Индивидуальное прогнозирование показателей качества и надежности компонентов радиоэлектронных средств космических аппаратов Мишанов Роман Олегович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Обеспечение бесперебойной и безотказной работы космических аппаратов (КА) в течение всего срока активного существования (САС) – необходимое условие для выполнения основных задач, возложенных на отечественную ракетно-космическую отрасль. В значительной степени работоспособность КА определяется качеством и надежностью как бортовых систем, комплексов, блоков и самих приборов, так и наземных систем, входящих в космический комплекс (КК).

На данном этапе развития науки и техники широкое распространение получила
концепция повышения надежности бортовых радиотехнических устройств (БРТУ) за счет
повышения надежности электронной компонентной базы (ЭКБ). Более того, бортовая
аппаратура (БА) в большинстве случаев является необслуживаемой, поэтому заложение
свойств надежности должно происходить до этапа ее эксплуатации. Следует отметить, что
космическое пространство представляет собой экстремальную среду, в которой БА
подвергается интенсивным механическим, электрическим, радиационным, тепловым,
электромагнитным и другим воздействиям, что провоцирует возникновение отказов
приборов, состоящих из элементов, имеющих явные, либо скрытые дефекты. Таким
образом, одним из направлений эффективного решения задачи повышения качества БА
является мониторинг стабильности параметров и функционирования

электрорадиоизделий (ЭРИ) совместно с отбором наиболее качественных экземпляров.

Очевидно, что для предотвращения отказов БРТУ, необходимо выяснить, с какими ЭРИ наиболее часто связаны отказы. На данном этапе мы имеем следующую информацию о распределении отказов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) общегражданского назначения, полученную Центром исследования надежности (Reliability Information Analysis Centre). По причине дефектов комплектующих изделий отказы аппаратуры снизились с 30% до 22% за последние 15-20 лет (информация актуальна на 2015 год). Такая тенденция наблюдалась за счет возросшей надежности ЭКБ вследствие повышения качества технологий и применения современных систем управления качеством. Кроме того, в 20% случаев однозначную причину отказов установить не удалось, что дает предположение о том, что с большей долей вероятности отказы вызваны дефектами изделий ЭКБ. Стоит отметить, что в свободном доступе информация об отказах РЭА специального назначения не публикуется, поэтому можно допустить, что такое же распределение отказов наблюдается при эксплуатации РЭА военного и космического назначения.

Ряд авторов отмечает, что в настоящее время до 70% отказов при эксплуатации РЭА происходит за счет ЭРИ, при этом наличие всего 2% дефектных компонентов снижает работоспособность аппаратуры на 30%.

Разработка КА с длительным САС (10-15 лет, в перспективе – 15 лет и более) требует установки высоконадежной бортовой аппаратуры, требующей дорогостоящей ЭКБ вследствие огромных затрат на ее разработку, изготовление и испытания, а также малой партии выхода годных изделий, использования в проекте малого количества ЭРИ и низкого срока их хранения. Кроме того, реализация проекта значительно зависит от срока поставки ЭКБ, что может повлечь за собой дополнительные временные издержки вплоть до переноса или отмены запуска КА, а значит и дополнительные финансовые затраты.

Стоит отметить, что для обеспечения ТТХ КА и устанавливаемой на них БА отечественные разработчики вынуждены применять ЭКБ иностранного производства, что вносит дополнительные финансовые затраты на их приобретение, сертификацию, причем удельный вес импортной ЭКБ имеет склонность к росту.

Отбраковка потенциально ненадежных ЭРИ по результатам проведенного диагностического контроля и индивидуального прогнозирования (ИП) показателей качества является одним из перспективных способов повышения качества и надежности бортовых РЭС. Таким образом, вопросы разработки и внедрения новых методов

прогнозирования надёжности с высокой точностью, новых методов диагностического неразрушающего контроля (ДНК) ЭРИ являются достаточно актуальными на ближайшее время.

Степень разработанности темы

Вопросам контроля и прогнозирования показателей качества и надежности РЭС посвящены работы Гаскарова Д.В., Горлова М.И., Жаднова В.В., Карпова О.В., Кейджяна Г.А., Сергеева В.А., Сагояна А.В., Строгонова А.В., Пиганова М.Н., Тюлевина С.В., Козловой И.Н., Наседкина А.В., Bowles J.B., Kato Y., Kool C.F., Mackintosh I., Novak T.,Smith I., Vaccaro I., Workman W. и др. Авторами предложены методы, алгоритмы, модели, методики прогнозирования показателей качества ряда элементов и устройств. В ряде случаев предложенные модели оказываются неэффективными для многих типов ЭРИ в связи с использованием в моделях малоинформативных параметров, что оказывает сильное влияние на точность прогноза.

Цель работы – повышение надежности РЭС КА за счет отбраковки потенциально ненадежных компонентов по результатам ИП их качества и ДНК.

Объект исследования

Объектом исследования являются цифровые интегральные микросхемы специального назначения (СН), изготовленные по КМОП-технологии и широко применяемые в бортовой аппаратуре космических аппаратов.

Предмет исследования

Предметом исследования являются методы, алгоритмы индивидуального прогнозирования, основанные на теории распознавания образов и методах экстраполяции.

Задачи исследования

1. Разработка методики построения прогнозных моделей индивидуального прогнозирования качества компонентов РЭС КА.

2. Проведение анализа схемы исследования отказов микросхем с учетом признаков отказов, их видов, причин и механизмов.

3. Разработка алгоритма верификации результатов индивидуального прогнозирования показателей качества РЭС на основе методов кластерного анализа с малой вероятностью принятия ошибочных решений.

4. Построение прогнозных моделей оценки качества и надежности микросхем КМОП типа на базе МРМ, МДФ и с помощью метода экстраполяции. Проведение их исследования. Определение порогов прогнозных функций, обеспечивающих приемлемые (оптимальные) значения основных вероятностных характеристик.

5. Разработка устройства для определения нагрузочной способности микросхем, обеспечивающего отбраковку потенциально ненадежных образцов по результатам ИП или ДНК.

Методы исследования

Для решения поставленных задач применялись элементы теории вероятностей и математической статистики, теории надежности, методы планирования эксперимента, математическое моделирование, системный и структурный подходы.

Научная новизна

1. Предложена методика построения прогнозных моделей и ИП качества РЭС, включающая анализ отказов, выбор критического прогнозируемого параметра, первичный выбор информативных параметров, разработку методики обучающего эксперимента (исследовательских испытаний), проведение обучающего эксперимента, вторичный выбор

информативных параметров, разработку прогнозных моделей (операторов ИП) на основе методов теории распознавании образов или с помощью метода экстраполяции, верификацию моделей с помощью методов кластерного анализа, оценку качества прогнозных моделей, которая обеспечивает высокую точность ИП и малый риск потребителя.

2. Предложена методика анализа и вторичного (окончательного) выбора информативных параметров радиоэлектронных средств, основанная на проведении корреляционного и регрессионного анализа по результатам обучающего эксперимента в рамках исследовательских испытаний с использованием коэффициентов корреляции, корреляционных отношений, генеральных коэффициентов корреляции.

3. Разработан алгоритм верификации результатов индивидуального прогнозирования показателей качества РЭС на основе иерархических методов кластеризации, методов k-средних и самоорганизующихся карт Кохонена и обеспечивающий снижение риска потребителя и вероятности принятия ошибочных решений.

4. Построены прогнозные модели оценки качества и надежности микросхем КМОП типа на базе МРМ и МДФ. Проведено их исследование. Определены пороги прогнозных функций, обеспечивающие приемлемые (оптимальные) значения основных вероятностных характеристик.

Теоретическая значимость работы состоит в развитии теории надежности в области ИП показателей качества и надежности КМОП микросхем для бортовых РЭС, а также в развитии использования статистических и физических методов анализа отказов ЭРИ СН.

Практическая значимость

1. Проведен анализ схем исследования отказов микросхем, с учетом их признаков, видов, причин и механизмов. Проведен анализ отказов микросхем, который позволил выбрать критический прогнозируемый параметр и провести первичный выбор информативных параметров для исследуемого набора ИМС.

2. Разработан новый вариант (новая программа) обучающего эксперимента для микросхем КМОП типа. Он учитывает назначение аппаратуры, объект установки ИМС, конкретные условия эксплуатации и позволяет повысить эффективность эксперимента.

3. Предложены новые процедуры ИП ЭРИ с классификацией на основе иерархических методов кластеризации, метода k-средних и самоорганизующихся карт Кохонена (новые методики и блок-схемы классификации).

4. Сделан выбор критериев и проведена оценка точности верификации результатов индивидуального прогнозирования (прогнозных моделей).

5. Предложена методика ИП качества ЭРИ с помощью метода экстраполяции по значениям прогнозируемого параметра.

Основные положения, выносимые на защиту

6. Предложена методика построения прогнозных моделей и индивидуального прогнозирования качества РЭС, включающая анализ отказов, выбор критического прогнозируемого параметра, первичный выбор информативных параметров, разработку методики обучающего эксперимента (исследовательских испытаний), проведение обучающего эксперимента, вторичный выбор информативных параметров, разработку прогнозных моделей (операторов ИП) на основе методов теории распознавании образов или с помощью экстраполяции, верификацию моделей с помощью методов кластерного анализа, оценку качества прогнозных моделей, которая обеспечивает высокую точность ИП и малый риск потребителя.

7. Разработан алгоритм верификации результатов индивидуального прогнозирования показателей качества РЭС на основе иерархических методов

кластеризации, алгоритма k-средних и самоорганизующихся карт Кохонена, включающий выбор параметров алгоритмов кластерного анализа, определение исходных данных по результатам обучающего эксперимента, преобразование состава кластерных групп, расчет точности верификации и обеспечивающий снижение риска потребителя и вероятности ошибочных решений.

3. Предложена методика анализа и вторичного (окончательного) выбора информативных параметров радиоэлектронных средств, основанная на проведении корреляционного и регрессионного анализа по результатам обучающего эксперимента в рамках исследовательских испытаний с использованием коэффициентов корреляции, корреляционных отношений, генеральных коэффициентов корреляции и с учетом вида их распределений и критериев отбора.

4. Построены прогнозные модели оценки качества и надежности микросхем КМОП типа на базе МРМ, МДФ и с помощью метода экстраполяции. Проведено их исследование. Определены пороги прогнозных функций, обеспечивающие приемлемые (оптимальные) значения основных вероятностных характеристик.

Достоверность результатов

Степень достоверности полученных результатов определялась обоснованностью допущений теоретических положений и моделей, путем сравнения расчетных значений со значениями, полученными экспериментальным путем.

Реализация и внедрение результатов работы

Разработанные в диссертации методики, алгоритм, прогнозные модели, устройства и технологический процесс испытаний внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарский университет)» и в АО «РКЦ «Прогресс».

Личный вклад автора

Основные результаты работы, включенные в диссертацию, получены лично автором. Обсуждение и анализ теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем. Разработка устройств ДНК КМОП ИМС проведена совместно с соавторами.

Соответствие паспарту специальности Диссертационное исследование соответствует п.8 «Создание теории синтеза и анализа, а также методов моделирования радиоэлектронных устройств» и п.9 «Разработка научных и технических основ проектирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации радиотехнических устройств» паспорта научной специальности 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения.

Апробация работы

Основные результаты были изложены на следующих конференциях и симпозиумах: Всероссийской НТК «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара, 2013, 2017, 2018 гг.); Международной научно-практической конференции «European Science and Technology» (г. Мюнхен, Германия,

2014 г.); Международной научно-практической конференции «Science and Education» (г.
Мюнхен, Германия, 2014 г.); Международной конференции «The Experience of Designing
and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM 2015)» (г. Свалява, Украина,

2015 г.); Всероссийской НТК «Современные проблемы радиоэлектроники» (г.
Красноярск, 2015 г.); Международном научном симпозиуме «Sense. Enable. SPITSE» (г.
Санкт-Петербург, 2015 г.); Международной научно-практической конференции

«Естественно-научные исследования и народное хозяйство, современные технологии и технический прогресс» (г. Воронеж, 2015 г.); Международной конференции и молодежной школы «Информационные технологии и нанотехнологии» (г. Самара, 2017 г., 2018 г.); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2017 г.); Молодежном научном форуме «Наука будущего – наука молодых» (г. Нижний Новгород, 2017 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 34 работах. Из них: 5 в изданиях ВАК по направлению “Радиотехника”, 9 – в рецензируемых научных изданиях, 3 – входят в базу цитирования Scopus, 2 – патенты на изобретения. Личная доля составляет 12,6 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 185 наименований и приложений на 19 страницах. Основной текст диссертации изложен на 174 страницах и содержит 38 таблиц и 54 рисунка.