Affidabilità e diagnostica dei circuiti elettronici. Elettronica L Dispense del corso

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1 Affidabilità e diagnostica dei circuiti elettronici Elettronica L Dispense del corso

2 Gli Obiettivi L affidabilità Il collaudo

3 L affidabilità Proprietà degli oggetti Disciplina tecnico-scientifica Attività pratico-organizzativa

4 Definizioni (I) Affidabilità come proprietà degli oggetti Attitudine di un oggetto ad adempiere la funzione richiesta nelle condizioni fissate e per un periodo di tempo stabilito (UNI 8000)

5 Definizioni (II) Affidabilità come disciplina tecnico-scientifica L insieme dei concetti, teorie matematiche, modelli, analisi di comportamenti fisici, aventi lo scopo di descrivere, prevedere e dominare il comportamento degli oggetti nel tempo.

6 Definizione (III) Affidabilità come attività pratico-organizzativa Attività tesa ad ottenere l affidabilità degli oggetti ai livelli voluti.

7 Altre definizioni (I) Manutenibilità (Maintainability): Attitudine di un oggetto, nelle condizioni specificate d uso, ad essere conservato o ripristinato in uno stato nel quale può adempiere alle funzioni richieste, quando la manutenzione è espletata nelle condizioni specificate e usando le procedure e i mezzi prescritti (UNI 8000)

8 Altre definizioni (II) Disponibilità (Availability) Attitudine di un oggetto ad essere in grado di svolgere una funzione richiesta ad un dato istante o durante un intervallo di tempo, in condizioni determinate, supponendo che siano assicurati i mezzi esterni eventualmente necessari

9 Altre definizioni (III) Fidatezza (Dependability): Insieme delle proprietà che descrivono la disponibilità ed i fattori che la condizionano: affidabilità, manutenibilità e logistica della manutenzione (UNI EN ISO 8402)

10 Fidatezza

11 Affidabilità Vs Conformità Affidabilità: probabilità che un oggetto esegua una richiesta funzione in certe condizioni e per un dato periodo di tempo. Conformità: capacità di soddisfare particolari requisiti all istante iniziale della sua vita

12 Specifiche La definizione di affidabilità di un oggetto può essere resa operativa specificando: a) un criterio di guasto, cioè un metodo per stabilire in modo univoco quando l'oggetto in esame non soddisfa più la funzione richiesta; b) le condizioni ambientali in cui esso opera; c) la durata della missione affidatagli.

13 Condizioni ambientali Temperatura e sue variazioni L umidità relativa Salinità dell atmosfera Ambiente elettrico - Livelli di rumore presenti - Variazioni delle tensioni di riferimento - Variazioni del carico - Intensità dei campi elettromagnetici presenti all intorno Condizioni meccaniche - Freq e ampiezza delle vibrazioni - Valore delle accelerazioni

14 Il tasso di guasto L affidabilità ha un carattere statistico: poiché è impossibile prevedere con certezza per quanto tempo il dispositivo o il sistema funzionerà correttamente, si calcola la probabilità di sopravvivenza o di guasto in funzione dei tempo, sulla base di osservazioni passate. Una volta determinato un criterio di guasto, vengono introdotte le grandezze che misurano l affidabilità, la + usata è il tasso di guasto che si misura in FIT (failure unit: 1FIT=1 guasto all ora su 1 miliardo di componenti oppure 1 guasto per ogni miliardo di ore di funzionamento).

15 Andamento nel tempo del tasso di guasto

16 Note L'elevato tasso di guasto iniziale è dovuto a difetti presenti nella parte più debole della popolazione considerata. Tali difetti, che non si manifestano necessariamente al momento dei collaudo iniziale, sono, ad esempio, costituiti da saldature difettose, componenti deboli, fenomeni di contaminazione chimica nei processi produttivi. Per ridurre la pericolosità di questi fenomeni si cerca da un lato di ottimizzare i controlli sulle linee di produzione e dall'altro di eliminare le parti più deboli con tecniche dette di setacciatura (screening); cioè si applicano alla totalità della popolazione sollecitazioni tali da causare rapidamente tutti i guasti dovuti a mortalità infantile senza danneggiare naturalmente la parte sana della popolazione.

17 Guasti dovuti all invecchiamento Esempio: l elettromigrazione Gli ioni di una linea di interconnessione sottoposta a forte densità di corrente (vento elettronico) sono sospinti nella direzione del flusso di elettroni.

18 L elettromigrazione Il trasporto di ioni modifica la struttura delle linee di metal e dei contatti provocando in alcuni casi la loro interruzione.

19 Storia II guerra mondiale gruppo di consultazione per l affidabilità degli apparati elettronici del governo americano. In seguito l'affidabilità si è sviluppata per garantire il funzionamento di reti e sistemi che divenivano sempre più complessi e costituiti da un gran numero di parti. Al crescere della complessità è più probabile che la bassa affidabilità delle singole parti determini l'insuccesso dell'intero sistema.

20 Obiettivo: la minimizzazione del costo L affidabilità incide sui costi di manutenzione, sulla necessità di mantenere un servizio di assistenza e sugli investimenti in pezzi di ricambio. Un sistema affidabile è il risultato di più azioni di progetto, di ripetute valutazioni di apparato attraverso modelli, di prove sui prototipi (che si riflettono sul costo del prodotto). Le diverse applicazioni dell elettronica richiedono valori di affidabilità diverse.

21 La valutazione dell affidabilità Procedure di campionamento Metodi di inferenza statistica Prove di laboratorio in cui i dispositivi vengono sottoposte a diverse sollecitazioni.

22 Elaborazioni statistiche La base analitica delle prove sui componenti è la statistica classica: esiste una popolazione idealmente formata da un numero infinito di oggetti ciascuno dei quali è caratterizzato da un tempo di vita. I dati ottenuti mediante prove sui dispositivi si riferiscono a un campione ristretto di componenti. Prima di utilizzare questi dati nel progetto di un sistema, bisogna quindi assicurarsi che il campione osservato sia rappresentativo dell'intera popolazione. I risultati, elaborati opportunamente, possono servire per valutare i parametri statistici che descrivono la popolazione e per fare previsioni sul tempo di vita di altri dispositivi appartenenti alla stessa popolazione, utilizzati per la produzione di sistemi.

23 Sollecitazioni ambientali La necessità di applicare ai dispositivo durante le prove in laboratorio sollecitazioni sempre più elevate per ottenere informazioni sulla loro affidabilità in tempi brevi viene dall'accresciuta robustezza dei dispositivi stessi. Esiste una difficoltà non trascurabile dovuta al fatto che, quanto più è affidabile un dispositivo, tanto più è difficile valutarne l affidabilità.

24 Prove accelerate Una soluzione a questo problema è quella di progettare opportune prove accelerate, nelle quali i dispositivo sono sottoposti a sollecitazioni ambientali ed elettriche controllate, più severe di quelle normalmente presenti. A causa delle sollecitazioni applicate, il valore della vita media dei dispositivo diventa più breve rispetto a quello in condizioni normali di utilizzazione e può essere così stimato più facilmente. I risultati ottenuti vanno quindi estrapolati in modo da ottenere una valutazione della distribuzione dei guasti in condizioni non accelerate.

25 Fattore di stress: temperatura I meccanismi di guasto di molti componenti elettronici sono attivati dall aumento di temperatura. Legge di Arrhenius x la descrizione di reazioni chimiche: R exp Ea = R0 kt R = vel. di reazione, Ea = Energia di attivazione, K = cost. di Boltzman, T = Temperatura. Aumentare la temperatura è quindi un metodo molto comune di realizzare una prova accelerata.

26 Esempio

27 Il collaudo di dispositivi e circuiti Lo sviluppo di microcircuiti sempre più complessi implica sfide complesse sia sotto il profilo della tecnologia che della progettazione. Questo processo riguarda anche il collaudo (testing): verifica sperimentale della corrispondenza di un componente alle specifiche. Specifiche: 1. Funzione logica 2. Prestazione elettriche (velocità, potenza, alimentazione, temperature tollerabili)

28 Economia del collaudo In termini di costo del circuito il può arrivare ad incidere per il 40-60%. Il collaudo ha implicazioni rilevanti anche nel time-to-market. La rapida immissione di componenti sul mercato non può prescindere dalla ragionevole certezza che questi funzionino correttamente e soddisfino le esigenze dei clienti.

29 ASICS Le problematiche del collaudo sono maggiori per i circuiti progettati ad hoc per applicazioni specifiche (Application Specific Integrated Circuits), che non consentono l utilizzo di tecniche e programmi di verifica e collaudo sviluppati per altri prodotti. Anche i circuiti standard condividono l esigenza di minimizzare il time-to-market.

30 Obiettivi del collaudo Buon compromesso tra: Costo (per sviluppo ed esecuzione) Efficacia la capacità di riconoscere i componenti malfunzionanti e solo quelli. 2 aspetti complementari: Verificare e ripulire da errori il progetto mentre viene sviluppato (debugging) Collaudare i componenti all uscita della linea di produzione

31 Debugging Nella prima fase di sviluppo del progetto Si utilizzano tecniche e strutture specifiche che non possono essere applicate a circuiti finiti. Esempio: separazione di blocchi complessi in parti più semplici oppure collaudo per mezzo di fascio elettronico (troppo costoso per la fase di produzione).

32 Collaudo con fascio elettronico

33 E-beam testing

34 Design for Testability Tecniche orientate alla produzione di circuiti facilmente collaudabili. Ogni errore e mancanza sul fronte della collaudabilità comporta inevitabilmente l aumento delle probabilità di insuccesso. La mancata considerazione di problemi di collaudo implica l impossibilità di verificare il corretto funzionamento dei componenti finiti.

35 Il costo del guasto componente scheda apparato sul campo Fase di montaggio in cui si verifica il guasto

36 L utilizzatore E essenziale che l utilizzatore sia in grado di collaudare i componenti indipendentemente da quanto fatto dal costruttore. Sia per rilevare la presenza di guasti Sia per verificare l effettiva conformità agli standard di qualità e prestazioni stabiliti all atto dell acquisto.

37 Motivazioni La competizione internazionale forza i costruttori di IC ad immettere i prodotti appena possibile (corrono qualche rischio ) Il collaudo di componenti complessi è sempre parziale, è possibile verificare solamente la correttezza di un sott insieme limitato di stati logici del circuito. Le funzioni che il componente sarà chiamato a svolgere sono note soltanto all utilizzatore

38 Tipi di collaudo Sistemi nuovi e complessi (es. un microprocessore o una memoria) - Acquisire tutte le informazioni per motivarne la scelta. - Quantificare la marginalità del componente Collaudo di circuiti standard - Controllare le variazioni di parametri elettrici e la conformità alle specifiche - Collaudo eseguito su tutti i componenti acquistati o su un campione significativo (incoming inspection)

39 Il collaudo funzionale Riguarda la verifica del corretto funzionamento logico (ovvero la correttezza delle tabelle della verità e delle transizioni di stato) Un circuito a n ingressi necessita di 2^n vettori di collaudo. Un circuito con anche m bit di memoria necessita di 2^(n+m) vettori di collaudo Un collaudo esaustivo per un circuito di media complessità richiederebbe anni. Si analizza un sottoinsieme limitato di stati: compromesso tra grado di confidenza (probabilità che componenti guasti non vengano rivelati) e durata del collaudo

40 Circuiti self-checking Il malfunzionamento dei circuiti può essere dovuto a guasti che non erano presenti al momento del collaudo iniziale. In alcune applicazioni le esigenze di affidabilità e sicurezza del sistema non tollerano la presenza di errori logici (sicurezza di impianti, trasporti pubblici, medicina). Approccio possibile: il circuito deve essere in grado di controllare in tempo reale le proprie risposte e valutare la correttezza. Nei circuiti self-checking si sfrutta la codifica dei segnali mediante codici a rivelazione d errore e si prevede l uso di blocchi checker, che verificano la correttezza delle risposte (rischio errori di mascheramento).

41 Circuiti tolleranti ai guasti Nei circuiti self-checking il sistema viene fermato qualora si riveli un guasto. Nel caso in cui è indispensabile evitare gli effetti dei guasti senza interrompere il funzionamento del sistema occorre ricorre a circuiti fault tolerant. Strategia: si replica un numero dispari di volte il circuito e si valutano le uscite delle varie repliche medianti appositi blocchi di voto che forniscono una risposta coincidente con il maggior numero di quelle in ingresso

42 Voter Ridondanza molto elevata Il voter è molto semplice (dunque robusto) ma Who guards the guard? Come realizzare un voter per verificare la correttezza di un bit =>

43 Bibliografia Fantini, Mattana, Zanoni. L affidabilità dei dispositivi a semiconduttore. Lucidi del prof. Lanzoni Materiale dal corso Affidabilità e diagnostica dei dispositivi a semiconduttore del prof. Riccò