Affidabilita’ e metodologie di qualifica dei sistemi elettronici in ambienti ostili Giancarlo Barbarino Dipartimento di Scienze Fisiche Universita’ di Napoli Federico II & Istitutito Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Napoli

Analisi affidabilistiche e qualifiche Per sistemi e componenti elettronici Disciplina importante in ambito: Scientifico La complessita’ degli esperimenti impone elevati standard di affidabilita’ Industriale Miglioramento e competivita’ dei prodotti anche di elevata complessita’ tecnologica

Esigenze ed Esperienze scaturite in esperimenti condotti dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Specificita’ di tipici ambienti di misura Fisica agli acceleratori di particelle: quantita’ e durata dei sistemi, accessibilita’, danno da radiazioni. Fisica delle astroparticelle: ricerca in ambienti spaziali e sottomarini, quantita’ e durata dei sistemi, sollecitazioni meccaniche, inaccessibilita’ e danno da radiazioni.

protocolli & specifiche Operare in ambienti ostili Grande affidabilità nel tempo Impossibilità di intervento Resistenza alle radiazioni ionizzanti Sviluppati protocolli & specifiche

Probabilita` di guasto di un sistema o componente elettronico Tasso di guasto progetto Bathtube curve produzione Vita di un sistema o componente-bathtub curve-difetti di produzione-10/100 ore-(screening)-poi guasti csuali-MTTF-usura dispositivi t Guasti infantili 10-100 ore Guasti da usura Guasti casuali

(test di invecchiamento/ Due tipologie di test Test sui Prototipi (test di invecchiamento/ vita media) Metodologie ALT accelerated life test Test in produzione (test di qualifica) Verifica dei componenti verifica del progetto Fattori di stress nella vita del sistema-accelerare i meccanismi di guasto- e quindi simulazione dlla vita del dispositivo-ESS Telecamera IR Camera climatica shaker

I-Test di affidabilità in fase di progetto & sviluppo Test sui prototipi Obiettivo: Verifica del progetto vita media Fornisce informazioni sulla qualita’ della progettazione: -elementi vitali -circuiti di alimentazione Verifica-simulazione della vita di un dispositivo-affidabilita’ e screening Stima del tempo di vita medio Del dispositivo/componente elettronico

I-Test sui Prototipi: Scansione IR-mappa termica Controllo degli Hot-spot Controllo sul piazzamento dei componenti Controllo sui connettori Analisi non distruttiva: complementa informazioni Anche dopo test di vita accelerati

I-Test d’invecchiamento l (t) t Modello di accelerazione di vita di Arrhenius Stima vita media Mean Time To Failure (MTTF) MTTF=AeEa/KT 8 h ≈ 1 anno MTTFu = AF x MTTFs Tu = 15 C Ts = 100 C AF = 973 T= cost. Cicli termici Fattore di accelerazione ottenuto a: -temperatura costante -cicli termici (maggiore stress) Scelte che dipendono: -dal progetto -dalle condizioni di lavoro

I-Test sui Prototipi: Test termici Cicli termici da effettuare nel range di temperature di lavoro Cicli differenti per componenti e condizioni di lavoro differenti Controllo dei parametri vitali: Temperatura punti caldi Tensione Corrente Funzionamento + analisi termografica IR

Spettro di vibrazione atteso: I-Test sui Prototipi: Test di vibrazione Spettro di vibrazione atteso: Trasporto Condizioni ambientali (spazio……) Fattore peggiorativo Controllo sulla tenuta dei componenti

II-Screening in produzione: Piano di qualifica l (t) t -Controllo dei difetti di produzione -Procedure per fare precipitare un guasto iniziale -Screening non invasivo -sistemi da utilizzare -stress tollerabili Fattore di accelerazione AF in temperatura controllato

II-Test durante la produzione: Temperatura costante T t 60o 8h Controllo dei parametri vitali: Temperatura punti caldi Tensione Corrente Funzionamento Ricerca di difetti: Saldature Componenti difettosi

II-Test di screening Cicli termici Controllo difetti di produzione + analisi termografica IR

Circuiti di alimentazione scansione IR Ricerca di difetti: Circuito stampato Componenti difettosi Circuito sottoposto al test Scansione IR

Laboratorio Qualifiche Sez.INFN Napoli Camera climatica per test di invecchiamento e screening Telecamera per scansioni IR Sistema di acquisizione Sensori monitoraggio funzionale

Danni da radiazioni ionizzanti nei componenti elettronici Effetti a lungo termine TID (Total Ionization Dose) Effetti da singola interazione SEE (Single Event Effect) SEU SET SEL Single Event Upset (stato logico) Single Event Transient (Stato logico) Single Event Latchup (conduzione) Dati e simulazioni

Danni da radiazioni ionizzanti in sistemi elettronici Simulazioni e esposizione ad irragiamento Tecniche di progettazione e di protezione: -Ridondanze hardware -Protezioni alimentazioni Qualifiche di componenti commerciali Vantaggi: -Componentistica aggiornata -Basso costo

Protocolli e test messi a punto dall’INFN. Progettazione elettronica Affidabilita’ e ridondanze Test tempo di vita sistemi e componenti Test con telecamera IR Produzione Test mortalita’ infantile Danni da radiazione Trasferibile ai prodotti industriali di qualita’