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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)
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