Jsou výsledky on-line MTBF kalkulátoru použitelné?

V DPS č. 4/2018 jsme se zmínili o on-line kalkulátoru MTBF od izraelské společnosti BQR [1]. Ta se spolehlivostí v elektronice zabývá již mnoho let a vyvinula kvůli tomu i vlastní sofistikovaný program fiXtress [2], [3]. MTBF (Mean Time Between Failure – střední doba mezi poruchami) je jedním ze základních ukazatelů možné spolehlivosti, v tomto případě v elektronice. Kalkulátor je nyní přístupný na samostatné webové stránce výrobce [1], i když v trochu pozměněném provedení oproti předešlému popisu (obr. 1).

Použití kalkulátoru je zpoplatněno podle délky jeho používání. Jeden den stojí 100 dolarů, ceny za týden, měsíc nebo rok jsou pak výrazně výhodnější.

Kalkulátor funguje opravdu dobře, je jednoduchý a má velmi intuitivní ovládání. Výpočet provádí podle standardu MIL-217-F2 metodou Parts count. To znamená, že vychází pouze z parametrů použitých součástek (nevyžaduje netlist) a předpokládá 50% vytížení součástek (které se zde jinak nedefinuje). Protože se jedná o standard původně vyvinutý pro americkou armádu, výsledky jsou konzervativní díky vysokým nárokům na vojenskou elektroniku, což vytváří zejména v případě spotřební elektroniky jistou rezervu. Bere v úvahu jednu předdefinovanou teplotu okolí podle vybraného provozního prostředí. Vypočtené MTBF a Failure Rate (četnost selhání) představují tedy přibližné hodnoty, ale to není na závadu, protože když se jedná o spolehlivost, je výsledek vždy více méně odhadem díky vlivům, které nelze přesně definovat. Někomu by se snad mohlo zdát, že tedy ani nemá cenu se výpočtem MTBF zabývat, ale otázkou je, jestli je lepší získat přibližný obrázek o možné spolehlivosti, nebo žádný.

Je vůbec potřeba se spolehlivostí v elektronice zabývat? Ano, a to v mnoha případech. Může se jednat například o zařízení pro bezpečností, vojenské, letecké, medicínské, kosmické a automotive aplikace, kde se vyžaduje vysoká spolehlivost. Pochopitelně, že v takových případech je potřeba používat pro výpočet MTBF komplexní programy, jako je třeba již zmíněný fiXtress, případně kombinaci s dalšími metodami, jako je např. Physics of Failure od DfR Solutions [5], které berou v úvahu i fyzické provedení desky plošných spojů. Ale i v takovém případě by mohl nalézt kalkulátor použití pro předběžné zjištění MTBF.

Může se také jednat o požadavek ze strany odběratele, který vypočtené hodnoty MTBF použije dále při své analýze spolehlivosti výsledného produktu. V takovém případě uvítá uspořádaný výpis, ve kterém jsou uvedeny všechny potřebné detaily, včetně informací o použité metodě výpočtu a globálním nastavení parametrů – takový výpis je součástí hlášení, které kalkulátor generuje (obr. 2).

Je tu ale ještě jeden důvod pro použití jednoduché metody výpočtu MTBF, jaký kalkulátor nabízí. Není to ani tak MTBF, ale zjištění podílu jednotlivých typů součástek na selhání celku. Součástky nemají stejnou hodnotu četnosti poruch (FR = Failure Rate, v milionech hodin), liší se typ od typu a mnohdy výrazně. Tak například elektrolytický kondenzátor má FR daleko vyšší než třeba keramický a tento rozdíl se může ještě lišit vzhledem ke konkrétnímu provedení. Toho si mnohdy vývojář při výběru součástek pro svůj projekt ani nevšimne, takže může vzít za vděk Pareto diagramem nebo tabulkou (obr. 3), kterou kalkulátor generuje, a kde hned vidí, jak která součástka ovlivní celkovou spolehlivost vyvíjeného produktu. Má tak možnost ovlivnit výběr součástek ještě na začátku vývojového cyklu. To, že se k výpočtu používá zjednodušená metoda Parts Count, nijak nesnižuje hodnotu takového porovnání, protože se používá pro všechny použité součástky a poměr mezi součástkami, které více či méně přispívají k selhání celku, zůstává podobný. Pokud někdo preferuje program místo on-line kalkulátoru, potom základní modul programu fiXtress [4] dokáže totéž a ještě lépe, protože umožňuje navíc definovat teplotu prostředí podle potřeby, používat i jiný standard než MIL-217-F2 (British Telecom, Telcordia, Siemens atd.) a případně i manuálně zadávat zatížení součástek (kombinace Parts Count a Parts Stress).

Zde je stručný popis postupu práce s kalkulátorem:

• Načte se výpis použitých součástek ve formátu CSV, přiřadí se význam jeho jednotlivých dat polím kalkulátoru a v pracovní ploše se objeví tabulka s načtenými daty součástek (Part Number, Ref. Designation, Quantity a Description). Dodatečně lze manuálně přidat/ubrat součástku, což umožňuje ručně zapsat i celý výpis materiálu. – Z nabídky pod Enviroment se přiřadí obecný údaj o prostředí, ve kterém bude výrobek používán (pozemní mobilní či stacionární, letadlo, ponorka atd.). S tímto údajem je spřažena předdefinovaná obvyklá teplota okolí součástky, například 45 °C, kterou v kalkulátoru, na rozdíl od programu fiXtress, nelze změnit.
• Každému typu součástek se výběrem z nabídek přiřadí určité předdefinované kategorie, které jsou pro výpočet potřebné. Nabídky jsou Group (skupina součástek: např. kondenzátor, rezistor, IC atd.), Type (podrobnější definování součástky: např. kondenzátor elektrolytický, tantalový, keramický atd.) a Quality Level (kvalitativní úroveň výpočtu: např. vojenská, komerční, horší, lepší atd.). V případě integrovaného obvodu je potřeba zadat počet hradel či tranzistorů (# of G/B/T).
• Odkliknutím povelu Calculate program vypočítá četnost selhání (Failure Rate) v milionech hodin pro každý typ součástky a následně pro celou sestavu a z toho i výsledné MTBF (v tisících hodin). Kalkulátor současně připraví tabulku výsledků a Pareto graf – ten umožní získat rychlý přehled o použitých součástkách, které mají na spolehlivost největší negativní vliv.
• Nastavení celé sestavy i jednotlivých součástek provedené před výpočtem lze uložit jako defaultní nastavení, stejně jako lze uložit součástky a jejich vypočtené hodnoty Failure Rate do knihovny pro budoucí použití.
• Pod záložkou Reports lze zobrazit výsledné tabulky s MTBF celé sestavy a hodnotami Failure Rate pro jednotlivé součástky. Z nich je zajímavá tabulka Pareto podle typu součástky, kde je uveden podíl tohoto typu součástky na selhání celku.