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21/10/99 - 1 CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - LES NOUVEAUX MODÈLES DE FIABILITÉ DES COMPOSANTS.

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1 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - LES NOUVEAUX MODÈLES DE FIABILITÉ DES COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES

2 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Sommaire Travaux de recalage - définitions - diagramme serie/parallele - courbe niveau satelite et composant (courbe en baignoire) - allocation niveau satellite - tenue des exigence niveau composant - amélioration de la fiabilité systeme et composant - balayage des méthodes employées - modèles classiques (MIL HDBK 217) - modèles nouveaux (RDF 99, RAC, IEC 1709) - modèles associés aux types de composants - exemple - limitation des recueils - recalage par le retour d'expérience - recalage par translation - recalage par les essais - recalage par la physique des défaillances Notions de fiabilité Allocation de fiabilité niveau satellite et composant Détermination du taux de panne Modèles prévisionnels Conclusions- conclusion et perspectives - références outils et recueils

3 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Quelques notions de fiabilité FIABILITE : Aptitude d ’une entité « S » à accomplir une fonction requise dans des conditions données pendant un intervalle de temps donné (définition CEI 50(191), Déc. 1990) R(t) = Prob (S non défaillant sur [0,t]) Si T est une variable aléatoire mesurant la durée de bon fonctionnement, alors R(t) = Prob (T>t) = 1 - Prob (T  t) Notions de fiabilité

4 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - TAUX DE DÉFAILLANCE : Probabilité que S tombe en panne entre t et t+dt (avec dt  0), sachant qu ’il fonctionnait à t (t) = lim Prob (S en panne sur [t,t+dt] / S non défaillant sur [0,t]) dt  0 Quelques notions de fiabilité Notions de fiabilité

5 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - MTTF = Moyenne des durées avant défaillance MTBF = Moyenne des durées entre 2 défaillances MUT = Moyenne des durées de bon fonctionnement MDT = Moyenne des durées d ’indisponibilité MTTR = Moyenne des durées de réparation (MTTR < MDT) MTTF MDT MUT MTBF tt=0 S OK S en marche S en panne MDT Les définitions associées : Notions de fiabilité

6 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Jeunesse Vie utile Usure Période de défaillance précoce (fautes de conception, de production, etc...) Période de défaillance à taux constant (fautes occasionnelles) Période de défaillance d'usure (détérioration, corrosion, etc...) Courbe en baignoire du (t) Fiabilité R(t) Notions de fiabilité

7 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Cas particulier ou  (t) = constante (t) = Nombre de pannes / Nombre d ’heures composants R(t) = exp(- t) La fiabilité est modélisée pour la partie constante de la courbe en baignoire F(t) = 1 - exp(- t) Fiabilité Panne MTTF = 1/ Par extension, si S est non réparable, MTTF = MTBF MTBF en heures (le MTBF est la durée au bout de laquelle le composant à une probabilité de 0,63 de tomber en panne) Heures composants = Nb composants suivis x T observation en panne/heure ou FIT (panne/10 -9 heures) Composants électroniques Notions de fiabilité

8 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Ordre de grandeur couramment observé dans le spatial composant hybride équipement R satellite R plate forme 40% connectique 60% circuits actifs/passifs 0,1 à 100 FIT 100 à 1000 FIT 1000 à 5000 FIT 0,6 à 5 ans 0,85 à 3 ans R lanceur 0,95 à t=0 = = = = = = Notions de fiabilité

9 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants = P(S OK) = P(1 OK et 2 OK et 3 OK) R(t) = R1(t) x R2(t) x R3(t) R(t) = exp(- 1 t) x exp(- 2 t) x exp(- 3 t) Diagramme série Notions de fiabilité

10 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants P(S OK) = P(1 OK et 2 OK et 3 OK) F(t) = F1(t) x F2(t) x F3(t) F(t) = [1 - exp(- 1 t)] x [1 - exp(- 2 t)] x [1 - exp (- 3 t)] Diagramme parallèle Notions de fiabilité

11 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Allocation de fiabilité (niveau satellite) Satellite R(t) = 0,64 Plate forme R 1 (t) = 0,8 Charge Utile R 2 (t) = 0,8 GS 0,99 SCAO 0,85 Ges. Bord 0,95 Inst 0,89 Trait bord 0,89 R(t) = R 1 x R 2 R 1 = R 11 x R 12 x R 13 R 2 = R 21 x R 22 Equipement Combinaison série/parallèle Equipement Combinaison série Allocation de fiabilité...

12 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Tenue des exigences niveau composant : le Définir un objectif de fiabilité Analyser le profil mission Analyser et identifier les modes de pannes influencés par le profil mission Calcul de fiabilité prévisionnelle niveau composant Objectif tenu? données fiabilité Plan complémentaire d ’essais de fiabilité Spécifications retour exploitation avis d ’experts mesures in-situ Données fournisseur retour exploitation recueils fiabilité essais qualité/fiabilité Baisse de l ’objectif ou du profil mission Non OK OK Non OK Allocation de fiabilité...

13 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Amélioration de la fiabilité du système - on augmente le nombre de redondances au niveau équipement - on diminue le  composant - on conçoit des modes de mission dégradés au niveau système Redondance d ’équipement chaud ou froid Revient à utiliser les diagrammes parallèles Plus forte intégration de composants par équipement Amélioration de la fabrication des composants Conception avec marges Allocation de fiabilité...

14 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Amélioration du (t) composant Amélioration du  bonne conception Augmentation de la durée de vie : population homogène Diminution des défauts de jeunesse : amélioration procédés t (t) Pannes intrinsèques Pannes extrinsèques Allocation de fiabilité...

15 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Détermination du (t) composant Entrées nécessaires : - retour d ’exploitation ou d ’expérience - profil mission - modes de panne et leur modélisation - essais de qualité/fiabilité - avis d ’expert Détermination du taux de panne

16 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Modèles prévisionnels du (t) - Empirique - translation - physique des défaillances - exploitation des résultats d ’essais - retour d ’expérience Détermination du taux de panne

17 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Modèles classiques empiriques = 0  t  e  q  a 0 taux de défaillance de référence  t facteur de température  e facteur d’environnement  q facteur de qualité  a facteur d’apprentissage MIL HDBK 217 F DOD, HDR5 British Telecom, RDF 93 CNET recueils propriétaires (SN29000 Siemens, SRDF d'EDF, US TR-332 Bellcore) - emploi simple - comparaison possibles - reflet des taux de défaillances réels - mise à jour difficile - pondération entre défaillances intrinsèques et extrinsèques Modèles prévisionnels

18 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Nouveaux modèles empiriques : le modèle européen IEC 1709 = ref  t  u  i ref taux de défaillance de référence  t facteur de température  u facteur de tension  i facteur de courant - facteurs d ’influence simple - utilisation couplée avec un autre source pour le ref - effort d ’harmonisation au niveau européen - toutes les lois d ’accélération sont identiques - pas de prise en compte des EOS et de l ’humidité - quels ref à utiliser pour le spatial ? Modèles prévisionnels

19 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - = puce + boitier puce = [ 1 N  g1 + 2  g2 ]  t + eos boitier = pack  m  h Nouveaux modèles empiriques : le modèle RDF 99 UTE modèle le plus à jour pour les COTS - environnements sévères pris en compte (extrinsèque) - modélise la fatigue thermique (phases ON/OFF) - disparition des  q (best commercial practice) - humidité non modélisée - RDF non reconnu à l ’export - Maintenance du recueil non assuré Rem : modèle similaire pour les passifs Modèles prévisionnels

20 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Nouveaux modèles empiriques : le modèle RDF 99 UTE Détail du modèle = [ 1 N  g1 + 2  g2 ]  t + eos + pack  m Recalage selon retour d ’exploitation Maturité technologie : exp(-at) t0 : 1998 Recalage sur essais fabricants Modélisation de la fatigue thermique : modèle d ’Engelmaier dilatation différentielle entre boîtier et puce Retour d ’expérience et audit fabricant Prise en compte des composants en interface Croissance de fiabilité pendant la période : exp(-bt) Modèles prévisionnels

21 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - = puce + environnement + temperature =  type [ bo  t  dc  lt + be  rth  hast + bct  tc  cr  tct ]  g Nouveaux modèles empiriques : le modèle du RAC (97) - prise en compte des essais de fiabilité - modèle américain du RAC (initiateur de la MIL 217) - pas de modèle équivalent pour les passifs - pas de prise en compte des EOS - non officiel Modèles prévisionnels

22 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Quel modèle pour quel type de composant ? La fiabilité prévisionnelle agit sur : - le choix d ’architecture - le choix d ’une politique de maintenance - le management thermique Le choix d ’un recueil de fiabilité doit répondre : - à la simplicité d ’utilisation - au reflet des taux de défaillance rencontrés - à sa reconnaissance par tous les acteurs Le secteur spatial français (Multipartenariat) a opté pour : - la MIL HDBK 217 pour les composants Hi-Rel - le RDF 99 (UTE 80810) pour les composants commerciaux Modèles prévisionnels

23 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Fiabilité et composant commercial En fiabilité, on appelle COTS ou composant commercial, tout composant qui ne répond pas à une norme de qualité au niveau approvisionnement tel que les normes américaines MIL, JAN, ou européennes comme le SCC B/C L ’utilisation du RDF99 implique que le composant suit une filière d ’approvisionnement du type Best Commercial Practice Modèles prévisionnels

24 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - - CI COTS = 40 x HI-REL Besoin de 2 recueils : - Discrets COTS = 11,4 x HI-REL - Capa/Résistance.... COTS = 330~1000 x HI-REL Les différences sont dues essentiellement au facteur de qualité  q La MIL HDBK 217 n ’est pas adaptée pour modéliser les taux de défaillance des composants commerciaux comparaison des taux de panne avec la MIL HDBK 217 La MIL 217 n ’est plus maintenue ( F : dernière version en date) Modèles prévisionnels

25 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Exemple 1 : comparaison de recueils pour une carte processeur Exemple 2 : comparaison de recueils par famille composant Carte module de gestion de siège d'avion Boeing 777 (source Aérospatiale) Modèles prévisionnels

26 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Exemple 3 : comparaison fiabilité satellite Hi-Rel/COTS Satellite d'observation de la terre 4 bandes spectrales (1 panchro + 3 Xs) Cas n° 1 : configuration nominale (Panchro et XS necessaire) cas n° 2 : configuration dégradée (Panchro necessaire; utilisation de certains circuits du XS comme redondance pour le panchro) Charge UtilePlate-forme PanchroXSReste Charge UtilePlate-forme Panchro XS Reste Résultats Fiabilité à 3 ans (MIL HDBK217F) Rapport moyen 2,5 entre taux panne composants haute fiabilité et commerciaux Modèles prévisionnels

27 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Limitation des 2 recueils adoptés - Variabilité de fabricant non représentée - Recueils souvent plus pénalisant que la réalité (remise à jour régulière nécessaire) - Doit être reconnu à l'export - Maintenance non assuré - Modèle de l ’humidité non pris en compte MIL HDBK 217RDF 99 - Ne prend en compte que l ’intrinsèque - Révision des modèles d ’accélération utilisés - Ne s ’applique pas aux COTS - Remise à jour stoppée Recalage des recueils Modèles prévisionnels

28 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Recalage des modèles prévisionnels MIL HDBK 217 et RDF - recalage à partir de données de terrain - facteur de recalage simple mono-application et/ou mono-environnement - prise en compte de l ’extrinsèque - constat : 2 <  correction < 10 - recalage à partir des essais de fiabilité - recalage sur avis d ’expert - plus empirique (bien qu ’il apparaît un début de formalisation) - le plus souvent, redéfinition des classes de qualité selon critère d ’appro - utilisé ponctuellement si doute sur un composant - représentativité de l ’environnement difficile Modèles prévisionnels

29 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Translation : facteurs d'extrapolation (  e,  t, etc...) à partir de résultats de fiabilité dans un environnement de départ vers un environnement d ’arrivé (outil SELECT du RAC) Essais de fiabilité : insertion dans les modèles empiriques existants des essais de fiabilité fabricants (travaux de l ’EIA G-12) Physique des défaillances : modélisation de la durée de vie des composant par des lois physiques qui décrivent les mécanismes de défaillances (travaux du CALCE) Retour terrain : de fait pour maintenir un recueil Recalage des modèles prévisionnels Travaux de recalage

30 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Translation Travaux de recalage : modèle général

31 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Translation - supporté par un outil informatique (outil SELECT du RAC) - valable uniquement que pour les équipements COTS - peu de références encore répertoriées Travaux de recalage : facteur  e

32 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Retour d ’expérience Les heures de fonctionnement sont comptabilisées et on recense le nombre de défauts constatés - Traitements statistiques : estimateurs de R(t), (t), vérification d ’une loi (exp, weibull, etc.) - Recherche de modes de panne - Recalage des modèles prévisionnels Travaux de recalage

33 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Hyp : Bipolaire et logique standard Taux de panne pour le test 55°C/50%HR Répartition des défauts (source ???) Défauts d'assemblage composants52% Défauts induits lors de l'assemblage cartes24% Défauts d'origine non absolument certaine19% Défauts intrinsèques à la technologie plastique 5% Quelques illustrations du retour d ’expérience fiabilité constatée chez les fabricants Travaux de recalage

34 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Répartition des pannes chez les utilisateurs Quelques illustrations du retour d ’expérience Travaux de recalage

35 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Comparaison fiabilité prévisionnelle / fiabilité opérationnelle Quelques illustrations du retour d ’expérience Travaux de recalage

36 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Essais de fiabilité - séquence d'endurance (Life test) - séquence de chaleur humide avec/sans polarisation (HTOL, THB, HAST, PCT) - variation de température (cycles thermiques) - simulation du brasage des CMS - simulation du stockage modèles d'accélération On accélère le temps d ’apparition d ’un mode de panne en accélérant la contrainte qui le déclenche (U, I, T°, RH) Travaux de recalage

37 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Essais de fiabilité Echantillon sous test test Traitement statistiques: Test du Khi-2, de Student lois de Weibull, Exp, Log-Normale prévisionnel = test x AF Facteurs d ’accélération Arrhénius (T°), Peck (RH), Coffin-Manson (cycles T°) AF est souvent donné sous forme d ’abaques : traitement Travaux de recalage

38 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Essais de fiabilité: Exemple de modes de pannes Travaux de recalage

39 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Essais de fiabilité: Exemple de facteurs d ’accélération Travaux de recalage

40 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Essais de fiabilité: Facteur d ’accélération d ’Arrhénius Travaux de recalage

41 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Essais de fiabilité: Bilan Travaux de recalage - Les facteurs d ’accélération se retrouvent souvent dans les recueils de fiabilité sous forme de  t,  s - Le terme «Ea» est une source d ’incertitude majeure dans les calculs - Le fiabiliste ne maîtrise pas ces modèles d ’accélération - Les tests ne sont pas assez sévères pour le traitement statistique (peu de défaillances observées, l ’idéal serait 63% de défauts pour trouver le MTBF moyen) - L ’IEA G-12 propose de n ’exploiter que l ’essai « life test » - Le CNES propose le « life test » et « cycles thermiques » pour modéliser la vie orbitale en complément du modèle prévisionnel

42 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Physique des défaillances modèles analytiques Le mécanisme de défaillance est modélisé par une loi physique analytique. On cherche un temps avant la 1ère défaillance - estimation de la durée de vie d ’un composant - estimation des facteurs d ’accélération (AF) - lourd a mettre en œuvre sur toutes les familles de composants - le fiabiliste maîtrise de loin l ’ensemble des paramètres (ex: Ea, coefficients matériaux, etc.) - introduction dans le RDF 99 (modèle d ’Engelmaier) - supporté par l ’outil CALCE (CADMP II) Travaux de recalage

43 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Physique des défaillances : Loi d ’Arrhenius et ses dérivées Modélisation physique des pannes Loi de Coffin-Manson et ses dérivées - diffusion, électromigration, corrosion, etc.… - fissuration, déformation, rupture Ln(Nf)  0  sin  Courbe de Wohler Rupture avant cycles Endurance limitée Endurance illimitée > 100 Mcycles 00 dd Travaux de recalage Zone de déformation élastique Zone de déformation plastique

44 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Physique des défaillances :Modèle d ’Engelmaier Modélisation de la fatigue des joints de soudures pour boîtiers montés en surface Modèle de référence pour le calcul du  m du RDF Travaux de recalage

45 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Conclusions et perspectives - Le secteur spatial a subi une révolution dans le domaine du calcul de fiabilité avec l ’implantation des COTS - La MIL HDBK217 doit maintenant s ’utiliser conjointement avec le modèle RDF 99 - Les modèles de fiabilité doivent s ’adapter aux nouveaux composants et être remis à jour régulièrement par les méthodes de recalage citées (Rex, Translation, Essais, PoF) - La modélisation des pannes extrinsèques devient une priorité dans l ’affinage des modèles (future étude R&T) - Les « essais aggravés » peuvent peut-être conduire à modéliser un taux de panne équipement (veille techno en cours) Conclusions

46 21/10/ CCT Composants : Nouveaux modèles de fiabilité des composants électroniques CCT Composants - Quelques références OUTILS INFORMATIQUES - MIL STRESS d'Item Software - RELEX de Relex Software Corporation - FIABEX de CEP système - CARE Distribué par Ligeron - SELECT du RAC - CADMP II du CALCE - SUPERCAB+ de Microcab RECUEILS DE DONNEES ET MODELES DE FIABILITE - EPRD et le NPRD 95 du RAC - LAMBDATHEQUE du STPA-SOPEMEA GIFAS - RDF 99 (UTE 80810) du CNET - MIL HBDK 217 du DOD - IEC 1709 Conclusions


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