MIL-217 vs. Telcordia SR-332: introduzione

In questo articolo verrà presentata una panoramica sintetica degli standard di predizione MIL-HDBK-217F Notice 2 e Telcordia SR-332 Issue 4. Inoltre, i risultati di predizione dei due saranno confrontati in uno studio di caso che analizzerà un semplice circuito LC. Per un’introduzione generale alle predizioni di affidabilità, si consiglia la lettura dell’articolo Nuovo al calcolo MTBF.

Le analisi di predizione sono largamente utilizzate in un gran numero di settori (tra cui difesa, telecomunicazioni, ferroviario, e aerospazio) per determinare l’affidabilità di un sistema attraverso il calcolo dei tassi di guasto dei componenti. Esse si basano su standard internazionali pubblicati da enti come il dipartimento di difesa degli Stati Uniti, o il gruppo FIDES, formato da numerose aziende attive nel campo dell’aeronautica.

L’ infografica sottostante riporta in maniera sintetica alcune caratteristiche delle predizioni di affidabilità, e alcuni spunti di riflessione su metodi alternativi, trattati anche nell’articolo Analisi di affidabilità nel settore militare – analisi di predizione e metodi alternativi (Duane / Crow-AMSAA).

Standard MIL-HDBK-217F

Questo standard di predizione (d’ora in avanti indicato come ‘standard MIL’ o ‘MIL’) nasce negli anni 1960 per volere dell’esercito americano. È stato sviluppato con l’obiettivo di offrire delle linee guida per quantificare e stimare l’affidabilità dei componenti elettronici utilizzati durante le operazioni militari, prima che questi vengano prodotti su larga scala. Questa stima tiene conto sia delle caratteristiche intrinseche al dispositivo, che dei fattori ambientali che agiscono su questo durante il periodo di operatività, primo fra tutti la temperatura. Il risultato finale è un valore relativo al tasso di guasto del dispositivo, e il suo reciproco è il tempo medio al guasto, o MTBF.

Lo standard MIL offre due metodi per il calcolo del tasso di guasto. Il metodo ‘part stress’ richiede una grande quantità di informazioni dettagliate sul dispositivo da analizzare e sull’ambiente in cui opera, ed è per questo consigliato durante le fasi finali del progetto di sviluppo. Durante gli stadi iniziali di design sarebbe invece più opportuno avvalersi del metodo ‘part count’, il quale necessita di un insieme ristretto di dati, quali la quantità dei componenti, la loro qualità, e informazioni sull’ambiente operativo.

Alla base di entrambi i metodi si trova il tasso di guasto di base, un valore costante nel tempo per ciascuna tipologia di componente e derivato da osservazioni empiriche dei guasti in condizioni controllate. Questo tasso di guasto deve essere poi moltiplicato per un certo numero di fattori \(\pi\), dipendenti dal componente in questione. I più comuni sono:

Fattore di qualità \(\pi_Q\), il quale varia a seconda dei livelli di qualità del componente
Fattore di temperatura \(\pi_T\) basato sul modello Arrhenius
Fattore di ambiente \(\pi_E\), il cui valore è associato a specifiche condizioni ambientali operative

Il risultato della moltiplicazione è un valore di tasso di guasto previsto per il componente in questione che opera in determinate condizioni ambientali. Il tasso di guasto del sistema è infine dato dalla somma algebrica dei tassi di guasto di tutti i componenti che lo compongono.

Grazie alla semplicità di applicazione, lo standard di predizione MIL-HDBK-217 è stato adottato storicamente da molte altre industrie al di fuori della difesa, come ad esempio quella automobilistica o delle telecomunicazioni. Questa metodologia, tuttavia, è stata gradualmente abbandonata a causa delle limitazioni lampanti, tra cui:

Poiché il tasso di guasto è ritenuto costante nel tempo, sono ignorati i guasti che possono avvenire durante il periodo di mortalità infantile (primo anno di vita) o di usura
L’analisi svolta è basata su criteri teorici, che possono discostarsi più o meno dalla realtà
I componenti e i fattori ambientali presenti nello standard concernono l’industria della difesa, e non quelle civili

Per una critica più approfondita allo standard MIL-HDBK-217F, si rimanda all’articolo ‘Perché il MIL-217 è ancora popolare?‘.

È da queste limitazioni che il consorzio Bellcore ha gettato le basi per lo sviluppo di un proprio standard (denominato in seguito Telcordia) adatto all’industria delle telecomunicazioni.

Standard Telcordia

Nato nella metà degli anni 1980 dai laboratori Bellcore, questo standard propone delle tecniche di predizione dell’affidabilità più in linea con le esigenze dell’industria delle telecomunicazioni. Si ispira ampiamente allo standard MIL citato in precedenza, e lo arricchisce di ulteriori tecniche volte a migliorare i risultati delle predizioni, e renderli più vicini ai risultati reali.

Uno dei miglioramenti più significativi è la revisione dei valori dei tassi di guasto di base dei componenti già listati nello standard MIL, oltre che l’aggiunta di nuovi componenti. Inoltre, i fattori ambientali sono stati aggiornati a seguito di nuovi studi e rilevazioni dal campo da parte dei membri del comitato Bellcore.

Lo standard Bellcore, rinominato in seguito Telcordia, propone 3 metodi per compiere predizioni di affidabilità in maniera via via più sofisticata. Il metodo di base è detto ‘Black Box’, basato sui parametri di affidabilità generici offerti a priori. Similmente allo standard MIL, il tasso di guasto allo stato stazionario del componente si ottiene moltiplicando il tasso di guasto base per i fattori di qualità, stress elettrico e temperatura. Questo però è non un valore certo, ma un valore statistico, con una media, una deviazione standard, e un livello di confidenza.

Il secondo metodo permette di affinare le predizioni svolte tramite il metodo Black Box grazie all’analisi dei guasti ottenuti durante i test di laboratorio. Un altro fattore importante nel calcolo del tasso di guasto è il burn-in, ovvero il processo per cui un componente viene sollecitato prima della messa in servizio. I test di laboratorio possono essere compiuti su un sostituto del componente sotto analisi, a patto che abbia caratteristiche tecniche e di manifattura estremamente simili al dispositivo principale.

Il terzo metodo consiste nell’integrare nell’analisi di predizione i dati di guasto dal campo. In questo caso, il tasso di guasto allo stato stazionario è una media ponderata tra il tasso di guasto Black Box e quello derivato dai dati dal campo. Utilizzando questa tecnica, occorre distinguere tra:

Soggetto: il componente di cui si vuole conoscere il tasso di guasto
Sistema tracciato: il sistema da cui sono raccolti i dati dal campo

Affinché le analisi risultino veritiere, è necessario che il componente all’interno del sistema tracciato sia simile o uguale al soggetto. Inoltre, devono verificarsi le seguenti condizioni:

La qualità del soggetto deve essere uguale o superiore a quella del componente nel sistema tracciato
Le condizioni di utilizzo del soggetto devono essere le stesse o meno severe di quelle del sistema tracciato
Lo studio del sistema tracciato deve durare almeno 3000 ore

Nel calcolo del tasso di guasto entrano in gioco il tempo totale di operatività del dispositivo nel sistema tracciato, il numero di guasti sul campo, un fattore di aggiustamento che tiene conto delle differenze tra soggetto e sistema tracciato, il tasso di guasto Black Box, e il fattore ambientale del sistema tracciato.

Fattore di qualità

Secondo lo standard Telcordia il fattore di qualità è un valore derivato dal livello di qualità, il quale offre una stima dell’attenzione posta dal produttore del componente ai diversi stadi come design dei componenti, controlli nella manifattura, controlli dei fornitori…

Early life factor

L’Early life factor è il rapporto tra il tasso di guasto infantile e il tasso di guasto allo stato stazionario, e assieme a quest’ultimo offre una stima di quanti guasti possono avvenire entro il primo anno di vita. Il calcolo di questo fattore è fortemente influenzato dalla durata del burn-in:

In caso di un burn-in di meno di un’ora, l’Early life factor è calcolato a partire dal fattore di temperatura \(\pi_T\) e dal fattore di stress \(\pi_S\)
In caso di burn-in prolungato, occorre prima calcolare il tempo operativo equivalente di burn-in per il dispositivo. In seguito, l’Early life factor è calcolabile basandosi sul tempo operativo equivalente, lo stress elettrico, e la temperatura di operatività regolare.

È necessario effettuare il burn-in?

A questo punto può sorgere spontanea la domanda: è sempre necessario effettuare il burn-in dei componenti? Più questo è esteso, infatti, minore sarà l’Early life factor. Minimizzare il numero di guasti entro il primo anno di vita è un obiettivo virtuoso, ma al contempo molto costoso. Molti produttori hanno messo in discussione la necessità di effettuare lunghi burn-in su componenti dal design maturo, e Telcordia, dopo aver compiuto studi al riguardo, ha espresso un parere concordante. Dunque, non è necessario effettuare burn-in su prodotti ben rodati, ma è possibile determinarne l’Early life factor attraverso lo studio di dati dal campo.

Per maggiori dettagli si rimanda alla lettura dello standard Telcordia SR-332 Issue 4.

Confronto fra tecniche Black box: MIL-HDBK-217 vs. Telcordia SR-332

Al fine di confrontare gli standard di predizione MIL e Telcordia, proponiamo l’analisi Black box, ovvero solo attraverso calcoli teorici, di un semplice circuito LC formato da un induttore fisso e un condensatore in ceramica. Lo standard MIL propone una formula per i calcolo del tasso di guasto diversa per ciascun componente. Per i due in questione, le formule sono le seguenti:

Condensatore: \(\lambda_p = \lambda_G\pi_T\pi_C\pi_V\pi_SR\pi_E\), con \(\lambda_G\) tasso di guasto di base, e \(\pi_x\) i fattori moltiplicativi, rispettivamente T temperatura, C capacità, V voltaggio, SR resistenza equivalente in serie, E ambientale
Induttore: \(\lambda_p = \lambda_G\pi_T\pi_Q\pi_E\), con \(\pi_Q\) fattore di qualità

Lo standard Telcordia, invece, offre un’unica formula per tutti i componenti per il calcolo del valore medio del tasso di guasto: \(\lambda_p = \lambda_G\pi_T\pi_Q\pi_S\), con \(\lambda_G\) tasso di guasto di base, \(\pi_T\) fattore di temperatura, \(\pi_Q\) fattore di qualità e \(\pi_S\) fattore di stress elettrico

Si noti come nel calcolo Black box di questo standard non figuri il fattore ambientale. Ciò accade perché questo entra in gioco solamente durante il calcolo del tasso di guasto di un’unità funzionale, composta da più dispositivi. In questo caso, la formula del valore medio è la seguente: \(\lambda_PC = \pi_E\sum_{i=1}^{n}N_i\lambda_SS_i\), con \(N_i\) la quantità di ogni tipo di dispositivo, e \(\lambda_SS_i\) il tasso di guasto allo stato stazionario dell’i-esimo componente. Per utilizzare questa formula, si deve verificare l’ipotesi per cui tutti i componenti N debbono avere la stessa qualità e operare sotto gli stessi stress termici ed elettrici.

Studio di caso: circuito LC

I componenti che formano il circuito LC sono i seguenti:

CERAMIC CAPACITOR, 0.50pF, 25V, Surface Mount, MLCC, General Purpose, C0G, NP0 di AVX
FIXED INDUCTOR, 22µH, 1.01A, Ferrite Core, Surface Mount di Toko

Si suppone inoltre che: la temperatura ambientale sia pari a 30ºC, si applichi un voltaggio di 5V sul condensatore, e si abbia una perdita di potenza di 1W sull’induttore.
Il grafico riporta le differenze fra le stime riportate dai due standard. Si noti come in questo caso le predizioni di affidabilità dello standard MIL siano più pessimistiche rispetto a quelle dello standard Telcordia. Questo non è tuttavia sempre vero, ed alcuni componenti in uno standard, come ad esempio il condensatore elettrolitico in alluminio nel Telcordia, possono deviare i risultati in maniera significativa.

Grafico dei valori del tasso di guasto del circuito nella sua interezza e per ciascun componente, diviso per standard

Conclusione

In questo articolo abbiamo offerto una breve panoramica degli standard di predizione MIL-HDBK-217F Notice 2 e Telcordia SR-332 Issue 4. Ne abbiamo discusso in maniera sintetica gli aspetti principali, sottolineando le limitazioni dello standard MIL in campo civile che hanno portato alla nascita dello standard Telcordia. Infine, un breve e semplice esempio di predizione di affidabilità compiuta su un circuito LC ha messo in risalto le differenze tra i risultati dei due standard.

Per maggiori approfondimenti riguardo a questi e altri metodi di predizione, si prega di contattarci alla nostra pagina dei contatti.