Zuverl�ssigkeitsvorhersagen

Zuverl�ssigkeitsvorhersagen werden allgemein in der Entwicklung von Produkten und Systemen angewendet, um alternative Entw�rfe zu vergleichen und Fortschritt zu Zuverl�ssigkeitsentwurfszielen einzusch�tzen. Sie werden oft kritisiert, keine genaue Vorhersagen der Feldzuverl�ssigkeitsleistung zu sein, weil sie f�r alle Faktoren diese Ursache-Feldfehlschl�ge nicht normalerweise verantwortlich sind. Dennoch sind Vorhersagen eine sinnvolle Form der Analyse, die auch einen Einblick in Sicherheit, Wartung und Garantienkosten und andere Produkt-Erw�gungen gew�hren.

Allgemein verwendete Zuverl�ssigkeitsvorhersagen

... elektromechanischer und elektronischer Bauteile

1. MIL-HDBK-217 "Zuverl�ssigkeitsvorhersage f�r elektronische Systeme" - Wenn auch dieses Handbuch vom US-Milit�r nicht mehr aktuell gehalten wird, bleibt es die am meisten verwendete Vorhersage sowohl durch zivile als auch durch milit�rische Analytiker.
   
2. Telcordia SR-332 - Die Telcordia-Vorhersage ist in der Fernmeldeindustrie weit verbreitet und wurde zuletzt im Mai 2001 augedatet. Dieses Verfahren ist dem MIL-HDBK-217 sehr �hnlich.
   
3. IEC TR62380 - Dies ist die neueste und umfassendste durch CNET in Europa entwickelte Methodik. Sie hat noch nicht viel Aufmerksamkeit in Europa und den Vereinigten Staaten erhalten. Thermisches Verhalten und ruhende System-Modellierung werden zur Ber�cksichtigung unterschiedlicher Umweltbedingungen herangezogen.
   
4. PRISM� - PRISM ist eine durch das SRC-Zentrum (vormals RAC) entwickelte Technik, welche die F�higkeit hat, Wirkungen des thermischen Verfahrens und des Ruhezustands zu modellieren. Durch die Einbindung weniger Bauteilfamilien war eine allgemeine Markteinf�hrung nicht m�glich.
   
5. 217Plus - 217Plus ist eine durch das RIAC (Nachfolger von RAC) entwickelte Technik, welche die F�higkeit hat, Wirkungen des thermischen Verfahrens und des Ruhezustands zu modellieren. Eine allgemeine Markteinf�hrung h�ngt davon ab, ob es unabh�ngigen Firmen gelingt, die Modelle in ihre Software zu integrieren.
   
6. Physik der Ausf�lle - Diese Familie von Vorhersagen unterscheidet sich wesentlich von den anderen oben aufgef�hrten empirischen Methodiken und wird in erster Linie in der Bauelemente-Vorstufe w�hrend der Entwicklungsphase verwendet.
   
7. IEEE Gold Book - IEEE STD 493-1997, IEEE Empfehlung f�r den Entwurf zuverl�ssiger industrieller und kommerzieller Stromversorgungs-Systeme bietet Daten f�r kommerzielle Spannungs-Verteilungssysteme.
   
8. IEC 61709 - Die IEC-Vorhersage ist wenig verbreitet, weil sie international nur als "Parts-Count"-Methode eingestuft wird.
   
9. EPRD-97 - ist eine Datensammlung von elektrischen und elektronischen Bauteil-Zuverl�ssigkeitsdaten. Diese Datensammlung, von SRC und RIAC ver�ffentlicht, stellt ein Kompendium von historischen Feldausfalldaten dar, basierend auf einer gro�en Zahl elektrotechnsicher Ger�te.
   
10. SPIDR - ist eine umfassende Datenbank der Zuverl�ssigkeit und Testdaten f�r Systeme und Bestandteile. SPIDR, ein Akronym f�r System and Part Integrated Data Resource, ersetzt vier weltbekannte xx (NPRD, EPRD, FMD, und VZAP).
    

... mechanischer Bauteile

Mechanische Systeme haben immer eine spezielle Herausforderung in bezug auf die Zuverl�ssigkeitsvorhersage wegen der Einzigartigkeit und Vielfalt von Bauteilen und Ger�ten dargestellt. Diese Systeme sind oft durch Abnutzung beeintr�chtigt, was normalerweise nicht kein Problem f�r elektronische Systeme ist. Es gibt zwei grundlegende Vorhersagen, um die Zuverl�ssigkeit von mechanischen Systemen vorauszusagen:

1. NPRD-95 - ist eine Datensammlung von nichtelektronischen Bauteil-Zuverl�ssigkeitsdaten (NPRD-95). Dieses Datenbuch, von SRC ver�ffentlicht und weit verbreitet, stellt ein Kompendium von historischen Feldausfalldaten dar, basierend auf einer gro�en Zahl mechanischer Ger�te.
2. NSWC-07 - Handbuch der Zuverl�ssigkeitsvorhersage-Verfahren f�r mechanische Systeme. Dieses Handbuch pr�sentiert eine einzigartige Vorhersage f�r Ausfallraten der mechanischen Bauteilezuverl�ssigkeit durch die Auflistung von Schadensbildern f�r die grundlegende Klassen von mechanischen Bauteilen.
   
3. SPIDR - ist eine umfassende Datenbank der Zuverl�ssigkeit und Testdaten f�r Systeme und Bestandteile. SPIDR, ein Akronym f�r System and Part Integrated Data Resource, ersetzt vier weltbekannte xx (NPRD, EPRD, FMD, und VZAP).
   

Kurzbeschreibungen der Vorhersage-Modelle

MIL-HDBK-217 ist der Grundpfeiler der Zuverl�ssigkeitsvorhersagen seit etwa 40 Jahre, aber seit 1995 wurde das Handbuch nicht mehr aktualisiert und es gibt auch keine Pl�ne seitens des Milit�rs, es in der Zukunft zu aktualisieren. Das Handbuch beinhaltet eine Reihe von empirisch entwickelten Ausfallraten-Modellen, welche auf historischen Bauelemente-Teilausfallraten f�r eine breite Palette von Bauteiltypen basieren. Es gibt Modelle f�r eigentlich alle elektrischen/elektronischen Teile und ebenso einiger elektromechanische. Alle Modelle sagen die Zuverl�ssigkeit in bezug auf Ausf�lle pro Million Betriebsstunden voraus und nehmen eine Exponentialverteilung (gleichbleibende Ausfallrate) an, welche die Addition von Ausfallraten erlaubt, h�here Ger�tezuverl�ssigkeiten zu bestimmen. Das Handbuch enth�lt zwei Vorhersage-Modelle: die Bauteilbelastungstechnik und die Bauteilz�hltechnik. 14 verschiedene Arbeitsumwelten, wie boden-befestigt, bord-beobachtet etc werden ber�cksichtigt. Die Bauteilbelastungstechnik verlangt die Kenntnis des Belastungsniveaus jeden Teils, um die Ausfallrate bestimmen zu k�nnen, w�hrend die Bauteilz�hltechnik durchschnittliche Belastungen annimmt, um eine fr�he Entwurfsabsch�tzung der Ausfallrate vorherzusagen. Typische Faktoren zur Bestimmung der Bauteilausfallrate schlie�en einen Temperaturfaktor (π_T), Leistungsfaktor (π_P) Belastungsfaktor (π_S), Qualit�tsfaktor (π_Q) und einen Umweltfaktor (π_E) zus�tzlich zur Basisausfallrate λ_b) ein. Das Modell f�r einen Widerstand ist zum Beispiel wie folgt:

λ_Widerstand = λ_b � π_T � π_P � π_S � π_Q � π_E

Telcordia SR-332 ist dem MIL-HDBK-217 sehr �hnlich, aber es basiert in erster Linie auf Fernmeldedaten und umfasst f�nf verschiedene Umweltbedingungen. Die Vorhersage nimmt auch eine exponentiale Ausfallverteilung an und berechnet die Zuverl�ssigkeit in bezug auf Ausf�lle pro Milliarde Bauteil-Betriebsstunden oder FITs. Seine empirisch begr�ndeten Modelle teilen sich auf in drei Kategorien: die Methode I als Bauteilz�hl-Vorhersage, die angewendet wird, wenn keine Felddaten vorliegen; die Methode II, um Laborversuchdaten erweiterte Methode I und die Methode III, welche die Verfolgung der Feldausf�lle einschlie�t. Methode I beinhaltet einen Erstes-Jahr-Modifizierfaktorr um Fr�hausf�lle einzubeziehen. Die Methode II schlie�t eine Bayes-Bewertung ein, welche drei unterschiedlichen F�lle umfasst, abh�ngig davon, welche Stzfe des Burn-In das Teile oder das System durchlaufen hat. Methode III umfa�t auch eine Bayes-Bewertung, aber sie basiert auf drei unterschiedlichen F�llen abh�ngig davon, wie �hnlich das System zu dem ist, von welchen die Daten gesammelt wurden. F�r die im Allgemeinen verwendete Methode I mit ver�nderlichem Burn-In, h�ngt die konstante Ausfallrate von der statischen Ausfallrate des grundlegenden Teils, der Qualit�t sowie der elektrischen Belastung und den Temperaturfaktoren wie folgt ab:

λ_SSi = λ_Gi � π_Qi � π_Si � π_Ti

IEC TR 62380 ist der Nachfolger des CNET UTE C 80-810 Zuverl�ssigkeitsvorhersage-Standards, der die meisten der MIL-HDBK-217 -Bestandteile umfasst. Die Modelle beinhalten die Auswirkung elktrischer Belastungen wie den sich periodisch wiederholenden Temperaturverlauf. Diese Modelle sind sehr komplex - wie bei MIL-HDBK-217. Es berechnet Zuverl�ssigkeit in bezug auf Ausf�lle pro Milliarde Bauteil-Betriebsstunden, oder FITs.

PRISM� ist eine im Jahr 2000 freigegebene Vorhersage, basierend auf den DoD SRC-Datenbanken. Sie beinhaltet die M�glichkeit, Vorhersagen basierend auf Testdaten zu aktualisieren und enth�lt Faktoren wie die Entwicklungsproze�-Robustheit. Verf�gbar als ein automatisiertes Werkzeug (in Verbindung mit einem Handbuch-Kompendium von Modellen wie die Anderen),ist PRISM direkt verbunden mit den elektronischen und nichtelektronischen automatisierten Datenbanken von SRC und stellt eine durchdachte Methodik dar, um die Qualit�t des System-Entwicklungsprozesses einzubeziehen. Es schlie�t die M�glichkeit ein, Software-Zuverl�ssigkeit zu ber�cksichtigen, wird aber durch die Tatsache,dass es viele Modelle allgemein verwendeter Bauteile noch nicht einschlie�t, beschr�nkt. Das Prism-Systemzuverl�ssigkeitsmodell lautet:

λ_S = λ_IA(π_Pπ_IMπ_E + π_Dπ_G + π_Mπ_IM + π_Eπ_G + π_Sπ_G + π_Iπ_E + π_N + π_Wπ_E) + λ_SW
wobei λ_IA die Basisausfallrate (in PRISM eingearbeitete "RACRATES" Ausfallratenmodelle) f�r das System basierend auf seinen Teilen und den restlichen Faktoren Bauteilherstellung (π_P), Fr�hausf�lle (π_IM), Umwelt (π_E), Entwurf (π_D), Zuverl�ssigkeitswachstum (π_G), Herstellungsverfahren (π_M), System-Management-Prozesse (π_S), induzierte Verfahren (π_I), Null-Fehler Prozess (π_N), und Verschlei� (π_W).π_SW ist die Software-Ausfallrate. Quantitative Werte f�r die individuellen Faktoren sind durch eine umfassende Fragen-und-Antworten

217Plus - 217Plus ist eine durch das RIAC (Nachfolger von RAC) entwickelte Technik, welche die F�higkeit hat, Wirkungen des thermischen Verfahrens und des Ruhezustands zu modellieren. Eine allgemeine Markteinf�hrung h�ngt davon ab, ob es unabh�ngigen Firmen gelingt, die Modelle in ihre Software zu integrieren.

IEC 61709 - Wenn Sie die �brigen Modelle zur Ermittlung von Ausfallraten mit IEC-61709 vergleichen, werden Sie einen gro�en Unterschied zwischen SR-332, IEC TR62380 und MIL-HDBK-217 einerseits so wie IEC 61709 andererseits feststellen. Die Umweltbedingungen, unter denen ein System eingesetzt wird, finden bei der Berechnung nach IEC keine Ber�cksichtigung, sondern nur die elektrischen Belastungen, wie Strom und Spannung gehen in die Berechnung ein. Aus diesem Grund wird die Berechnung nach diesem IEC-Standard 61709 international nur als Bauteilz�hlmethode (parts count method) eingestuft und hat au�erhalb D-A-CH fast keine Bedeutung. Es kommt auch hinzu, dass es kein Berechnungsverfahren ist, sondern nur Herstellerdaten aufadiert werden. Damit ist eine nachvollziehbarkeit kaum m�glich oder sehr aufwendig. Dieser Standard sollte nur herangezogen werden, wenn eine Kunde unbedingt darauf besteht.

Physik der Ausf�lle (PoF) versucht, das "schw�chste Glied" eines Designs zu identifizieren, um sicherzustellen, dass die geforderte Ger�te-Lebensdauer durch den Entwurf �berschritten wird. Die Methodik ignoriert im Allgemeinen die Ausfallursachen, welche w�hrend der Herstellung auftreten und nimmt an, dass die Produkt-Zuverl�ssigkeit ausschlie�lich durch die vorausgesagte Lebensdauer der schw�chsten Verbindung bestimmt wird. Musterbeispiele sind bei Mikroschaltkreise Die-Attach Erm�dung, Bindung schlie�t flexure Erm�dung an und Die Erm�dungsknacken. Die Modelle sind sehr kompliziert und erfordern ausf�hrliche Informationen der Teilegeometrie und der Materialeigenschaften. Im allgemeinen werden Modelle ausgedacht, welche w�hrend des f�rhen Entwicklungsstadiums (z.B. bei Hybidschaltkreisen) am n�tzlichsten sind aber nicht auf der Zusammenbauebene, wenn eine Flexibilit�t nicht mehr existiert, um die Entw�rfe von Teilen zu �ndern.


IEEE Gold Book liefert Daten bez�glich Systemzuverl�ssigkeit in industriellen und kommerziellen Netzverteilungsystemen. Zuverl�ssigkeitsangaben f�r unterschiedliche Arten der Ausr�stung werden zusammen mit anderen Aspekten der Zuverl�ssigkeitsanalyse f�r Stromnetze, wie Grundmodelle der Zuverl�ssigkeitsanalyse, Wahrscheinlichkeitsmethoden, Grundlagen der Zuverl�ssigkeitsauswertung von Netzausf�llen, der �konomischen Auswertung der Zuverl�ssigkeit und der Kosten des Netzausfalls zur Verf�gung gestellt. Das Handbuch wurde 1997 aktualisiert; jedoch sind die neuesten Zuverl�ssigkeitsangaben, die im Dokument genannt werden, von 1989 und �lter.

SPIDR SPIDR ist eine umfassende Datenbank der Zuverl�ssigkeit und Testdaten f�r Systeme und Bestandteile. SPIDR, ein Akronym f�r System and Part Integrated Data Resource, ersetzt vier weltbekannte xx (NPRD, EPRD, FMD, und VZAP). SPIDR enth�lt System- und Bauteilfelddaten, Umwelt- und Lebensdauertestdaten, Empfindlichkeit f�r elektrostatische Entladung (ESD) und Schadensbilder. Feldausfalldaten werden sowohl in Betriebs- als auch Kalender-Stunden pr�sentiert. Ausf�hrliche System- und Bauteilinformationen schlie�en Sachnummer(n), Hersteller, Datum-Code, Bauteil-Belastungen, Umgebungsbedingung und Umweltbelastungen ein.

Die SPIDR Datenbank enth�lt �ber 6000 verschiedene Arten mechanischer und elektronischer Bauteile und Systeme. SPIDR enth�lt:

• Daten von 33 verschiedenen Umgebungsbedingungen
• mehr als 200.000 Feldaten-Aufzeichnungen
• Testergebnisse f�r mehr als 82.000 Bauteile und Systeme
• Mehr als 50.000 elektrostatische Entladungssuszeptibilit�ts-Testergebnisse
• Schadensbilder und Ausfallmechanismen f�r mehr als 27.000 Bauteile und Systeme

NPRD-95 umfasst Ausfallraten f�r eine gro�e Zahl von Betrachtungseinheiten, einschlie�lich mechanischer und elektromechanischer Bauteile und Systeme. Das Dokument enth�lt ausf�hrliche Ausfallraten von mehr als 25,000 Teilen zahlreicher Bauteil-Kategorien gruppiert nach Umwelt- und Qualit�tsniveau. Weil die Daten den Zeitpuknt des Auftretens nicht einschlie�en, enth�lt das Dokument durchschnittliche Ausfallraten sowohl f�r Ausf�lle und Lebensdauerende. Kumulativ umfa�t die Datenbank etwa 2.5 Trillionen Bauteil-Stunden und 387,000 Ausf�llen, angesammelt von Anfang der 1970er Jahre bis zum Jahr 1994. Die gelisteten Umwelten sind gleich denen von MIL-HDBK-217; jedoch sind die Daten f�r manche Umweltbedingungen stark eingeschr�nkt. F�r diese F�lle wird es dann notwendig sein, Sch�tzungen mit den vorhandenen Daten durchzuf�hren.



NSWC-07 - Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment.Dieses Handbuch von CDNSWC, enth�lt Ausfallraten-Modelle f�r grundlegende Klassen mechanischer Bauteile. Die Modelle schlie�en Materialeigenschaften und die konstruktive Ausf�hrung ein, um die Zuverl�ssigkeit der Teile zu ermitteln. Es werden auch m�gliche Ausfallursachen f�r die FMECA genannt, wie Bruch durch Erm�dung und �berm��ige mechanische Beanspruchung. Die Zuverl�ssigkeit h�ngt vom Material, den Abmessungen und den Einsatzbedingungen ab. NSWC-07 enth�lt Berechnungsmodelle, um die Ausfallraten mechanischer Bauteile vorauszusagen. Der Nachteil der Ann�herung ist, dass die Modelle die Eingabe wesentlicher Kennwerte (z.B. Materialeigenschaften, angewandte Kr�fte) voraussetzen. Die Bereitstellung dieser Daten bereitet sehr oft Schwierigkeiten.

Zusammenfassung

Auch wenn MIL-HDBK-217 von Tag zu Tag mehr veraltet, bleibt es die am meisten verwendete Technik f�r die Elektronik. SR-332 findet in der Kommunikationstechnik eine weite Anwendung und wird im Allgemeinen als bessere Zuverl�ssigkeitsvorhersage f�r Telekommunikationseinrichtungen gesehen. Neue und gesicherte Methoden wie das PRISM-Modell von SRC erm�glichen eine verbesserte Modellierung. Dieses Anleitung mu� um Bauteil-Kategorien erweitert und mit der Industrie weiterentwickelt werden, bevor sie eine breite Akzeptanz findet. IEC-TR 62380, eines der neueren Modelle, kann der Standard von morgen werden oder 217Plus.
IEEE 1413.1-2002 (IEEE Guide for Selecting and Using Reliability Predictions Based on IEEE 1413™) ist eine gute Anleitung zur Auswahl des richtigen Zuverl�ssigkeitsverfahrens f�r elektronische Bauteile und Ger�te.
F�r mechanische Bauteile ist NPRD-95 am meisten verbreitete Datenbank. NSWC-07 bietet eine Alternative, wenn die erforderlichen ausf�hrlichen Eingangsdaten vorhanden sind.

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