Анализ процессов деградации и индивидуальное прогнозирование показателей качества и надежности полупроводниковых элементов бортовых радиотехнических устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Козлова, Ирина Николаевна

• Козлова, Ирина Николаевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Козлова, Ирина Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ БРТУ

1.1. Косвенный метод прогнозирования

1.2. Последовательное прогнозирование вероятностей

1.3. Кластерный анализ

1.4. Адаптивное распознание образов

1.5. Метод дискриминантных функций (МДФ)

1.6. Классификация с оценкой значимости признаков

1.7. Метод сравнения с прототипом

1.8. Метод потенциальных функций (МПФ)

1.9. Метод k-ближайших соседей

1.10. Алгоритмы вычисления оценок

1.11. Коллективы решающих правил

1.12. Метод нейронных сетей

1.13. Прогнозирования по кривой регрессии

1.14. Метод правдоподобия

1.15. Метод индивидуального прогнозирования с использованием принципов пороговой логики

1.16. Теория игр в прогнозирования РТУ

1.17. Метод регрессионных моделей

1.18. Метод экстраполяции

1.19. Сравнительный анализ методов прогнозирования

1.20. Операторы индивидуального прогнозирования качества ЭРИ

1.21. Выбор методов прогнозирования

1.22. Краткие выводы и постановка задач

2. ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ИНТЕНСИВНОСТЯМИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ И СРОКОМ СЛУЖБЫ ИЗДЕЛИЙ

2.1. Появление феномена "функциональный параметр" изделия как результат упорядочивания физических сред в процессе производства изделия

2.2. Представление дрейфа функциональных параметров изделий твердотельной электроники в процессе эксплуатации как следствия протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации в материалах и структурных фрагментах изделия

2.3. Общие принципы кинетики протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации твердотельных структур с позиции активационных моделей и представлений

2.4. Динамика дрейфа функциональных параметров изделия в процессе его эксплуатации с позиции активационных представлений и моделей

2.5. Краткие выводы

3. МЕТОДОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМО АКТИВ АЦИОННОГО ПОДХОДА ПРИ АНАЛИЗЕ ДРЕЙФА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

3.1. Постановка вопроса

3.2. Детерминированная модель расходования ресурса

3.3. Вероятностно-детерминированная активационная модель дрейфа функциональных параметров изделий полупроводниковой электроники

3.4. Краткие выводы по разделу 3

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ АКТИВ АЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДРЕЙФА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

4.1. Компьютерное моделирование процессов деградации элементов конструкций РЭС с помощью компьютерной программы «Моделирование

срока службы изделий электронной техники»

4.2. Прогнозирование сроков службы изделий наноразмерного масштаба методами вычислительного эксперимента (методом BKA)

4.3. Краткие выводы по разделу 4

5. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ, МЕТОДИК ОТБРАКОВКИ И ПРОГНОЗНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

5.1. Устройство контроля и отбраковки диодов

5.2. Устройство контроля и отбраковки стабилитронов

5.3. Методика отбраковки диодов по результатам диагностического контроля

5.4. Разработка прогнозных моделей полупроводниковых приборов

5.5. Исследование других методов прогнозирования

5.6. Краткие выводы по разделу 5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ процессов деградации и индивидуальное прогнозирование показателей качества и надежности полупроводниковых элементов бортовых радиотехнических устройств»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из тенденции современного рынка электроники является повышение требований к надежности изделий. Отказы изделий космической промышленности приводят к большим финансовым затратам ввиду невозможности или дороговизны выявления и ремонта отказа, произошедшего на объекте, находящимся в космосе. К тому же, в некоторых случаях потери могут исчисляться не только деньгами, но и человеческими жизнями [1].

Важное место занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. Статистика показывает, что в последнее время увеличилось количество аварий, связанных с отказом бортовой аппаратуры (например, спутник «KazSat - 1»), При этом наиболее слабым звеном является электронная начинка [2].

Проблема обеспечения высокой надежности и безотказности космических аппаратов (К А) становится крайне значимой. Надежность К А в сильной степени определяется надежностью бортовых радиотехнических устройств (БРТУ).

Радиотехнические устройства космического назначения в период эксплуатации подвергаются интенсивным механическим, электрическим, тепловым, радиационным, электромагнитным и др. воздействиям. Это является одной из основным причин возникновения отказов. При этом могут возникать так называемые системные отказы, возникающие при одновременном воздействии всех или нескольких дестабилизирующих факторов. Актуальность задачи повышения надежности БРТУ связана также с увеличением требований к их функциональным возможностям и конструктивно технологическим показателям (увеличение степени интеграции, уменьшение массо-габаритных показателей).

На данном этапе широко распространена концепция повышения надежности бортовой аппаратуры, которая базируется преимущественно на повышении надежности ее элементной базы. По данным Тюлевина C.B.,

который провел анализ отказов РТУ космического назначения за 20 лет, основная доля отказов приходится на элементную базу. Им выявлены критичные электрорадиоизделия (ЭРИ) - диоды, интегральные микросхемы, стабилитроны и др. Следовательно, одним из путей решения задачи повышения надежности БРТУ является мониторинг стабильности параметров и качества работы полупроводниковых приборов и микросхем, а также отбор наиболее надежных образцов [3,4].

На ранних этапах проектирования, где закладывается та долговечность, которая будет реализована при изготовлении и обеспечена при эксплуатации, основным методом подтверждения требований электронных средств (ЭС) космических аппаратов (КА) и систем по долговечности является расчетная оценка (прогнозирование минимальной наработки) [5].

В настоящее время существует потребность увеличения сроков активного функционирования (САФ) КА. В связи с этим проблема обеспечения надежности бортовых радиотехнических устройств приобретает еще большую актуальность и значимость.

Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что создание КА со САФ более 8 лет затруднительно без изменения традиционного подхода к обеспечению отказоустойчивости и долговечности бортовых РТУ [6].

Одним из перспективных направлений повышения надежности бортовых РТУ является отбраковка потенциально ненадежных ЭРИ на основе диагностического контроля и индивидуального прогнозирования (ИП) основных показателей качества.

Диагностирование технического состояния радиоэлектронных устройств является неотъемлемой частью процесса их разработки, производства, испытаний и эксплуатации [7]. Существуют различные способы диагностирования РЭА, например, метод диагностирования параметрических отказов элементов [8]. За рубежом многие системы, например, на ПЛИС, имеют встроенные специализированные порты ТАР (Test Access Port), что

позволяет проводить тестирование и отладку модуля путем формирования тестовых воздействий и считывания реакции по интерфейсу JTAG [9]. Производители ПЛИС нового поколения оснастили кристаллы разнообразными программно-аппаратными механизмами для диагностирования [7]. К ним можно отнести Time Quest Timing Analyser, Signal Tap II Logic Analyser (фирма Альтера) [10].

Удобным средством решения задачи идентификации состояний исследуемой системы и протекающих в ней процессов служит искусственная нейронная сеть (ИНС), а процесс её обучения - средством хранения и уточнения соответствующих математических моделей [11].

Авторами [12] на основе данного метода разработан программный комплекс и методика обеспечения тепловой контролепригодности РТУ на этапе проектирования.

Решение задачи предотвращения отказов систем ответственного назначения в значительной степени зависит от возможности мониторинга и прогнозирования их технического состояния или остаточного ресурса [13]. Однако для многих технических объектов осуществить непрерывный контроль невозможно, а при дискретном контроле каждая оценка их фактического состояния часто связана с существенными материальными затратами. В этих случаях прогнозирование позволяет решать задачу назначения оптимальных моментов контроля, в промежутках между которыми не произойдет отказа [13].

Вопросом прогнозирования показателей качества РТУ посвящены работы Андреевой В.В., Антипова О.И., Викулина ИМ., Гаскарова Д.В., Горлова М.И., Карпова О.В., Кейджяна Г.А., Коробицына В.В., Пиганова М.Н., Сагояна A.B., Строгонова A.B., Тюлевина C.B., Фомина A.B., Workman W., Novak T., Vaccaro I., Smith I., Kato Y., Kool C.F., Mackintosh 1. и др.

Предложенные в данных работах методы, алгоритмы, модели и методики используются для прогнозирования показателей качества ограниченного

количества устройств и элементов. Для многих типов ЭРИ такие алгоритмы, модели и методики являются неэффективными.

Одной из причин низкой эффективности известных методик ИП является слабая изученность процессов деградации ЭРИ в процессе эксплуатации, отсутствие данных по детальному анализу активационных явлений, по кинетике протекания индивидуальных физико-химических процессов в фрагментах полупроводниковых структур. Это затрудняет определение и выбор наиболее информативных параметров, необходимых для разработки точных прогнозных моделей.

В связи с этим совокупность вопросов, связанных с комплексным подходом к повышению надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных образцов полупроводниковых ЭРИ на основе новых моделей и методик является весьма актуальной

Целью диссертационной работы является повышение надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных элементов на основе принципов электрофизической диагностики и индивидуального прогнозирования.

Объектом исследования является полупроводниковые приборы бортовых радиотехнических устройств космического назначения.

Предметом исследования является методы, методики, модели и алгоритмы индивидуального прогнозирования надежности и показателей качества полупроводниковых приборов БРТУ космического назначения.

Методы исследований включают аппарат математического и физического моделирования, численного анализа, теории распознавания образцов, экспертных оценок, элементы термодинамики, теории вероятностей и математической статистики.

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи: 1. Анализ активационных явлений в элементах радиотехники и связи, определяющих динамику процессов деградации функциональных пара-метров изделия.

2. Разработка метода определения активационных характеристик кинетического моделирования процессов деградации элементов при воздействии на изделие возмущающих факторов термического и полевого типов.

3. Разработка математической модели расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства космического назначе-ния и методики определения её параметров.

4. Разработка методики ИП показателей качества элементов устройств радиотехники и связи и прогнозных моделей, обеспечивающих высокую эффективность прогноза.

5. Анализ эффективности контроля и разработка методик диагностики и устройств отбраковки элементов и устройств БРТУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование, и приложений. Основная часть работы изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 36 рисунков, 13 таблиц.

В первой главе рассмотрена проблема прогнозирования качества и надежности элементов БРТУ, сделан систематизированный обзор методов прогнозирования. Приведен сравнительный анализ этих методов. Описаны известные операторы (модели) прогнозирования. Сделан выбор наиболее эффективных методов индивидуального прогнозирования.

Во второй главе рассмотрена общая концепция по установлению взаимосвязи между интенсивностями протекания процессов деградации элементов конструкции космических РЭС и срокам службы изделий. Дрейф функциональных параметров элементов представлен как следствие протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации в материалах и фрагментах изделия.

Детерминированная модель расходования ресурса полупроводникового изделия рассмотрена в третьей главе.

Определение параметров модели деградации технических параметров производится с помощью натурных моделирующих экспериментальных

исследований. Для проведения исследований берется партия элементов и принимается, что в пределах выбранной партии элементы являются идентичными с точки зрения их начальных параметров П0 и процессов деградации под воздействием возмущающих факторов.

Была также построена вероятностно-детерминированная модель. Четвертая глава посвящена прогнозированию срока службы изделий электронной техники на основе активационной модели дрейфа параметров.

Физико-технические принципы и этапы проведения анализа процессов деградации элементов конструкции РЭС представлены ниже.

Проведено компьютерное моделирование процесса деградации элементов БРТУ методом вероятностного клеточного автомата.

В пятой главе рассмотрены вопросы контроля, отбраковки и индивидуального прогнозирования полупроводниковых приборов. Предложено устройство для отбраковки диодов. Разработано устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов. Предложена и апробирована методика отбраковки полупроводниковых приборов по результатам диагностического контроля. Она предусматривает трёхэтапную отбраковку путём сравнения ш - параметра, низкочастотного шума 11ш и взрывного шума ивзр с пороговыми значениями. В заключении указывается основные результаты и выводы. В приложениях представлены акты использования и другие материалы.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Результаты анализа кинетики протекания физико-химических процессов в элементах и структурах устройств радиотехники и связи космического назначения, которые позволили разработать метод определения активационных характеристик.

2. Детерминированные и вероятностно-детерминированные математические модели расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства.

3. Методика ИП и прогнозные модели полупроводниковых элементов, которые обеспечили высокую эффективность прогноза.

4. Методика отбраковки полупроводниковых приборов на основе р-п переходов.

В результате проведенных исследований представляются к защите следующие основные положения и результаты:

1. Разработанная математическая модель дрейфа функциональных параметров полупроводникового прибора, основанная на активационных представлениях.

2. Разработанная методика определения характеристических показателей активационной модели дрейфа функциональных параметров полупроводниковых приборов.

3. Прогнозные модели полупроводниковых приборов для БРТУ.

4. Методика отбраковки потенциально ненадёжных полупроводниковых приборов.

Практическая значимость результатов работы заключаются в следующем.

Предложены общие принципы и этапы проведения и анализа процессов деградации полупроводниковых элементов радиотехники и связи. Предложена методика проведения ускоренных испытаний. Разработаны устройства для отбраковки ненадежных диодов и стабилитронов. Разработана методика диагностического неразрушающего контроля диодов по характерным точкам вольт-амперной характеристики и шумовым параметрам. Сделан выбор наиболее эффективных методов ИП.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью разработанных математических моделей, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы внедрены в ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», в учебный процесс специальности 210201 в СГАУ, использованы при выполнении ряда НИОКР.

Личный вклад автора в проведенное исследование. Представленные на защиту результаты диссертации получены автором самостоятельно. Результаты, опубликованные совместно с другими авторами, принадлежат соавторам в равных долях. Результаты других авторов, которые использованы при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.

Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: 1-й Российско-белорусской НТК "Элементная база отечественной радиоэлектроники" (г. Нижний Новгород, 2013 г.), 6-й

международной НТК "Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика" (г. Рязань, 2013 г.), всероссийской НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2011г.); всероссийской НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011г.); X международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», г. Москва, 2007г.; международной НТК «Инновационная экономика и промышленная политика региона» (ЭКОПРОМ-2010), СПб, 2010г.; международной НТК «Высокие технологии, функциональные и прикладные исследования, образование», СПб, 2008г.; международная НТК «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития», Украина: Одесса, 2010г.; всероссийской НПК «Современные наукоемкие инновационные технологии», г. Самара, 2010г.; международной НПК «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Украина: Одесса, 2009г.; всероссийский НТК «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», г. Самара, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013гг.; международном симпозиуме «Надежность и качество», г. Пенза, 2005, 2006, 2007гг.; международной молодежной конференции «Туполевские чтения», г. Казань, 2005, 2006, 2007гг.; всероссийской молодежной конференции «Королевские чтения», г. Самара, 2007г.; международной молодежной конференции «Гагаринские чтения», г. Москва, 2007г.; международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2005 г.; международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007г..

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ (личная доля 6,312 п.л.), в том числе 7 работ (личная доля 2,048 п.л.) - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России, 3 патента на изобретения (личная доля 0,462 п.л.). 13 работ написаны единолично, из них одна из перечня ВАК, и опубликованы без соавторов.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ БРТУ

1.1. Косвенный метод прогнозирования

В работе [14] рассмотрены причинно-следственные основы косвенного

метода прогнозирования показателей надежности технических объектов. Причинно-следственная связь между прогнозируемыми показателями надежности и заданной для любого момента времени в будущем функцией воздействия, а также заданным к моменту начала прогнозирования техническим состоянием объекта выражается в форме меры истинности высказываний, т.е. предикатов определенного вида.

Косвенные методы можно использовать для прогнозирования надежности восстанавливаемых технических объектов [15]. Показателями надежности в этом случае служат характеристики потоков отказов, связанные причинно-следственными зависимостями с составляющими комплекса условий испытаний объекта прогноза. Для применения косвенных методов прогнозирования потоков отказов восстанавливаемых технических объектов необходимо непрерывные переменные комплекса условий испытаний (или эксплуатации) объекта преобразовать в последовательности некоррелированных случайных величин, зависящих от порядкового номера нагружения объекта как от параметра. Такое преобразование осуществляется по "методу некоррелированных максимумов".

Автор [16] использовал косвенный метод для прогнозирования интенсивности потока отказов восстанавливаемого нестареющего объекта. Им получено уравнение восстановления для рекуррентного потока с запаздыванием.

Функция параметра потоков отказов была использована [ 17] для прогнозирования надежности сложных технических систем с трибосопряжениями типа пневмомеханических прядильных машин.

В статье [18] рассматриваются характерные особенности прогностического процесса как вероятностного суждения относительно

ненаблюдаемого состояния объекта в какой то момент времени. Прогнозирование состояний технического объекта связано с необходимостью построения (мысленного) общей последовательности логически связанных между собой как во времени, так и в пространстве (например, в пространстве свойств объекта) событий, отображающих динамику действия, следствием которого может быть как отказ, так и безотказная работа.

Под прогнозом понимается вероятностное научно-обоснованное суждение относительно ненаблюдаемого состояния объекта в какой то момент времени или возможных путей достижения такого состояния, определенного в качестве цели.

Прогнозирование надежности косвенными методами - это последовательная цель актов реализации комплекса условий испытания объекта. Каждый акт испытания - это сценарий, разыгрываемый в динамике составляющими комплекса условий испытания, при котором появляются количественные характеристики надежности объекта. Эти характеристики (или показатели) надежности и являются предметом прогноза.

Для прогнозирования составляющих комплекса разработаны методы преобразования непрерывных случайных объектов прогноза и разработаны методы преобразования непрерывных случайных процессов, характеризующих воздействие внешней среды на объект прогноза - й(£), и характеристик самого объекта прогноза х(£) в упорядоченные последовательности (векторы) некоррелированных случайных величин 11<п> и Х<п> [1 (1) п]. Таким образом, взаимодействие объекта с внешней средой на интервале времени прогноза Т можно представить последовательностью актов независимых взаимодействий.

В статье [19] предлагается методика построения модели косвенного прогнозирования показателей надежности «стареющего» объекта. Нелинейность реализаций случайной функции старения объекта х (п) в общем случае, приводит к нелинейным измененным изменениям начала отсчета

сопряженной с ней случайно переменной (нагрузки) и неравномерным преобразованием ее масштаба, что связано с определенными трудностями аналитического представления результатов прогноза показателей надежности. Трансформация переменной х в последовательной цепи испытаний в переменную х^ , в общем случае, заключается в изменении начала отсчета переменной х2 и изменении ее масштаба по отношению к переменной х. Учет этого обстоятельства наряду с учетом условия непоявления отказа (безотказной работы) существенно затрудняет представление функции распределения величины х^ аналитическим выражением. Предлагается учитывать изменения переменной х^ адекватными изменениями переменной и^, что существенно упрощает модели прогнозирования надежности.

В соответствии с «методом некоррелированных максимумов», разработанным в [20], непрерывный скалярный случайный процесс т2(£), характеризующий внешнее воздействие на объект, можно преобразовать в п -мерный случайный вектор с независимыми составляющими £(0 => 0~ = [?? = 1(1>о],

где - случайный непрерывный процесс изменения внешней нагрузки,

действующей на объект; 0<п> - п - мерный вектор дискретных случайных величин.

Каждая компонента этого вектора является характеристикой воздействия фона на объект в соответствующем испытании. Кроме того в [21] предложена методика согласования функции, описывающей старение характерного технического параметра объекта х(п) (величина которого определяет условие отказа или безотказной работы), с функцией внешнего воздействия

Таким образом, при косвенном прогнозировании показателей надежности объектов, подверженных старению, учет старения в модели прогнозирования надежности сводится к последовательной трансформации внешнего фона Рп(рсух^ в цепи мысленных испытаний, т.е. к

последовательному переходу от одной системы отсчета нагрузки у другой, метрические характеристики которых определяются параметрами старения. Такой подход существенно упрощает аналитическое представление результатов прогноза, связанных сложными зависимостями с вероятностями исходных характеристик объекта прогноза.

1.2. Последовательное прогнозирование вероятностей

В статье [22] предлагается модификация метода последовательного

прогнозирования вероятностей (MILLIB) для дискриминантного анализа моделей пласта по данным гидродинамических исследований скважин (ГДИС). Данная модификация Ml 11 IB нацелена, главным образом, на снижение вычислительных затрат. Это достигается за счет объединения метода последовательной регрессии и теории вероятностей. Приведены результаты сравнения Mill IB с его модифицированной версией.

В статье описывается модифицированный МППВ. Главным недостатком обычного МППВ являются достаточно высокие вычислительные затраты для его реализации. В частности, на каждом шаге последовательной процедуры МППВ необходимо производить оценку параметров с помощью нелинейной регрессии.

Модификация МППВ нацелена, главным образом, на снижение вычислительных затрат. Это достигается за счет объединения метода последовательной регрессии и теории вероятностей. Метод последовательной регрессии - это частный случай методов нелинейной регрессии. Он используется в тех случаях, когда оптимальные значения параметров могут быть получены на основе п точек данных. Когда становится доступной п+1 -я точка данных, оптимальные значения параметров для п+1 точек данных определяется непосредственно из оптимальных значений параметров и матрицы Гессе для п точек данных. Данный метод не требует интераций и в сравнении с нелинейной регрессией может заметно уменьшить количество вычислений. Применительно к ГДИС метод последовательной регрессии для оценки параметров исследовался, например, в [23, 24].

Рассмотрены основные проблемы, с которыми часто сталкиваются при обработке данных реальных гидродинамических исследований скважин (ГДИС). Приведены результаты проверки применимости метода последовательного прогнозирования вероятностей (МППВ) к идентификации корректной модель пласта на основе смоделированных данных ГДИС.

В статье рассматриваются ситуации, возникающие при дискриминантном анализе сложных моделей пласта по результатам ГДИС.

К сложным моделям можно отнести модель пласта с двойной пористостью и непроводящим сбросом, модель пласта с двойной пористостью и непроницаемой внешней границей, а также модель пласта с двойной пористостью и постоянным давлением на внешней границе [25], поскольку они включают шесть параметров пласта {к, С, те!, со и Л) и учитывают влияние двух видов пустотности и граничные эффекты.

На основании проведенных исследований МППВ можно считать достаточно надежным инструментом проведения различий между сложными моделями-кандидатами пласта в процессе их дискриминантного анализа. Кроме того, МППВ предоставляет возможность количественной верификации процессе идентификации моделей. Например, рис. 66 наглядно показывает периоды времени, в течение которых преобладает тот или иной режим фильтрации: сначала радиальное течение в бесконечном пласте с двойной пористостью и, наконец, режим псевдостационарной фильтрации вследствие непроницаемой внешней границы.

1.3. Кластерный анализ

Использование теории распознавания образов является одним из

перспективных направлений прогнозирования состояния сложных технических систем. При этом используются методы и приемы, позволяющие по информативным параметрам (признакам) относить объект изучения к тому или иному классу и характеризовать его состояние. Решение задач классификации основано на кластерном анализе [26, 27].

Кластерный анализ - математическая процедура многомерного анализа,

позволяющая на основе множества показателей, характеризующих ряд состояний объектов (образов), сгруппировать их в классы (кластеры) таким образом, чтобы объекты, входящие в один класс (образ), были более однородными, сходными по сравнению с объектами, входящими в другие классы.

Решением задачи кластерного анализа является разбиение, удовлетворяющее некоторому критерию оптимальности. В качестве критерия может быть функционал, например, сумма квадратов отклонений измеренных параметров объекта. Границы кластеров определяют на основе обработки экспериментальных данных, полученных в различных известных состояниях работоспособности. Классификационные (разделяющие) линии или функции, которые делят область наблюдаемых значений у на части, соответствующие различным состояниям работоспособности, определяют методами дискриминационного анализа и распознавания образов, например, методами случайных плоскостей, потенциальных функций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козлова, Ирина Николаевна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Наседкин, A.B. Методика производственных испытаний узлов [Текст] / A.B. Наседкин, C.B. Тюлевин, М.Н. Пиганов // Вестник СГАУ, 2012. -№7. - С. 76-84.

2. Ергалиев, Д.С. Основные аспекты повышения надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры [Текст] / Д.С. Ергалиев и [др] // Качество и надежность - 2013: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2013.-Т.1.-С.98-101.

3. Витвицкий, В.Г. Факторы повышения надежности и устойчивости работы полевых транзисторов с барьером Шоттки [Текст] / В.Г. Витвицкий, Т.А. Гевондян, В.Н. Дианов // Надежность и качество - 2013: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Т.2. - С. 124-126.

4. Rainal, A.I. Performance Limits of Electrical Interconnections to a High - Speed Chip [Text] / A.I. Rainal // «IEEE Trans. Compar. Hybrids and Manuf Technol», 1988,11, №3, p. 260-266.

5. Жаднов, B.B. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем [Текст] / В.В. Жаднов // Надежность и качество сложных систем, 2013. - №2. - С. 65-73.

6. Артюхова, М.А Влияние радиации на вероятность безотказной работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры [Текст] / М.А. Артюхова // Надежность и качество - 2013: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Т.2. - С. 9-11.

7. Увайсов, С.У. Диагностирование компонентов силовых преобразователей как средство повышения надежности их работы [Текст] / С.У. Увайсов, В.А. Коковин, В.И. Дягилев // Качество и надежность - 2013: труды междун. Симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Т.2. - С. 400-403.

8. Увайсов, С.У. Методы диагностирования радиоэлектронных устройств систем управления на протяжении их жизненного цикла: автореф. докт. дисс. - М., 2000. - 49 с.

9. Altéra Corporation. «IEEE 1149.1 (JTAG) Boundary - Scan Testing in Altéra Devices», Application Note 19. 2005.

10. Altéra Corporation. «Use SignalTap II Embedded Logic Analyzer SOPC Builder Systems», Application Note 323. 2007.

11. Михеев, A. M. Алгоритмы интеллектуального анализа данных в информационной системе поддержки удаленного эксперимента [Текст] / А.М. Михеев, П.С. Краснощеков // Надежность и качество сложных систем, 2013. — №2.-С. 81-86.

12. Увайсов, С.У. Методика обеспечения тепловой контролепригодности радиотехнических устройств на этапе проектирования [Текст] / С.У. Увайсов, Н.К. Юрков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета) (СГАУ). - 2012. - №7. - С. 16-22.

13. Абрамов, О.В. Анализ и прогнозирование техногенных рисков [Текст] / О.В. Абрамов // Информатика и системы управления. - 2012. - №3. -С. 97-105.

14. Дедков, В.К. Причинно-следственные основы косвенного метода прогнозирования показателей надежности [Текст] / В.К. Дедков, Н.А. Северцев // Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2010. - Т. 1. - С. 3-4.

15. Дедков, В.К. Косвенный метод прогнозирования показателей надежности восстанавливаемых технических объектов [Текст] / В.К. Дедков // Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. -Пенза: Изд-во ПТУ, 2010. - Т.1. - С. 4-5.

16. Дедков, В.К. Косвенный метод прогнозирования интенсивности потока отказов восстанавливаемого нестареющего объекта [Текст] / В.К.

Дедков // Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Т. 1. - С. 370-371.

17. Артёмов, И.И. Прогнозирование надежности и длительности приработки технологического оборудования по функции параметра потока отказов [Текст] / И.И. Артёмов, А.С. Симонов, Н.Е. Денисова // Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Т.2. - С. 3-7.

18. Остащкевич, В.А. Прогнозирование надежности и безопасности методами статистического подобия [Текст] / В.А. Остащкевич // Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Т.2. - С. 249-254.

19. Дедков, В.К. Прогностика и косвенное прогнозирование надежности технических объектов [Текст] / В.К. Дедков // Надежность и качество - 2009: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. - Т.1. - С. 108-110.

20. Денисов, С.В. Модификация метода последовательного прогнозирования вероятностей для выбора оптимальной сложности математической модели пласта коллектора [Текст] / С.В. Денисов, Р.И. Исмагилов // Надежность и качество - 2009: труды междун. симпоз. в 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. - Т.1. - С. 282-285.

21. Padmanabhan, L. and Р.Т. Woo, A new approach to parameter estimation in Well Testing // Paper SPE 5741 presented at the SPE Symposium on Reservoir Simulation, Los Angeles, 19.

22. Padmanabhan, L. WELLTEST - A program for computer-aided analysis of pressure transient data from well tests // Paper SPE 8391 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Las Vegas, 1979.

23. Абрамов, O.B., Прогнозирование состояния технических систем [Текст] / О.В. Абрамов, А.Н. Розенбаум. - М.: Наука, 1990. - 126 с.

24. Бестужев, И.В. Рабочая книга по прогнозированию [Текст] / И.В. Бестужев // Редкол.: И.В. Бестужев - Лада(отв. ред.). - М.: Мысль, 1982. - С.

3-273.

25. Гаскаров, Д.В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры [Текст] / Д.В. Гаскаров, Т.А. Голинкевич, A.B. Мозгалевский. - М.: Сов. Радио. - 1974. - 224 с.

26. Гонсалес, Г.К. Принципы распознавания образов [Текст] / Г.К. Гонсалес // Перев. с англ. И.Е. Гуревича: Под ред. Ю.И. Журавлёва,- М.: Мир, 1978.-414 с.

27. Мандель, И.Д. Кластерный анализ [Текст] / И.Д. Мандель. - М.: Финансы и статистика, 1988. - 176 с.

28. Барабаш, Ю.Л. Коллективные статистические решения при распознавании [Текст] / Ю.Л. Барабаш. - М.:Радио и связь, 1983. - 224 с.

29. Горелик, А.Л. Методы распознавания [Текст] / А.Л. Горелик, В.А. Скрипкин. - М.: Высшая школа, 1989. - 232 с.

30. Дуда, Р. Распознавание образов и анализ сцен [Текст] / Р. Дуда, П. Харт // Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 510 с.

31. Ту, Дж. Принципы распознавания образов [Текст] / Дж. Ту, Р. Гонсалес // Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 410 с.

32. Уинстон, П. Искусственный интеллект [Текст] / П, Уинстон // Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 520 с.

33. Фу, К. Структурные методы в распознавании образов [Текст] / К. Фу // Пер. с англ. - М.: Мир, 1977. - 320 с.

34. Журавлёв, Ю.И. Об алгебраических методах в задачах распознавания и классификации [Текст] / Ю.И. Журавлёв // Распознавание. Классификация. Прогноз. Математические методы и их применение. Вып. 1. -М.: Наука. 1989.-С. 9-16.

35. Ни, С. 1С reliability simulation [Text] / С/ Ни // IEEE Solid-Stite Cier. - 1992. - Vol. 27, № 3. - P. 241-246.

36. Ни, С. The Berkley reliability simulator BERT: an 1С reliability simulator [Text] / С. Ни // Microelectr. - 1992. - Vol. 23, № 2. - P. 97 - 102.

37. Roy, Wheeler Design for reliability reshapes designing [Text] /

Wheeler. Roy//ED. - 1991. - № l.-P. 121-132.

38. Пестряков, В.Б. Индивидуальное прогнозирование состояния РЭА с использованием теории распознавания образов [Текст] /В.Б. Пестряков, В.В. Андреева // Учебное пособие. - Куйбышев. 1980. - 82 с.

39. Корецкий, Н.Х. Прогнозирование надежности элементов РЭС на основе информативных параметров [Текст] / Н.Х. Корецкий, В.И. Дубровин // Теория и практика обеспечения надежности и качества радиоэлектронных средств. - Киев: УМК ВО, 1992. - С.90-95.

40. Симанков, B.C., Луценко Е.В. Адаптивное управление сложными системами на основе теории распознавания образов: Монография (научное издание) [Текст] / B.C. Симанков, Е.В. Луценко // Техн. ин-т Кубан. гос. технолог, ун-та. - Краснодар, 1999. - 318 с.

41. Айзерман, М.А. Проблема обучения машин распознаванию внешних ситуаций [Текст] / М.А. Айзерман, Э.М. Браверманн, Л.Н. Розоноэр // Самообучающиеся автоматические системы. - М.:Наука, 1966. - С. 121 -125.

42. Айзерман, М.А., Браверманн Э.М., Розоноэр Л.И. Метод потенциальных функций в теории обучения машин [Текст] / М.А. Айзерман, Э.М. Браверманн, Л.Н. Розоноэр. - М.: Наука, 1970. - 384 с.

43. Фомин, В.Н. Математическая теория опознающих систем [Текст] / В.Н. Фомин.-Л.: ЛГУ, 1976. - 294 с.

44. Фомин, Я. А. Статистическая теория распознавания образов [Текст] / Я.А. Фомин, Г.Р. Тарловский. - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.

45. Чу ев, Ю.В. Прогнозирование количественных характеристик процессов [Текст] / Ю.В. Чуев, Ю.Б. Михайлов, В.И. Кузьмин. - М.: Сов. Радио, 1975.-400 с.

46. Шауцукова, Л.З. О выборе мощности голосующих подмножеств при решении задач классификации методом вычисления оценок [Текст] /Л.З. Шауцукова // Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей процессов: Тезисы докладов. Часть 2. Москва, 1982. - С. 23-26.

47. Кузин, JI.T. Основы кибернетики. Основы кибернетических моделей. Т2 [Текст] / J1.T. Кузин. - М.: Энергия, 1979. - 584 с.

48. Мазуров, В.Д. Метод комитетов в задачах оптимизации и классификации [Текст] / В.Д. Мазуров. М.: Наука, 1990. - 248 с.

49. Елизаров, С.В. Прогнозирование надежности космической аппаратуры с помощью нейроимитатора многослойного персептрона [Текст] / С.В. Елизаров, М.Г. Хасиятуллов // Регион. НПК, посвященная 50-летию первого полёта человека в космос: тез. докл. - Самара: Изд-во СГАУ, 2011. -С.177-178.

50. Шумских, И.Ю Использование нейроимитатора для прогнозирования показателей надежности космической аппаратуры [Текст] / И.Ю. Шумских, М.Н. Пиганов // Регион. НПК, посвященная 50-летию первого полёта человека в космос: тез. докл. - Самара: Изд-во СГАУ, 2011. - С. 205207.

51. Дубровин, В.И. Построение систем диагностики на основе карт самоорганизации Кохонена [Текст] / В.И. Дубровин, С.А. Субботин // 6-я Всероссийская конференция "Нейрокомпьютеры и их применение", Москва 1618 февраля 2000: Сборник докладов. - М.: Издательство журнала "Радиотехника", 2000. - С. 464-467.

52. Бурова, Д.Н. Корреляционный алгоритм определения параметров, прогнозирующих надежность интегральных схем [Текст] / Д.Н. Бурова, А.И. Коёкин, Г.Т. Софинский // Электронная техника. Сер. III. Микроэлектроника. Вып. 4, 1972.

53. Reiser Benjamin, fer Sbaul Bar. Hikelihocd Inference for life test data, IEEE Transactions on Reliability, 1979,R_28, №1, P.65-66.

54. Боровиков, C.M. Применение методов индивидуального прогнозирования для повышения надёжности микроминиатюрных радиоэлектронных устройств [Текст] / С.М. Боровиков // Микроминиатюризация радиоэлектронных устройств: Межвуз. сб. - Рязань, 1980, № 3. - С.68-72.

55. Грень, Е. Статистические игры и их применение [Текст] / Е. Грень .М.: Статистика, 1975. - С.98-103.

56. Кузнецов, P.C. Исследование регрессионной модели прогнозирования метрологических дефектов [Текст] / P.C. Кузнецов // Надёжность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Т.2.-Пенза: Инф,- изд. центр ПТУ, 2008. - С.206-208.

57. Андреева, В.В. Индивидуальное прогнозирование экстраполяцией стабильности тонкопленочных резисторов [Текст] / В.В. Андреева, М.Н. Пиганов, А.И. Беляков // Микроминиатюризация радиоэлектронных устройств: Межвуз.сб. - Рязань: РРТИ, 1981. Вып.4. - С. 123-127.

58. Климченко, В.В. Применение преобразования Лапласа для прогнозирования технического состояния контролируемых объектов [Текст] / В.В. Климченко // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Т.2.- Пенза: Инф.- изд. центр ПТУ, 2008,- С.20-22.

59. Абрамов, О.В. Стабильный прогноз технического состояния и надёжности объектов контроля [Текст] / О.В. Абрамов, В.В. Климченко // Автоматика и телемеханика,- 1987.- №5.- С.165-173.

60. Романчева, Н.И. Оценка и прогнозирование надёжности средств вычислительной техники [Текст] / Н.И. Романчева, И.В. Романчев // Надёжность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Т.2.-Пенза: Инф.- изд. центр ПТУ, 2008,- С.39-41.

61. Бусленко, Н.П. Моделирование сложных систем [Текст] / Н.П. Бусленко. - М.: Наука, 1978,- 400 с.

62. Дульский, Г.И. Метод экстраполяции описания классов и его использование для прогнозирования долговечности изделий [Текст] / Г.И. Дульский // Надёжность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Т.2.- Пенза: Инф,- изд. центр ПТУ, 2008. - С. 180-182.

63. Барабаш, Ю.Л. Вопросы статистической теории распознавания [Текст] / Ю.Л. Барабаш, Б.В. Варский и др. - М.: Сов. радио, 1967. - 400 с.

64. Борисов, A.A. Прогнозирование остаточного ресурса изделий радиоэлектроники [Текст] / A.A. Борисов, Т.Д. Карташов // Успехи современной радиоэлекроники. - М.: Радиотехника - 2004,- № 12. - С.47-59.

65. Карташов, Т.Д. Многомерное прогнозирование надёжности изделий [Текст] / Т.Д. Карташов // Надёжность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х томах. Т.2. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2006. - С.39-42.

66. Карпов, О.В. Индивидуальное прогнозирование параметров элементов и компонентов микросборок и узлов радиоэлектронных устройств передачи информации [Текст] / О.В. Карпов. Канд. дисс.- Самара, 2005. - 162 с.

67. Пиганов, М.Н. Методика экспертной оценки качества испытаний микросборок [Текст] / М.Н. Пиганов, А.Н. Худяков // Надежность и качество: Труды междун. симпоз. 21 - 31.05.01. -Россия, Пенза, 2001. - С.332-334.

68. Пиганов, М.Н. Оптимизация контроля качества микросборок на основе экспертных оценок [Текст] / М.Н. Пиганов // Сертификация и управление качеством: Матер. 2-й междун. НТК 21-22.05.02. - Россия, Брянск, 2002.-С.178-180.

69. Ермолаев, Ю.П. Многокритериальная оптимизация технических решений электронной аппаратуры с ограничениями на показатели качества и с применением экспертных оценок [Текст] / Ю.П. Ермолаев, В.Г. Саиткулов, М.В. Харитонов, Ю.Р. Гафуров // Электронное приборостроение. - Казань: КГТУ (КАИ), 2000 . Вып. 1(13). - С.6-43.

70. Тюлевин, C.B. Выбор методов индивидуального прогнозирования показателей качества РЭС на основе экспертных оценок [Текст] / C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова // Современные направления теоретических и прикладных исследований - 2009: сборн. науч. тр. по матер, междун. НПК 16 - 27 марта 2009. - Украина, Одесса: Черноморье. - 2009.-Том 43. - С.52-56.

71. Займан, Дж. Модели беспорядка [Текст] / Дж. Займан. - М.: Мир, 1982.-592 с.

72. Эммануэль, Н.М. Курс химической кинетики [Текст] / Н.М. Эммануэль, Д.Г. Кнорре. - М.: Высшая школа, 1969. - 432 с.

73. Пригожин, И. Современная термодинамика [Текст] / И. Пригожин, Д. Кондепуди. - М.: Мир, 2002. - 461 с.

74. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике [Текст] / Д.А. Франк-Каменецкий. -М.: Наука, 1987. - 502 с.

75. Справочник по вероятностным расчетам. - М.: Воениздат, 1970. -536 с.

76. Козлова, И.Н. Взаимосвязь кинетики процессов деградации функциональных параметров технических устройств с интенсивностью протекания физико-химических процессов в конструкционных материалах [Текст] / Козлова И.Н., Саноян А.Г. // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. - 2010.- Вып. 4(10). - С. 189-193.

77. Козлова, И.Н. Анализ процессов деградации элементов космических радиоэлектронных средств при разработке методики прогнозирования их надежности [Текст] / И.Н. Козлова, М.Н. Пиганов // Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ - 2010): труды междун. НТК. - СПб: Изд-во Политех, ун-та. - 20Ю.-Том 2. - С.438-449.

78. Ерёмина, И.Н.* Активационные модели процесса деградации элементов конструкций [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Туполевские чтения: Матер, междун. молод, науч. конф. - Казань: Изд-во КГТУ. - 2005.-Том 4. -С.15-16.

79. Ерёмина, И.Н.* Индивидуальное прогнозирование ресурса электронных изделий, основанное на термоактивационных моделях деградации элементов конструкций РЭС [Текст] / И.Н. Ерёмина* // XXXIII Гагаринские чтения: тез. докл. междун. науч. конф. - М.: МАТИ. - 2007. - С.57.

80. Ерёмина, И.Н.* Индивидуальное прогнозирование долговечности микросхем [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Надежность и качество: труды междун. симпоз. - Пенза: Изд-во ПТУ. - 2006.-Том 1. - С.279.

81. Крылов, В.П. Приближенное вычисление интегралов [Текст] / В.П. Крылов. - М.: Наука, 1967. - 250 с.

82. Нага Yasuhito. Automatic inspection system for printed circuit boards [Text] / Hara Yasuhito, Akiyama Nobuyuki, Karasaki Koichi // IEEE Trans/ Pattern Anal, and Mach/ lntell.-1983.-№6. - P.623-630.

83. Стратанович, P.JI. Нелинейная неравновесная термодинамика [Текст] / Р.Л. Стратанович. - М.: Наука, 1994. - 456 с.

84. Новицкий, К.И. Информационная теория измерений [Текст] / К.И. Новицкий. - М.: Наука, 1999. - 342 с.

85. Ерёмина, И.Н.* Энтропийный подход в вопросах надежности устройств микро- и наноэлектроники [Текст] / И.Н. Ерёмина* // IX Королевские чтения: тез. докл. Всеросс. науч. конф. с междун. уч. - Самара: СГАУ. - 2007. - С. 196.

86. Ерёмина, И.Н.* Энтропийные модели надежности устройств электронной техники [Текст] / И.Н. Ерёмина* // XV Туполевские чтения: тез. докл. междун. науч. конф. - Казань: КГТУ. - 2007. - С.38.

87. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела [Текст] / Ч. Киттель. -М.: Наука, 1978.-792 с.

88. Блейкмор, Дж. Физика твердого тела [Текст] / Дж. Блейкмор. - М.: Мир, 1988.-608 с.

89. Епифанов, Г.И. Физика твердого тела [Текст] / Г.И. Епифанов. -М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.

90. Ландау, Л.Д. Физическая кинетика. Т.5 [Текст] / Л.Д. Ландау, В.И. Лившиц. - М.: Наука, 2002. - 546 с.

91. Крапухин, В.В. Технология материалов электронной техники [Текст] / В.В. Крапухин, И.А. Соколов, Т.Д. Кузнецов. - М.: МИСИС, 1995. -483 с.

92. Уэрт, Ч. Физика твердого тела [Текст] / Ч. Уэрт, Р. Томсон. - М.: Мир, 1966.-568 с.

93. Ерёмина, И.Н.* Прогнозирование срока службы изделий на основе активационных моделей процессов деградации функциональных параметров

[Текст] / И.Н. Ерёмина* //Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х томах. - Пенза. - 2007.-Том 2. - С. 18-21.

94. Козлова, И.Н. Детерминированная модель расходования ресурса электронного устройства [Текст] / И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всерросс. НТК 25-27 мая

2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С. 197-202.

95. Козлова, И.Н. Математические модели дрейфа функциональных параметров электронных изделий [Текст] / И.Н. Козлова, М.Н. Пиганов, C.B. Тюлевин // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010.-Том 12.- №4 (3). - С.668-673.

96. Лифшиц, Е.М. Физическая кинетика [Текст] / Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский. - М.: Наука, 1979. - 528 с.

97. Румер, Ю.Е. Термодинамика, статистическая физика и кинетика [Текст] / Ю.Е. Румер, М.Ш. Рыбкин. - М.: Наука, 1977. - 552 с.

98. Козлова, И.Н. Алгоритм программы моделирования процессов деградации элементов конструкции изделий полупроводниковой электроники [Текст] / И.Н. Козлова // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: докл. Всерос. НТК.- Ижевск: ИжГТУ.-

2011. - С.47-50.

99. Козлова, И.Н. Индивидуальное прогнозирование срока службы радиотехнических устройств [Текст] / И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 12-14 мая 2009. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2009.-Ч.2. - С.93-94.

100. Козлова, И.Н. Прогнозирование срока службы изделий нанораз-мерного масштаба методами вычислительного эксперимента [Текст] / И.Н. Козлова // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения.-2011 .-Вып. 3(13). - С.96-101.

101. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела [Текст] / Ч. Киттель. -М.: Наука, 1978.-792 с.

102. Николис, Г. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации [Текст] / Г. Николас, И. Пригожин. - М.: Мир, 1979. - 520 с.

103. Литвинский, И.Е. Обеспечение безотказности персональных ЭВМ [Текст] / И.Е. Литвинский, В.А. Прохоренко. - М.: Радио и связь, 1993. - 208 с.

104. Миллер, Ю.Г. Физические основы надежности интегральных схем [Текст] / Ю.Г. Миллер. - М.: Сов. радио, 1976. - 320 с.

105. Меламедов, Н.М. Физические основы надежности [Текст] / Н.М. Меламедов. - М.: Энергия, 1970. - 320 с.

106. Агафонов, А.Н. Определение параметров деградации объектов при комплексном воздействии возмущающих факторов среды эксплуатации [Текст] / А.Н. Агафонов, В.В. Варфоломеева, И.Н. Ерёмина*, А.Г. Саноян // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. - 2007. - № 9/2(59). - С.55-62.

107. Козлова, И.Н. Прогнозирование срока службы изделий нанораз-мерного масштаба методами вычислительного эксперимента [Текст] / И.Н. Козлова // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. - 2011. - Вып. 3(13).-С. 96-101.

108. Эйринг, Г. Основы химической кинетики [Текст] Г. Эйринг, С.Г. Лин, С.М. Лин. -М.: Мир, 1983. - 528с.

109. Кнорре, Д.Г. Физическая химия [Текст] / Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, B.C. Музыкантов. - М.: Высшая школа, 1981.-328с.

110. Седов, Л.И. Механика сплошных сред [Текст] / Л.И. Седов. Т.1. -М.: Наука, 1976.-536 с.

111. Краснощёкое, А.Д. Моделирование в системах управления [Текст] / А.Д. Краснощёков, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, A.B. Токарева // Вестник СГАУ.-2011 .-№7. - С. 158-161.

112. Патент РФ №2388006. Устройство для отбраковки диодов. Опубл. 27.04.2010. Бюл. №12. Пиганов М.Н., Шопин Г.П., Тюлевин C.B., Козлова И.Н.

113. Патент РФ №2445640. Устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов. Опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8. Пиганов М.Н., Шопин Г.П., Тюлевин C.B., Козлова И.Н.

114. Тюлевин, C.B. Устройство контроля стабилитронов [Текст] / C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, Т.П. Шопин, А.И. Архипов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ). - 2012. - №7. -С.156-160.

115. Патент РФ № 2450281. Устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов. Опубл. 10.05.2012 Бюл. № 13. Пиганов М.Н., Шопин Г.П., Тюлевин C.B., Козлова И.Н.

116. Нарышкин, А.К., Теория низкочастотных шумов [Текст] / А.К. Нарышкин, A.C. Врачев. - М.: Энергия, 1982. - 125 с.

117. Умблийс, A.A. Методика выделения импульсов взрывного шума [Текст] / A.A. Умблийс // Радиоэлектроника и электросвязь. Флуктуационные процессы в электронных схемах. - Рига: Риж. политехи, ин-т, 1984. - С. 46-52.

118. Пиганов, М.Н. Индивидуальное прогнозирование показателей качества элементов и компонентов микросборок [Текст] / М.Н. Пиганов. - М.: Новые технологии, 2002. - 267 с.

119. Козлова, И.Н. Методика отбраковки полупроводниковых диодов по результатам диагностического контроля [Текст] / И.Н. Козлова, C.B. Тюлевин, М.Н. Пиганов // Элементная база отечественной радиоэлектроники: труды 1-й Российско-Белорусской НТК. - Нижний Новгород, 2013. - С.228-232.

120. Архипов, А.И. Индивидуальное прогнозирование показателей качества полупроводниковых приборов [Текст] / А.И. Архипов, В.П. Глухов, И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и

телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 25-27 мая 2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С.95-100.

121. Карпов, О.В. Индивидуальное прогнозирование показателей качества микросборок методом экстраполяции [Текст] / О.В. Карпов, И.Н. Еремина // Надежность и качество: труды междун. симпоз. - Пенза: Изд-во ПТУ,- 2005. -С.354.

122. Козлова, И.Н. Методика прогнозирования показателей качества полупроводниковых диодов [Текст] / И.Н. Козлова, C.B. Тюлевин, A.B. Токарева // Вестник СГАУ. - 2011.-№7. - С.87-91.

123. Архипов, А.И. Устройство для диагностики и отбраковки полупроводниковых диодов [Текст] / А.И. Архипов, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, A.B. Костин // Тез. докл. Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 2011 - М.: Изд. дом «Спектр», 2011. - С.448-450.

124. Козлова, И.Н. Методика диагностического контроля и отбраковки полупроводниковых диодов [Текст] / И.Н. Козлова, C.B. Тюлевин, A.B. Наседкин // Тез. докл. Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 2011 - М.: Изд. дом «Спектр», 2011. -С.455-457.

125. Козлова, И.Н. Прогнозирование надежности элементов бортовой аппаратуры [Текст] / И.Н. Козлова, И.И. Арзамасцев // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всерросс. НТК 25-27 мая 2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С. 154-155.

126. Елизаров, C.B. Индивидуальное прогнозирование качества микросборок методом вычислительных оценок [Текст] /C.B. Елизаров, И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 12-14 мая 2009. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2009.-Ч.2. -С.92-93.

127. Козлова, И.Н. Индивидуальное прогнозирование надёжности бортовых приборов [Текст] / И.Н. Козлова, M. Н. Пиганов //Высокие

технологии, функциональные и прикладные исследования, образование: сборник трудов. Том 13 / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвеенко. - СПб: Изд-во Политех, ун-та. - 2008. - С.343-344.

128. Ерёмина, И.Н.* Индивидуальное прогнозирование электро-радиоизделий для бортовых радиоэлектронных средств методом обобщенного портрета [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 14-16 мая 2007. - Самара: Изд-во СГАУ.-2007.-С. 193-194.

129. Пиганов, М.Н. Направления повышения надёжности бортовой аппаратуры космических аппаратов [Текст] / М.Н. Пиганов, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, A.B. Наседкин // Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика: тез. докл. 6-й междун. НТК. - Рязань: РГРТУ. - 2013. - С. 132-133.

130. Пиганов, М.Н. Управление качеством радиотехнических устройств космического назначения [Текст] / М.Н. Пиганов, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова // Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика: тез. докл. 6-й междун. НТК. - Рязань: РГРТУ. - 2013. - С. 133-134.

131. Козлова И.Н. Детерминированная модель расходования ресурса электронного устройства [Текст] / И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 25-27 мая 2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С. 197-202.

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Устройство для контроля и отбраковки стабилитронов

Была поставлена задача повысить точность и достоверность отбраковки.

Данная задача решается в устройстве для отбраковки двуханодных стабилитронов, которое содержит двухпороговый компаратор, первый и второй источники опорного напряжения, выходы которых связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора, последовательно соединенные третий источник опорного напряжения и компаратор, согласно изобретению, в него дополнительно введены последовательно соединенные двухполярный генератор пилообразного тока, первый блок выделения абсолютного значения напряжения, сглаживающий фильтр, дифференцирующее устройство и второй блок выделения абсолютного значения напряжения, выход которого связан со вторым входом компаратора, а также последовательно соединненые блок анализа знаков и элемент НЕ, первый, второй, третий и четвертый триггеры, выходы которых образуют одноименные выходы устройства, причем первые входы первого и второго триггеров объединены и подключены к выходу двухпорогового компаратора, первые входы третьего и четвертого триггеров объединены и подключены к выходу компаратора, вторые входы первого и третьего триггеров объединены и подключены также к выходу блока анализа знаков, а вторые входы второго и четвертого триггеров объединены и подключены к выходу элемента НЕ, выход двухполярного генератора пилообразного тока подключен также ко входу блока анализа знаков и к первой анодной клемме испытуемого двуханодного стабилитрона, вторая анодная клемма которого связана с землей, а выход сглаживающего фильтра подключен также к сигнальному входу двухпорогового компаратора.

На рис. 1П представлена блок-схема предлагаемого устройства, на рис. 2П - временная диаграмма работы двухполярного генератора

пилообразного тока, на рис. ЗП - вольт - амперная характеристика двуханодного стабилитрона, на рис. 4П - эпюры, поясняющие принцип работы устройства для отбраковки двуханодных стабилитронов: а - эпюры напряжения на двуханодном стабилитроне; б - эпюры напряжения на выходе первого блока выделения абсолютного значения напряжения; в - эпюры напряжения на выходе сглаживающего фильтра.

Устройство содержит первый триггер 1, двухпороговый компаратор 2, первый источник опорного напряжения 3, двухполярный генератор пилообразного тока 4, испытуемый двуханодный стабилитрон 5, второй триггер 6, второй источник опорного напряжения 7, первый блок выделения абсолютного значения напряжения 8, третий триггер 9, элемент НЕ 10, блок анализа знаков 11, сглаживающий фильтр 12, четвертый триггер 13, третий источник опорного напряжения 14, компаратор 15, второй блок выделения абсолютного значения напряжения 16 и дифференцирующее устройство 17.

В устройстве последовательно соединены двухполярный генератор пилообразного тока 4, первый блок выделения абсолютного значения напряжения 8, сглаживающий фильтр 12, дифференцирующее устройство 17, второй блок выделения абсолютного значения напряжения 16 и компаратор 15, а также последовательно соединены блок анализа знаков 11 и элемент НЕ 10. Выходы первого и второго источников опорного напряжения 3 и 7 связаны соответственно с первым и вторым пороговыми входами двухпорогового компаратора 2. Выход третьего источника опорного напряжения 14 связан с первым входом компаратора 15. Выход двухполярного генератора пилообразного тока 4 подключен также ко входу блока анализа знаков 11 и к первой анодной клемме испытуемого двуханодного стабилитрона 5, вторая анодная клемма которого связана с землей.

1-"ст и- ди-

Рис. I П. Блок - схема устройства для отбраковки двуханодных стабилитронов

Выход сглаживающего фильтра 12 подключен также к сигнальному входу двухпорогового компаратора 2. Первые входы первого и второго триггеров соответственно 1 и 6 объединены и подключены к выходу

двухпорогового компаратора 2. Первые входы третьего и четвертого триггеров соответственно 9 и 13 объединены и подключены к выходу компаратора 15. Вторые входы первого и третьего триггеров соответственно 1 и 9 объединены и подключены также к выходу блока анализа знаков 11. Вторые входы второго и четвертого триггеров соответственно 6 и 13 объединены и подключены к выходу элемента НЕ 10. Выходы первого, второго, третьего и четверто/о триггеров соответственно 1, 6, 9 и 13 образуют одноименные выходы устройства.

Устройство работает следующим образом. Генератор пилообразного тока 4 (на основе последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов, элемента И и счетчика, а также ЦАП, источника тока, сумматора тока и усилителя тока) формирует двухполярный пилообразный сигнал, который поступает на первый анод испытуемого двуханодного стабилитрона 5. Его второй анод подключен к земле.

г

Первоначально генератор тока 4 формирует во времени отрицательный, начиная с заданного значения /^акс , линейно убывающий по модулю ток (рис. 2П). В этом случае первый стабилитрон двуханодного стабилитрона 5 работает как стабилитрон на обратном участке, а второй - как диод на прямом участке ВАХ. При таком изменении тока, текущего через двуханодный стабилитрон 5, его рабочая точка (рис. ЗП) будет „двигаться" от максимального (^.маке )Д° минимального (^Ст,тш) тока стабилизации ВАХ, образованной сложением указанных характеристик первого и второго стабилитронов. При этом на стабилитроне 5 будет поддерживаться практически постоянное (отрицательное) напряжении стабилизации (11^. , рис. ЗП).

В дальнейшем уменьшение тока от ¡ёт.тт Д° нуля приведет к срыву режима стабилизации стабилитрона 5 и уменьшению напряжения на нем до нуля (рис. ЗП).

Рис. 2П. Временная диаграмма работы двухполярного генератора пилообразного тока

Рис. ЗП. Вольт - амперная характеристика двуханодного стабилитрона

Затем генератор тока 4 формирует во времени положительный, начиная с нуля, линейно возрастающий ток (рис. 2П), который по достижению определенного уровня приводит к возникновению режима стабилизации стабилитрона 5. В этом случае второй стабилитрон двуханодного

стабилитрона 5 работает как стабилитрон на обратном участке, а первый - как диод на прямом участке ВАХ. При таком изменении тока, текущего через двуханодный стабилитрон 5, его рабочая точка (рис. ЗП) будет „двигаться" от минимального ОС-мин) Д° максимального (/„.макс) тока стабилизации ВАХ, образованной сложением указанных характеристик первого и второго стабилитронов. При этом на стабилитроне 5 будет поддерживаться практически постоянное (положительное) напряжении стабилизации рис. ЗП). Следует отметить, что и /£,мин , и /¿.макс, а также иг~ и

у исправных двуханодных стабилитронов соответственно практически одинаковы и отличаются во втором.. .третьем знаке после запятой.

Таким образом, в режиме стабилизации двуханодного стабилитрона 5 на нем, в зависимости от полярности (направления) входного тока, формируется положительное (£/<£.,) или отрицательное (1/^,) напряжение стабилизации (рис. 4П,а) . Это напряжение поступает на входы первого блока выделения абсолютного значения напряжения 8 и блока анализа знаков 11. Первый блок выделения абсолютного значения напряжения 8, сохраняя численное значение входного напряжения, приводит его на своем выходе к одному (положительному) знаку (рис. 4П,б). Для того, чтобы ток с выхода генератора 4 практически полностью поступал на двуханодный стабилитрон 5, необходимо обеспечить большие входные сопротивления первого блока выделения абсолютного значения напряжения 8 и блока анализа знаков 11. Сглаживающий фильтр 12 устраняет скачки напряжения, вызванные срывом режима стабилизации при смене полярности выходного тока двухполярного генератора пилообразного тока 4 как при линейном, так и при скачкообразном изменении тока (рис. 4П,в). Напряжение с выхода сглаживающего фильтра 12 поступает на сигнальный вход С двухпорогового компаратора 2 и вход дифференцирующего устройства 17.

Рис. 4П. Эпюры, поясняющие принцип работы устройства для отбраковки двуханодных стабилитронов:

а - эпюры напряжения на двуханодном стабилитроне, б - эпюры напряжения на выходе первого блока выделения

абсолютного значения напряжения, в - эпюры напряжения на выходе сглаживающего фильтра

В силу отличий одного двуханодного стабилитрона от другого, зафиксированное напряжение стабилизации (£/ст) будет иметь некоторый

разброс. Нижняя граница области допустимых значений задается выходным напряжением первого источника опорного напряжения 3, верхняя - выходным напряжением второго источника опорного напряжения 7. Эти напряжения поступают соответственно на первый П1 и второй П2 пороговые входы двухпорогового компаратора 2.

Если напряжение стабилизации лежит в заданном поле допуска, то на выходе двухпорогового компаратора 2 формируется логическая «1», в противном случае - логический «О».

Наличие логической «1» на выходе двухпорогового компаратора 2 позволяет говорить об исправности испытуемого двуханодного стабилитрона 5, а наличие логического «О» - о его дефектном состоянии в целом по критерию нормы напряжения стабилизации. Напряжение с выхода двухпорогового компаратора 2 поступает на первые входы первого и второго триггеров соответственно 1 и 6.

Если напряжение на стабилитроне 5 имеет положительную полярность, на выходе блока анализа знаков 11 формируется логическая «1», в противном случае - логический «О». Элемент НЕ 10 инвертирует выходной сигнал блока анализа знаков 11. Напряжение с выхода блока анализа знаков 11 поступает на вторые входы первого и третьего триггеров соответственно 1 и 9. Напряжение с выхода элемента НЕ 10 поступает на вторые входы второго и четвертого триггеров соответственно 6 и 13.

На выходе дифференцирующего устройства 17 формируется напряжение, пропорциональное первой производной по времени выходного напряжения сглаживающего фильтра 12. Сформированное напряжение несет информацию об изменении напряжения стабилизации (А11ст) на ВАХ (рис.

4П,в).

Так как при смене полярности (направления) тока генератора 4 от минуса к плюсу имеет место переход от спада к росту напряжения стабилизации (рис. 4П,в), будет меняться знак указанной производной. При этом выходное напряжение дифференцирующего устройства 17 изменит свою полярность. Второй блок выделения абсолютного значения напряжения 16, сохраняя численное значение, приводит его на своем выходе к одному (положительному) знаку. Компаратор 15 сравнивает выходные напряжения второго блока выделения абсолютного значения напряжения 16 и третьего источника опорного напряжения 14. Последнее пропорционально численному

значению аналогичной производной заведомо качественного двуханодного стабилитрона.

Если выходное напряжение второго блока выделения абсолютного значения напряжения 16 не превышает выходного напряжения третьего источника опорного напряжения 14, на выходе компаратора 15 формируется логическая «1», в противном случае - логический «0».

Наличие логической «1» на выходе компаратора 15 позволяет говорить об исправности испытуемого двуханодного стабилитрона 5, а наличие логического «0» - о его дефектном состоянии в целом по критерию нормы изменения напряжения стабилизации (АУСТ). Выходное напряжение

компаратора 15 поступает на первые входы третьего и четвертого триггеров соответственно 9 и 13.

Каждый из триггеров 1, 6, 9 и 13 запоминают сигнал, пришедший на его первый вход с приходом на второй вход логической «1».

Наличие логической «1» на выходе первого триггера 1 позволяет говорить об исправности второго стабилитрона двуханодного стабилитрона 5, а наличие логического «0» - о его дефектном состоянии по критерию нормы положительного напряжения стабилизации (£/<£..).

Наличие логической «1» на выходе второго триггера 6 позволяет говорить об исправности первого стабилитрона двуханодного стабилитрона 5, а наличие логического «0» - о его дефектном состоянии по критерию нормы отрицательного напряжения стабилизации (£/„.).

Наличие логической «1» на выходе третьего триггера 9 позволяет говорить об исправности второго стабилитрона двуханодного стабилитрона 5, а наличие логического «0» - о его дефектном состоянии по критерию нормы изменения положительного напряжения стабилизации (Аи^) .

Наличие логической «1» на выходе четвертого триггера 13 позволяет говорить об исправности первого стабилитрона двуханодного стабилитрона 5,

а наличие логического «О» - о его дефектном состоянии по критерию нормы изменении отрицательного напряжения стабилизации (ДII

Таким образом, если двуханодный стабилитрон 5 полностью исправен (по всем четырем критериям), то на выходе каждого триггера присутствует логическая «1».

Преимуществами устройства по сравнению с прототипом являются повышенные точность и достоверность, которые достигаются путем проведения отбраковки каждого из стабилитронов, входящих в двуханодный стабилитрон, как по напряжению стабилизации, так и по его изменению.

Кроме того, устройство позволяет проводить динамическую отбраковку двуханодных стабилитронов, задавая различные скорости изменения выходного тока двухполярного генератора пилообразного тока 4.

АКТ

о внедрении (использовании) НИР

процессе

Результаты Общие физико-технические принципы и этапы проведения анализа процессов деградации элементов конструкции РЭС_

(наименование результата)

научно-исследовательской работы 501.01 Микроминиатюризация РЭС и повышение ее надежности_

выполненной

на кафедре КиПРЭС

(кафедра, лаборатория)

Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета)

под руководством Козловой И.Н._

в 2013 году внедрены (использованы) в учебный(ом) процесс(е)

на основании

решения кафедры КиПРЭС

(решение или рекомендации министерства, вуза, факультета, кафедры)

_протокол заседания кафедры №13 от «1» июля 2013 года

Указанные результаты включены в практические занятия по дисциплине «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭС» по специальности 210201 «Проектирование и технология РЭС»_

(название курса лекций, методических рекомендаций и указаний по выполнению лабораторных, курсовых и дипломных работ, наглядных пособий, лабораторного оборудования кафедры и учебных мастерских)

Заведующий кафедрой КиПРЭС, научный руководитель темы

Ответственный исполнитель раздела

Начальник управления образовательных программ

М.Н. Пиганов И.Н. Козлова

А.В. Дорошин

А.Н. Гареев

!

Утверждаю

Первый заместитель генерального директора -

>* ^ - * ** \

главный инженер фГУр^НП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс»

■ - vue, mj^/7,

.'fiMi fli C.B. Тюлевин

нтября 2013 г.

Акт

внедрения результатов кандидатской диссертации Козловой И.Н. «Анализ процессов деградации и индивидуальное прогнозирование показателей качества и надежности полупроводниковых элементов бортовых радиотехнических устройств»

Мы, представители ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», заместитель главного инженера Иванов О.И., начальник отдела 2614 Аладин Н.Я., начальник технологического бюро цеха 2251 Наседкин A.B. составили настоящий акт о том, что разработки Козловой И.Н., изложенные в ее кандидатской диссертации, а именно:

1. устройство контроля и отбраковки диодов,

2. методика отбраковки диодов по результатам диагностического контроля,

3. прогнозная модель для диодов-

внедрены в производство при изготовлении устройств для бортовой аппаратуры.

Внедрение указанных результатов позволило улучшить основные показатели качества радиоэлектронных средств, повысить процент выхода годных изделий.

Заместитель главного инженера Начальник отдела 2614

О.И. Иванов

Н.Я. Аладин

A.B. Наседкин

АКТ

о внедрении (использовании) НИР в учеоный процесс

Результаты_Активационная модель расходования ресурса_

(наименование результата)

______полупроводникового изделия_

научно-исследовательской работы 501.01 Микроминиатюризация РЭС и

повышение ее надежности_

выполненной_на кафедре КиПРЭС_

(кафедра, лаборатория)

Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета)

под руководством Козловой И.Н._

в_2013 году_ внедрены (использованы) в учебный(ом)

процесс(е) на основании решения кафедры КиПРЭС_

(решение или рекомендации министерства, вуза, факультета, кафедры)

_протокол заседания кафедры №13 от «1» июля 2013 года

Указанные результаты включены в лекционный курс по дисциплине «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭС» по специальности 210201 «Проектирование и технология РЭС»_

(название курса лекций, методических рекомендаций и указаний по выполнению лабораторных, курсовых и дипломных работ, наглядных пособий, лабораторного оборудования кафедры и учебных мастерских)

Заведующий кафедрой КиПРЭС, научный руководитель темы "—_ М.Н. Пиганов

Ответственный исполнитель раздела "с'L ¡/-^__И.Н. Козлова

Начальник управления

образовательных программ A.B. Дорошин

Начальник отдела сопровождения ^Jy/j'

научных исследований работ _¿у^с -ь A.M. Гареев

i?5

АКТ

о внедрении (использовании) НИР в учебной процессе

Результаты Методика расчета кинетических показателей активационной модели расходования ресурса полупроводникового изделия_

(наименование результата)

научно-исследовательской работы 501.01 Микроминиатюризация РЭС и повышение ее надежности_

выполненной

на кафедре КиПРЭС

(кафедра, лаборатория)

Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета)

под руководством Козловой И.Н._

-в 2013 году внедрены (использованы) в учебный(ом) процесс(е)

на основании

решения кафедры КиПРЭС

(решение или рекомендации министерства, вуза, факультета, кафедры)

_протокол заседания кафедры №13 от «1» июля 2013 года

Указанные результаты включены в лекционный курс по дисциплине «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭС» по специальности 210201 «Проектирование и технология РЭС»_

(название курса лекций, методических рекомендаций и указаний по выполнению лабораторных, курсовых и дипломных работ, наглядных пособий, лабораторного оборудования кафедры и учебных мастерских)

Заведующий кафедрой КиПРЭС, научный руководитель темы

Ответственный исполнитель раздела

Начальник управления образовательных программ

М.Н. Пиганов И.Н. Козлова

о— А.В. Дорошин

А.М. Гареев

АКТ

«Утверждаю» [чебной работе В.Н. Матвеев

о внедрении (использовании) НИР в уч?бЙои процессе

Результаты Программа «Моделирование процессов деградации элементов конструкции РЭС»_

(наименование результата)

научно-исследовательской работы 501.01 Микроминиатюризация РЭС и повышение ее надежности_

выполненной

на кафедре КиПРЭС

(кафедра, лаборатория)

Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета) под руководством Козловой И.Н._

в

2013 году

внедрены (использованы) в учебный(ом)

процесс(е)

на основании

решения кафедры КиПРЭС

(решение или рекомендации министерства, вуза, факультета, кафедры)

_протокол заседания кафедры №13 от «1» июля 2013 года

Указанные результаты включены в лабораторные занятия по дисциплине «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭС» по специальности 210201 «Проектирование и технология РЭС»_

(название курса лекций, методических рекомендаций и указаний по выполнению лабораторных, курсовых и дипломных работ, наглядных пособий, лабораторного оборудования кафедры и учебных мастерских)

Заведующий кафедрой КиПРЭС, научный руководитель темы

Ответственный исполнитель раздела

Начальник управления образовательных программ

-Sx.

М.Н. Пиганов И.Н. Козлова

А.В. Дорошин

А.Н. Гареев

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ И ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

На правах рукописи

04201 451 97$

КОЗЛОВА ИРИНА НИКОЛАЕВНА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор М. Н. Пиганов

Самара 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ БРТУ..........................14

1.1. Косвенный метод прогнозирования......................................................................14

1.2. Последовательное прогнозирование вероятностей.........................................17

1.3. Кластерный анализ......................................................................................................18

1.4. Адаптивное распознание образов..........................................................................19

1.5. Метод дискриминантных функций (МДФ)........................................................20

1.6. Классификация с оценкой значимости признаков...........................................21

1.7. Метод сравнения с прототипом..............................................................................23

1.8. Метод потенциальных функций (МПФ)..............................................................24

1.9. Метод k-ближайших соседей...................................................................................24

1.10. Алгоритмы вычисления оценок............................................................................25

1.11. Коллективы решающих правил............................................................................26

1.12. Метод нейронных сетей..........................................................................................27

1.13. Прогнозирования по кривой регрессии.............................................................29

1.14. Метод правдоподобия..............................................................................................29

1.15. Метод индивидуального прогнозирования с использованием принципов пороговой логики..........................................................................................31

1.16. Теория игр в прогнозирования РТУ....................................................................31

1.17. Метод регрессионных моделей.............................................................................32

1.18. Метод экстраполяции...............................................................................................33

1.19. Сравнительный анализ методов прогнозирования........................................36

1.20. Операторы индивидуального прогнозирования качества ЭРИ................38

1.21. Выбор методов прогнозирования........................................................................39

1.22. Краткие выводы и постановка задач...................................................................42

2. ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ИНТЕНСИВНОСТЯМИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ И СРОКОМ СЛУЖБЫ ИЗДЕЛИЙ..............................................................................................................45

2.1. Появление феномена "функциональный параметр" изделия как результат упорядочивания физических сред в процессе производства изделия.....................................................................................................................................45

2.2. Представление дрейфа функциональных параметров изделий твердотельной электроники в процессе эксплуатации как следствия протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации в материалах и структурных фрагментах изделия......................................................46

2.3. Общие принципы кинетики протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации твердотельных структур с позиции активационных моделей и представлений..................................................................52

2.4. Динамика дрейфа функциональных параметров изделия в процессе его эксплуатации с позиции активационных представлений и моделей.................57

2.5. Краткие выводы............................................................................................................57

3. МЕТОДОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМО АКТИВ АЦИОННОГО ПОДХОДА ПРИ АНАЛИЗЕ ДРЕЙФА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.......59

3.1. Постановка вопроса.....................................................................................................59

3.2. Детерминированная модель расходования ресурса.......................................61

3.3. Вероятностно-детерминированная активационная модель дрейфа функциональных параметров изделий полупроводниковой электроники......76

3.4. Краткие выводы по разделу 3.......................................................................82

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ АКТИВ АЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДРЕЙФА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ......................................................................................84

4.1. Компьютерное моделирование процессов деградации элементов конструкций РЭС с помощью компьютерной программы «Моделирование

срока службы изделий электронной техники»..........................................................84

4.2. Прогнозирование сроков службы изделий наноразмерного масштаба методами вычислительного эксперимента (методом BKA)...............................101

4.3. Краткие выводы по разделу 4................................................................................117

5. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ, МЕТОДИК ОТБРАКОВКИ И ПРОГНОЗНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ............119

5.1. Устройство контроля и отбраковки диодов.....................................................119

5.2. Устройство контроля и отбраковки стабилитронов.....................................123

5.3. Методика отбраковки диодов по результатам диагностического контроля.................................................................................................................................131

5.4. Разработка прогнозных моделей полупроводниковых приборов............139

5.5. Исследование других методов прогнозирования..........................................141

5.6. Краткие выводы по разделу 5................................................................................143

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...................................................................145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................................147

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Одной из тенденции современного рынка электроники является повышение требований к надежности изделий. Отказы изделий космической промышленности приводят к большим финансовым затратам ввиду невозможности или дороговизны выявления и ремонта отказа, произошедшего на объекте, находящимся в космосе. К тому же, в некоторых случаях потери могут исчисляться не только деньгами, но и человеческими жизнями [1].

Важное место занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. Статистика показывает, что в последнее время увеличилось количество аварий, связанных с отказом бортовой аппаратуры (например, спутник «KazSat - 1»), При этом наиболее слабым звеном является электронная начинка [2].

Проблема обеспечения высокой надежности и безотказности космических аппаратов (К А) становится крайне значимой. Надежность К А в сильной степени определяется надежностью бортовых радиотехнических устройств (БРТУ).

Радиотехнические устройства космического назначения в период эксплуатации подвергаются интенсивным механическим, электрическим, тепловым, радиационным, электромагнитным и др. воздействиям. Это является одной из основным причин возникновения отказов. При этом могут возникать так называемые системные отказы, возникающие при одновременном воздействии всех или нескольких дестабилизирующих факторов. Актуальность задачи повышения надежности БРТУ связана также с увеличением требований к их функциональным возможностям и конструктивно технологическим показателям (увеличение степени интеграции, уменьшение массо-габаритных показателей).

На данном этапе широко распространена концепция повышения надежности бортовой аппаратуры, которая базируется преимущественно на повышении надежности ее элементной базы. По данным Тюлевина C.B.,

который провел анализ отказов РТУ космического назначения за 20 лет, основная доля отказов приходится на элементную базу. Им выявлены критичные электрорадиоизделия (ЭРИ) - диоды, интегральные микросхемы, стабилитроны и др. Следовательно, одним из путей решения задачи повышения надежности БРТУ является мониторинг стабильности параметров и качества работы полупроводниковых приборов и микросхем, а также отбор наиболее надежных образцов [3,4].

На ранних этапах проектирования, где закладывается та долговечность, которая будет реализована при изготовлении и обеспечена при эксплуатации, основным методом подтверждения требований электронных средств (ЭС) космических аппаратов (КА) и систем по долговечности является расчетная оценка (прогнозирование минимальной наработки) [5].

В настоящее время существует потребность увеличения сроков активного функционирования (САФ) КА. В связи с этим проблема обеспечения надежности бортовых радиотехнических устройств приобретает еще большую актуальность и значимость.

Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что создание КА со САФ более 8 лет затруднительно без изменения традиционного подхода к обеспечению отказоустойчивости и долговечности бортовых РТУ [6].

Одним из перспективных направлений повышения надежности бортовых РТУ является отбраковка потенциально ненадежных ЭРИ на основе диагностического контроля и индивидуального прогнозирования (ИП) основных показателей качества.

Диагностирование технического состояния радиоэлектронных устройств является неотъемлемой частью процесса их разработки, производства, испытаний и эксплуатации [7]. Существуют различные способы диагностирования РЭА, например, метод диагностирования параметрических отказов элементов [8]. За рубежом многие системы, например, на ПЛИС, имеют встроенные специализированные порты ТАР (Test Access Port), что

позволяет проводить тестирование и отладку модуля путем формирования тестовых воздействий и считывания реакции по интерфейсу JTAG [9]. Производители ПЛИС нового поколения оснастили кристаллы разнообразными программно-аппаратными механизмами для диагностирования [7]. К ним можно отнести Time Quest Timing Analyser, Signal Tap II Logic Analyser (фирма Альтера) [10].

Удобным средством решения задачи идентификации состояний исследуемой системы и протекающих в ней процессов служит искусственная нейронная сеть (ИНС), а процесс её обучения - средством хранения и уточнения соответствующих математических моделей [11].

Авторами [12] на основе данного метода разработан программный комплекс и методика обеспечения тепловой контролепригодности РТУ на этапе проектирования.

Решение задачи предотвращения отказов систем ответственного назначения в значительной степени зависит от возможности мониторинга и прогнозирования их технического состояния или остаточного ресурса [13]. Однако для многих технических объектов осуществить непрерывный контроль невозможно, а при дискретном контроле каждая оценка их фактического состояния часто связана с существенными материальными затратами. В этих случаях прогнозирование позволяет решать задачу назначения оптимальных моментов контроля, в промежутках между которыми не произойдет отказа [13].

Вопросом прогнозирования показателей качества РТУ посвящены работы Андреевой В.В., Антипова О.И., Викулина И.М., Гаскарова Д.В., Горлова М.И., Карпова О.В., Кейджяна Г.А., Коробицына В.В., Пиганова М.Н., Сагояна A.B., Строгонова A.B., Тюлевина C.B., Фомина A.B., Workman W., Novak T., Vaccaro I., Smith I., Kato Y., Kool C.F., Mackintosh 1. и др.

Предложенные в данных работах методы, алгоритмы, модели и методики используются для прогнозирования показателей качества ограниченного

количества устройств и элементов. Для многих типов ЭРИ такие алгоритмы, модели и методики являются неэффективными.

Одной из причин низкой эффективности известных методик ИП является слабая изученность процессов деградации ЭРИ в процессе эксплуатации, отсутствие данных по детальному анализу активационных явлений, по кинетике протекания индивидуальных физико-химических процессов в фрагментах полупроводниковых структур. Это затрудняет определение и выбор наиболее информативных параметров, необходимых для разработки точных прогнозных моделей.

В связи с этим совокупность вопросов, связанных с комплексным подходом к повышению надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных образцов полупроводниковых ЭРИ на основе новых моделей и методик является весьма актуальной

Целью диссертационной работы является повышение надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных элементов на основе принципов электрофизической диагностики и индивидуального прогнозирования.

Объектом исследования является полупроводниковые приборы бортовых радиотехнических устройств космического назначения.

Предметом исследования является методы, методики, модели и алгоритмы индивидуального прогнозирования надежности и показателей качества полупроводниковых приборов БРТУ космического назначения.

Методы исследований включают аппарат математического и физического моделирования, численного анализа, теории распознавания образцов, экспертных оценок, элементы термодинамики, теории вероятностей и математической статистики.

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи: 1. Анализ активационных явлений в элементах радиотехники и связи, определяющих динамику процессов деградации функциональных пара-метров изделия.

2. Разработка метода определения активационных характеристик кинетического моделирования процессов деградации элементов при воздействии на изделие возмущающих факторов термического и полевого типов.

3. Разработка математической модели расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства космического назначе-ния и методики определения её параметров.

4. Разработка методики ИП показателей качества элементов устройств радиотехники и связи и прогнозных моделей, обеспечивающих высокую эффективность прогноза.

5. Анализ эффективности контроля и разработка методик диагностики и устройств отбраковки элементов и устройств БРТУ.