Affidabilita’ e metodologie di qualifica dei sistemi elettronici in ambienti ostili Giancarlo Barbarino Dipartimento di Scienze Fisiche Universita’ di Napoli Federico II & Istitutito Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Napoli Analisi affidabilistiche e qualifiche Per sistemi e componenti elettronici Disciplina importante in ambito: – Scientifico La complessita’ degli esperimenti impone elevati standard di affidabilita’ – Industriale Miglioramento e competivita’ dei prodotti anche di elevata complessita’ tecnologica Esigenze ed Esperienze scaturite in esperimenti condotti dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Specificita’ di tipici ambienti di misura Fisica agli acceleratori di particelle: quantita’ e durata dei sistemi, accessibilita’, danno da radiazioni. Fisica delle astroparticelle: ricerca in ambienti spaziali e sottomarini, quantita’ e durata dei sistemi, sollecitazioni meccaniche, inaccessibilita’ e danno da radiazioni. Operare in ambienti ostili •Grande affidabilità nel tempo •Impossibilità di intervento •Resistenza alle radiazioni ionizzanti Sviluppati protocolli & specifiche Tasso di guasto Probabilita` di guasto di un sistema o componente elettronico l(t) Rt e l t dt progetto Bathtube curve produzione t Guasti infantili 10-100 ore Guasti da usura Guasti casuali Due tipologie di test Test sui Prototipi (test di invecchiamento/ vita media) Metodologie ALT accelerated life test verifica del progetto Test in produzione (test di qualifica) Verifica dei componenti •Telecamera IR •Camera climatica •shaker I-Test di affidabilità in fase di progetto & sviluppo Test sui prototipi Obiettivo: Verifica del progetto vita media Fornisce informazioni sulla qualita’ della progettazione: -elementi vitali -circuiti di alimentazione l(t) t Stima del tempo di vita medio Del dispositivo/componente elettronico I-Test sui Prototipi: Scansione IR-mappa termica Controllo degli Hot-spot Controllo sul piazzamento dei componenti Controllo sui connettori Analisi non distruttiva: complementa informazioni Anche dopo test di vita accelerati I-Test d’invecchiamento l(t) Modello di accelerazione di vita di Arrhenius Stima vita media Mean Time To Failure (MTTF) MTTF=AeEa/KT t MTTFu = AF x MTTFs 8 h ≈ 1 anno Tu = 15 C Ts = 100 C AF = 973 Ambiente Camera 105,00 U25 95,00 85,00 T camera_climatica Analisi termica T U25sk4 T(C) 75,00 65,00 80,00 55,00 70,00 45,00 35,00 T= cost. 60,00 50,00 15,00 0,00 T(C) 25,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 t_test(h) 60,00 70,00 80,00 40,00 30,00 90,00 100,00 Cicli termici 20,00 10,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 t(h) Fattore di accelerazione ottenuto a: -temperatura costante -cicli termici (maggiore stress) Scelte che dipendono: -dal progetto -dalle condizioni di lavoro 30,00 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 l(t) -Controllo dei difetti di produzione -Procedure per fare precipitare un guasto iniziale -Screening non invasivo -sistemi da utilizzare -stress tollerabili t Fattore di accelerazione AF in temperatura controllato II-Test durante la produzione: Temperatura costante Controllo dei parametri vitali: •Temperatura punti caldi •Tensione •Corrente •Funzionamento T 60o 8h t Ricerca di difetti: Saldature Componenti difettosi II-Test di screening l(t) Cicli termici t T camera_climatica Analisi termica T U25sk4 80,00 Controllo difetti di produzione 70,00 60,00 T(C) 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 t(h) + analisi termografica IR 20,00 25,00 30,00 Circuiti di alimentazione scansione IR Ricerca di difetti: Circuito stampato Componenti difettosi Circuito sottoposto al test Scansione IR Laboratorio Qualifiche Sez.INFN Napoli Camera climatica per test di invecchiamento e screening Telecamera per scansioni IR Sistema di acquisizione Sensori monitoraggio funzionale Danni da radiazioni ionizzanti nei componenti elettronici Effetti a lungo termine Effetti da singola interazione TID (Total Ionization Dose) SEE (Single Event Effect) Dati e simulazioni SEU SET SEL Single Event Single Event Single Event Upset Transient Latchup (stato logico) (Stato logico) (conduzione) Danni da radiazioni ionizzanti in sistemi elettronici Simulazioni e esposizione ad irragiamento Tecniche di progettazione e di protezione: -Ridondanze hardware -Protezioni alimentazioni Qualifiche di componenti commerciali Vantaggi: -Componentistica aggiornata -Basso costo Protocolli e test messi a punto dall’INFN. – Progettazione elettronica Affidabilita’ e ridondanze Test tempo di vita sistemi e componenti Test con telecamera IR – Produzione Test mortalita’ infantile – Danni da radiazione Trasferibile ai prodotti industriali di qualita’