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:

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.

6 - EFFETTO DELLE SOVRATENSIONI SUL TASSO DI GUASTO

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

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.