1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт "АСОНИКА" (ООО "НИИ "АСОНИКА")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 165 "Системы автоматизированного проектирования электроники"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 августа 2022 г. N 785-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Причиной разработки стандарта является необходимость автоматизированного анализа показателей надежности электронной аппаратуры (ЭА) на ранних этапах проектирования ЭА на основе математического моделирования и виртуальных испытаний электронной компонентной базы (ЭКБ) и ЭА на внешние воздействующие факторы (ВВФ) и карт рабочих режимов (КРР) ЭКБ для снижения затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок.

Стандарт распространяется на показатели надежности ЭА. Его целью является автоматизация анализа показателей надежности ЭА с применением математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ и КРР ЭКБ, снижение затрат на разработку, производство и обслуживание за счет повышения качества разработок.

Применение математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ и КРР ЭКБ на ранних этапах проектирования до изготовления опытного образца позволит избежать отказов ЭКБ и ЭА или значительно сократить их на этапе испытаний опытного образца, сокращая тем самым количество испытаний опытного образца, возможные итерации по доработке схем и конструкций, затраты на разработку ЭКБ и ЭА при одновременном повышении качества и надежности, в том числе в критических режимах работы, делая ЭКБ и ЭА конкурентоспособными на отечественном и международном рынке [1] - [3].

Использование при анализе показателей надежности ЭА натурных испытаний ЭА на ВВФ невозможно, так как анализ показателей надежности ЭА проводится еще до изготовления опытного образца. Виртуализация испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ при анализе показателей надежности ЭА является безальтернативной. Без применения математического моделирования нельзя определить температуры ЭКБ и другие параметры моделей надежности. Такой подход является информативным, так как благодаря ему на этапе проектирования отслеживается большинство возможных отказов ЭКБ и ЭА по электрическим, тепловым и механическим характеристикам, и эффективным, так как из-за недоработок проектирования ЭКБ и ЭА, вскрытых уже путем натурных испытаний, возможно множество итераций: доработка проекта - испытания опытного образца - доработка проекта и т.д., что значительно увеличивает сроки и стоимость разработки.

Настоящий стандарт определяет требования к подсистеме автоматизированного анализа показателей надежности ЭА на основе математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ при проектировании и КРР ЭКБ.

1.1 Настоящий стандарт предназначен для применения предприятиями промышленности и организациями при использовании цифровых двойников электроники и CALS-технологий на ранних этапах проектирования, изготовления и испытаний ЭКБ и ЭА, а также на всех последующих этапах жизненного цикла ЭКБ и ЭА.

1.1.1 Подсистема автоматизированного анализа показателей надежности электронной аппаратуры на ранних этапах проектирования ЭА по результатам математического моделирования ЭКБ и ЭА на ВВФ применяется на ранних этапах проектирования ЭА следующего назначения: промышленная, для энергетики, оборонно-промышленного комплекса, аэрокосмической отрасли, судостроения, медицинская, автомобильная, для навигации и радиолокации, потребительская, для фискального и торгового оборудования, связи (телекоммуникации), вычислительной техники, для автоматизации и интеллектуального управления, систем безопасности, светотехники, автоматизированного транспорта и движущейся робототехники.

1.1.2 ЭА состоит из электронных шкафов и блоков, печатных узлов и ЭКБ (микросхем, транзисторов, резисторов и т.д.).

1.1.3 На ЭКБ и ЭА оказывают влияние внешние дестабилизирующие факторы - электрические, тепловые, механические, климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, специальных сред и термические. Внешние дестабилизирующие факторы могут приводить к несоответствиям ЭКБ и ЭА требованиям к их прочности и устойчивости к ВВФ. Настоящий стандарт устанавливает основные положения технологии, позволяющей проводить анализ показателей надежности электронной аппаратуры на основе математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ при проектировании.

1.2 Анализ показателей надежности ЭА должен осуществляться на ранних этапах проектирования ЭА посредством проведения математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ при проектировании. Электрические характеристики ЭКБ определяются путем расчетов по схемам или по результатам инструментальных измерений на макетах.

1.3 Для анализа показателей надежности ЭА методом математического моделирования (виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ) должны применяться аттестованные программные средства, а при необходимости - аттестованные программно-аппаратные средства. Требования к программно-аппаратным средствам устанавливаются по согласованию с заказчиками.

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

БД - база данных;

ВВФ - внешние воздействующие факторы;

КРР - карты рабочих режимов;

НТД - нормативно-техническая документация;

ПУ - печатный узел;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ТЗ - техническое задание;

ЭА - электронная аппаратура;

ЭКБ - электронная компонентная база

3.1 Целью разработки настоящего стандарта является установление требований к автоматизированному анализу показателей надежности ЭА на основе математического моделирования и виртуальных испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ и КРР ЭКБ.

Для достижения поставленной цели в стандарте устанавливаются следующие единые требования:

- к технологии автоматизированного анализа показателей надежности ЭА на основе комплексной модели надежности;

- подсистеме автоматизированного анализа показателей надежности ЭА;

- подсистеме автоматизированного создания КРР ЭКБ;

- программному обеспечению по математическому моделированию и виртуальным испытаниям ЭКБ и ЭА на ВВФ при проектировании.

3.2 Организация работ по применению технологии автоматизированного анализа показателей надежности ЭА на основе математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ при проектировании устроена следующим образом.

3.2.1 Разработчики схем ЭА получают и передают все электрические характеристики, необходимые для КРР ЭКБ, работникам подразделения предприятия, на которое возложена обязанность выпуска КРР ЭКБ.

3.2.2 Разработчики конструкций ЭА получают и передают все тепловые и механические характеристики, необходимые для КРР ЭКБ, работникам подразделения предприятия, на которое возложена обязанность выпуска КРР ЭКБ.

3.2.3 Разработчики подразделения предприятия, на которое возложена обязанность выпуска КРР ЭКБ, получают и передают все КРР ЭКБ работникам подразделения предприятия, на которое возложена обязанность анализа показателей надежности ЭА.

3.2.4 Работники подразделения предприятия, на которое возложена обязанность заполнения БД ЭКБ и материалов, регулярно для новой ЭКБ заносят в БД ЭКБ всю информацию, необходимую для анализа показателей надежности ЭА и для математического моделирования и виртуализации испытаний ЭКБ и ЭА на ВВФ при проектировании.

4.1 Конечной целью автоматизированного анализа является обеспечение требуемых показателей надежности ЭА в условиях ВВФ на основе комплексной модели надежности ЭА.

4.2 Комплексную модель надежности ЭА создают на основе сквозного автоматизированного моделирования физических процессов. Таким образом, предварительно обязательно проводят моделирование всех физических процессов в ЭА, так как на надежность ЭА оказывают влияние ВВФ - электрические, тепловые, механические, климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, специальных сред и термические.

4.3 Показатели надежности ЭА определяют исключительно по результатам их моделирования на ВВФ.

4.4 Под комплексностью понимается учет при анализе надежности всего комплекса ВВФ, включающих прежде всего тепловые, механические, электромагнитные воздействия. В состав программного обеспечения виртуальных испытаний на надежность должны входить модули по анализу электрических, тепловых, механических, электромагнитных процессов в ЭА, созданию КРР ЭКБ и анализу показателей надежности. На рисунке 4.1 приведена структура комплексной модели надежности, основанной на виртуальных испытаниях ЭА на внешние тепловые и механические воздействия.

4.5 В процессе проектирования на базе подсистемы управления данными при моделировании (PDM-системы) с использованием подсистем математического моделирования происходит формирование электронной модели цифрового двойника ЭА. С помощью специального графического редактора вводится электрическая схема, которая сохраняется в БД проектов в подсистеме управления данными и передается в виде файла в системы анализа электрических схем, а также в САПР печатных плат. Выходные файлы САПР печатных плат в стандартных форматах (например, PDIF и IDF) сохраняются в БД проектов в подсистеме управления моделированием и направляются в системы 3D-моделирования для создания чертежей.

4.6 В БД проектов передаются 3D-модели шкафов и блоков ЭКБ и ЭА, созданные в системах 3D-моделирования в стандартных форматах (например, IGES и STEP), которые далее направляются в подсистемы моделирования для анализа механических процессов в шкафах и блоках ЭА (1), а также в подсистему моделирования для анализа тепловых процессов в шкафах и блоках ЭА (3).

4.7 Полученные в результате моделирования ускорения и температуры в конструкциях шкафов и блоков сохраняются в подсистеме управления моделированием (2, 4). Чертежи ПУ и спецификации к ним, а также файлы в стандартных форматах передаются из подсистемы управления моделированием в подсистему для комплексного анализа тепловых и механических процессов в ПУ (5). В данную подсистему также передаются температуры воздуха в узлах, полученные в подсистеме моделирования тепловых процессах в шкафах и блоках ЭА, а также ускорения опор, полученные в подсистемах анализа механической прочности шкафов и блоков (6). Полученные в результате моделирования температуры и ускорения ЭКБ сохраняются в подсистеме управления моделированием (7). Если они не превышают допустимые по НТД значения, то далее проводится анализ показателей надежности ЭКБ и ЭА. Если же превышают, то в электрическую схему и конструкцию ЭА вносятся изменения и расчеты повторяются.

4.8 Перечень ЭКБ, файлы с электрическими характеристиками ЭКБ (8), температурами и ускорениями ЭКБ (9) передаются из подсистемы управления моделированием в подсистему автоматизированного создания КРР ЭКБ. Полученные в результате КРР сохраняются в подсистеме управления моделированием (10). Если электрические характеристики, температуры и ускорения ЭКБ "В схеме" не превышают значения "По НТД", то далее проводится анализ показателей надежности ЭКБ и ЭА. Если же превышают, то вносятся изменения в электрическую схему и конструкцию ЭА и расчеты температур, ускорений, а также создание КРР ЭКБ повторяются.

4.9 Перечень ЭКБ (11), файлы с электрическими характеристиками ЭКБ (12), температурами и ускорениями ЭКБ (13) передаются из подсистемы управления моделированием в подсистему анализа показателей надежности ЭКБ и ЭА. Полученные в результате показатели надежности ЭКБ и ЭА сохраняются в подсистеме управления моделированием (14). Если они не превышают заданные в ТЗ значения, то далее проводится окончательное формирование КРР ЭКБ. Если же превышают, то в электрическую схему и конструкцию ЭА вносятся изменения и расчеты температур, ускорений и показателей надежности ЭКБ и ЭА повторяются.

4.10 Все необходимые для расчетов параметры ЭКБ и материалов автоматически считываются из интегрированной базы данных ЭКБ и материалов по геометрическим, физико-механическим, усталостным, теплофизическим, электрическим, электромагнитным и надежностным параметрам (15).

4.11 На первом этапе оцениваемыми характеристиками являются электрические, тепловые, механические, электромагнитные характеристики ЭА, которые не должны превышать максимально допустимые значения, заданные в нормативных документах и технической документации.

4.12 На втором этапе оцениваемыми характеристиками являются показатели надежности, полученные с учетом рассчитанных на первом этапе итоговых электрических, тепловых, механических, электромагнитных характеристик ЭА.

4.13 Оцениваемыми электрическими характеристиками являются электрические характеристики, необходимые для теплового расчета, расчета показателей надежности и формирования КРР ЭКБ.

4.14 Осуществляют интеграцию модуля ввода электрической схемы и следующих подсистем: анализа конструкций ПУ ЭА на тепловые и механические воздействия, автоматизированного создания КРР ЭКБ и автоматизированного анализа показателей надежности ЭА. Необходимо передать в эти подсистемы тестовый файл с перечнем ЭКБ, имеющий следующую структуру:

<Позиционное обозначение ЭКБ>:<Полная условная запись ЭКБ>

4.15 Осуществляют интеграцию модуля расчета электрической схемы и подсистемы анализа конструкций ПУ ЭА на тепловые и механические воздействия:

- результаты расчета мощностей тепловыделения ЭКБ в статическом и динамическом режимах сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭКБ><Значение мощности в Вт>;

- данный текстовый файл передают в подсистему анализа конструкций ПУ ЭА на тепловые и механические воздействия;

- на основе полученных мощностей в подсистеме анализа конструкций ПУ ЭА на тепловые и механические воздействия рассчитывают температуры в конструкции ПУ, в том числе на каждом ЭКБ.

4.16 Осуществляют интеграцию модуля расчета электрической схемы и подсистемы автоматизированного создания КРР ЭКБ.

Электрические характеристики (токи, напряжения, мощности и др.), полученные в результате расчета электрической схемы, сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭКБ><Сила тока в А><Напряжение в В><Мощность в Вт><др. возможные электрические характеристики>

Данный текстовый файл передают в подсистему автоматизированного создания КРР ЭКБ.

На основе полученных электрических характеристик в подсистеме автоматизированного создания КРР ЭКБ формируются КРР ЭКБ.

4.17 Осуществляют интеграцию подсистемы анализа конструкций ПУ ЭА на тепловые и механические воздействия и подсистемы автоматизированного создания КРР ЭКБ:

- результаты расчета температур ЭКБ сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭКБ><Значение температуры в °C>;

- результаты расчета ускорений ЭКБ сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭКБ><Значение ускорения вибрации в g><Значение ускорения единичного механического удара в g><Значение ускорения многократного механического удара в g>;

- данные текстовые файлы передают в подсистему автоматизированного создания КРР ЭКБ.

4.18 Осуществляют интеграцию подсистемы автоматизированного создания КРР ЭКБ и подсистемы автоматизированного анализа показателей надежности ЭА с учетом реальных режимов работы ЭКБ:

- электрические и тепловые характеристики сохраняют в текстовом файле следующей структуры:

<Позиционное обозначение ЭКБ><Электрические характеристики><Значение температуры в °C>;

- данный текстовый файл передают в подсистему автоматизированного анализа показателей надежности ЭА;

- на основе полученных электрических и тепловых характеристик в подсистеме автоматизированного анализа показателей надежности ЭА рассчитывают показатели надежности ЭА, в том числе каждого ЭКБ.

4.19 В результате получается система сквозного проектирования:

Расчет электрической схемы Расчет температур ЭКБ Формирование КРР ЭКБ Анализ показателей надежности ЭКБ.

В приложении А приведен пример комплексного анализа надежности.

5.1 Подсистема автоматизированного анализа показателей надежности ЭА должна отвечать требованиям 1.3.

5.2 Подсистема должна позволять вводить позиционные обозначения и полные условные записи ЭКБ четырьмя способами.

5.2.1 Способ 1. Импорт выходного файла САПР печатных плат в формате IDF (PDIF), содержащего позиционные обозначения и полные условные записи ЭКБ. В процессе импорта параллельно должно идти обращение к БД ЭКБ, откуда считываются все необходимые параметры по надежности.

5.2.2 Способ 2. Импорт файла *.txt, содержащего позиционные обозначения и полные условные записи ЭКБ. В процессе импорта параллельно должно идти обращение к БД ЭКБ, откуда считываются все необходимые параметры по надежности.

5.2.3 Способ 3. Числовой ряд (таблица).

5.2.4 Способ 4. Ручной выбор ЭКБ, содержащегося в перечне, из БД ЭКБ с присвоением позиционных обозначений.

5.3 Подсистема должна позволять осуществлять импорт электрических характеристик и температур ЭКБ, в том числе из КРР ЭКБ.

5.4 Необходимо наличие базы данных, содержащей модели надежности и параметры моделей надежности для отечественной электронной компонентной базы.

5.5 Необходимо выбрать режимы виртуальных испытаний на надежность:

а) нагруженную эксплуатацию;

б) режим ожидания (хранения) неподвижного объекта;

в) режим ожидания (хранения) подвижного объекта.

5.6 Подсистема должна поддерживать следующие виды резервирования:

а) пассивное резервирование с неизменной нагрузкой;

б) активное нагруженное резервирование;

в) активное ненагруженное резервирование;

г) активное облегченное резервирование.

5.7.1 Задают группу аппаратуры.

5.7.2 Задают время безотказной работы, для которого рассчитывают вероятность безотказной работы, ч; показатель наработки до отказа , %; число контрольных точек; коэффициент запаса по сроку службы; коэффициент запаса по ресурсу; коэффициент среднегодовой нагрузки.

5.7.3 Выбирают режим эксплуатации: нагруженная эксплуатация, режим ожидания (хранения) неподвижного объекта, режим ожидания (хранения) подвижного объекта.

5.7.4 Задают условия эксплуатации в режиме ожидания (хранения): в отапливаемом помещении, в неотапливаемом помещении, под навесом.

5.8 Должны рассчитываться как минимум следующие показатели надежности (дополнительно могут быть добавлены другие показатели):

5.8.1 Показатели безотказности:

- эксплуатационная интенсивность отказов, ч^-1;

- средняя наработка до отказа, ч;

- вероятность безотказной работы;

- наработка до отказа, ч.

5.8.2 Показатели долговечности:

- полный срок службы, лет;

- полный ресурс, ч;

- срок службы, лет;

- ресурс, ч;

- остаточный ресурс, ч (учитывает колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и ЭРИ).

5.8.3 Показатели ремонтопригодности:

- среднее время восстановления, ч.

5.8.4 Показатели сохраняемости:

- интенсивность отказов в режиме ожидания, ч^-1;

- средний срок сохраняемости, ч;

- срок сохраняемости, ч.

5.8.5 Показатели безопасности:

- назначенный ресурс, ч;

- назначенный срок службы, лет.

5.9 По результатам виртуальных испытаний подсистемой автоматически создается отчет, в котором указываются как исходные данные, так и результаты расчета. Показатели надежности рассчитывают как для ЭА в целом, так и для каждого отдельного ЭКБ. Делаются выводы о соответствии показателей надежности требованиям ТЗ на разработку изделия.

В приложении Б приведен пример полностью оформленного отчета.

6.1 Программное обеспечение должно отвечать требованиям 1.3.

6.2 Подмодель тепловых процессов:

- отражает тепловые процессы в проектируемой конструкции, возникающие под влиянием воздействия окружающей среды, тепловыделений в ЭКБ и систем охлаждения;

- учитывает все способы передачи тепла в современных ЭКБ и ЭА;

- учитывает особенности конструктивного построения современных ЭКБ и ЭА и способы их охлаждения, что позволяет моделировать тепловые процессы с необходимой для инженерных расчетов точностью для широкого класса ЭКБ и ЭА.

6.3 Подмодель механических процессов:

- отражает механические процессы в проектируемой конструкции, возникающие под воздействием всего спектра механических воздействий (синусоидальная и случайная вибрации, одиночные и многократные удары);

- учитывает различные системы виброизоляции, применяемые в ЭКБ и ЭА;

- учитывает эффект внутреннего трения в материалах конструкций, анизотропность физико-механических параметров материалов конструкций, а также их зависимость от локальных перегревов участков конструкции, что позволяет более точно моделировать механические режимы работы ЭКБ и ЭА;

- учитывает особенности конструктивного построения современных ЭКБ и ЭА, способы их амортизации, что дает возможность с достаточной для инженерных расчетов точностью моделировать весь спектр механических характеристик широкого класса конструкций ЭКБ и ЭА.

Подсистема автоматизированного анализа показателей надежности ЭА "АСОНИКА-Б" является одной из 13 подсистем автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры "АСОНИКА" (https://asonika-online.ru/), предназначенной для анализа и обеспечения стойкости ЭА и ЭКБ к комплексным тепловым, механическим, электромагнитным воздействиям, усталостной прочности к тепломеханическим воздействиям, создания карт рабочих режимов ЭКБ, анализа показателей надежности ЭА и создания цифровых двойников ЭА и ЭКБ.

"АСОНИКА" - это замена натурных испытаний опытных образцов ЭА и ЭКБ виртуальными испытаниями на внешние механические, тепловые, электромагнитные и другие воздействия еще до их изготовления. Это значительная экономия денежных средств и сокращение сроков создания ЭА и ЭКБ при одновременном повышении качества и надежности за счет сокращения количества натурных испытаний.

В качестве примера анализа показателей безотказности ПУ на основе комплексного моделирования физических процессов рассматривают процесс разработки ПУ, в ТЗ на который предусмотрено обеспечение безотказной работы ПУ в течение 10 000 ч с вероятностью не менее 0,95.

Вначале разрабатывают электрическую схему и проводят анализ электрических характеристик в системе PSpice. Затем в системе P-CAD формируют конструкцию ПУ.

В подсистеме "АСОНИКА-ТМ" конструкция ПУ конвертируется из системы P-CAD (рисунок А.1) и проводят моделирование тепловых и механических характеристик ПУ.

Результаты моделирования тепловых режимов показаны на рисунке А.2. По данным результатам автоматически формируются КРР ЭКБ в подсистеме "АСОНИКА-Р" (рисунки А.3 - А.5). При этом температуры и ускорения ЭКБ переносятся в подсистему "АСОНИКА-Р" из подсистемы "АСОНИКА-ТМ", а токи и напряжения - из системы PSpice. Кроме того, конвертор PSpice - "АСОНИКА-Р" рассчитывает мощности тепловыделения каждого электронного компонента.

В подсистеме "АСОНИКА-Б" конструкция ПУ извлекается из системы P-CAD (перечень ЭКБ), а значения токов, напряжений, температур импортируются из подсистем "АСОНИКА-Р" и "АСОНИКА-ТМ".

С учетом реальных режимов работы рассчитывают показатели безотказности ПУ (рисунок А.6). По результатам этого расчета в подсистеме "АСОНИКА-Б" было определено, что вероятность безотказной работы ПУ в течение 10 000 ч составляет 0,92, что не отвечает требованиям ТЗ.

Из диаграмм вкладов ЭРИ в общую безотказность ПУ (рисунки А.7 и А.8) видно, что наименьшей надежностью обладают диод V1 и резистор R2.

Чтобы повысить отказоустойчивость ПУ, было решено понизить нагрузки на диод V1 и внести соответствующие изменения в схему ПУ. Для повышения отказоустойчивости резистора были приняты два решения: понизить температуру путем перекомпоновки ЭКБ, а также ввести резервирование (рисунок А.9).