Zuverlässigkeitsvorhersage für elektronische Komponenten unter mechanischer Belastung

Fachstudie von Daniel Glose

Einleitung:

Elektronische Geräte sind in unserem Leben allgegenwärtig. Dass diese Systeme eine Erleichterung darstellen, fällt besonders dann auf, wenn sie nicht mehr funktionieren. Meist ist solch ein Ausfall aber nicht dem gesamten Gerät zuzuschreiben, sondern er beschränkt sich auf ein Element, welches seine Funktion nicht mehr erfüllt; sei es ein durchgeschlagener Kondensator oder eine Bus-Verbindung, die keine elektrische Leitfähigkeit mehr besitzt. Die Ursachen für solche Ausfälle sind vielseitig: Mangelnde Qualitätskontrollen bei der Fertigung, Fehlbedienung durch den Benutzer, Überbelastung, hohe Luftfeuchte oder mechanische Belastung können die Lebensdauer einer Komponente beeinflussen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Zuverlässigkeitsvorhersage elektronischer Komponenten. Es sollen Verfahren vorgestellt werden, die beanspruchen, eine Vielzahl von möglichen Umweltbedingungen und deren Einfluss auf die Komponenten- und Systemzuverlässigkeit zu quantifizieren. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Berücksichtigung mechanischer Belastungen, die z.B. beim Start einer Rakete auftreten.

Als wichtige Grundlage gehen Zuverlässigkeitsvorhersagen in die in Kapitel 2 beschriebenen technischen Risikoanalysen ein, die Gefährdungen und Risiken minimieren sollen. Hier dienen Ausfallwahrscheinlichkeiten zur Quantifizierung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Hardware.

Die mathematische Definition der in Kapitel 2 erwähnten Ausfallwahrscheinlichkeit und der Ausfallrate wird neben anderen, für das Verständnis notwendigen Grundlagen, in Kapitel 3 erläutert. Dazu werden für die Beschreibung der Ausfallrate typische Verteilungen aufgezeigt.

In Kapitel 4 wird die Exponentialverteilung, eine in Kapitel 3 vorgestellte Verteilung, als vereinfachende Modellannahme eingeführt. Sie wird von allen Standards zur Beschreibung der Ausfallrate angenommen. Zudem soll geklärt werden, wie die Ausfallrate und diverse Einflussfaktoren aus einer Sammlung von Feld- oder Testdaten gewonnen werden können.

Die in Kapitel 3 und Kapitel 4 beschriebenen Grundlagen sind nötig, um die in Kapitel 5 beschriebenen klassischen Standards deuten und interpretieren zu können. Hier sollen multiplikative Standards wie MIL-HDBK-217, SAE (PREL), Telcordia (SR-332), CNET (RDF2000), BT (HRD5) und Italtel (IRPH) vorgestellt und deren Aufbau detailliert dargelegt werden. Insbesondere wird beschrieben, wie mechanische Belastung in multiplikativen Standards und diskreten Faktoren berücksichtigt wird.

Kapitel 6 beschreibt drei moderne Standards, namentlich PRISM, 217PLUS und FIDES. Sie unterscheiden sich vor allem durch den additiven Aufbau gegenüber den in Kapitel 5 dargestellten multiplikativen Standards. Bei den Standards PRISM, 217PLUS und FIDES wird mechanische Belastung in Form stetiger Funktionen modelliert. Diese Funktionen werden aus den Modellen extrahiert und diskutiert.

In Kapitel 7 werden die in Kapitel 5 und Kapitel 6 beschriebenen klassischen und modernen Standards miteinander verglichen. Dazu dienen Fachartikel und ein exemplarischer Vergleich eines Keramikkondensators, der unter verschiedenen mechanischen Einflüssen steht.

Abgerundet wird die Arbeit durch Kapitel 8 mit einer Zusammenfassung der Arbeit und einem Ausblick auf zukünftige mögliche Arbeiten.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4.5, Anwendungsgebiete der Standards:

Die in Kapitel 5 und 6 beschriebenen Handbücher bieten dem Nutzer eine allgemein gültige Basis zur Vorhersage der Zuverlässigkeit von Komponenten. Die Modelle stützen sich meist auf empirische Untersuchungen, was bei der Interpretation der Ergebnisse zu berücksichtigen ist. So geben die Modelle lediglich Mittelwerte oder interpolierte Werte statistischer Auswertungen wieder. Typische Methoden wurden im Abschnitt 4.2.3 dargestellt. Dies hat zur Folge, dass die Menge der gemessenen Einflussgrößen das Einsatzspektrum des Modells bestimmen. So ist es nach (MIL-217) z.B. nicht möglich eine Aussage über die Zuverlässigkeit unter nuklearer Belastung zu treffen, da dieser Einflussfaktor im MIL-HDBK-217 Standard nicht berücksichtigt wurde. Des Weiteren wird betont, dass der Unterschied zwischen vorhergesagter und erreichter Zuverlässigkeit erheblich sein kann und hauptsächlich von der Höhe der Umwelteinflüsse abhängt. So sind die vorhergesagten Zuverlässigkeitswerte für sich am Boden befindliche Bauteile aussagekräftiger als für Komponenten, die im Bereich Luftfahrt eingesetzt werden. Dies ist mit der Tatsache zu begründen, dass die Umweltbelastungen am Boden homogener sind, als in Flugzeugen. Weitere Gründe für die Streuung der Messungen und damit Unsicherheiten müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Unterschiedliche Belastungscharakteristika, Fehlbedienungen, andere Messtechniken, Fehler bei der Instandhaltung, nicht reproduzierbare Fehler, Softwarefehler (die eine Überbelastung der Komponenten verursachen) und Unterschiede bei der Fehlerdefinition sind einige Möglichkeiten, die die Aussagekraft von Handbüchern einschränken kann und in den Auswertungen nicht berücksichtigt wird. Daher sollte vermieden werden, die errechneten Ergebnisse als zu erwartende Feldausfallraten heranzuziehen.

Eine konstante Ausfallrate für nicht in Betrieb befindliche Komponenten kann zwar ermittelt werden, indem die Stress-bedingten Anpassungsfaktoren wegfallen (bzw. gleich eins gesetzt werden). Allerdings wurden in den Regressionsberechnungen ausschließlich in Betrieb befindliche Komponenten berücksichtigt. Bei der Ermittlung der Ausfallrate nicht operierender Komponenten mittels Handbücher handelt es sich demnach um eine Extrapolation der Felddaten, also einen Schätzwert außerhalb des geprüften Rahmens. In vielen Standards wird aber von einer Extrapolationen der Ausfallraten über- bzw. unterhalb der tabellarischen Werte, z.B. Temperatur unterhalb der Null-Grad Grenze, abgeraten.

Multiplikative Modelle:

Nach dem zweiten Weltkrieg wurde eine Vielzahl von Standards entwickelt, in denen die Zuverlässigkeit von Systemen durch stochastische Modelle beschrieben wird. Das Ziel der anfänglich einfachen und wenige Faktoren umfassenden Modelle war es, die Zuverlässigkeit von sicherheitskritischen Systemen, ausgedrückt als Ausfallrate, vergleichbar zu machen.

In diesem Kapitel werden Standards vorgestellt, die auf multiplikativen Modellen basieren, ähnlich wie in Gleichung (4.1) dargestellt. Dabei soll insbesondere aufgezeigt werden, wie diese Standards aufgebaut sind und wie sie mechanische Belastung, in Form von Vibrations- oder Stoßbelastung, berücksichtigen.

In Abschnitt 5.1 wird zunächst der auch zivil am weitesten verbreitete, militärische Standard MIL-HDBK-217 Ausgabe F vorgestellt. Dieser Standard ist auch bekannt unter dem Namen ‚MIL-Handbuch’ und gilt als Vorreiter aller anderen Standards zur Zuverlässigkeitsvorhersage elektronischer Komponenten.

Einen eher unbedeutenden Anteil hingegen spielt der Standard SAE (PREL) vom amerikanischen Verband der Automobilingenieure (Society of Automotive Engineers, SAE). Er ist dem MIL-HDBK-217 Standard sehr ähnlich und soll in Abschnitt 5.2 erklärt werden.

Ein besonderes Interesse an Zuverlässigkeitsvorhersagen haben Telekommunikationsunternehmen, wie beispielsweise die amerikanische Firma Telcordia. Unter dem Namen ‚SR-332’ entstand ein Standard, der dem Aufbau von MIL-HDBK-217 zwar sehr ähnlich ist, aber dennoch wesentlich spezieller auf die branchenspezifischen Bedürfnisse angepasst ist.

In Abschnitt 5.4 wird auf den Standard RDF2000 eingegangen, der auch firmenintern unter dem Namen UTE C80-810 bekannt ist. Er wurde als IEC-Norm (IEC 62380) übernommen. Entwickelt wurde dieser Standard vom französischen Unternehmen CNET (Centre National d‘ Etudes des Télécommunications, heute: France Télécom) und ist in seinem Aufbau wesentlich komplexer als die anderen, in diesem Kapitel aufgezeigten Standards.

Im darauffolgenden Abschnitt 5.5 wird auf die beiden Standards HRD5 und IRPH der Unternehmen British Telecom und Italtel eingegangen. Zwar sind dies zwei unterschiedliche Standards zur Zuverlässigkeitsvorhersage, da sie aber beide von europäischen Firmen aus der Telekommunikationsindustrie stammen und die Datengrundlage der Modelle die selbe ist, werden sie in einem Abschnitt zusammengefasst und beschrieben.

In Abschnitt 5.6 wird auf die Standards SN-29500, ein Siemens-interner Standard, sowie GJB/Z 299B, ein Standard des chinesischen Militärs eingegangen. Da sie aber beide für die Öffentlichkeit nur schwer oder gar nicht zugänglich sind, ist ihre Verbreitung nicht sehr groß und sie sollen in dieser Arbeit nur erwähnt werden.