CONSTRUISONS ENSEMBLELA DÉFENSE DE DEMAIN

LES BASES DE DONNÉES FIABILITÉ ÉLECTRONIQUE : HISTORIQUE ET ÉTAT DE

L’ART

FRANCK DAVENEL (DGA)

DGA MI / CGN1 / CSE

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FIABILITÉ ÉLECTRONIQUE

Définition et utilisation

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FIABILITÉ : DONNÉE D’ENTRÉE POUR SDF, SLI/MCO

RELIABILITYThe capability of a System

to operate without failure

MAINTAINABILITYAnd TESTABILITY

The capability of a System

to be restored after

a failure

AVAILABILITYCapability of a System to be use when their need it

with all theses functions or eventually in

degraded mode

SAFETYCondition of being

safe, freedom

from hazard,

Risk, or injury

R.A.M.S.F.M.D.S.DEPENDABILITY

&Dependance / data / tools

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MODÉLISATION DE LA FIABILITÉ DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES : WEIBULL� La fiabilité d’un système électronique est communément

modélisée par la traditionnelle courbe en baignoire :

λ constant =1/MTBF

Taux de défaillance (λ(t))

MTF: durée de vie

Jeunesse Vie utile Usure (fin de vie)

Période de défaillance précoce

(fautes de conception, de production, etc...)

Elimination des faibles

Période de défaillance à taux constant

(fautes occasionnelles)

Défaillances aléatoires

Période dedéfaillance d'usure

(électromigration, corrosion, etc...)

Défaillances intrinsèques

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DONNÉES DE FIABILITÉ (1/2)

� MTBF = Mean Time Between Failure, durée moyenne entre 2 défaillances

� Le MTBF caractérise la fiabilité aléatoire

� Le MTBF s’exprime plutôt en heure ou en années.

� MTTF = Mean Time To Fail, durée moyenne de bon fonctionnement, équivalent du MTBF pour les entités non réparables

Fiabilité aléatoire

À hypothèse λ constant, MTBF = 1/λ = temps pour lequel la probabilité de défaillance est de 0.63 avec durée de réparation négligeable

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DONNÉES DE FIABILITÉ (2/2)

� TTF = Time To Fail, TTF(x%) = temps pour observer x% de la population en défaut

� Ainsi MTF = TTF (50%) = Median Time To Failure = temps au bout duquel 50% de la population a atteint un critère de défaut donné, le MTF est utilisé pour caractériser les phénomènes d’usure affectant l’ensemble d’une population

Durée de vie

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COURBES DE WEIBULL : ANALOGIE AVEC L’HOMME

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BASE DE DONNÉES FIABILITÉ

Fiabilité prévisionnelle

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FIABILITÉ PRÉVISIONNELLE = MTBF

� La fiabilité exprimée par un taux de défaillance

� La fiabilité prévisionnelle ne donne pas d’information sur la durée de vie

Taux de défaillance

Temps

Durée de vie

MTBF

Domaine de validité

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FIABILITÉ PRÉVISIONNELLE : UN ENJEU IMPORTANT� Prévoit des taux de défaillance

• ne s’intéresse pas aux considérations de redondance mais guide les choix d’architecture,

• oriente la politique de maintenance (dimensionnement des rechanges),

• permet d’alimenter toutes les études SDF basées sur la fiabilité prévisionnelle :

► Probabilité de bon fonctionnement

► Disponibilité

► AMDEC

►…

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TAUX DE DÉFAILLANCE SYSTÈME

λsystème = Σ λ sous-systèmes qui le constituent

Ainsi

λcarte électronique = Σ λi composanti

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PRÉVISION DE FIABILITÉ ÉLECTRONIQUEMéthodologie

Nomenclature (BOM)- Format papier- informatique

Schémas électriques

Schéma fonctionnel

Guide/outil FIDES

*Liste préférentielle cpsts (PPL)*Outil de conception…

*Niveau de qualité*Contraintes environnementales*Études/simulations thermiquesStress électrique/taux de charge (derating)*Profil de vie

Données d’entrées

Base de données industrielle Hypothèses de Calcul

Base de données (ex. FIDES)Taux de défaillance

prévisionnel

Datasheet

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HISTORIQUE OUTIL PRÉVISION FIABILITÉ

2010

UTE

-C80

811

(FID

ES

VER

SIO

N 2

009)

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BASE DE DONNÉES Outils historiques

Modèles classiques empiriques : λcpst = Σ λi πiλ = λ0 πt πe πq πaλ0 taux de défaillance de référenceπt facteur de températureπe facteur d’environnementπq facteur de qualitéπa facteur d’apprentissage

MIL HDBK 217 F DOD, RDF 93 CNET, HRD5 British Telecom,

recueils propriétaires (SN29000 Siemens, US TR-332 Bellcore)

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MIL HDBK217 F NOTICE2

� Modèle Circuits intégrés mémoires

� C1 taux de défaillance de base puce fonction de la technologie et de la complexité

(nombre de transistors)

� C2 taux de défaillance de base du boîtier en fonction du type (PGA, DIP, …) et nombre de pins

� ΠT traduit l’accélération par la température (loi d’Arrhénius)� ΠE traduit l’accélération liée à l’environnement � ΠQ est le facteur de qualité� ΠL est le facteur d’apprentissage

� Modèle passifs � λb taux de défaillance de base () en fonction du type de cpst� γ, produit de paramètres fonction du type de composant :

o ΠU nature de l’utilisationo ΠN nombre de brocheso ΠS, Pp puissanceo ΠV tensiono ΠC valeur de capacitéo PL facteur d’apprentissage

LQEt CC ππππλ .)...( 21 +=

QEb ππγλλ ...=

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EXEMPLE DE DONNÉES MIL HDBK217 (1/2)

� ΠE tient compte des effets des contraintes environnementales

Exemple des facteurs d'environnement pour les circuits intégrés

Le facteur d’environnement (ΠE)

EnvironnementSol fixe protégé

Sol fixe non protégé

Sol mobile non protégé

Avioniquedéfavorable

ΠE0.5 2.0 4.0 8.0

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EXEMPLE DE DONNÉES MIL HDBK217 (2/2)

� C1 taux de défaillance de base de la puce en fonction du type de mémoire

Le facteur C1

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PHYSIQUE DE DÉFAILLANCE (POF)

Durée de vie

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PHYSIQUE DE DÉFAILLANCE

� modélisation de la durée de vie des composants par des lois physiques qui décrivent les mécanismes de défaillances (travaux du CALCE par exple)

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MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES� Plusieurs méthodes permettant de réaliser la

modélisation numérique : éléments finis la plus employée

� Nombreux outils de simulation : • CRITERIA (thermo-mécanique – CERFIAB)• PWA (thermique, vibration circuits imprimés assemblés CALCE)• ABAQUS (mécanique ou thermo-mécanique)• SCILAB

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PHYSIQUE DE DÉFAILLANCES VS DURÉE DE VIE�estimation de la durée de vie d’un composant/sous-ensemble (ne permet pas d ’évaluer un taux de défaillance)

� lourd à mettre en œuvre sur toutes les familles de composants et tous les mécanismes

� maîtrise l’ensemble des paramètres très complexe

(ex: Ea, coefficients matériaux, etc.)

Est aujourd’hui utilisé ponctuellement (car coûteux) sur les composants ou sous-systèmes critiques pour lesquels une étude préliminaire POF permet de valider une conception, de vérifier la robustesse avant la réalisation d’essais de qualification

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CONCLUSION

� BDD historiques type Mil HDBK217 , concept remontant aux années 50

� 1ère version en 1962, a servi de référence à tous les autres recueils

� MIL HDBK217 n’est plus maintenu par l’administration US

� Apparition de nouveaux outils plus déterministes basés sur la physique de défaillance• RDF2000 (UTEC 80810 ou IEC 62380 en cours de

suppression)• FIDES (UTEC 80811 ou future IEC 63142)