробів з дифузійним механізмом деградації [1, 2, 5, 12, 14], організація, проведення та аналіз результатів експериментального дослідження депластифікації ПВХ-пластикату, зміни його фізичних характеристик [9, 13], а також розроблення способів прискореного визначення дифузійних параметрів [6, 7, 8].
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях, семінарах та симпозіумах: «Соціальні аспекти процесів глобалізації та інтеграції» (м. Херсон - Прага, 2010); «Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики» (м. Київ 2010); «Електроніка - 2011» (м. Київ 2011); «Electronics and Nanotechnology» (Kyiv 2011); «Стратегія підприємства: Адаптація організацій до впливу світових суспільно-економічних процесів» (м. Київ 2011); «Електроніка - 2012» (м. Київ 2012); «Electronics and Nanotechnology» (Kyiv 2012).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 наукових праць, з них 7 статей у фахових виданнях, 2 авторських свідоцтва на винаходи, 7 тезисів у збірниках матеріалів конференцій.
Структура та обсяг дисертаційної роботи.
Дисертаційна робота
складається з списку умовних позначень, скорочень і термінів, вступу, чотирьох
розділів, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації
складає 138 сторінок, з яких основний зміст викладений на 119 сторінках,
містить 20 рисунків, 9 таблиць. Список використаних джерел складається з 112
найменувань. Додатки викладені на 6 сторінках і містять акти використання результатів
дисертаційної роботи і патенти на винаходи.
Основний зміст роботи
фізичний статистичний твердотільний електроніка
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та завдання роботи, які розв’язувались для її досягнення, показано наукове і практичне значення отриманих результатів роботи, зв'язок з науковими програмами, особистий внесок автора, надано інформацію про апробацію результатів досліджень та наукові публікації.
Перший розділ «Стан проблеми дослідження надійності сучасних виробів ТТЕ» присвячений дослідженню основних причин незадовільного вирішення найважливіших завдань з забезпечення надійності сучасних виробів, пов'язаних з її апріорної та апостеріорної оцінкою статистичними методами і розглянуті можливості фізико-статистичних методів, що одержали в літературі цілий ряд різних визначень: «ймовірносно-фізичні», «математико-фізичні» та ін.
Згідно даних українських та зарубіжних вчених статистичні методи малоефективні для визначення теоретичної моделі надійності, тобто закону розподілу часів відмов, і оцінки надійності сучасних виробів ТТЕ внаслідок необхідності проведення тривалих, об'ємних і витратних випробувань на сукупності виробів або їх аналогів.
У ряді робіт підкреслюється, що модель надійності визначає, в кінцевому рахунку, точність оцінок надійності, а її неадекватність служить джерелом великих методичних похибок, що досягають декількох порядків. Крім цього, відсутність зв'язку параметрів чисто статистичних моделей надійності з фізичними характеристиками матеріалів виробів і зовнішніми умовами експлуатації знижує вірогідність одержуваних оцінок через неможливість ідентифікувати досліджувані сукупності на предмет їх однорідності з причини відмови і обмежує можливості управління надійністю виробів на всіх етапах їх функціонування.
Враховуючи обмежені можливості визначення адекватної моделі надійності статистичними методами, багатьма авторами, які працюють в цій області, підкреслюється необхідність у пошуку і розробці нових більш ефективних шляхів її вирішення на підставі методології найбільш загальної макроскопічної фізичної теорії - нерівноважної термодинаміки. Незважаючи на обґрунтованість методологічних і теоретичних передумов наступного логічного кроку розвитку надійності, в спеціальній літературі фізико-статистичний метод представлений як нетрадиційний, новий і недостатньо розроблений.
І тому на сьогоднішній день все ще залишається невирішеною проблема розробки інноваційного фізико-статистичного методу, який дозволяє за короткотривалою оцінкою фізичних характеристик і факторів експлуатації без проведення тривалих, об’ємних і витратних випробувань визначати найбільш достовірну модель надійності однорідних і неоднорідних сукупностей виробів. Найбільш підходящим об'єктом для застосування фізико-статистичного підходу є вироби ТТЕ з одним із найбільш поширених механізмів старіння та відмови - дифузійною деградацією, яка має місце при газо - і волого - поглинанні, старінні композиційних матеріалів, високотемпературному старінні конденсаторів і напівпровідникових виробів, при гетерогенних хімічних процесах, що протікають в дифузійної області, розпаді твердих розчинів і т. п.
Аналіз спеціальної літератури показав, що як модельний матеріал з оптимальним поєднанням інформаційного, часового, технологічного та економічного критеріїв проведення випробувань, найбільш прийнятним є ПВХ-пластикат. Контактування ПВХ-пластикату з мінеральним маслом ініціює протікання гетерогенного процесу видалення з нього пластифікаторів. В результаті депластифікації змінюються всі фізичні характеристики пластикату і при досягненні їх значень критичної межі корельованої втратою роботоздатності матеріалу виникає його параметрична відмова.