1 - OBJETIVO

Esta nota informativa tiene como objetivo ilustrar el efecto de las sobretensiones en la tasa de fallos de los componentes y sistemas electrónicos.

2 - INTRODUCCIÓN

La fiabilidad de los componentes electrónicos y de los procesos productivos ha permitido en pocos años alcanzar altísimos niveles de fiabilidad para dispositivos y sistemas electrónicos.

Se ha vuelto bastante común que los componentes tanto activos como pasivos hablen de procesos 6s, es decir, con una tasa de fallo de 3,4ppm, si no mejores.

Frente a estos avances tecnológicos y productivos, los dispositivos y sistemas que se introducen en el mercado no siempre encuentran una correspondencia en una tasa de fallos igualmente reducida.

Este aspecto es particularmente importante y delicado no solo para la continuidad del servicio, que en algunos sectores es vital, sino también para la actividad de mantenimiento ordinario y extraordinario de los sitios, para la gestión y la asignación logística de las piezas de repuesto y, en general, para el control del estado de las instalaciones.

Sin entrar en el mérito de los criterios y modalidades sobre el diseño robusto, se presentarán a continuación:

• Los parámetros que mejoran la fiabilidad de los dispositivos y sistemas electrónicos;
• La información proporcionada por los métodos de previsión de fiabilidad;
• Cómo se tratan las sobretensiones transitorias en los modelos de previsión de fiabilidad.
• El efecto de las sobretensiones en la tasa de fallos de los sistemas electrónicos con alguna referencia práctica.

3 - REFERENCIAS

1. MIL-HDBK-338 Manual de Diseño de Fiabilidad Electrónica
2. MIL-STD-756 Modelado y predicción de la confiabilidad
3. MIL-HDBK-217 Predicción de la fiabilidad de equipos electrónicos
4. Manual de Predicción IRPH-2003
5. MANUAL DE DATOS DE FIABILIDAD: RDF 2000/IEC 62380 – Un modelo universal para la predicción de la fiabilidad de componentes electrónicos, PCBs y equipos
6. Telcordia SR-332, Edición-1
7. Manual de Predicción China 299B
8. MIL-HDBK-1547 - Componentes electrónicos, materiales y procesos para vehículos espaciales y de lanzamiento
9. EN61000-4-5 Compatibilidad electromagnética (EMC) -- Parte 4-5: Técnicas de ensayo y medición - Prueba de inmunidad a sobretensiones
10. EN61000-4-4 Compatibilidad electromagnética (EMC) -- Parte 4-4: Técnicas de ensayo y medición - Prueba de inmunidad a transitorios eléctricos rápidos/burst
11. EN61643-11 Dispositivos de protección contra sobretensiones de baja tensión -- Parte 11: Dispositivos de protección contra sobretensiones conectados a sistemas de energía de baja tensión - Requisitos y ensayos
12. IEC 60634-4-44 Instalación eléctrica de edificios; protección para la seguridad; protección contra sobretensiones.
13. IEC 60634-4-443 Instalación eléctrica de edificios; protección para la seguridad; protección contra sobretensiones de origen atmosférico
14. EN61663-1 Protección de estructuras contra rayos – Líneas de telecomunicaciones; instalación en fibra óptica
15. EN61663-2 Protección de las estructuras contra los rayos – Líneas de telecomunicaciones; líneas en conductores metálicos.

4 - CRITERIOS PARA LA MEJORA DE LA FIABILIDAD DE LOS DISPOSITIVOS Y SISTEMAS ELECTRÓNICOS

En general, hay cuatro maneras de mejorar la confiabilidad y la robustez de los subconjuntos y sistemas electrónicos (1):

1. Aumentar la robustez intrínseca de los componentes y subconjuntos. Esto se puede lograr mediante un compromiso adecuado entre costos, dimensiones, peso y el uso de materiales/componentes más robustos.
2. Reducir el estrés medio de las solicitaciones. El estrés al que pueden estar sometidos los subconjuntos puede reducirse sin comprometer apreciablemente el rendimiento.
3. Contener la variación de las solicitaciones. El contención de las solicitaciones es difícilmente controlable. El método más sencillo es imponer límites en el uso de los dispositivos/sistemas.
4. Limitar la variación en la robustez de los componentes eliminando en el origen mediante pruebas y/o cribado los componentes/subconjuntos más débiles.

Para el tipo de tratamiento que estamos realizando, concentraremos la presentación en el segundo punto, examinando los efectos de las sobretensiones en la vida útil de dispositivos y sistemas electrónicos.

A continuación se presentan las distribuciones de resistencia de los componentes y/o sistemas electrónicos a las sobretensiones y la de las sobretensiones transitorias a las que los componentes pueden estar sometidos en su funcionamiento debido a fenómenos EMC.

La zona de intersección es la zona de falta de fiabilidad, es decir, la condición en la que la resistencia es inferior al esfuerzo y determina la falla.

El envejecimiento modifica con el tiempo la curva de distribución de la resistencia de los componentes, haciéndolos más débiles. Gráficamente, el envejecimiento desplaza hacia la izquierda la curva de distribución de la resistencia a la sobretensión.

5 - PREVISIONES DE CONFIABILIDAD

Las previsiones de fiabilidad utilizan métodos estadísticos para prever la posible duración en servicio del dispositivo en condiciones de funcionamiento normal. También se utilizan para estimar la dimensionamiento y la ubicación de las existencias en función de la mantenibilidad y la disponibilidad requeridas en el servicio.

Para el cálculo están disponibles unos modelos que son función de los esfuerzos eléctricos, de los térmicos, del ambiente de uso, del proceso productivo y de control, de la madurez del producto y de la competencia del personal de servicio.

Ejemplo: para la predicción de confiabilidad con referencia al MIL-HDBK-217, la predicción de confiabilidad de un sistema electrónico de n-componentes se calcula con la fórmula:

¿Podrías proporcionar más contexto o información para traducir "LP"? Puede referirse a varios términos como "long play" (disco de larga duración) o tener otros significados dependiendo del contexto. es la tasa de fallo del componente que depende de las características del componente y de factores correctivos:
Temperatura (pT), Ambiente de funcionamiento (pE), Calidad del proceso productivo (pQ), modo de uso (pA), calificación de uso (pR)
En la familiar curva de previsión de confiabilidad de componentes y dispositivos electrónicos, el parámetro MTBF (Mean Time Between Failures) se traduce como "Tiempo Medio Entre Fallos" en español. Encuentra su ubicación en el período de vida útil del producto.

6 - EFECTO DE LAS SOBRETENSIONES EN LA TASA DE FALLAS

Microestrés de corta duración pueden, por lo tanto, afectar gravemente la vida útil esperada de los componentes.

Consideremos ahora como ejemplo, una tarjeta digital común con microprocesador en el ámbito industrial.

N. componentes electrónicos: 395
Tecnología: SMD+THT

Previsión de fiabilidad:
MÉTODO DE CÁLCULO: TELCORDIA SR-332
MODELO DE PREDICCIÓN: SERIAL
MODELO DE CÁLCULO: Recuento de Piezas
AMBIENTE: GB
TEMPERATURA: 25°C
DT: 5°C
MTBF: 398.569 horas
AFR (Tasa Anual de Fallos): 2,9%

La tasa de fallos en el campo resultó ser más del doble a pesar del funcionamiento no continuo de la máquina, en este caso un accionamiento.

Del análisis de fallos de los componentes resulta que la rotura por sobretensión representa más de la mitad de las averías.

La verificación del proyecto ha confirmado que la reducción de la tensión de los componentes es más que adecuada para la aplicación, el aprovisionamiento de los componentes se realiza a través de proveedores calificados, el proceso de producción es cuidadoso con la manipulación de los componentes para evitar riesgos de ESD durante las operaciones de picking, placing, soldering, testing y packaging, y el servicio es realizado por personal calificado.

Hechas las debidas consideraciones, la atención se ha dirigido a las protecciones instaladas en el front-end de la red de alimentación del sistema donde se han utilizado MOVs con una tensión nominal de 275Vac en configuración simétrica y asimétrica, de manera que se garantice la protección tanto en modo diferencial como común.

Tres son los aspectos que limitan la capacidad de protección de los MOV, aunque sean capaces de absorber grandes energías:

• La tensión de protección a la que intervienen es demasiado alta para los dispositivos aguas abajo.
• Estos componentes pierden progresivamente, con las solicitaciones repetidas, la capacidad de protección, es decir, la tensión de protección aumenta exponiendo más el sistema;
• La tensión de protección de los MOV no es monitorizable.

Reducir la tasa de fallos actuando sobre el MTBF de la tarjeta, es decir, imponiendo una desclasificación más restrictiva, sería costoso y sobre todo inútil.

A partir de la siguiente fórmula, se observa que el factor que acelera el deterioro AF depende, además de la temperatura, de la tensión a la que está sometido, según una ley exponencial.

7 - CONCLUSIONES

El sistema de protección y diagnóstico SDS, aprovechando un mecanismo innovador, logra garantizar un nivel de protección doble en comparación con los SPD actualmente comercializados y basados en tecnología MOV, con la misma tensión aplicada. Además, disponen de una indicación del nivel de protección, a diferencia de los SPD que monitorean exclusivamente una eventual condición de fallo o de sobrecalentamiento del propio dispositivo.