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Sovratensioni e Tasso di Guasto dei Dispositivi Elettronici

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INDICE

  1. Scopo
  2. Introduzione
  3. Riferimenti
  4. Criteri per il miglioramento dell'Affidabilità dei dispositivi e dei sistemi elettronici
  5. Previsioni di Affidabilità
  6. Effetto delle Sovratensioni sul Tasso di Guasto
  7. Conclusioni

1 - SCOPO

Questa nota informativa ha lo scopo di illustrare l’effetto delle sovratensioni sul tasso di guasto dei componenti e dei sistemi elettronici.

2 - INTRODUZIONE

L’affidabilità dei componenti elettronici e dei processi produttivi ha permesso in pochi anni di conseguire elevatissimi livelli di affidabilità per dispositivi e sistemi elettronici.

È diventato abbastanza comune per i componenti sia attivi che passivi parlare di processi 6s, cioè con tasso di guasto di 3,4ppm, se non migliori.

A fronte di questi miglioramenti tecnologici e produttivi, i dispositivi e i sistemi immessi sul mercato non sempre trovano riscontro in un altrettanto ridotto tasso di guasto.

Questo aspetto è particolarmente importante e delicato non solo per la continuità del servizio che in alcuni settori è vitale, quanto per l’attività di manutenzione ordinaria e straordinaria dei siti, per la gestione e l’allocazione logistica delle parti di scorta e più in generale per il controllo dello stato degli impianti.

Senza entrare nel merito dei criteri e modalità sulla progettazione robusta, verranno di seguiti presentati:

  • I parametri che migliorano l’affidabilità dei dispositivi e dei sistemi elettronici;
  • Le informazioni fornite dai metodi di previsione di affidabilità;
  • Come le sovratensioni transitorie vengono trattate nei modelli di previsione di affidabilità;
  • L’effetto delle sovratensioni sul tasso di guasto dei sistemi elettronici con qualche riferimento pratico.

3 - RIFERIMENTI

  1. MIL-HDBK-338 Electronic Realibility Design handbook
  2. MIL-STD-756 Realibility modeling and prediction
  3. MIL-HDBK-217 Realibility prediction of electonic equipment
  4. IRPH-2003 Prediction Handbook
  5. RELIABILITY DATA HANDBOOK: RDF 2000/IEC 62380– A universal model for reliability prediction of electronic components, PCBs and equipment
  6. Telcordia SR-332, Issue-1
  7. China 299B Prediction Handbook
  8. MIL-HDBK-1547 - Electronic parts, materials, and processes for space and launch vehicles
  9. EN61000-4-5 Electromagnetic compatibility (EMC) -- Part 4-5: Testing and measurement techniques - Surge immunity test
  10. EN61000-4-4 Electromagnetic compatibility (EMC) -- Part 4-4: Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst immunity test
  11. EN61643-11 Low-voltage surge protective devices -- Part 11: Surge protective devices connected to low-voltage power systems - Requirements and tests
  12. IEC 60634-4-44Electrical Installation of buildings; protection for safety; protection against overvoltage
  13. IEC 60634-4-443Electrical Installation of buildings; protection for safety; protection against overvoltage of atmosferic origin
  14. EN61663-1 Protezione delle strutture contro i fulmini – Linee di telecomunicazione; installazione in fibra ottica
  15. EN61663-2 Protezione delle strutture contro i fulmini – Linee di telecomunicazione; linee in conduttori metallici

4 - CRITERI PER IL MIGLIORAMENTO DELL’AFFIDABILITA DEI DISPOSITIVI E DEI SISTEMI ELETTRONICI

In generale, quattro sono le modalità per migliorare affidabilità e robustezza dei sottoassiemi e dei sistemi elettronici (1):

  1. Aumentare la robustezza intrinseca dei componenti e sottoassiemi. Ciò è conseguibile realizzando con un giusto compromesso fra costi, dimensioni, peso e disponendo di materiali/componenti più robusti;
  2. Ridurre lo stress medio delle sollecitazioni. Lo stress a cui possono essere sottoposti i sottoassiemi può essere ridotto senza compromettere apprezzabilmente le prestazioni;
  3. Contenere la variazione delle sollecitazioni. Il contenimento delle sollecitazioni è difficilmente controllabile. Il metodo più semplice è imporre limiti nell’impiego dei dispositivi/sistemi;
  4. Limitare la variazione nella robustezza dei componenti eliminando all’origine tramite test e/o screening i componenti/sottoassiemi più deboli.

Per il tipo di trattazione che stiamo svolgendo, concentreremo la presentazione sul secondo punto, esaminando gli effetti delle sovratensioni sulla vita utile di dispositivi e sistemi elettronici.

Di seguito sono riportate le distribuzioni di tenuta dei componenti e/o dei sistemi elettronici alle sovratensioni e quella delle sovratensioni transitorie a cui componenti possono essere sottoposti nel loro funzionamento dovuti a fenomeni EMC.

La zona di intersezione è la zona di inaffidabilità, cioè la condizione in cui la tenuta risulta inferiore alla sollecitazione e determina il guasto.

L’invecchiamento modifica nel tempo la curva di distribuzione della tenuta dei componenti rendendoli più deboli. Graficamente, l’invecchiamento sposta a sinistra la curva di distribuzione della tenuta alla sovratensione.

5 - PREVISIONI DI AFFIDABILITÀ

Le previsioni di affidabilità utilizzano dei metodi statistici per prevedere la possibile durata in servizio del dispositivo nelle condizioni di normale funzionamento. Vengono usate inoltre per stimare il dimensionamento e la dislocazione delle scorte in funzione della manutenibilità e della disponibilità richiesti nel servizio.

Per il calcolo sono disponibili dei modelli che sono funzione degli stress elettrici, di quelli termici, dell’ambiente di impiego, del processo produttivo e di controllo, della maturità del prodotto e competenza del personale di service.

Esempio: per la previsione di affidabilità con riferimento al MIL-HDBK-217 la previsione di affidabilità di un sistema elettronico di n-componenti viene calcolata con la formula:

Formula

LP è il tasso di guasto del componente che dipende dalle caratteristiche del componente e da fattori correttivi:
Temperatura (pT), Ambiente di funzionamento (pE), Qualità di processo produttivo (pQ), modalità di utilizzo(pA), rating di utilizzo(pR)
Nella familiare curva di previsione di affidabilità dei componenti e dispositivi elettronici, il parametro MTBF trova la sua collocazione nel periodo di Vita Utile del prodotto.

Questo calcolo di previsione non tiene espressamente conto delle sovratensioni transitorie causati da fenomeni EMC. Questa carenza è legata alla imprevedibilità, alla non continuità, alla modalità di accoppiamento di tali eventi che vanno oltre la possibilità dei costruttori di prevedere e prevenire tutte le possibili combinazioni.

Per proteggere i dispositivi si ricorre alle protezioni contro le sovratensioni distribuite a livello di impianto, sistema e sottoassieme al fine di proteggere gli apparati e i circuiti finali. Per una trattazione dettagliata delle protezioni contro le sovratensioni degli impianti elettrici e la suddivisione a zone, si rimanda a (14-15-16-17).

Durante il funzionamento normale le protezioni contro le sovratensioni non sono operative, lo diventano quando sono sollecitate da una sovratensione. Di norma vengono scelte e dimensionate sul livello di immunità a cui il dispositivo dovrà sottostare durante le prove di qualificazione più probabili per l’ambiente di impiego finale(9-10).

Requisito fondamentale delle protezioni è pertanto di confinare eventuali sovratensioni all’interno della distribuzione di stress tollerabili dai componenti. Nel tempo la protezione, soggetta a sollecitazioni, degrada esponendo sempre di più l’apparato alle sollecitazioni dell’ambiente esterno.

Al più tradizionale grafico della “bathtub” per la descrizione della previsione di affidabilità visto sopra, ne proponiamo uno con riferimento all’affaticamento del sistema elettronico in funzione dello stress per sovratensione.

L’endurance-limit rappresenta il limite ideale di sollecitazione che il sistema può tollerare in tutto il ciclo di vita tenuto conto dell’invecchiamento (legge di Arrhenius del degrado con la Temperatura , legge Halberg-Peck per l’ Umidità) in assenza di sovratensioni e di altri fenomeni imprevedibili (manomissioni, imperizia, eventi straordinari,..). L’effetto delle sovratensioni è di avvicinare nel tempo la condizione di guasto (Time-To-Failure).
Reliability Bathtub Curve

6 - EFFETTO DELLE SOVRATENSIONI SUL TASSO DI GUASTO

Micro-stress di breve durata possono pertanto incidere pesantemente sulla vita attesa dei componenti.

Micro-stress di breve durata possono pertanto incidere pesantemente sulla vita attesa dei componenti.

Quanto influisce il fenomeno delle sovratensioni sul tasso di guasto in campo dei dispositivi e sistemi elettronici?

Alcune considerazioni sono del tutto generali e vengono fornite direttamente dai costruttori dei componenti elettronici.
Il grado di affidabilità dei componenti allo stato solido è più che decuplicato negli ultimi 5 anni, ciò è legato sia ai processi costruttivi che a quelli tecnologici, senza considerare gli effetti di integrazione.
Il livello qualitativo dei componenti passivi è migliorato ma in maniera più contenuta.

Le aziende che operano nel settore dei passivi hanno dimensioni molto inferiori rispetto a quelle che operano nel settore dei componenti attivi.

L’elemento che ha permesso un drastico miglioramento nell’affidabilità dei dispositivi elettronici è l’utilizzo diffuso di tecnologie produttive SMD e ibride in ambienti più controllati, riducendo i rischi di ESD, di movimentazione manuale, e più in generale di contaminazione.

Nella formula sulla previsione di affidabilità vista prima, sono migliorati drammaticamente i coefficienti di processo.


Consideriamo ora come esempio, una comune scheda digitale a microprocessore in ambito industriale.

N. componenti elettronici: 395
Tecnologia: SMD+THT

Previsione di affidabilità:
METODO DI CALCOLO: TELCORDIA SR-332
MODELLO DI PREVISIONE: SERIALE
MODELLO DI CALCOLO: Parts Count
AMBIENTE: GB
TEMPERATURA: 25°C
DT: 5°C
MTBF: 398.569hrs
AFR(Annual Failure Rate):2,9%

Il tasso di guasto in campo è risultato più che doppio nonostante il funzionamento non continuativo della macchina, in questo caso un azionamento.

Dalla failure-analisys dei componenti risulta che la rottura per sovratensione occupa oltre metà dei guasti.

La verifica di progetto ha confermato che il de-rating sulle tensioni dei componenti è più che adeguato per l’applicazione, l’approvvigionamento dei componenti avviene da fornitori qualificati, il processo produttivo è attento alla movimentazione dei componenti per evitare rischi ESD durante le operazioni di picking, placing, soldering , testing e packaging, il servicing viene fatto da personale qualificato.

Fatte le dovute considerazioni, l’attenzione è stata rivolta alle protezioni installate sul front-end della rete di alimentazione di sistema dove sono stati utilizzati dei MOV con tensione nominale di 275Vac in configurazione simmetrica e asimmetria in modo da garantire la protezione sia di modo differenziale che comune.

Tre sono gli aspetti che limitano la capacità di protezione dei MOV, pur capaci di assorbire elevate energie:

  • La tensione di protezione a cui intervengono è troppo elevata per i dispositivi a valle;
  • Questi componenti perdono progressivamente, con le ripetute sollecitazioni, la capacità di protezione, cioè la tensione di protezione aumenta esponendo di più il sistema;
  • La tensione di protezione dei MOV non è monitorabile.

Abbassare il failure-rate agendo sull’MTBF di scheda cioè imponendo un derating più restrittivo, sarebbe costoso e soprattutto inutile.

Dalla formula seguente, si nota che il fattore accelerante il degrado AF, dipende oltre che dalla temperatura, dalla tensione a cui viene sottoposto secondo una legge esponenziale.

7 - CONCLUSIONI

Il sistema di protezione e diagnostica SDS, sfruttando un meccanismo innovativo, riesce a garantire un livello di protezione doppio rispetto agli SPD attualmente commercializzati e basati su tecnologia MOV, a parità di sollecitazione applicata. Dispongono inoltre di una indicazione sul livello di protezione, contrariamente ai SPD che monitorano esclusivamente una eventuale condizione di guasto o di run-way termico del dispositivo stesso.

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