Současné přístupy k predikci bezporuchovosti prvků

číslo 7/2005

Současné přístupy k predikci bezporuchovosti prvků

Predikce (předpověď) bezporuchovosti produktů jako jedné z dílčích vlastností spolehlivosti je důležitou činností při řešení problematiky spolehlivosti produktů. Predikcí bezporuchovosti je chápáno stanovení číselné hodnoty vybraného ukazatele bezporuchovosti v okamžiku, kdy nejsou k dispozici informace o reálném chování produktu v provozu. Je tedy zřejmé, že predikce bezporuchovosti nachází uplatnění především v předvýrobních etapách života produktu.

Bezporuchovost prvků se predikuje zejména proto, aby bylo možné:

  • zhodnotit proveditelnost, tj. posoudit, zda navržené konstrukční řešení je schopno splnit požadavky na bezporuchovost,

  • porovnat odlišná konstrukční řešení pro nalezení toho nejvhodnějšího,

  • posoudit vliv konstrukčních změn na bezporuchovost,

  • poskytnout vstupní údaje pro další činnosti související se spolehlivostí (např. prediktivní analýzy spolehlivosti, analýzy nákladů životního cyklu produktu,

  • odhalit případné problémy související s bezporuchovostí,

  • odhalit hlavní přispěvatele k poruchám.

K predikci bezporuchovosti prvků lze přistupovat nejrůznějšími způsoby na základě zkušeností s obdobnými produkty, expertními odhady apod. Avšak nejpoužívanějším přístupem k predikci bezporuchovosti prvků je využití databází bezporuchovosti prvků a metodik predikce bezporuchovosti prvků. V tomto článku jsou charakterizovány mezinárodně uznávané databáze a metodiky nejpoužívanější v současné době. Popsané postupy jsou nejčastěji využívány k predikci dvou ukazatelů bezporuchovosti: intenzity poruch (l) a střední doby bezporuchového provozu (Mean Time Between Failures – MTBF).

Databáze EPRD-97 a NPRD-95

Dvojice databází Electronic Parts Reliability Data – EPRD-97 (Údaje o bezporuchovosti elektronických prvků) a Nonelectronic Parts Reliability Data – NPRD-95 (Údaje o bezporuchovosti neelektronických prvků) byla vytvořena americkou společností Reliability Analysis Center (RAC), která je účelovým zařízením Ministerstva obrany USA.

Databáze EPRD-97 a NPRD-95 se vzájemně doplňují a neobsahují duplikovaná data. S jejich využitím lze predikovat bezporuchovost většiny typů prvků používaných v elektronických a mechanických systémech. Databáze EPRD-97 obsahuje údaje o intenzitách poruch elektronických prvků, konkrétně kondenzátorů, diod, integrovaných obvodů, optoelektronických prvků, rezistorů, tyristorů, transformátorů a tranzistorů. V databázi NPRD-95 jsou zahrnuty údaje o intenzitách poruch velkého množství elektrických, elektromechanických a mechanických prvků.

Uvedená dvojice databází obsahuje data získaná dlouhodobým sledováním systémů a prvků v reálném provozu, které probíhalo již od počátku 70. let dvacátého století až do roku 1994 (u NPRD-95), popř. 1996 (u EPRD-97). Sběr dat byl přitom zaměřen na získání údajů o relativně nových prvcích, s nimiž nebyly dostatečné zkušenosti, a údajů z nejrůznějších zdrojů, provozních podmínek a úrovní kvality.

Účelem obou databází je zejména poskytovat údaje o intenzitách poruch součástí vyrobených v komerční kvalitě a údaje o intenzitách poruch nejmodernějších součástí (v případě, že nelze provést nebo nejsou vyžadovány analýzy dat) a dále podporovat MIL-HDBK-217F (viz dále) a jiné obdobné metodiky poskytováním údajů o součástkách, které v těchto metodikách nejsou obsaženy.

Dvojici databází EPRD-97 a NPRD-95 lze zakoupit v „papírové“ a elektronické formě i samostatně, především ji ale jako součást svých softwarových produktů prodává většina společností specializujících se na vývoj softwaru pro oblast spolehlivosti.

Norma MIL-HDBK-217F

Norma Military Handbook: Reliability Prediction of Electronic Equipment – MIL-HDBK-217F (Vojenská příručka – predikce bezporuchovosti elektronických zařízení) je vojenskou normou vydanou Ministerstvem obrany USA. Byla vytvořena v roce 1961 a od té doby byla několikrát revidována. Naposledy v roce 1995, kdy byl její vývoj ze strany ministerstva obrany ukončen.

Norma byla primárně vyvinuta pro potřeby predikce bezporuchovosti vojenských elektronických systémů, ale postupem doby se její použití rozšířilo do mnoha nevojenských oblastí a v současnosti je nejčastěji používanou metodikou predikce bezporuchovosti elektronických prvků vůbec.

Hodnoty veličin uvedené v normě, které jsou užívány pro vypočet intenzity poruch, byly získány odhady založenými na statistických analýzách skutečných poruch v provozu. Norma obsahuje odhady pro generické typy elektronických prvků; není reálně možné, aby obsahovala údaje pro všechny typy jednotlivých prvků. Generické typy prvků zahrnuté v normě jsou následující: mikroobvody, polovodiče, elektronky, lasery, rezistory, kondenzátory, indukční prvky, rotační prvky, relé, spínače, konektory, spojovací a propojovací prvky, křemíkové krystaly, žárovky, elektronické filtry a pojistky.

Norma obsahuje dvě odlišné metody predikce bezporuchovosti, a to metodu namáhání prvků a metodu počítání z prvků.

Metoda namáhání prvků
Predikce bezporuchovosti metodou namáhání prvků podle MIL-HDBK-217F je použitelná v případě, když jsou návrh a vývoj produktu z větší části dokončeny a je-li k dispozici podrobný popis prvků a jejich namáhání.

Použití metody namáhání prvků je relativně složitější, protože pro každý prvek musí být známy namáhání a další činitele týkající se zejména jeho provozního prostředí a kvality.

Základní postup určení intenzity poruch je založen na násobení výchozí intenzity poruch prvku koeficienty reprezentujícími namáhání podmínkami provozu a prostředí. Vztah pro určení intenzity poruch při použití metody namáhání má např. pro polovodičové prvky tvar

lp = lb pT pA pR pS pC pQ pE          (1)

kde lp je intenzita poruch prvku, lb výchozí intenzita poruch, pT činitel závislosti na teplotě, pA činitel závislosti na použití, pR činitel závislosti na jmenovitém výkonu, pS činitel závislosti na elektrickém zatížení, pC činitel závislosti na konstrukci, pQ činitel závislosti na kvalitě, pE činitel závislosti na prostředí.

Činitele závislosti na kvalitě (pQ) a prostředí (pE) jsou použity v modelech pro většinu generických typů prvků. Použití i význam ostatních faktorů se pro jednotlivé typy prvků liší. Konkrétní hodnoty výchozí intenzity poruch a všech potřebných činitelů závislosti se určují podle tabulek uvedených v normě.

Metoda počítání z prvků
Predikce bezporuchovosti prvků podle MIL-HDBK-217F metodou počítání z prvků je použitelná v počátečních etapách návrhu a vývoje produktu, kdy není k dispozici dostatek údajů potřebných pro použití metody namáhání prvků. Jde o relativně jednoduchou metodu predikce bezporuchovosti, která využívá předem definované hodnoty namáhání. Aby bylo možné ji použít, je nezbytné znát alespoň generický typ prvku, úroveň kvality prvku a provozní podmínky.

Matematický vztah pro určení intenzity poruch zařízení při použití metody počítání z prvků má tvar

vztah (2)

kde lEQUIP je celková intenzita poruch zařízení, lgi generická intenzita poruch pro i-tý generický prvek, pQi činitel závislosti na kvalitě pro i-tý generický prvek, Ni počet i-tých generických prvků, n počet rozdílných kategorií generických prvků v zařízení.

Uvedený vztah lze využít, je-li při určování generických intenzit všech prvků uvažováno stejné provozní prostředí. V případě, že jsou pro různé generické prvky uvažována různá prostředí, měl by být uvedený vztah použit na jednotlivé části zařízení rozdělené podle prostředí.

V případě mikroobvodů, jestliže jsou vyráběny kratší dobu než dva roky, je nezbytné generickou intenzitu poruch lg navíc vynásobit činitelem vyspělosti výrobního procesu pL. Číselné hodnoty generické intenzity poruch lg pro jednotlivá prostředí, činitele závislosti na kvalitě pQi a činitele vyspělosti výrobního procesu pLi pro jednotlivé generické prvky jsou obsaženy v normě.

Obecně metoda počítání prvků poskytuje konzervativnější odhady intenzit poruch prvků než metoda namáhání prvků.

Výhodou normy MIL-HDBK-217F je, že ji lze v elektronické podobě zdarma stáhnout z webu. Postupy predikce na základě této normy jsou obsaženy ve většině softwarových produktů zaměřených na predikci bezporuchovosti.

Metodika PRISM

Metodika PRISM©– Reliability Prediction and Database for Electronic and Non-electronic Parts (Predikce a databáze bezporuchovosti pro elektronické a neelektronické prvky) je soubor metod predikce bezporuchovosti prvků, vyvinutý americkou společností Reliability Analysis Center (RAC), a je také stejnojmenný softwarový produkt založený na dané metodice.

Metodika odhadu bezporuchovosti PRISM má dvě části. Nejprve jsou na úrovni prvků určeny intenzity poruch, které jsou poté na úrovni systémů modifikovány procesními faktory, které vystihují příčiny vzniku poruch.

Matematický vztah pro výpočet intenzity poruch systému podle metodiky PRISM je

lS = lIA (PP PIM PE + PD PG + PM PIM PE PG + PS PG + PI + PN + PW) + lSW          (3)

kde lS je je predikovaná intenzita poruch systému, lIA odhad počáteční intenzity poruch, PP multiplikátor procesů prvků, PIM faktor počáteční fáze provozu, PE faktor provozního prostředí, PD multiplikátor procesu vývoje, PG faktor růstu bezporuchovosti, PM multiplikátor procesu výroby, PS multiplikátor procesu managementu, PI multiplikátor vyvolaného procesu, PN multiplikátor procesu bez vad, PW multiplikátor procesu dožití, lSW predikovaná intenzita poruch softwaru.

Uvedený model vyžaduje jako vstupní hodnotu odhad počáteční intenzity poruch lIA. Ten lze provést s použitím modelu s názvem RACRates (je součástí metodiky), databází bezporuchovosti prvků nebo dat dodaných uživatelem.

Princip určení počátečního odhadu intenzity poruch lIA prostřednictvím modelu RACRates je následující. Model uvažuje pro každý generický typ mechanismu poruchy samostatnou intenzitu poruch, která je poté akcelerována příslušným zatížením nebo vlastností prvku. Matematicky zapsáno platí

lIA = lo po + le pe + lc pc + li + lsj psj          (4)

kde lo je intenzita poruch určená z provozního namáhání, po multiplikátor pro provozní namáhání, le intenzita poruch určená z namáhání provozním prostředím, pe multiplikátor pro namáhání provozním prostředím, lc intenzita poruch určená z namáhání výkonovými nebo teplotními cykly, pc multiplikátor pro cyklické namáhání, li intenzita poruch určená z vyvolaných namáhání, včetně elektrických přepětí, lsj intenzita poruch určená z namáhání pájenými spoji, psj multiplikátor pro namáhání pájenými spoji.

Číselné hodnoty intenzit poruch, faktorů a multiplikátorů se určují podle vstupních informací o prostředí, provozu, vývoji, výrobě, namáhání atd.

Metodika PRISM není vydána v textové podobě. Je k dispozici pouze jako stejnojmenný softwarový produkt společnosti RAC.

Metodika FIDES

Nejnovější metodikou predikce bezporuchovosti je tzv. metodika FIDES, obsažená v příručce FIDES Guide 2004 issue A – Reliability Methodology for Electronic Systems (DGA-DM/STTC/CO/477-A). Příručku vypracovalo konsorcium francouzských průmyslových podniků leteckého a zbrojního průmyslu FIDES (jeho členem je např. společnost Airbus) a byla vydána v roce 2004 pod záštitou Ministerstva obrany Francie. Tato metodika byla vyvinuta s využitím dat z praxe z oblasti letectví a vojenství a dat od výrobců. Má za cíl umožnit realistickou predikci bezporuchovosti elektronických zařízení, včetně systémů pracujících v náročných podmínkách (obranné systémy, letectví atd.).

Metodika FIDES poskytuje modely pro elektrické, elektronické a elektromechanické prvky a pro součásti plošných spojů. Bere v úvahu všechny technologické a fyzikální faktory, které mají vliv na bezporuchovost produktu. Konkrétně uvažuje typ použití, elektrická, mechanická a teplotní přetížení a poruchy související s procesy vývoje, výroby, provozu a údržby. Je použitelná ve všech oblastech využívajících elektroniku a pokrývá následující prvky: integrované obvody, polovodičové prvky, kondenzátory, termistory, rezistory, potenciometry, indukční prvky, transformátory, relé, desky plošných spojů, konektory a piezoelektrické prvky.

Metodika zahrnuje poruchy z vnitřních příčin vyplývající ze specifikace zařízení, konstrukce, výroby a začlenění a volby způsobu dodání. Bere v úvahu také poruchy vyplývající z vývoje a výroby, z elektrických, mechanických a teplotních přetížení souvisejících s provozem.

Základní matematický model pro výpočet intenzity poruch prvku je

l = lPhysical PPart_Manufacturing PProcess          (5)

kde lPhysical je fyzikální příspěvek, PPart_Manufacturing faktor zahrnující kvalitu a technické zvládnutí výroby prvku, PProcess faktor zahrnující kvalitu a technické zvládnutí procesů vývoje, výroby a provozu produktu, ve kterém je prvek obsažen.

Po fyzikální příspěvek lPhysical podle metodiky platí

vztah (6)

kde výraz v hranaté závorce vyjadřuje příspěvek jmenovitých omezení a PInducet je příspěvek vyvolaných přetížení příslušejících dané oblasti použití.

Příspěvek jmenovitých omezení zahrnuje výchozí intenzitu poruch l0 přiřazenou všem prvkům, příspěvek charakteristický pro použitou technologii a faktor zrychlení (PAcceleration), používaný pro přiřazení fyzických omezení, kterým je prvek vystaven během používání. Příspěvek charakteristický pro použitou technologii je zahrnut ve výchozí intenzitě a faktoru zrychlení.

Faktor PPart_Manufacturing, charakterizující kvalitu prvku, lze matematicky vyjádřit vztahem

PPart_Manufacturing = exp[d1 (1 - Part_Grade) - a1]          (7)

kde d1 a a1 jsou korelační faktory vyjadřující míru vlivu faktoru PPart_Manufacturing na bezporuchovost prvku.

Proměnnou veličinu Part_Grade lze matematicky vyjádřit vztahem

vztah (8)

kde QAmanufacturer je kritérium zajišťování jakosti u výrobce, QAcomponent kritérium zajišťování jakosti prvku, RAcomponent kritérium zajišťování bezporuchovosti prvku, e kritérium vyjadřující zkušenosti nakupujícího s dodavatelem prvku.

Pro faktor PProcess, charakterizující kvalitu a technické zvládnutí procesů ovlivňujících bezporuchovost produktu během životního cyklu, platí

PProcess = exp [d2 (1 - Process_Grade)]          (9)

kde Process_Grade je stupeň vyjadřující úroveň procesu, d2 korelační faktor vyjadřující rozpětí faktoru PProcess.

Konkrétní hodnoty všech faktorů a potřebných vstupních hodnot se určují podle tabulek, vztahů a doporučení uvedených v příručce k normě FIDES.

Příručku obsahující metodiku FIDES lze zdarma stáhnout z webu. Společnosti specializující se na vývoj softwaru pro oblast spolehlivosti v současné době pracují na softwarových produktech zaměřených na predikci bezporuchovosti s použitím metodiky FIDES.

Další přístupy

Vedle již uvedených norem a metodik pro predikování bezporuchovosti prvků se používají ještě některé další, vesměs s věcně či oborově omezenou působností. Uveďme zde pro příklad tři nejvýznamnější.

Norma IEC/TR 62380
Mezinárodní norma IEC/TR 62380 Reliability Data Handbook – A universal model for reliability prediction of electronics components, PCBs and equipment (Příručka dat o bezporuchovosti – obecný model pro predikci bezporuchovosti elektronických prvků, desek plošných spojů a příslušenství) byla vydána Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC) v roce 2004. Vychází z francouzské telekomunikační normy UTE C 80-810. Metodika uvedená v obou normách je známa pod označením RDF 2000.

Norma IEC/TR 62380 poskytuje základy nezbytné pro predikci intenzity poruch elektronických prvků a usnadňuje predikci zavedením ovlivňujících faktorů.

Norma Telcordia SR-332
Norma Reliability Prediction Procedures for Electronic Equipment (Telcordia SR-332) (Postupy predikce bezporuchovosti pro elektronická zařízení) byla vytvořena společností Telcordia, která vznikla ze společnosti Bell Communications Research (Bellcore). Proto je tato norma často také nazývána Bellcore SR-332.

Metodika predikce bezporuchovosti vychází z principů uvedených v normě MIL-HDBK-217F, ale lépe odráží specifika telekomunikačního průmyslu. Metodika je určena především pro komerční elektronické produkty.

Příručka NSWC-98/LE1
Norma NSWC-98/LE1 Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment (Příručka postupů predikce bezporuchovosti pro mechanická zařízení) vznikla pod záštitou Námořnictva USA. Aktuální vydání normy se datuje do roku 1998.

Norma obsahuje postupy predikce pro mechanické prvky používané zejména v námořnictví a umožňuje zohlednit různé faktory související s použitými materiály a jejich vlastnostmi.

Shrnutí a závěry

Článek si nečiní nárok být úplným přehledem všech databází a metodik používaných k predikci bezporuchovosti prvků a systémů, ale uvádí v současné době nejrozšířenější a nejpoužívanější databáze a metodiky v oblasti strojírenství a elektrotechniky. Ostatní metodiky, jež nejsou v tomto článku uvedeny, jsou specifické pro příslušné oblasti použití, popř. specifické pro jednotlivé společnosti.

K predikování bezporuchovosti neelektronických prvků se v současné době nejčastěji používá databáze NPRD-95, která, obrazně řečeno, nemá v této oblasti vážnějšího konkurenta.

V oblasti predikce bezporuchovosti elektronických prvků je situace poněkud složitější. Databáze EPRD-97 je také celosvětově rozšířena a obsahuje velké množství reálných prvků, které nejsou obsaženy v ostatních uvedených metodikách, ale neumožňuje takovou míru zohlednění ovlivňujících faktorů. Predikce bezporuchovosti podle MIL-HDBK--217F je sice v současné době celosvětově nejrozšířenější metoda predikce bezporuchovosti elektronických prvků, ale tato norma již není od roku 1995 dále aktualizována a postupem doby zastarává. Proto metodiky PRISM a nejnověji FIDES poskytují odlišné přístupy, které mají odstranit nedostatky normy MIL-HDBK-217F. Avšak limitujícími faktory při jejich používání jsou v případě metodiky PRISM relativně vysoké pořizovací náklady na software a v případě metodiky FIDES její novost a nedostatečné prověření v praxi.

Konečné rozhodnutí o použití konkrétního přístupu k predikci bezporuchovosti prvků je ovlivněno účelem, pro který je predikce prováděna, a zejména požadavkem zákazníka, pro kterého je predikce bezporuchovosti vykonávána. Záleží tedy vždy na konkrétní situaci, jaký postup predikce bezporuchovosti uživatel zvolí. Podle vlastních zkušeností autora článku z praxe lze drtivou většinu predikcí bezporuchovosti prvků a systémů provést s využitím kombinace databází NPRD-95, EPRD-97 a normy MIL-HDBK-217F.

Literatura:
[1] DYLIS, D. D. – PRIORE, M. G.: A Comprehensive Reliability Assessment Tool for Electronic Systems. In: Proc. Ann. Reliability & Maintainability Symp., 2001, Piscataway, IEEE, 2001, ISBN 0-7803-6615-8.
[2] MARIN, J. J. – POLLARD, R. W.: Experience Report on the FIDES Reliability Prediction Metod. In: 2005 Proc. Ann. Reliability & Maintainability Symp., Piscataway, IEEE, 2004, ISBN 0-7803-8825-9.
[3] SMITH, Ch. L. – WOMACK, J. B. Jr.: Raytheon Assessment of PRISM© As A Field Failure Prediction Tool. In: Proc. Ann. Reliability & Maintainability Symp., 2004, Piscataway, IEEE, 2004, ISBN 0-7803-8216-1.
[4] DGA-DM/STTC/CO/477-A: FIDES Guide 2004 issue A – Reliability Methodology for Electronic Systems. FIDES Group, 2004.
[5] MIL-HDBK-217F: Military Handbook – Reliability Prediction of Electronic Equipment. US Department of Defense, Washington, 1991.
[6] Electronic Parts Reliability Data (EPRD-97). Reliability Analysis Center (RAC), Rome, 1997.
[7] Nonelectronic Parts Reliability Data (NPRD-95). Reliability Analysis Center (RAC), Rome, 1995.

Ing. Michal Vintr,
ústav metrologie a zkušebnictví,
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně,
(mvintr@centrum.cz)

Článek je zredigovanou verzí stejnojmenného příspěvku předneseného na 28. mezinárodní konferenci TD 2005 – Diagon 2005, Zlín, 26. 4. 2005.