Affidabilita’ e metodologiedi qualifica

dei sistemi elettroniciin ambienti ostili

Giancarlo Barbarino

Dipartimento di Scienze Fisiche Universita’ di Napoli Federico II

&Istitutito Nazionale di Fisica Nucleare

Sezione di Napoli

Analisi affidabilistiche Analisi affidabilistiche e e

qualifichequalifiche Per sistemi e componenti elettroniciPer sistemi e componenti elettronici Disciplina importante in ambito:Disciplina importante in ambito:

– ScientificoScientifico La complessita’ degli esperimenti impone La complessita’ degli esperimenti impone

elevati standard di affidabilita’elevati standard di affidabilita’

– IndustrialeIndustriale Miglioramento e competivita’ dei prodotti Miglioramento e competivita’ dei prodotti

anche di elevata complessita’ tecnologicaanche di elevata complessita’ tecnologica

Esigenze ed Esperienze scaturite in esperimenti condotti dall’Istituto

Nazionale di Fisica Nucleare

Specificita’ di tipici ambienti di Specificita’ di tipici ambienti di misuramisura

Fisica agli acceleratori di particelle: Fisica agli acceleratori di particelle: quantita’ e durata dei sistemi, quantita’ e durata dei sistemi, accessibilita’, danno da radiazioni.accessibilita’, danno da radiazioni.

Fisica delle astroparticelle: ricerca in Fisica delle astroparticelle: ricerca in ambienti spaziali e sottomarini, ambienti spaziali e sottomarini, quantita’ e durata dei sistemi, quantita’ e durata dei sistemi, sollecitazioni meccaniche, sollecitazioni meccaniche, inaccessibilita’ e danno da inaccessibilita’ e danno da radiazioni.radiazioni.

Operare in ambienti ostili

•Grande affidabilità nel tempo

•Impossibilità di intervento

•Resistenza alle radiazioni ionizzanti

Sviluppatiprotocolli & specifiche

Probabilita` di guasto di un sistema o componente

elettronico(t)

t

Guasti infantili10-100 ore

Guasti casualiGuasti da usura

Tass

o d

i gu

ast

o

dttetR

progetto

produzione

Bathtubecurve

Due tipologie di test

Test sui Prototipi (test di invecchiamento/

vita media)Metodologie ALT

accelerated life test

Test in produzione(test di qualifica)

verifica del progetto

•Telecamera IR•Camera climatica•shaker

Verifica dei componenti

I-Test di affidabilità in fase di progetto & sviluppo

(t)

t

Stima del tempo di vita medioDel dispositivo/componente elettronico

Fornisce informazioni sulla qualita’ della progettazione:-elementi vitali -circuiti di alimentazione

Test sui prototipiObiettivo:

Verifica del progettovita media

I-Test sui Prototipi:Scansione IR-mappa termica

Controllo degli Hot-spotControllo sul piazzamento dei componentiControllo sui connettori

Analisi non distruttiva:complementa informazioni

Anche dopo test di vita accelerati

I-Test d’invecchiamento(t)

t

Stima vita mediaMean Time

To Failure (MTTF)

15,00

25,00

35,00

45,00

55,00

65,00

75,00

85,00

95,00

105,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00

t_test(h)

T(C

)

Ambiente Camera

U25

MTTF=AeEa/KT

MTTFu = AF x MTTFs

Tu = 15 C Ts = 100 C AF = 973

Modello di accelerazione di vita di Arrhenius

Analisi termica

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t(h)

T(C

)

T camera_climatica

T U25sk4

Fattore di accelerazione ottenuto a:-temperatura costante-cicli termici (maggiore stress)

Scelte che dipendono:-dal progetto-dalle condizioni di lavoro

T= cost.

Cicli termici

8 h ≈ 1 anno

I-Test sui Prototipi:Test termici

Cicli termici da effettuare nel range di temperature di lavoro

Cicli differenti per componenti e condizioni di lavoro differenti

Controllo dei parametri vitali:

•Temperatura punti caldi•Tensione •Corrente•Funzionamento

+ analisi termografica IR

I-Test sui Prototipi:Test di vibrazione

Spettro di vibrazione atteso:

Trasporto Condizioni ambientali (spazio……)

Fattore peggiorativo

Controllo sulla tenuta dei componenti

II-Screening in produzione:Piano di qualifica

(t)

t

-Screening non invasivo-sistemi da utilizzare-stress tollerabili

-Controllo dei difetti di produzione-Procedure per fareprecipitare un guastoiniziale

Fattore di accelerazioneAF in temperatura

controllato

II-Test durante la produzione:Temperatura costante

T

t

60o

8h

Controllo dei parametri vitali:

•Temperatura punti caldi•Tensione •Corrente•Funzionamento

Ricerca di difetti:Saldature Componenti difettosi

II-Test di screening(t)

t

Controllo difetti di produzione

Analisi termica

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t(h)

T(C

)

T camera_climatica

T U25sk4

Cicli termici

+ analisi termografica IR

Circuiti di alimentazionescansione IR

Circuito sottoposto al test

Scansione IR

Ricerca di difetti:Circuito stampatoComponenti difettosi

Laboratorio QualificheSez.INFN Napoli

Camera climatica per test di invecchiamento e screening

Telecamera per scansioni IR

Sistema di acquisizione Sensori monitoraggio funzionale

Effetti a lungo termine

TID (Total Ionization Dose)

Effetti da singola interazione

SEE (Single Event Effect)

SEU SET SEL

Single Event

Upset

(stato logico)

Single Event

Transient

(Stato logico)

Single Event

Latchup

(conduzione)

Dati e simulazioni

Danni da radiazioni ionizzanti nei componenti elettronici

Danni da radiazioni ionizzantiin sistemi elettronici

Simulazioni e esposizione ad irragiamentoTecniche di progettazione e di protezione:-Ridondanze hardware-Protezioni alimentazioni

Qualifiche di componenti commercialiVantaggi:-Componentistica aggiornata -Basso costo

Protocolli e test messi a punto Protocolli e test messi a punto dall’INFN.dall’INFN.– Progettazione elettronicaProgettazione elettronica

Affidabilita’ e ridondanzeAffidabilita’ e ridondanze Test tempo di vita sistemi e componentiTest tempo di vita sistemi e componenti Test con telecamera IRTest con telecamera IR

– ProduzioneProduzione Test mortalita’ infantile Test mortalita’ infantile

– Danni da radiazioneDanni da radiazione

Trasferibile ai prodotti industriali di qualita’