pioneering with passion
pioneering with passion
pioneering with passion
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
PIONEERING WITH PASSION<br />
ZUVERLÄSSIGKEITSTECHNIK<br />
AUF BAUTEILE-EBENE<br />
Die Praxis in der Raumfahrt<br />
Dr.-Ing. A. Mofor<br />
Beitrag zur Vorlesung Test und<br />
Zuverlässigkeit digitaler Systeme<br />
von Prof. Dr.-Ing. Axel Hunger<br />
Universität Duisburg-Essen<br />
PIONEERING WITH PASSIO<br />
1<br />
PROPRIETARY INFORMATION<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG reserves all rights including industrial property rights,<br />
and all rights of disposal ©Tesat-Spacecom such as copying and GmbH passing & Co.KG to third parties
PIONEERING WITH PASSION<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Einführung<br />
o Vorstellung<br />
o Begriffe; Zuverlässigkeit, Sicherheit, Fehler, Ausfall<br />
o Bauelement und Zuverlässigkeit<br />
o Aufgabe und Funktion der Zuverlässigkeitstechnik<br />
o Analoge Bauelemente und Digitalsysteme<br />
2. Zuverlässigkeitstechnik<br />
o Theoretische Sichtweise und Praxis<br />
o Zuverlässigkeitsprogrammplan<br />
o Zuverlässigkeitsanforderungen<br />
o Design für Zuverlässigkeit<br />
o Zuverlässigkeitsprüfung<br />
3. Hochzuverlässige EEE Bauelemente<br />
o Anwendungsgebiete<br />
o Entwicklungs- und Herstellungsphase für Raumfahrtbauelemente<br />
o Losweise Zuverlässigkeitsanforderungen<br />
o Wichtige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
4. Zuverlässigkeitsverifizierung auf Anwenderseite<br />
o Beispiel Ablauf in Qualitätsmanagement<br />
o Construction Analysis (CA) und Destructive Physical Analysis (DPA),<br />
o Fehleranalyse<br />
5. Übung<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
2
PIONEERING WITH PASSION<br />
Vorwort.<br />
Dieser Beitrag zur Vorlesung TZDS beschäftigt sich mit dem Thema Zuverlässigkeit und technische<br />
Qualitätssicherung in Bezug auf Bauteile. Als Ergänzung zu den von Prof. Dr. A. Hunger vorgestellten theoretischen<br />
Aspekten wird hier versucht, mehr Praxis in den Beitrag reinzubringen.<br />
Selbst in der Praxis wird viel Wert auf Zuverlässigkeitstest auf Systemebene gelegt. So testet man die<br />
Geräte bis die möglichen Schwachstellen des Systems (Hardware und/oder Software) festgestellt<br />
werden. Wenn Software gut funktioniert, ist Hardware im Laufe der Zeit die übliche Fehlerursache und<br />
diese ist sehr oft bis auf ein oder mehrere Bauelemente zurückzuführen. Das Bauteil oder Modul wird<br />
ausgetauscht, sobald man es als die Fehlerursache festgestellt hat, aber das neue Bauteil kann auch<br />
wieder ausfallen, so dass wir mit einem systematischem Fehler zu tun haben.<br />
Das Ziel dieses Beitrages ist, die Studenten darauf aufmerksam zu machen, dass die Zuverlässigkeit des<br />
Gesamtsystems von der Zuverlässigkeit der einzelnen Komponenten abhängt. Als Ingenieur sollte man<br />
dafür sorgen, dass die Zuverlässigkeit der einzusetzenden Module bzw. Bauteile „gewährleistet“ bzw.<br />
sichergestellt ist. Darüber hinaus soll der Ingenieur die eigentliche Fehlerursache z.B. durch eine<br />
Fehleranalyse feststellen können, um das Design, die Technologie und die Zuverlässigkeit zu beurteilen,<br />
und entscheiden zu können, ob diese Bauteile oder Module die Zuverlässigkeitsanforderungen an seinem<br />
System erfüllen.<br />
Viel Spass !!<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
3
PIONEERING WITH PASSION<br />
Vorstellung: Augustine Che Mofor<br />
Jahrgang 1976, in Kumba Kamerun<br />
Abitur; GCE Ordinary & Advanced Level 1993 bzw. 1995<br />
Deutschkurs: Studienkolleg des ökumenischen Studienwerks Bochum DSH 1998<br />
Studium: Fachbereich Elektro- und Informationstechnik, Uni Duisburg-Essen 1998-2004<br />
Abschluss M.Sc (Informations- und Kommunikationstechnik, Technische Elektronik).<br />
Promotion: TU Braunschweig, Elektrotechnik und Informationstechnik<br />
Wiss. Mitarbeiter; Forschungsbereich: Halbleitertechnik 2004-2007<br />
Abschluss Dr.-Ing (Diss: Herstellung von bauelementsfähigen ZnO-Nanostrukturen)<br />
Seit September 2007 bei TESAT-Spacecom, Backnang<br />
bis Juli .2008 Bauteil-Ingenieur<br />
Seit August 2008, Teamleiter/Leiter des Bauteil-Labors<br />
Verheiratet, 2 Kinder<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
4
PIONEERING WITH PASSION<br />
Die Firma TESAT-Spacecom GmbH & Co. KG<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
5
PIONEERING WITH PASSION<br />
Führender Hersteller von Nutzlast für Satellitenkommunikation<br />
Fernsehstation<br />
Satellit<br />
Heim<br />
Signalübertragung: TV Station -> Satellit -> Verbraucher<br />
Empfangssignal muss immer von bester Qualität sein<br />
Der Satellit muss mehrere Jahre einwandfrei funktionieren<br />
Keine Reparatur ist möglich im All<br />
Satelliten kosten Millionen Euro<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
6
PIONEERING WITH PASSION<br />
Führender Hersteller von Nutzlast für Satellitenkommunikation<br />
Satelliten Payload; Was passiert im Satellit ? Singalverarbeitung !!<br />
Jedes einzelne Gerät besteht aus Bauelementen, die immer einwandfrei funktionieren müssen<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
7
PIONEERING WITH PASSION<br />
Führender Hersteller von Nutzlast für die Raumfahrt<br />
Jedes einzelne Gerät besteht aus Bauelementen, die immer einwandfrei funktionieren müssen<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
8
PCB OHNE Bauteile<br />
PCB MIT Bauteilen<br />
PIONEERING WITH PASSION<br />
Beitrag von Bauelementen im Gerät und im Gesamtprojekt<br />
Bauteile tragen zum Gesamtpreis, Gesamtvolumen<br />
und Gesamtgewicht von Systemen. Dieser Beitrag<br />
soll bei der Entwicklung und Herstellung<br />
mitberücksichtigt werden. Eine kostengünstige<br />
Beschaffung von Bauteilen mit der angestrebten<br />
Zuverlässigkeit soll erzielt werden. Dies erfordert<br />
Verstand über die Rolle von Bauteilen und gewisse<br />
Professionalität.<br />
Beispiel: Analyse an 2 Satelliten<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
9
PIONEERING WITH PASSION<br />
Zuverlässigkeit<br />
Was ist Zuverlässigkeit?<br />
Die Fähigkeit eines Systems oder eines Bestandteils, seine erforderlichen Funktionen unter<br />
angegebenen Bedingungen während einer spezifizierten Periode durchzuführen / zu erfüllen.<br />
Funktion der Zuverlässigkeitstechnik<br />
Zuverlässigkeitsanforderungen für ein System entwickeln, passende Analysen und<br />
Aufgaben durchführen und sicherstellen, ob das Produkt seinen Anforderungen entspricht.<br />
Werkzeuge<br />
Zuverlässigkeitsingenieure arbeiten mit Statistiken, Wahrscheinlichkeitstheorie,<br />
Zuverlässigkeitstheorie. Für kritische Anwendungen wie in Medizin, Luft- und Raumfahrt muss<br />
zusätzlich die Herstellung der Komponente überwacht werden. Auf der Anwenderseite müssen<br />
die Produkte strengen Qualitätskontrollen unterzogen werden.<br />
Raumfahrt<br />
Ziel 100% Zuverlässigkeit der Geräte (Nutzlast)<br />
100% zuverlässige Bauelemente (hochzuverlässige EEE Bauelemente)<br />
Ergebnis: Sicherheit und erfolgreiche Projekte und Geschäfte.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
10
PIONEERING WITH PASSION<br />
Zuverlässigkeit, Sicherheit, Fehler, Ausfall<br />
Zuverlässigkeit + Sicherheit = Verlässlichkeit<br />
Reliability + Safety = Dependability<br />
Früher: hohe Zuverlässigkeit durch Einfachheit.<br />
Komplexere Systeme => höhere Zuverlässigkeitsanforderungen<br />
Sicherheit: keine allgemeingütige Definition.<br />
Wir sprechen von „sicheren Systemen“, wenn das<br />
Risiko, im Umgang mit diesen Systemen gefährdet zu<br />
werden, von der Gesellschaft und vom Gesetzgeber<br />
akzeptiert wird.<br />
Die Sicherheit bezieht sich auf die Vermeidung der<br />
Auswirkungen von Fehl- bzw. Nichtfunktion, die zu<br />
Sach-, Umwelt- oder Personenschäden führen können<br />
Es gibt keine 100%ige Sicherheit, also kein Freisein von<br />
Gefährdungen..<br />
Fehler: laut NTG 3004<br />
Ein Fehler ist eine unzulässige Eigenschaft, die das<br />
Versagen (den Ausfall) einer Betrachtungseinheit<br />
oder Ausführungseinheit (Komponente oder System)<br />
bewirken kann.<br />
Ausfall: laut DIN 40041<br />
Ein Ausfall ist das Versagen einer Betrachtungseinheit oder<br />
Ausführungseinheit aufgrund einer in ihr selbst liegenden<br />
Ursache und im Rahmen einer zulässigen Beanspruchung<br />
derart, dass sie eine oder mehrere Auslegungsanforderungen<br />
(Funktionen) nicht mehr erfüllen kann.<br />
Vorlesung Prof. Kochs<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
11
PIONEERING WITH PASSION<br />
Aufgabe der Zuverlässigkeitstechnik<br />
Aufgabe<br />
• Bestimmung der Verlässlichkeit<br />
• Aufspüren von Schwachstellen<br />
• Aufbau fehlertoleranter Systeme.<br />
Vorgehensweise<br />
In den verschiedenen Phasen der Produktentwicklung, Herstellung und<br />
Anwendung sicherzustellen, dass die Zuverlässigkeitsziele erreicht werden.<br />
• Konzept- oder Studienphase<br />
• Definitionsphase<br />
• Entwicklungsphase<br />
• Produktions- und Fertigungsphase<br />
• Nutzungsphase<br />
• Auslauf- oder Beseitigungsphase.<br />
Dies findet auf allen Ebenen (Bauteil, Modul, Subsystem, System) statt.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
12
PIONEERING WITH PASSION<br />
MOSFET<br />
Inverter<br />
Analoge Bauelemente und Digitalsysteme<br />
Bei Gate-Spannungen U GS = 0 ist kein n-leitender Kanal<br />
vorhanden. Es fließt praktisch kein Strom I D = f (U DS)<br />
Bei U GS > 0 kann negative Ladung im Kanal influenziert werden.<br />
Wenn U GS groß genug ist, entsteht Inversion und damit ein<br />
n-leitender Kanal zwischen S und D. Die Größe der<br />
Inversionsladung und damit die Größe des Stromes I D wachsen<br />
mit zunehmender U GS an. So entsteht die Ausgangsspannung,<br />
die von U GS abhängt.<br />
Phasendrehung des Eingangssignals um 180°.<br />
Im einfachsten Fall aus einem MOSFET und einem<br />
ohmschen Widerstand.<br />
U a = -S.U GS.R D = -S.R D.U e<br />
Ein Inverter ist ein wichtiger Baustein in Digitalelektronik - Symbol<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
13
PIONEERING WITH PASSION<br />
Von Analog zu Digital<br />
H Für UA UA<br />
ist der Schalter geschlossen. UQ wird<br />
L<br />
UQ0V L<br />
. Ist dagegen UA UA<br />
ist der Schalter offen.<br />
Es fließt kein Strom. Somit fällt keine Spannung über R<br />
H<br />
ab und UQ wird UQ<br />
= UB. Inverter mit realen Bauelementen, wobei der Schalter<br />
durch einen Transistor ersetzt wurde. Aufgrund von<br />
Schwankungen der Bauelementeigenschaften, der<br />
Versorgungsspannungen und von Verlusten bei der<br />
Übertragung digitaler Signale müssen Bereiche für Lund<br />
H-Pegel am Ein- und Ausgang festgelegt werden<br />
Ein zuverlässiges Bauelement ist also entscheidend für die Zuverlässigkeit von<br />
Digital bzw. Gesamtsystemen. => Konzentration auf Bauelement-Ebene<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
14
PIONEERING WITH PASSION<br />
2. Zuverlässigkeitstechnik<br />
Theoretische Sichtweise<br />
Zuverlässigkeitsprogrammplan<br />
Zuverlässigkeitsanforderungen<br />
Design für Zuverlässigkeit<br />
Zuverlässigkeitsprüfung<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
15
PIONEERING WITH PASSION<br />
2.1 Theoretische Sichtweise<br />
Definition:<br />
Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Vorrichtung seine beabsichtigte<br />
Funktion während eines spezifizierten Zeitabschnitts unter angegebenen Bedingungen<br />
durchführt.<br />
R() t e<br />
t <br />
b<br />
<br />
T G( t) 1 R(<br />
t)<br />
Schlüsselelemente dieser Definition:<br />
1. Zuverlässigkeit ist eine Wahrscheinlichkeit<br />
2. Zuverlässigkeit wird auf beabsichtigter Funktion behauptet.<br />
3. Zuverlässigkeit trifft auf einen spezifizierten Zeitabschnitt zu<br />
4. Zuverlässigkeit wird auf Betrieb unter angegebenen Bedingungen eingeschränkt.<br />
Optimal: 100% Zuverlässigkeit !! Ist diese garantierbar?<br />
t: Lebens-, Betriebs- oder Einsatzdauer oder gefahrene km<br />
T: Charakteristische Lebensdauer, entspricht der Zeit bis zu<br />
der ca. 63% aller Objekte ausfallen oder 37% der Objekte in<br />
Funktion bleiben.<br />
b: Ausfallsteilheit, bestimmt die Form der Verteilung. Es gilt b>0.<br />
In der Praxis gilt meist 0,25
PIONEERING WITH PASSION<br />
2.2 Zuverlässigkeitsprogrammplan<br />
Jedes System erfordert ein anderes Niveau<br />
der Zuverlässigkeit<br />
Ein Werbungsverkehrsflugzeug (z.B. A380)<br />
muss unter einer breiten Strecke von<br />
Bedingungen einwandfrei funktionieren. Die<br />
Konsequenzen eines Ausfalls sind enorm und<br />
ernst. Ein Bleistiftspitzer kann zuverlässiger<br />
sein als ein Verkehrsflugzeug, hat aber einen<br />
ganz anderen Satz von Betriebsbedingungen.<br />
Zuverlässigkeitsprogrammplan dokumentiert<br />
welche<br />
- Aufgaben<br />
- Methoden<br />
- Werkzeuge<br />
- Analysen<br />
- Tests<br />
angefordert werden.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
17
PIONEERING WITH PASSION<br />
2.3 Zuverlässigkeitanforderungen<br />
Ausreichende Spezifizierung der Zuverlässigkeitsanforderungen.<br />
Diese Anforderungen adressieren das System/Untersystem<br />
selbst – Test- und Einschätzungsanforderungen und verbundene<br />
Aufgaben, Unterlagen, Spezifikationen, Testpläne sind im<br />
Vertrag eingeschlossen.<br />
Mögliche Anforderungen:<br />
- Systemzuverlässigkeitsparameter<br />
- Zuverlässigkeit modellieren<br />
- Zuverlässigkeit Testanforderungen<br />
- Anforderungen für Zuverlässigkeitsaufgaben<br />
Diese Anforderungen müssen bei den unterschiedlichen Phasen des<br />
Produktlebenszyklus bekannt sein.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
18
PIONEERING WITH PASSION<br />
2.4 Design für Zuverlässigkeit<br />
Design for Reliability (DFR) ist eine auftauchende Disziplin und bezieht sich auf den Prozess<br />
des Entwerfens vom Zuverlässigkeit in Produkten. DFR gibt einige Werkzeuge und Praxis vor<br />
und beschreibt was eine Organisation an der richtigen Stelle haben muss, um die<br />
angestrebte Zuverlässigkeit zu erreichen.<br />
Kernschritte:<br />
- Entwicklung eines Modells/Prototyp<br />
- Auswerten der Verhältnisse zwischen unterschiedlichen Teile des Systems<br />
- Redundanz (Entwerfen von wechselnden Erfolgswegen – Ausweichanlage)<br />
- Aufgaben, Techniken und Analysen (spezifisch für bestimmte Industrien):<br />
o Eingebauter Tests<br />
o Ausfallmodus und Effektanalyse (FMEA)<br />
o Zuverlässigkeit Simulation modellieren<br />
o Thermische Analyse<br />
o Beschleunigte Prüfung<br />
o Elektromagnetische Analyse<br />
o Weibull Analyse<br />
o spezielle Umgebungsanalyse (Raumfahrt)<br />
Auf Bauteile Ebene findet solche Tests und weitere spezielle Tests für die Raumfahrt auch statt.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
19
PIONEERING WITH PASSION<br />
2.5 Zuverlässigkeitsprüfung<br />
Der Zweck der Zuverlässigkeitsprüfung ist, mögliche Probleme mit dem Design so<br />
früh wie möglich zu entdecken und Vertrauen schließlich zur Verfügung zu stellen,<br />
daß das System seinen Zuverlässigkeitsanforderungen entspricht.<br />
Die Prüfung kann auf unterschiedlichen Ebenen durchgeführt werden<br />
komplexes System<br />
Untersystem<br />
Bestandteile<br />
Leiterplatten<br />
Baugruppen<br />
Beschleunigte Prüfung<br />
Bauteile (niedrigste und entscheidende Ebene !!)<br />
Dasselbe für Software<br />
Das Leben des Systems oder seiner Bestandteile wird im Labor beschleunigt um die<br />
Ausfallzeit, Ausfallmodus zu identifizieren.<br />
Beschleunigung des Lebens erfolgt durch: raueres Klima, höhere Temperatur, Druck,<br />
Bestrahlung, Feuchtigkeit etc.<br />
Zuverlässigkeitsprüfungen auf allen Ebenen sind in der Raumfahrt unverzichtbar und<br />
haben den größten Anteil von Missionskosten.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
20
PIONEERING WITH PASSION<br />
3. Hochzuverlässige EEE Bauelemente<br />
Diese sind Bauelemente / Bauteile für kritische Anwendungen. Der Ausfall eines<br />
solchen Bauteils kann gravierende Folgen haben.<br />
Luftfahrt Medizin Raumfahrt Sonstige<br />
Avioniksysteme<br />
Bauteilausfall kann<br />
kritisch sein, aber<br />
Reparatur ist möglich<br />
Lebenserhaltungsgeräte,<br />
z.B. Herzschrittmacher.<br />
Ausfall =>Tod des Patienten,<br />
Reparatur möglich<br />
Steuerelektronik,<br />
Nutzlast etc. Bei<br />
Ausfall, keine<br />
Reparatur im All<br />
Atomkraftwerk,<br />
Militärische<br />
(Raketten,<br />
Fahrzeuge etc.)<br />
Höchste Zuverlässigkeitsanforderungen an Bauteilen ist der in Raumfahrt.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
21
PIONEERING WITH PASSION<br />
3.1 Entwicklungs- und Herstellungsphase für Raumfahrt<br />
Allgemeine Anforderungen für Raumfahrt: spezifiziert nach MIL und/oder ESA<br />
Allgemeine Anforderungen für Bauteilfamilie (Generic Specification): MIL/ESA<br />
Detaillierte Anforderungen für Bauteilgruppe (Detail Specification): MIL/ESA/Hersteller/Kunden<br />
Spezifische Erwartungen an bestimmten Bauteilen (Basic Specification)<br />
Testmethoden und Ablehnkriterien (Standards): Vorgeschrieben von MIL-STD (ESA, Basic)<br />
Qualifizierung des Herstellers und des jeweiligen Bauteils für Raumfahrt: MIL und/oder ESA<br />
Ziel der Anforderungen:<br />
Funtionsfähigkeit<br />
Funktionstest: Burn-in (aktiv oder passiv)<br />
Anwendungsumgebung<br />
Härtetests: Schock- und Vibrationstest, Strahlungstest, Temperaturzyklen<br />
Weitere Tests: Feuchtigkeitstest, Restgasanalyse,<br />
Missionsdauer<br />
Tests: Beschleunigter Lebensdauertest,<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
22
PIONEERING WITH PASSION<br />
3.2 Losweise Zuverlässigkeitsanforderungen<br />
Nach Qualifizierung des Herstellers und des Bauteils muss jedes Bauteillos weiteren<br />
Tests unterzogen werden.<br />
1. Screening: Alle Bauteile werden getestet und schlechte Bauteile werden aussortiert.<br />
2. Lot Acceptance Test (LAT): Teil von gescreenten Bauteilen werden besonders<br />
getestet und sie müssen alles LAT Tests bestehen. Viele LAT Tests sind typische<br />
Qualifikationstests.<br />
Beispiel: Herstellung von Spulen und<br />
Transformatoren<br />
Screening (ALLE Bauteile)<br />
Trotz statistischer Methode<br />
muss jedes Bauteil<br />
überprüft werden !!<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
23
PIONEERING WITH PASSION<br />
3.2 Losweise Zuverlässigkeitsanforderungen<br />
Qualifikation & Quality Conformance Inspection (QCI) bzw. LAT<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
24
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
1. Mechanischer Schock und Vibrationstest (MIL-STD-202)<br />
Schocktest (Method 213)<br />
Zweck: Überprüfung der Tauglichkeit von<br />
Komponenten, Subsystemen und Gesamtsystemen<br />
bzgl. Schock, der z.B. durch Handling, Transportation,<br />
militärische Operation etc. Schock ist i.d.R.<br />
sinusförmig oder auch zick-zack. (Method 213), Peak<br />
Schockwerte für Raumfahrtbauteile um die 100 G<br />
Effekte:<br />
- Beschädigung der Deckellötung<br />
- Risse und Brüche im Bauteilkörper<br />
- Beschädigung von inneren<br />
Komponenten<br />
=> Störung der Bauteilfunktionalität<br />
Vibrationstest (Method 214)<br />
Zweck: Überprüfung der Tauglichkeit von Komponenten,<br />
Subsystemen und Gesamtsystemen bzgl. dynamisches<br />
Stresses durch Vibration. Standardmäßig – stochastisch<br />
Vibration mit Frequenzen zwischen niedriger und hoher<br />
Frequenzgrenzen, um die Vibrationen in unterschiedlichen<br />
Fällen zu simulieren. Beispiel: Transformator bei TESAT.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
25
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
2. Strahlungstest (Radiation test)<br />
Radiation test for qualification consists of:<br />
i. Total ionising dose (TID)X-ray or Cobalt 60 gamma<br />
ii. Displacement damage using neutrons from special neutron sources e.g. (Prospero)<br />
iii. Single event testing using high energy proton beams (>60 MeV)<br />
Quelle: NASA<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
26
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
3. Temperaturzyklen (MIL-STD-202 method 107)<br />
Zweck: Überprüfung des Widerstands zu<br />
Temperaturschwankungen<br />
Bauteilparameter werden<br />
vorher und nachher gemessen<br />
und Drift berechnet.<br />
Effekte von Temperaturzyknen<br />
i. Mechanische Defekte<br />
ii. Risse in Materialien<br />
iii. Dichtigkeitsschwäche<br />
iv. Bondausfall<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
27
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
4. Feuchtigkeitstest (Moisture Resistance Test)<br />
Zweck: Um den Widerstand von<br />
Komponenten und dazugehörigen<br />
Materialien gegen den Effekt<br />
von Feuchtigkeit zu überprüfen.<br />
Effekte von Feuchtigkeit im Bauteil?<br />
Korrosion von metallischen<br />
Komponenten, Änderungen in<br />
elektrischen Eigenschaften<br />
Sich verschlechternde Komponenten<br />
Quellen von Feuchtigkeit<br />
Aufnahme durch anfällige<br />
Isolationsmaterialien Anfeuchten von<br />
Metalloberflächen und Isolationen<br />
Dichtigkeitstest kann die<br />
Eindringwahrscheinlichkeit von<br />
Feuchtigkeit schätzen.<br />
Test: MIL-STD-883, Method 1004.7<br />
- Initial conditioning<br />
- Initial measurements (parameters at room temperature)<br />
- Apply temperature cycles + humidity, biase<br />
- Condition samples at 25° C and measure parameters<br />
including insulation resistance.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
28
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrtecktest<br />
Lecktest (MIL-STD-1014)<br />
Zweck: Überprüfung der Dichtigkeit eines Bauteils<br />
Vorgehensweise<br />
Fein Lecktest: Gas wie z.B. Helium wird in das Bauteil innerhalb<br />
Einer bestimmten Zeit in einer Kammer forciert und danach die<br />
Leckrate ermittelt.<br />
Grob Lecktest: Flüssigkeit wird in das Bauteil innerhalb einer<br />
bestimmten Zeit gedruckt und die Leckrate ermittelt (Bubble test).<br />
Kombiniert: Wie Fein Lecktest, aber niedrigere Leckraten als<br />
Kriterium.<br />
Penetrant dye test: Farbflüssigkeit wird unter hohem Druck in das<br />
Bauteil für bestimmte Zeit gedruckt. Danach wird das Bauteil<br />
gereinigt und beobachtet, ob die Farbflüssigkeit aus dem Bauteil<br />
kommt.<br />
Beurteilungskriterien<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
29
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
5. Assembly and capability tests; Bond wire pull (Zugtest) und Schertest<br />
Die mechanische Festigkeit der<br />
Bondverbindung wird durch<br />
eine stetig zunehmende<br />
Zugkraft gemessen.<br />
MIL-STD-750, Meth. 2017<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
30
PIONEERING WITH PASSION<br />
Einige Zuverlässigkeitstests in der Raumfahrt<br />
6. Härtetest (Endurance): Burn-in, Beschleunigter Lebensdauertest<br />
Burn-in Test<br />
Schlechte Komponente können früher<br />
aussortiert werden<br />
Max. Betriebstemperatur<br />
110% Nennspannung<br />
Raumfahrt typischerweise:<br />
(T =100° C bis130° C, 96-200 h.)<br />
Beschleunigter Lebensdauertest<br />
Um Wahrscheinlichkeit von Ausfall bei<br />
Anwendung zu reduzieren.<br />
Ausfallkriterien werden je nach Anwendung<br />
unterschiedlich festgelegt<br />
Frühe Ausfälle sind i.d.R. auf schlechtes<br />
Design oder auf den Herstellungsprozess<br />
zurückzuführen.<br />
Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, etc. kann<br />
eingestellt werden.<br />
Raumfahrt typischerweise 130° C, 2000 h.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
31
PIONEERING WITH PASSION<br />
Beispiel Prozesszusammenfassung<br />
Herstellung von Optokoppler<br />
Hersteller dokumentiert das ganze<br />
Verfahren und muss Dokumentation<br />
beim verlangen vorlegen.<br />
Ausbeute ist manchmal sehr gering.<br />
Damit sollen nur die besten Bauteile<br />
geliefert bzw. eingesetzt werden.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
32
PIONEERING WITH PASSION<br />
Precap und Final Source Inspections<br />
Pre-encapsulation (Vor der Versiegelung)<br />
Zweck: Verifikation des inneren Aufbaus des Bauteils vor dem Versiegeln.<br />
Falls vereinbart, muss der Hersteller diese Inspektion von der Kundenseite ermöglichen<br />
Wenn nicht anders vereinbart, sollen alle Bauteile inspiziert werden.<br />
Tests: Inspektion des Dies, Bond wire pull test, Shear test, Prozesszusammenfassung, u.a.<br />
Erst danach wird die Bauteildeckel aufgebracht.<br />
Die Precap-Inspektion wird mit einem Bericht dokumentiert, der sowohl vom Kunden als<br />
auch vom Hersteller unterschrieben wird.<br />
- Schlechte Bauteile werden aussortiert.<br />
Final Source Inspection (Lot Acceptance Test, LAT)<br />
Zweck: Verifizierung der erwarteten Bauteilfunktionalität vor dem Ausliefern.<br />
Falls vereinbart, muss der Hersteller diese Inspektion von der Kundenseite ermöglichen<br />
Muster aus dem Bauteillos werden getestet.<br />
Tests: Elektrische Messungen ….<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
33
PIONEERING WITH PASSION<br />
4. Zuverlässigkeits- bzw. Qualitätsverifizierung<br />
auf der Anwenderseite<br />
Beispiel: Überprüfung der gelieferten Bauteile vor dem Einsatz<br />
Destructive Physical Analysis<br />
(DPA)<br />
Bauteile vom Hersteller<br />
Wareneingangskontrolle<br />
Sonstige Tests<br />
Dokumentationskontrolle &<br />
Bauteilfreigabe<br />
Maßkontrolle,<br />
Elektrische Messungen,<br />
Test auf verbotene<br />
Materialien<br />
Radiation Verification Test<br />
(RVT)<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
34
PIONEERING WITH PASSION<br />
Zerstörende Analyse (Destructive Physical Analysis)<br />
Ziel: Verifizierung des Design, der Technologie und Materialien, um Aussage über<br />
Zuverlässigkeit treffen zu können.<br />
DPA-Tests<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
35
PIONEERING WITH PASSION<br />
Beispiel: DPA an Leuchtdiode<br />
Externe visuelle Kontrolle (EVI)<br />
MIL-STD-750 Method 2071<br />
Lötbarkeitstest<br />
J-STD-002<br />
Nachher Vorher<br />
Seriennummer<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
36
PIONEERING WITH PASSION<br />
Beispiel: DPA an Leuchtdiode<br />
X-Ray (Radiographie)<br />
MIL‐STD‐750, Method 2076 oder ESCC 20900<br />
Interne visuelle Kontrolle<br />
MIL‐STD‐750, Method 2075 oder ESCC 20400<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
37
PIONEERING WITH PASSION<br />
Beispiel DPA an Leuchtdiode<br />
Rasterelektronenmikroskopie (SEM Inspection)<br />
MIL‐STD‐750, Method 2076, oder ESCC 21400<br />
Bond wire pull test<br />
MIL‐STD‐750, Method 2037 Condition A<br />
Die shear test<br />
MIL‐STD‐750, Method 2017<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
38
PIONEERING WITH PASSION<br />
Fehleranalyse auf Bauteil Ebene<br />
Ziel: Herauszufinden, warum ein Bauteil<br />
ausgefallen ist, und die Ausfallwahrscheinlichkeit<br />
dieses Bauteils in anderen Geräten zu schätzen.<br />
Beispiel: Ausfall eines Optokopplers in<br />
einem Raumfahrtgerät<br />
equipment for space application<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
39
PIONEERING WITH PASSION<br />
Fehleranalyse<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
40
PIONEERING WITH PASSION<br />
Fehleranalyse<br />
Bond pad auf LED<br />
Ball Bond auf Phototransistor<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG 41
PIONEERING WITH PASSION<br />
Weitere Befunde in Bauteilen<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
42
PIONEERING WITH PASSION<br />
Weitere Befunde in Bauteilen<br />
Risse in der Keramik<br />
eines Hybrides (EMI<br />
Filter)<br />
Rasterelektronenmikrosk<br />
opie (REM)<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
43
PIONEERING WITH PASSION<br />
Danke<br />
Vielen Dank an alle Kollegen und Kolleginnen bei TESAT und<br />
insbesondere der Abteilung Bauteilagentur (Parts Agent) bei TESAT<br />
Spacecom, deren Arbeit zu dem Inhalt und der Qualität dieses Vortrags<br />
beigetragen hat, und an die Abteilungsleitung für ihre Unterstützung.<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
44
PIONEERING WITH PASSION<br />
Übung<br />
1. Sie wollen einen gehäusten aus silizium<br />
bestehenden Transistor einsetzen, dessen Die<br />
die folgenden Abmessungen hat:<br />
i) 2 mm x 3 mm<br />
ii) 4 mm x 6 mm<br />
iii) 0,5 mm x 1 mm<br />
Welche Mindestkraft sollen die Dies beim<br />
Schertest aushalten?<br />
2. Eine gehäuste integrierte Schaltung hat<br />
unterschiedliche Bonddrähte mit Durchmesser<br />
i) 26µm<br />
ii) 75 µm<br />
iii) 1 mm<br />
Welche Mindestkraft sollen die Bonddrähte<br />
beim Bond wire pull test aushalten?<br />
3. Ein Bauteil hat Abmessungen 5 mm x 7 mm x<br />
10 mm mit 1 mm dicke Gehäuse. Was ist die<br />
maximal erlaubte Leckrate für dieses Bauteil?<br />
4. Sie wollen herausfinden, warum ein<br />
gehäustes logisches Gatter ausgefallen ist.<br />
Ordnen Sie die folgenden Tests der Reihe nach.<br />
Radiographie, Schleifen, Bond wire pull test,<br />
Rasterelektronenmikroskopie, Scher test ,<br />
Lecktest.<br />
5. Sie sollen ein Avionikgerät im Auftrag eines<br />
Flugzeugherstellers entwickeln, das im<br />
Flugzeug mitfliegen soll.<br />
i) Welche Zuverlässigkeitstests würden Sie an<br />
den Komponenten für das Gerät durchführen?<br />
ii) Was wären die zu erfüllenden Kriterien bei<br />
diesen Tests?<br />
6. Rechne die Zuverlässigkeit eines Bauteils, das<br />
seit genau 6 Tagen verwendet wird. Das<br />
Bauteil hat eine charakteristische<br />
Lebensdauer von 15000 Stunden. Annahme:<br />
Ausfallsteilheit ist 0.3?<br />
X mm * 0.03937 = Y inch.<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
45
PIONEERING WITH PASSION<br />
Die shear<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
46
PIONEERING WITH PASSION<br />
Wire pull test (Zugtest)<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
47
PIONEERING WITH PASSION<br />
Lecktest<br />
©Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG<br />
48