Вплив теплової стiйкості електронних компонентiв на показники надійності радіоелектронної апаратури
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2024.98.38-45Ключові слова:
електронний, компонент, вплив, температура, надійність, розрахунок, програма, тепло, стійкість, середній, часАнотація
У статті основна увага приділяється впливу температури на надійність електронних компонентів, оскільки, в радіоелектронній апаратурі без резервування, відмова будь-якого компоненту зазвичай призводить до відмови всього пристрою вцілому. Розглянуто методи і підходи, що застосовуються для аналізу надійності електроніки, прогнозування термінів експлуатації, а також їх збільшення. Теплові впливи є одними із найбільш вагомих, що впливають на такі показники надійності електроніки, як імовірність безвідмовної роботи та час напрацювання до відмови. Проаналізовано послідовність врахування теплових факторів при виконанні розрахунків експлуатаційної інтенсивності відмов, середнього часу напрацювання на відмову та ймовірності безвідмовної роботи відповідно до рекомендацій Державних стандартів України. Основний акцент зроблено на розрахунок середнього часу напрацювання до відмови для різних груп резисторів, конденсаторів, інтегральних мікросхем та напівпровідникових компонентів. У роботі використано сучасні підходи до оцінки надійності, а саме, застосовано комбінацію фізики відмов та комп'ютерного моделювання. Визначено, що різниця у середньому часі напрацювання до відмови між найбільш та найменш стійкими до теплових впливів електронними компонентами радіоелектронної апаратури може бути дуже значною і з підвищенням температури тільки збільшується.
Посилання
References
Sun, B., Li, Y., Wang, Z., Li, Z., Xia, Q., Ren, Y. et al. (2020). Physics-of-failure and computer-aided simulation fusion approach with a software system for electronics reliability analysis. Eksploatacja i Niezawodnosc — Maintenance and Reliability, Vol. 22, Iss. 2, pp. 340–351. doi: 10.17531/ein.2020.2.17.
Chatterjee, K., Modarres, M., Bernstein, J. B., & Nicholls, D. (2013). Celebrating fifty years of physics of failure. 2013 Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), pp. 1-6. doi: 10.1109/RAMS.2013.6517624.
Farhadi, M., Abapour, M. & Sabahi, M. (2017). Failure analysis and reliability evaluation of modulation techniques for neutral point clamped inverters — A usage model approach. Engineering Failure Analysis, Vol. 71, pp. 90–104. doi: 10.1016/j.engfailanal.2016.06.010.
Kusyi, Y., Stupnytskyy, V., Onysko, O., Dragašius, E., Baskutis, S. & Chatys, R. (2022). Optimization synthesis of technological parameters during manufacturing of the parts. Eksploatacja i Niezawodnosc — Maintenance and Reliability, Vol. 24, Iss. 4, pp. 655–667. doi: 10.17531/ein.2022.4.6.
Olde Keizer, M. C. A., Flapper, S. D. P. & Teunter, R. H. (2017). Condition-based maintenance policies for systems with multiple dependent components: A review. European Journal of Operational Research, Vol. 261, Iss. 2, pp. 405–420. doi: 10.1016/j.ejor.2017.02.044.
Ran, Y., Zhou, X., Lin, P., Wen, Y., & Deng, R. (2019). A Survey of Predictive Maintenance: Systems, Purposes and Approaches. ArXiv, abs/1912.07383.
Lewis, E. E., Sahay, C. та Breneman, J. E. (2022). Introduction to Reliability Engineering, 3rd Edition. Wiley & Sons.
Ma, K., Wang, H. & Blaabjerg, F. (2016). New Approaches to Reliability Assessment: Using physics-of-failure for prediction and design in power electronics systems. IEEE Power Electronics Magazine, Vol. 3, Iss. 4, pp. 28–41. doi: 10.1109/mpel.2016.2615277.
Suhir, E. (2013). Could electronics reliability be predicted, quantified and assured? Microelectronics Reliability, Vol. 53, Iss. 7, pp. 925–936. doi: 10.1016/j.microrel.2013.03.011.
Mattila, T. T., Li, J. & Kivilahti, J. K. (2012). On the effects of temperature on the drop reliability of electronic component boards. Microelectronics Reliability, Vol. 52, Iss. 1, pp. 165–179. doi: 10.1016/j.microrel.2011.07.085.
Dwarakanath, S., Raj, P. M., Smet, V., Sundaram, V., Losego, M. D., & Tummala, R. (2018). High-Temperature And Moisture-Ageing Reliability of High-Density Power Packages For Electric Vehicles. 2018 IEEE 68th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp. 179-184. doi: 10.1109/ECTC.2018.00035.
Wang, L., Zhang, Q. & Xiao, Z. (2023). Low-temperature reliability enhancement of system-in-package with silicon-based resistors and its electrothermal analysis. Microelectronics Reliability, Vol. 145, 114999. doi: 10.1016/j.microrel.2023.114999.
Mouchou, S., Toual, Y., Azouaoui, A., Bouslykhane, K., Benzakour, N. & Hourmatallah, A. (2023). The effect of temperature on electronic, elastic and thermodynamic properties of Co2MnX (X=Si and Ge). Physica B: Condensed Matter, Vol. 655, 414751. doi: 10.1016/j.physb.2023.414751.
Hamadeh, L. & Al-Habaibeh, A. (2022). Towards reliable smart textiles: Investigating thermal characterisation of embedded electronics in E-Textiles using infrared thermography and mathematical modelling. Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 338, 113501. doi: 10.1016/j.sna.2022.113501.
Hajian-Hoseinabadi, H. (2013). Reliability and component importance analysis of substation automation systems. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Vol. 49, pp. 455–463. doi: 10.1016/j.ijepes.2010.06.012.
Autran, J. L. & Munteanu, D. (2021). Electronics reliability assessment of future power fusion machines: Neutron interaction analysis in bulk silicon. Microelectronics Reliability, Vol. 126, 114223. doi: 10.1016/j.microrel.2021.114223.
Shang, B., Ma, Y., Hu, R., Yuan, C., Hu, J. & Luo, X. (2017). Passive thermal management system for downhole electronics in harsh thermal environments. Applied Thermal Engineering, Vol. 118, pp. 593–599. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.01.118.
Cruz-Duarte, J. M., Garcia-Perez, A., Amaya-Contreras, I. M., Correa-Cely, C. R., Romero-Troncoso, R. J. & Avina-Cervantes, J. G. (2017). Design of Microelectronic Cooling Systems Using a Thermodynamic Optimization Strategy Based on Cuckoo Search. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Vol. 7, Iss. 11, pp. 1804–1812. doi: 10.1109/tcpmt.2017.2706305.
Abo-Zahhad, E. M., Amine Hachicha, A., Said, Z., Ghenai, C. & Ookawara, S. (2022). Thermal management system for high, dense, and compact power electronics. Energy Conversion and Management, Vol. 268, 115975. doi: 10.1016/j.enconman.2022.115975.
Zaykov, V. P., Mescheryakov, V. I. & Zhuravlov, Y. I. (2022). Control of complex thermoelectric cooling units with mixed electrical connection in a uniform temperature field. Applied Aspects of Information Technology, Vol. 5, Iss. 4, pp. 315–330. doi: 10.15276/aait.05.2022.21.
Ellison, G. N. (2020). Thermal Computations for Electronics. Second edition. Taylor & Francis Group, 404 p. doi: 10.1201/9781003029328.
Sule, E. P., Saturday, A., Peter, E. A., Irabodemeh, J. M., & Friday, I. (2016). Investigation and Optimization of Heat Removal from a Micro-Processor Using Solid Works 2013 and Ansys Workbench. Scholars Journal of Engineering and Technology, Vol. 4, Iss. 09, pp. 418-429. doi: 10.21276/sjet.2016.4.9.6.
Kishor, Y. & Patel, R. N. (2022). Thermal Modeling and Reliability Analysis of Recently Introduced High Gain Converters for PV Application. Cleaner Energy Systems, Vol. 3, 100016. doi: 10.1016/j.cles.2022.100016.
Wu, R., Wang, H., Ma, K., Ghimire, P., Iannuzzo, F. & Blaabjerg, F. (2014). A temperature-dependent thermal model of IGBT modules suitable for circuit-level simulations. 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp. 2901-2908. doi: 10.1109/ecce.2014.6953793.
Wu, R., Wang, H., Pedersen, K. B., Ma, K., Ghimire, P., Iannuzzo, F. & Blaabjerg, F. (2016). A Temperature-Dependent Thermal Model of IGBT Modules Suitable for Circuit-Level Simulations. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 52, Iss. 4, pp. 3306–3314. doi: 10.1109/tia.2016.2540614.
Peyghami, S., Wang, Z. & Blaabjerg, F. (2020). A Guideline for Reliability Prediction in Power Electronic Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 35, Iss. 10, pp. 10958–10968. doi: 10.1109/tpel.2020.2981933.
Thaduri, A. (2013). Physics-of-failure based performance modeling of critical electronic components. Doctoral thesis. Luleå tekniska universitet, Drift, underhåll och akustik.
Song, Y. & Wang, B. (2013). Survey on Reliability of Power Electronic Systems. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, Iss. 1, pp. 591–604. doi: 10.1109/tpel.2012.2192503.
Goel, A. & Graves, R. J. (2006). Electronic System Reliability: Collating Prediction Models. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, Vol. 6, Iss. 2, pp. 258–265. doi: 10.1109/tdmr.2006.876570.
Thurlbeck, A. P. & Cao, Y. (2022). A Mission Profile-Based Reliability Modeling Framework for Fault-Tolerant Electric Propulsion. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 58, Iss. 2, pp. 2312–2323. doi: 10.1109/tia.2022.3144620.
Soltanali, H., Rohani, A., Abbaspour-Fard, M. H. & Farinha, J. T. (2021). A comparative study of statistical and soft computing techniques for reliability prediction of automotive manufacturing. Applied Soft Computing, Vol. 98, 106738. doi: 10.1016/j.asoc.2020.106738.
Cruz-Duarte, J. M., Amaya, I., Ortíz-Bayliss, J. C. & Correa, R. (2021). Solving microelectronic thermal management problems using a generalized spiral optimization algorithm. Applied Intelligence, Vol. 51, Iss. 8, pp. 5622–5643. doi: 10.1007/s10489-020-02164-7.
Dammak, K. & El Hami, A. (2021). Thermal reliability-based design optimization using Kriging model of PCM based pin fin heat sink. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 166, 120745. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120745.
Gleichauf, J., Maniar, Y., Ratchev, R., Spring, S. & Wiese, S. (2020). Optimization of thermal load distribution in accelerated temperature cycling tests for solder joint lifetime qualification tests. 2020 21st International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE). doi: 10.1109/eurosime48426.2020.9152198.
Nikitchuk, A. V. & Uvarov, B. M. (2016). Optimization of Arrangement Heat-Producing Functional Units and Radio Elements on the Printed Circuit Board. Electronics and Control Systems, Vol. 1, Iss. 47, pp. 54-59. doi: 10.18372/1990-5548.47.10283.
Derzhstandart Ukrainy, (1994). Nadiinist tekhniky. Metody rozrakhunku pokaznykiv nadiinosti. Zahalni vymohy DSTU 2862-94. Kyiv.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Артем Нікітчук
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
