Значение анализа отказов для управления надежностью
Информация об отказах радиоэлектронного оборудования (РЭО) и систем автоматики (СА) служит ключевым источником данных для оценки и обеспечения надежности на всех этапах жизненного цикла изделий. Поэтому тщательный анализ каждого случая выхода из строя имеет первостепенное значение. В ходе такого анализа проводится классификация отказов, устанавливаются их причины, исследуются механизмы возникновения и разрабатываются комплексные меры — как технические, так и организационные — для их предотвращения в будущем.
Цели и факторы классификации на этапах разработки и производства
На стадиях проектирования и изготовления классификация отказов направлена на выявление доминирующих факторов, приводящих к неисправностям. К таким факторам относятся:
- Конструктивные недоработки.
- Дефекты исходных материалов.
- Нарушения установленных технологических режимов.
- Погрешности в процедурах контроля и испытаний.
Причины отказов принято делить на две основные группы: организационные и технические. Устранение организационных причин требует совершенствования регламентов контроля, испытаний и технологических процессов, а также повышения квалификации персонала. Для борьбы с техническими причинами необходимо детальное изучение физических и химических механизмов отказов с целью разработки эффективных инженерных решений.
Особое внимание уделяется систематическим (повторяющимся) отказам, которые возникают из-за устойчивого сочетания неблагоприятных факторов. Выявление и устранение коренных причин таких отказов является критически важной задачей.
Основные виды отказов и их характеристика
Отказы классифицируются по нескольким ключевым признакам, что позволяет систематизировать знания о них и выбирать адекватные методы борьбы.
По характеру изменения параметров
Постепенный отказ характеризуется медленным, плавным изменением параметров объекта без резких скачков. Типичный пример — постепенное ухудшение качества демпфирующей жидкости в гирокомпасе. Основные причины: естественный износ и старение компонентов, особенно изоляции и подвижных контактов. Старение изоляции — необратимый процесс изменения ее структуры под воздействием температуры, влажности, вибрации и электрических нагрузок. В полупроводниковых приборах и микросхемах постепенные изменения параметров могут быть вызваны неравномерным распределением примесей в кристалле или использованием разнородных материалов. Конструкция аппаратуры должна учитывать возможный дрейф параметров компонентов, чтобы выходные характеристики системы оставались стабильными.
Внезапный отказ проявляется как скачкообразное, мгновенное изменение одного или нескольких параметров. Пример — перегорание предохранителя в цепи питания, приводящее к полному прекращению работы устройства. Частые причины: короткое замыкание или обрыв в электрической цепи, конструктивные недостатки, производственные дефекты или ошибки персонала. В основе внезапного отказа часто лежат накопившиеся микроповреждения в структуре прибора (например, в полупроводниковом кристалле), которые при очередной перегрузке приводят к катастрофическому разрушению (пробой, проплавление).
Разделение на постепенные и внезапные отказы в значительной степени условно и зависит от возможностей системы контроля. Внезапным считается отказ, которому не предшествовали заметные изменения контролируемых параметров, что делает его прогнозирование крайне сложным. Постепенному отказу, напротив, обычно предшествует закономерное ухудшение параметра, что позволяет прогнозировать момент наступления неработоспособности и принять превентивные меры.
По связи с отказами других объектов
Независимый отказ возникает по внутренним причинам в элементе и не связан с состоянием других компонентов системы. Например, отказ системы охлаждения в одном блоке не влияет на работу независимой системы навигации.
Зависимый отказ является прямым следствием повреждения или отказа другого элемента. Классический пример — выход из строя блока питания из-за короткого замыкания в подключенной к нему нагрузке. При анализе отказов полупроводниковых приборов особенно важно установить степень этой зависимости, чтобы правильно выбрать меры по защите и предотвращению цепочки последовательных повреждений.
По характеру устранения
Самоустраняющийся отказ (сбой) — это кратковременная потеря работоспособности, которая устраняется самостоятельно или простым действием оператора (например, перезагрузкой). Причиной может быть кратковременная внешняя помеха или нарушение контакта. В вычислительных системах сбои особенно опасны, так как могут искажать данные или результаты вычислений без явного указания на ошибку.
Перемежающийся отказ представляет собой серию повторяющихся сбоев одного характера. Частая причина — наличие внутри герметичного корпуса токопроводящей частицы, которая периодически замыкает контакты.
По способу обнаружения
Явный отказ обнаруживается визуально или штатными средствами контроля в процессе подготовки или непосредственного использования объекта.
Скрытый отказ не выявляется обычными методами и требует проведения специального технического обслуживания или углубленной диагностики для своего обнаружения.
По стадии возникновения причины
- Конструкционный отказ — следствие ошибок или несовершенства проекта (неправильный выбор компонентов, просчеты в схемотехнике).
- Производственный отказ — вызван нарушениями технологии изготовления или ремонта на предприятии.
- Эксплуатационный отказ — результат нарушения установленных правил или условий эксплуатации (ошибки оператора, работа в нештатных режимах).
- Деградационный (ресурсный) отказ — закономерное следствие естественных процессов старения, износа, коррозии при соблюдении всех норм проектирования и эксплуатации. Возникает при достижении объектом предельного состояния.
Критерии, причины и последствия отказов
Критерий отказа — это установленный признак или совокупность признаков, по которым констатируется нарушение работоспособности. Это может быть конкретное значение параметра (например, ток вне допустимого диапазона) или качественный признак (обрыв, деформация, обгорание).
Причина отказа — это события, процессы или состояния, непосредственно приведшие к отказу: нарушения норм на этапах проектирования, производства, эксплуатации, а также естественное старение.
Последствия отказа — это явления, вызванные возникновением отказа (например, полное прекращение работы системы, переход на резервный канал, искажение информации).
Предотвращаемые и непредотвращаемые отказы
В эксплуатационной практике отказы также делят на предотвращаемые и непредотвращаемые, что важно для оценки эффективности профилактических работ.
- Предотвращаемые отказы — это в основном постепенные отказы, предвестники которых (изменение параметров) можно обнаружить контролем. Своевременное вмешательство позволяет их избежать.
- Непредотвращаемые отказы — чаще всего внезапные, статистические закономерности которых неизвестны или непредсказуемы.
Это деление условно: не все постепенные отказы можно предотвратить (из-за сложности контроля медленных изменений), а некоторые внезапные — можно предсказать на основе статистики. Совершенствование методов диагностики постоянно расширяет круг предотвращаемых отказов.
Для количественной оценки используют коэффициент характера отказов, который показывает соотношение предотвращаемых и непредотвращаемых отказов для конкретного типа аппаратуры. На его величину влияют конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы.
Статистика и основные причины отказов
Анализ показывает, что распределение причин отказов аппаратуры примерно следующее:
- 40–45% — ошибки, допущенные при конструировании.
- 20% — нарушения в процессе производства.
- 30% — неправильная эксплуатация.
- 5–10% — естественный износ и старение.
Причины отказов интегральных схем и электронных компонентов
Выход из строя современных электронных компонентов, особенно интегральных микросхем, может быть обусловлен множеством факторов, которые проявляются на разных этапах жизненного цикла.
Ключевые дестабилизирующие факторы:
1. Электрические перегрузки (повышенное напряжение, ток, мощность): приводят к разрушению p-n-переходов, областей металлизации, пробою диэлектриков, перегоранию проводников и обмоток.
2. Электростатические разряды (ЭСР): накопление статического заряда на выводах и его последующий разрывной разряд может вызвать мгновенный пробой тонких оксидных слоев, плавление металлизации, образование паразитных структур в КМОП-схемах, а также скрытые дефекты, снижающие надежность. Чувствительность компонентов к ЭСР варьируется в зависимости от технологии (от 150 В для КМОП до нескольких тысяч вольт для биполярных схем). Защита от ЭСР должна закладываться на этапах проектирования схем и печатных плат.
3. Электромагнитные помехи и тепловые удары: быстропеременные электромагнитные поля от внешних источников (оборудование, двигатели, разряды) могут наводить помехи в проводниках, приводя к сбоям. Проблема возникает при наличии источника помех, среды их передачи и чувствительного приемника. Борьба с помехами требует грамотной схемотехники, разводки плат, заземления и экранирования.
Таким образом, классификация и глубокий анализ отказов — это не просто теоретическое упражнение, а фундаментальный инструмент для повышения надежности РЭО и СА. Понимание видов, причин и механизмов отказов позволяет целенаправленно совершенствовать конструкции, технологии производства, методы эксплуатации и обслуживания, что в конечном итоге ведет к созданию более устойчивых и долговечных технических систем.
где 
- количество предотвращаемых и непредотвра-щаемых отказов в данном типе радиоаппаратуры.
