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Zuverlässigkeitsvorhersagen

Zuverlässigkeitsvorhersagen werden allgemein in der Entwicklung von Produkten und Systemen angewendet, um alternative Entwürfe zu vergleichen und Fortschritt zu Zuverlässigkeitsentwurfszielen einzuschätzen. Sie werden oft kritisiert, keine genaue vorhersagen der Feldzuverlässigkeitsleistung zu sein, weil sie für alle Faktoren diese Ursache-Feldfehlschläge nicht normalerweise verantwortlich sind. Dennoch sind vorhersagen eine sinnvolle Form der Analyse, die auch einen Einblick in Sicherheit, Wartung und Garantienkosten und andere Produkt-Erwägungen gewähren.

Allgemein verwendete Zuverlässigkeitsvorhersagen

... elektromechanischer und elektronischer Bauteile

1. MIL-HDBK-217 „Zuverlässigkeitsvorhersage für elektronische Systeme“ - Wenn auch dieses Handbuch vom US-Militär nicht mehr aktuell gehalten wird, bleibt es die am meisten verwendete Vorhersage sowohl durch zivile als auch durch militärische 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 ähnlich.
   
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 Berücksichtigung unterschiedlicher Umweltbedingungen herangezogen.
   
4. 217Plus - 217Plus ist eine durch das RIAC (Nachfolger von RAC) entwickelte Technik, welche die Fähigkeit hat, Wirkungen des thermischen Verfahrens und des Ruhezustands zu modellieren. Eine allgemeine Markteinführung hängt davon ab, ob es unabhängigen Firmen gelingt, die Modelle in ihre Software zu integrieren.
   
5. PRISM® - PRISM ist eine durch das SRC-Zentrum (vormals RAC) entwickelte Technik, welche die Fähigkeit hat, Wirkungen des thermischen Verfahrens und des Ruhezustands zu modellieren. Durch die Einbindung weniger Bauteilfamilien war eine allgemeine Markteinführung nicht möglich.
   
6. Physik der Ausfälle - Diese Familie von Vorhersagen unterscheidet sich wesentlich von den anderen oben aufgeführten empirischen Methodiken und wird in erster Linie in der Bauelemente-Vorstufe während der Entwicklungsphase verwendet.
   
7. IEEE Gold Book - IEEE STD 493-1997, IEEE Empfehlung für den Entwurf zuverlässiger industrieller und kommerzieller Stromversorgungs-Systeme bietet Daten für kommerzielle Spannungs-Verteilungssysteme.
   
8. IEC 61709 - Die IEC-Vorhersage ist wenig verbreitet, weil sie international nur als "Parts-Count"-Methode eingestuft wird. Jeder kann seine individueleln Ausfallraten verwenden, wodurch keine Nachvollziehbarkeit gewährleistet ist.
   Es sollte die IEC-62380 zur Anwendung kommen.
   
9. EPRD-97 - ist eine Datensammlung von elektrischen und elektronischen Bauteil-Zuverlässigkeitsdaten. Diese Datensammlung, von SRC und RIAC veröffentlicht, stellt ein Kompendium von historischen Feldausfalldaten dar, basierend auf einer großen Zahl elektrotechnsicher Geräte.
   
10. SPIDR - ist eine umfassende Datenbank der Zuverlässigkeit und Testdaten für Systeme und Bestandteile. SPIDR, ein Akronym für 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 Zuverlässigkeitsvorhersage wegen der Einzigartigkeit und Vielfalt von Bauteilen und Geräten dargestellt. Diese Systeme sind oft durch Abnutzung beeinträchtigt, was normalerweise nicht kein Problem für elektronische Systeme ist. Es gibt zwei grundlegende Vorhersagen, um die Zuverlässigkeit von mechanischen Systemen vorauszusagen:

1. NPRD-95 - ist eine Datensammlung von nichtelektronischen Bauteil-Zuverlässigkeitsdaten. Dieses Datenbuch, von SRC und RIAC veröffentlicht und weit verbreitet, stellt ein Kompendium von historischen Feldausfalldaten dar, basierend auf einer großen Zahl mechanischer Geräte.
   
2. NSWC-07 - Handbuch der Zuverlässigkeitsvorhersage-Verfahren für mechanische Systeme. Dieses Handbuch präsentiert eine einzigartige Vorhersage für Ausfallraten der mechanischen Bauteilezuverlässigkeit durch die Auflistung von Schadensbildern für die grundlegende Klassen von mechanischen Bauteilen.
   
3. SPIDR - ist eine umfassende Datenbank der Zuverlässigkeit und Testdaten für Systeme und Bestandteile. SPIDR, ein Akronym für 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 Zuverlässigkeitsvorhersagen seit etwa 40 Jahre, aber seit 1995 wurde das Handbuch nicht mehr aktualisiert und es gibt auch keine Pläne seitens des Militärs, es in der Zukunft zu aktualisieren. Das Handbuch beinhaltet eine Reihe von empirisch entwickelten Ausfallraten-Modellen, welche auf historischen Bauelemente-Teilausfallraten für eine breite Palette von Bauteiltypen basieren. Es gibt Modelle für eigentlich alle elektrischen/elektronischen Teile und ebenso einiger elektromechanische. Alle Modelle sagen die Zuverlässigkeit in bezug auf Ausfällen pro Million Betriebsstunden voraus und nehmen eine Exponentialverteilung (gleichbleibende Ausfallrate) an, welche die Addition von Ausfallraten erlaubt, höhere Gerätezuverlässigkeiten zu bestimmen. Das Handbuch enthält zwei Vorhersage-Modelle: die Bauteilbelastungstechnik (Parts Stress Prediction) und die Bauteilzähltechnik (Parts Count Prediction) und beinhaltet 14 verschiedene Arbeitsumwelten, wie Boden-befestigt, Bord-beobachtet etc. Wie die Namen es ausdrücken, verlangt die Bauteilbelaszungstechnik Kenntnis des Belastungsniveaus jeden Teils, um die Ausfallrate bestimmen zu können, während die Teilzähltechnik durchschnittliche Belastungen annimmt, um eine frühe Entwurfsabschätzung der Ausfallrate zu vorherzusagen. Typische Faktoren zur Bestimung der Bauteilausfallrate schließen einen Temperaturfaktor (π_T), Leistungsfaktor (π_P) Belastungsfaktor (π_S), Qualitätsfaktor (π_Q) und einen Umweltsfaktor (π_E) zusätzlich zur Basisausfallrate λ_b) ein. Das Modell für 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 ähnlich, aber es basiert in erster Linie auf Fernmeldedaten und umfasst fünf verschiedene Umweltbedingungen. Die Vorhersage nimmt auch eine exponentiale Ausfallverteilung an und berechnet die Zuverlässigkeit in bezug auf Ausfälle pro Milliarde Bauteil-Betriebsstunden oder FITs. Seine empirisch begründeten Modelle teilen sich auf in drei Kategorien: die Methode I als Bauteilzähl-Vorhersage, die angewendet wird, wenn keine Felddaten vorliegen; die Methode II, um Laborversuchdaten erweiterte Methode I und die Methode III, welche die Verfolgung der Feldausfälle einschließt. Methode I beinhaltet einen Erstes-Jahr-Modifizierfaktorr um Frühausfälle einzubeziehen. Die Methode II schließt eine Bayes-Bewertung ein, welche drei unterschiedlichen Fälle umfasst, abhängig davon, welche Stzfe des Burn-In das Teile oder das System durchlaufen hat. Methode III umfaßt auch eine Bayes-Bewertung, aber sie basiert auf drei unterschiedlichen Fällen abhängig davon, wie ähnlich das System zu dem ist, von welchen die Daten gesammelt wurden. Für die im Allgemeinen verwendete Methode I mit veränderlichem Burn-In, hängt die konstante Ausfallrate von der statischen Ausfallrate des grundlegenden Teils, der Qualität sowie der elektrischen Belastung und den Temperaturfaktoren wie folgt ab:

λ_SSi = λ_Gi · π_Qi · π_Si · π_Ti

IEC TR62380 ist die neue Version des UTE C 80-810 Zuverlässigkeitsvorhersage-Standards, der die meisten der MIL-HDBK-217-Bestandteile umfasst. Die Modelle schließen die Belastung der Teile ein wie den sich periodisch wiederholenden Temperaturverlauf. Diese Modelle sind sehr komplex für integrierte Schaltkreise, was die Information über äußere Systemumgebungen sowie Leiterplattenumgebungstemperaturen, Art der Technik, Anzahl von Transistoren, Jahr der Fertigung, Substrattemperatur, Arbeitszeit-Verhältnis, Lagezeit-Verhältnis, thermische Widerstände, Anzahl von thermischen Zyklen, thermischer Umfang der Veränderung, Anwendung des Teils ebensogut wie das von Transistoren; ausführungsbezogene und verpackungsrelevante Basisausfallraten. Es berechnet Zuverlässigkeit in bezug auf Ausfälle pro Milliarde Bauteil-Betriebsstunden, oder FITs.

217Plus^® 217Plus ist die lange erwartete Aktualisierung einer Ersatzvorhersagemethodik für MIL-HDBK-217 „Zuverlässigkeitsvorhersage für Elektronische Ausrüstungen“ die weit verwendete Vorhersage, deren Weiterentwicklung von der US-Regierung 1995 aufgegeben wurde. 217Plus ersetzt PRISM^®, veröffentlicht 1999. Die Anzahl von Bauteilausfallraten-Modellen wurde verdoppelt, effektiv MIL-HDBK-217F N2 ersetzend.

λ_P = λ_G (λ_OB · π_DCO · π_TO + λ_EB · π_DCN · π_TE + λ_TC · π_CR · π_DT) · λ_SJ · λ_EOS

• λ_P - ist die erwartete Ausfallrate in Ausfällen je Millionen Kalendestunden (fpmh)
• λ_G - ist die Wachstumsrate, welche Verbesserungen in der Geräte-Herstellung im Laufe der Zeit widerspiegelt
• λ_OB - ist die Basisausfallrate im Betrieb
• π_DCO - ist der Betriebszyklus-Faktor
• π_TO - ist der Betriebstemperaturbeschleunigungsfaktor
• λ_EB - ist die Basisausfallrate im Ruhezustand
• π_DCN - ist der Ruheszustandsanteil (proportional zur Zeit der Betriebsruhe)
• π_TE - ist der Betriebstemperaturbeschleunigungsfaktor des Ruheszustands
• λ_TC - ist die Temperaturzyklus-Basisausfallrate
• π_CR - ist der Temperaturwechselzyklus-Beschleunigungsfaktor
• π_DT - ist der Temperaturwechsel-Beschleunigungsfaktor Δ
• λ_SJ - ist der Ausfallratenanteil der Lötstellen
• λ_EOS - ist der Anteil der Ausfallrate durch elektrische Überbelastung

IEC 61709 - Wenn Sie die übrigen Modelle zur Ermittlung von Ausfallraten mit IEC-61709 vergleichen, werden Sie einen großen 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 Berücksichtigung, 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 Bauteilzählmethode (parts count method) eingestuft und hat außerhalb 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 möglich oder sehr aufwendig. Dieser Standard sollte nur herangezogen werden, wenn eine Kunde unbedingt darauf besteht.

Physik der Ausfälle (PoF) versucht, das „schwächste Glied“ eines Designs zu identifizieren, um sicherzustellen, dass die geforderte Geräte-Lebensdauer durch den Entwurf überschritten wird. Die Methodik ignoriert im Allgemeinen die Ausfallursachen, welche während der Herstellung auftreten und nimmt an, dass die Produkt-Zuverlässigkeit ausschließlich durch die vorausgesagte Lebensdauer der schwächsten Verbindung bestimmt wird. Musterbeispiele sind bei Mikroschaltkreise Die-Attach Ermüdung, Bindung schließt flexure Ermüdung an und Die Ermüdungsknacken. Die Modelle sind sehr kompliziert und erfordern ausführliche Informationen der Teilegeometrie und der Materialeigenschaften. Im allgemeinen werden Modelle ausgedacht, welche während des fürhen Entwicklungsstadiums (z.B. bei Hybidschaltkreisen) am nützlichsten sind aber nicht auf der Zusammenbauebene, wenn eine Flexibilität nicht mehr existiert, um die Entwürfe von Teilen zu ändern.

IEEE Gold Book liefert Daten bezüglich Systemzuverlässigkeit in industriellen und kommerziellen Netzverteilungsystemen. Zuverlässigkeitsangaben für unterschiedliche Arten der Ausrüstung werden zusammen mit anderen Aspekten der Zuverlässigkeitsanalyse für Stromnetze, wie Grundmodelle der Zuverlässigkeitsanalyse, Wahrscheinlichkeitsmethoden, Grundlagen der Zuverlässigkeitsauswertung von Netzausfällen, der ökonomischen Auswertung der Zuverlässigkeit und der Kosten des Netzausfalls zur Verfügung gestellt. Das Handbuch wurde 1997 aktualisiert; jedoch sind die neuesten Zuverlässigkeitsangaben, die im Dokument genannt werden, von 1989 und älter.

SPIDR SPIDR ist eine umfassende Datenbank der Zuverlässigkeit und Testdaten für Systeme und Bestandteile. SPIDR, ein Akronym für System and Part Integrated Data Resource, ersetzt vier weltbekannte xx (NPRD, EPRD, FMD, und VZAP). SPIDR enthält System- und Bauteilfelddaten, Umwelt- und Lebensdauertestdaten, Empfindlichkeit für elektrostatische Entladung (ESD) und Schadensbilder. Feldausfalldaten werden sowohl in Betriebs- als auch Kalender-Stunden präsentiert. Ausführliche System- und Bauteilinformationen schließen Sachnummer(n), Hersteller, Datum-Code, Bauteil-Belastungen, Umgebungsbedingung und Umweltbelastungen ein.

Die SPIDR Datenbank enthält über 6000 verschiedene Arten mechanischer und elektronischer Bauteile und Systeme. SPIDR enthält:

• Daten von 33 verschiedenen Umgebungsbedingungen
• mehr als 200.000 Feldaten-Aufzeichnungen
• Testergebnisse für mehr als 82.000 Bauteile und Systeme
• Mehr als 50.000 elektrostatische Entladungssuszeptibilitäts-Testergebnisse
• Schadensbilder und Ausfallmechanismen für mehr als 27.000 Bauteile und Systeme

NPRD-95 umfasst Ausfallraten für eine große Zahl von Betrachtungseinheiten, einschließlich mechanischer und elektromechanischer Bauteile und Systeme. Das Dokument enthält ausführliche Ausfallraten von mehr als 25,000 Teilen zahlreicher Bauteil-Kategorien gruppiert nach Umwelt- und Qualitätsniveau. Weil die Daten den Zeitpuknt des Auftretens nicht einschließen, enthält das Dokument durchschnittliche Ausfallraten sowohl für Ausfälle und Lebensdauerende. Kumulativ umfaßt die Datenbank etwa 2.5 Trillionen Bauteil-Stunden und 387,000 Ausfällen, angesammelt von Anfang der 1970er Jahre bis zum Jahr 1994. Die gelisteten Umwelten sind gleich denen von MIL-HDBK-217; jedoch sind die Daten für manche Umweltbedingungen stark eingeschränkt. Für diese Fälle wird es dann notwendig sein, Schätzungen mit den vorhandenen Daten durchzuführen.

NSWC-07 - Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment.Dieses Handbuch von CDNSWC enthält Ausfallraten-Modelle für grundlegende Klassen mechanischer Bauteile. Die Modelle schließen Materialeigenschaften und die konstruktive Ausführung ein, um die Zuverlässigkeit der Teile zu ermitteln. Es werden auch mögliche Ausfallursachen für die FMECA genannt, wie Bruch durch Ermüdung und übermäßige mechanische Beanspruchung. Die Zuverlässigkeit hängt vom Material, den Abmessungen und den Einsatzbedingungen ab. NSWC-07 enthält Berechnungsmodelle, um die Ausfallraten mechanischer Bauteile vorauszusagen. Der Nachteil der Annäherung ist, dass die Modelle die Eingabe wesentlicher Kennwerte (z.B. Materialeigenschaften, angewandte Kräfte) 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 für die Elektronik. SR-332 findet in der Kommunikationstechnik eine weite Anwendung und wird im Allgemeinen als bessere Zuverlässigkeitsvorhersage für Telekommunikationseinrichtungen gesehen.

Für mechanische Bauteile ist NPRD-95 am meisten verbreitete Datenbank, die auch schon in die Jahre gekommen ist. SPIDR™ bietet eine viel umfangreichere Datensammlung. NSWC-07 bietet eine Möglichekit der Vorhersage, wenn die erforderlichen ausführlichen Eingangsdaten vorhanden sind.

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