Güvenilirlik Mühendisliği ve Ürün Tasarımındaki Yeri. İlknur Baylakoğlu Nisan 2012

Güvenilirlik Mühendisliği ve Ürün Tasarımındaki Yeri İlknur Baylakoğlu Nisan 2012 1

Sunum Planı Güvenilirlik Mühendisliği ile ilgili örnek durumlar Güvenilirlik Mühendisliği ve kalite Güvenilirliğin tanımı ve analiz metodolojisi Güvenilirlik Mühendisliği çalışma alanları Tasarım güvenilirlik faaliyetleri ve örnekler Çevresel Testler Hata kök sebep analizleri 2

Güvenilirlik Nedir? Güvenilirlik bir ürünün beklenen ömrü boyunca, istenen çevresel ortamda, istenen performansını yerine getirme olasılık seviyesidir. 3

Örnek 1:Toshiba dizüstü bilgisayar 1999 yılında Toshiba ABD de bilgisayarda bulunan verilerin rasgale bozulmasına neden olan, hatalı olduğu tespit edilen dizüstü bilgisayarın satılması nedeni ile 2.1 Milyar Dolar ödemeyi kabul etti. Pasztor, A.and Landers, P., Toshiba to Pay $2B Settlement on Laptops, Wall Street Journal,p.1, November 1, 1999. 4

Örnek 2: Intel Pentium III Temmuz, 2000 de İntel şirketi, 1.13 Ghz Pentium III işlemcisini hatalı olduğu gerekçesiyle toplama kararı aldı. İşlemci bazı şartlarda geçici performans düşmesi nedeni ile kitlenme veya çökmeye neden oluyormuş. Tahmini maliyet: 450 milyon $ Saygınlık kaybı 12/13/2012 5

Örnek 3: Ford Ateşleme Modülü (TFI) Hatası FORD Ateşleme Modülü geri çağırma (1983-95) 22 milyon hata veren ateşleme modülü (thick film ignition-tfi) modülü aracın otoban üzerinde giderken durmasına ve hareketsiz kalmasına neden olmaktadır. Bu hata yüksek hızla gidilerken sürücünün kotrolü kaybetmesine veya herhangi bir diğer araç tarafından çarpılmasına sebep olabilir. Hatanın nedeni: TFI modülü distribütör üzerine monte edilmiş. Bu kısım en sıcak bölgelerden birisi. Bu modül sıcaklığa karşı duyarlı ve termal stres yüzünden bozuluyor. Sıcaklık 125 C ye ulaşınca TFI kapanıyor ve aracın durmasına sebep oluyor. Araç soğuyunca tekrar çalışyor. Ford 2001 Ekim ayında hatalı ateşleme modülü için parasını geri ödemeyi kabul ediyor. Tahmini Maliyet: 2.7 Milyar Dolar 6

Örnek 4: Millennium Bridge (Londra) 42 Milyon Dolar değerindeki Millennium köprüsü 400$ değerindeki elektronik devre kartı yüzünden arızalandı ve açılamadı. Zaman ve Prestij kaybı (BBC news - Ekim 2004) 12/13/2012 7

Örnek 5: 18 Ocak 2011 de NASA nın TOYOTA arabaları hata analiz raporu NASA,Toyota otomobillerindeki teknik arızaların (aniden istem dışı hızlanma sorunu) araştırılmasına yardımcı oldu. NASA bilimadamlarının donanım, yazılım, ve tehlike analizlerindeki deneyimi ve bilgi birikimi ile kapsamlı bir araştırma ve hata analizi çalışması yaptı. Çalışmalar yaklaşık 15 ay sürdü ve maliyet 3 milyon $ olarak açıklandı. 18 Ocak 2011 tarihinde hata kök sebep analiz raporu sunuldu. Toyota, ABD de milonlarca aracı geriçağırdı. Toyota 16.375 milyon Dolar ceza ödedi. Michigan da, National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) ve NASA mühendisleri arabaları elektromanyetik radyasyona maruz bırakarak istenmeyen hızlanma sorununa neden olup olmayacağını araştırdılar. http://www.nasa.gov/topics/nasalife/features/nesc-toyota-study.html 8

Örnek 6: Hyatt-Recency 1981 Sonuç :114 ölü, 200 yaralı Amerikan tarihinin en ölümcül yapısal kazası OLAY: Lobide dans yarışması var. Kendi ağırlığını ancak taşıyabilen asma katlar seyirci dolu. 3. kat, önce 2. kata, hepsi beraber lobiye çöküyor. 4. Katın yırtılan kirişi 9

Örnek 6: Hyatt-Recency 1981 Amerikan standartları MC8-X-8.5 e göre Çelik yapılarda tek parça çubuk kullanılarak eklemeler yapılmalı kiriş kesiti a) Standart tasarım b) Uygulanan tasarım 10

Örnek 6: Hyatt-Recency 1981 Kansas Hyatt-Recency otelinde kullanılan asma katın çizimi: 2. ve 3. asma katlar, 4. kata bağlı 11

Örnek 7: Tacoma Narrows Köprüsü 1940'ta ABD'nin Washington eyaletinde yapılmış olan, Boğaziçi Köprüsü'nün benzeri Tacoma Asma Köprüsü, ulaşıma açıldığından birkaç ay sonra rüzgar etkisiyle rezonansa girerek yıkılmıştı (aeroelastic flutter). Rüzgar tüneli çalışmaları ve testlerinin başlaması. Tacoma-Narrows Bridge Replacement -1950 12

Örnek 8: Aloha Airlines Flight 243 Güvenilirlik mühendislerinin 75000 uçuş ömrü biçtiği bir Boeing 737-29 Aloha havayolları 89090. uçuş çevriminde meydana gelenler (1988, 28 Nisan). Bakımın yeterli olmaması ve ürünün ömrünü tamamlaması, uçuş bölgesinin nemli ve tuzlu ikliminde malzemede yorulma korozyon etkisi. 1 Uçuş çevrimi=kalkış ve iniş

Örnek 9: Challenger Uzay Mekiği Gri gaz, tehlikenin ilk belirtileri. 28 Ocak 1986 tarihinde fırlatıldıktan 73 sn. sonra parçalara ayrıldı. Yakıt tankının yaltımını sağlayan halkalı conta malzeme hatası nedeni ile ateşleme sırasında tankın kenarından gri duman çıkmaya başladı. Conta malzemesi aşırı sıcakta esnekliğini ve yalıtkanlığını kaybetmese de, soğukta böyle bir risk söz konusuydu. Katı yakıt tankından sızan gaz alev aldı, sıcaklığın artması ile tank yapısalı dayanıksızlaştı. Katı yakıt tankı ve dış kant bağlantısı kırıldı, katı yakınt tankı kontrolden çıktı, kanatlara çarptı alev almasına sebep oldu... 14

Örnek 10: Columbia Uzay Mekiği 16 Ocak 2003 tarihinde fırlatma sonrası dış yakıt tankından kopan izolasyon malzemesi(yaklaşık bir somun ekmek büyüklüğünde köpük) sol kanat seramik izolasyon kaplamasında yarılmaya neden olmuş. 1 Şubat 2003 tarihinde atmosfere giriş sırasında bu hasarlı açıklıkdan yüksek sıcaklıkta hava girmiş ve sol kanat alüminyum yapıyı eritmiş. Zayıflayan yapı artan aerodinamik kuvvetler karşısında kontrol kaybına neden olmuş ve mekik parçalanmıştır. 15

Örnek 11: Roket tarihinin en büyük felakti-baikonur Cosmodrome Rusya, 1960 24 Ekim 1960 tarihinde -Baikonur Cosmodrome Rusya test uçuşu, R-16 balistik füze Bolshevik devriminin yıldönümüne yetişmek için acele edildi Fırlatma alanı etrafında seyirci olarak 250 kişi bulunuyordu Emniyetsiz tasarım ve süreçlerin disiplinsiz olması nedeni ile 120 kişi hayatını kaybetti. R-16 ICBM 16

Örnek 12: THY Uçak kazası McDonnell Douglas DC 10 uçaklarının yolcu kabini kapıları uçak basınç ayarlaması yapıldığında açılmayacak şekildedir, ancak kargo kapısı bu şekilde değildir. Kargo kapısı geniş yarıçapından dolayı çok miktarda kargo alanını kaplayacağından uçak gövdesinin içine doğru değil, dışarı doğru açılır, şekilde tasarlanmıştır, bu kapıya oldukça karmaşık bir kilit sistemi yerleştirmişlerdi. Kilit sistemi dışarıdan oynatılan bir kol sayesinde küçük bir elektrik motoruyla menteşeleri yerine sokuyor ve kapı kilitleniyordu. Kapı kilidi hassas olmakla beraber çokta dayanıklı değildi ve zorlanarak kapatıldığında menteşeler oymaları kırıyor ama kapı kokpitteki uçuş mühendisinin tablosunda kapalı görünüyordu. 1972 yılında American Airlines 96 sayılı Chicago uçağı yarı doluyken kalkmış, havacıların explosive decompression rate dedikleri ve uçak dışında ki basıncın içeride en ufak bir delikte bile uçakta patlayama yol açacak seviyede kargo kapısında meydana gelen bir açılma ile uçuş sistemlerinde arıza yaşamış ve pilot üstün yetenekleriyle uçağı yere indirmeyi başarmıştı. Ancak 1974 yılında THY 981 sayılı uçuşu(tam dolu) kargo kapısnın açılması nedeni ile Fransa da Ermenonville ormanına düşmüştür (346 kişi) Ermenonville Applegate Memorandum: Dan Applegate, McDonnell Douglas firmasına altyüklenici olarak iş yapan Convair firmasında Ürün Mühendisliği Direktörü idi.96 sayılı uçuşda meydana gelen kaza sonrasında yönetime rapor yazmıştır. The fundamental safety of the cargo door latching system has been progressively degraded since the program began in 1968... The airplane demonstrated an inherent susceptibility to catastrophic failure when exposed to explosive decompression of the cargo compartment in 1970 ground tests". "Since Murphy's Law being what it is, cargo doors will come open sometime during the twenty-plus years of use ahead for the DC-10... I would expect this to usually result in the loss of the aircraft". 17

Yetersiz Güvenilirlik Kayıpları Güvenilirlik analizleri yetersiz bir proje Can Para Zaman İtibar Kaybına neden olabilir... 18

Güvenilirlik Mühendisliği Güvenilirlik mühendisliği ilk kez 1940 larda 2. dünya savaşı sırasında ortaya çıkmıştır. 1950-1960 yıllarında güvenilirlik teorileri geliştirilmiştir.1960 ların başında MH-217 nin ilk versiyonu yayınlandı Güvenilirlik çalışmaları öngörülerle sorunları ortadan kaldırmak ve ömür ile ilgili tahminleri yapmak için gereken tüm faaliyetleri kapsar. Sistem güvenilirliğinin sağlanması için ana prensip, sistemlerin basitleştirilmesi ve sistemlerin diğerleri ile uyumlu olmasıdır. Özgün katma değeri yüksek ürünler için,yüksek teknoloji ürünlerin performans beklentilerini karşıladığının doğrulanması ve yeni tasarımların pazara hızla sunulması kritikdir. 19

Güvenilirlik ve Kalite Proje zamanında, planlanan bütçe içinde ve kurallara uygun, ancak sistem çalışacak mı? Güvenilirlik analizi, ürünün tüm ömür süreci göz önünde bulundurularak yapılan performans değerlendirmesi olarak tanımlanır. Kalite Kontrol ise ürünün ömür sürecinin belirli bir anında, genellikle üretim safhasında yapılan performans değerlendirmesidir Hiçbir ürün kalite kontrol girdileri sağlanmadan güvenilir bir şekilde performanısnı yerine getiremez. Güvenilirliğin garanti edilmesi için kaliteli parça ve komponentlere ihtiyaç vardır. 20

Güvenilirlik Güvenilirlik büyük ölçüde istatistik, olasılık hesaplarına bağlıdır. Güvenilirlik arttıkça tasarım ve geliştirme maliyeti de artmaktadır, üretim maliyetleri de artar, çünkü, daha yüksek kalitede komponentlerin kullanımını, üretim, kontrol ve test süreçlerinin daha yakından takibini gerektirir. Diğer yandan ise hatalar azalacağı için bakım ve tamir maliyeti düşer. Güvenilirlik uzmanları sistemin ömür döngüsü boyunca tasarımı, testleri, üretimi ve işleyişi süresince pek çok disiplinle koordineli olarak çalışır. Maliyet Toplam maliyet MINIMUM Üretim maliyeti Tasarım geliştirme maliyeti Bakım ve Tamir Maliyeti Güvenilirlik 21

Güvenilirlik Analizi Metodolojisi-IEC 62308 Geri dönüşüm imha Kavramsal fikir Operasyon ve bakım Sürekli değerlendirme Tasarım geliştirme Kurulum integrasyon Üretim 22

Güvenilirlik Mühendisliğinin çalışma alanı Planlama: Sistem güvenilirliği, hedef belirleme Güvenilirlik ekibinin oluşturulması Güvenilirlik programının planlanması ve yönetilmesi Tasarım: Güvenilirlik için tasarım Yazılım güvenilirliği Tasarım özellikleri belirleme Tasarım gözden geçirme Güvenilirlik stratejisi belirleme Bitmiş ürün güvenilirlik analizi Komponent ve malzeme güvenilirlik analizi Üretim: Üretim süreçlerinin kontrolü Ürün güvenilirliğinin izlenmesi, Düzeltici faaliyetler Tasarım hatalarının giderilmesi Komponent ve malzeme güvenilirlik programı Test programı Saha: Kullanıcı ve personel eğitimi Montaj ve test Güvenilirlik iyileştirme Saha izleme, geridönüşüm, imha 23

Güvenilirlik açısından tasarım sırasında yapılanlar Tasarım Güvenilirlik için tasarım Yazılım güvenilirliği Tasarım özellikleri belirleme Tasarım gözden geçirme Güvenilirlik staratejisi belirleme Bitmiş ürün güvenilirlik analizi Komponent ve malzeme Güvenilirlik gereksinimlerinin belirlenmesi Ömür tahminleri Güvenilirlik Blok Şemaları Yedeklilik Hata Türleri, Etkileri ve Kritiklik Analizi FMEA/FMECA, FTA Elektronik parçaların gerilim azaltma analizi(derating) Malzeme seçimi kriterleri ve kontrolü Güvenilirlik planı Ürün görev ömrü boyunca dayanıklılığının değerlendirilmesi, çevresel testler Sıcaklık, nem, mekanik şok, titreşim, radyasyon dozu... Hızlandırılmış testler En kötü durum devre performans analizi Yazılım Donanım Etkileşim Analizi 24

Hata ve Ömür tahminleri Hata bir sistemin istenen fonksiyonunu yerine getirememesi durumudur. Güvenilirlik için en belirleyici kriter, ürünün ne sıklıkla hata verdiğidir. Kart modüllerinin üzerindeki komponentlerin hata oranlarından yararlanılarak ömür süresinin tahmin edilebilmesi için çeşitli yazılım araçları kullanılabilmektedir. Komponent hata oranlarına baskılı devre kartı ve lehim bağlantıların hata oranı değerlerinin eklenmesi için IEC TR 62380 standardından yararlanılmaktadır. Uzay uygulamaları için komponentlerin güvenilirlik verileri ECSS-Q-ST-30-11C ya uygun olarak bulunur. 25

Banyo Küveti Eğrisi Banyo küveti eğrisi (ing. Bathtub Curve) elektronik komponent ve sistemlerin zamana bağlı hata oranlarını göstermek için kullanılır. 26

Güvenilirlik Blok Şemaları Güvenilirlik blok şeması bir olay dizgisidir ve sistem bileşenlerinin, alt sistemler ile işlev seviyeleri olarak gruplanması ile oluşturulur. Şemayı oluşturmak için sistem, açıkça belirlenmiş görevleri yerine getiren alt sistemler olarak bölünür. Bir işlevi yerine getirmek için gerekli bütün alt sistemler seri Yedekleme için kullanılan alt sistemler paralel olarak bağlanır 30

Blok Şemaları : Seri R(t)= e -λt Seri bağlı sistem güvenilirliği: 1 2 3 n R 1 R 2 R 3 R n R sistem = R 1 R 2 R 3... R n 31

Blok Şemaları : Paralel R(t)= e -λt Paralel bağlı sistem güvenilirliği: 1 3 R 1 R 3 2 4 R 2 R 4 R S = [1-(1-R 1 )(1-R 2 )] [1-(1-R 3 )(1-R 4 )] 32

Blok Şemaları örnek Seri bağlanırsa : A 0.9 B 0.8 R S = 0.9 x 0.8 R S = 0.72 Paralel bağlanırsa : A 0.9 B 0.8 R S = 1- (1-0.9)(1-0.8) R S = 0.98 33

HTEKA (FMEA/FMECA) HTEKA (Hata türleri ve etkileri kritiklik analizi) ile sistemin potansiyel hata türlerini ve etkilerini tanımlayarak önem derecesine göre önceliklendirmesi ve nasıl düzeltileceğinin açıklanmasıdır. HTEKA ile problemli alanlar tasarımın erken safhasında tespit edilebilmesi sağlanabilmektedir.gerekli altsistemler için fonksiyonel yedeklemelerin belirlenmesi de mümkün olmaktadır. Kritik parçalar belirlenerek yedeklilikleri değerlendirilir. Tasarım düzeltmesi gerekiyorsa tavsiyelerde bulunulur. Hata modlarının görev açısından kritikliği değerlendirilir. Sistem blok şeması hazır olduğunda HTEKA yapılabilir, sistem tasarımı süresince güncellenir. 34

HTEA Sistem Seviyesi Kategory önem dereceleri Kategory Önem derecesi Etkileri Katastrofik 1 Hatanın diğer altsistemlere (ölümcül) yayılması, sistemin kaybı Kritik 2 Fonksiyon kaybı Majör 3 Fonksiyonda major bozulma (operasyon yeteneğininde majör azalma) Minör 4 Fonksiyonda minör azlama 35

HTEKA Çizelgesi Hata Türü Açık devre, konnektörlerin temas yüzeylerinin oturmaması Metal kısımlarda korozyon, trafolarda kararsızlık olması, açık devre, parametrelerde kayma Bağlantılarda mekanik yorulma PCB, komponent ve konformal kaplamanın genleşmelerinin farklı olması nedeni ile oluşan hatalar (açık devre) Hatanın Sebebi Fırlatma sırasında karşılaşılan titreşim ve yerçekimi kuvvetleri Güneş radyasyonu nedeni ile yüksek sıcaklık (150 C) Lehim bölgelerde boşluk çatlakları Kalifikasyon testleri sırasındaki sıcaklık çevrimi 36

EEE Gerilimin Azaltılması Analizi Gerilimin azaltılması analizi (ing. Derating) elektronik komponentlerin üstündeki elektriksel, termal ve mekanik streslerin, belirtilmiş değerlerin altına planlı ve bilinçli bir şekilde indirilmesidir 37

Güvenilirlik Metrikleri-IEEE Std 1413.1 Sistemin hata oranı bileşenlerinin hata oranının toplamıdır: λ sistem =λ 1 +λ 2 + λ 3 +...+ λ n, λ = 1 / MTTF(sabit hata oranı) MTTF= 1,000,000 saat olan bir ürün, ürünün bu kadar süre dayanacağını ifade etmiyor. Ortalama olarak her ürünün 1,000,000 saat çalışması durumunda 1 ürün hata verecektir. Hata oranı için genellikle kullanılan güvenilirlik metrikleri: Hata/ saat Hata/milyon saat (PPM/hr) FIT (failure in time) 38

Çevresel yükler ömür çevrimi profili tanımlama: Örnek, Fırlatma 39

Uydu Sistemleri için Çevresel Yük Profili EVRELER Üretim ve Montaj Nakliye ve Taşıma Test Fırlatma Öncesi Operasyonlar Fırlatma Görev Operasyonları Atmosfere Giriş ve İniş (Uygun olduğunda) ZORLAYICI KAYNAKLAR Taşıma aparatları ve kutuları tepki kuvvetleri Üretim operasyonlarının sebep olduğu yükler (lehimleme) Vinç ve karaskal tepki kuvvetleri Kara, deniz ve hava nakliye ortamları Titreşim ve akustik test ortamları Test aparatlarının tepki kuvvetleri Fırlatma aracına tümleştirme ve kontroller sırasındaki yükler Durağan hızlandırma roketi (İng. Booster) ivmeleri Fırlatma ve transonik safhadaki vibro-akustik gürültü İtki sistemi motor titreşimleri Hızlandırma roketi ateşleme ve susması, kademe ayrılma, araç manevraları, yakıt çalkantıları ve faydalı yük kılıfı ayrılmalarındaki geçişli yükler. Durağan itki motoru ivmeleri Yönelme operasyonları sırasındaki geçişli yükler Ayrılma sırasındaki piroteknik şoklar Isıl ortamlar Aerodinamik ısınma Geçişli rüzgar ve iniş yükleri The Ka-Sat Satellite in vibration tests ( D. Marques / EADS Astrium) 40

Çevresel Yükler: Yükleme ve depolama 41

Çevresel Yükler: Çalışma Ortamı 42

Çevresel Testler Ürünlerin belirlenmiş bir zaman dilimi içinde ve öngörülmüş çalışma koşulları altında nasıl çalıştığını belirlemek için çevresel testler yapılmalıdır. Örnek:Sıcaklık Testleri yaparken ürünlerin kullanımı esnasında karşılaşacağı ortamların benzerleri oluşturularak, Tasarımdaki dayanıksız noktalar belirlenir Güvenilirlilik değerlendirilir Tasarımların işlevselliği doğrulanır 43

Uyduların maruz kaldığı çevresel etkenler Mekanik Titreşim, Şok Akustik titreşim Çekimsizlik, Doğal Dünya Atmosferi, Kimyasallar, Elektromanyetik Işıma, Güneş Rüzgarları, Düşük Basınç, Buzlanma, Nem, Isı, Yüksek/Düşük Sıcaklık Manyetizma, Nükleer Işıma, Darbe, Uzay Çöpleri, Aerodinamik Isınma, Radyasyon, Aerodinamik Soğuma, Nem; sızdırmazlık; basınç; sızdırmazlık; ivmelendirme; sinusoidal ve rastgele titreşim; akustik; şok; sızdırmazlık; korona ve kıvılcımlanma; ısıl çevrim; termal vakum; sızdırmazlık ve elektriksel testler olması tavsiye edilir. Uzay ortamında kullanılacak ürünlerin radyasyon dayanıklılığı da değerlendirilmelidir. 44

Hızlandırılmış Testler Hızlandırılmış gerilim testlerinde uzun süre ve düşük gerilim altında ortaya çıkabilecek hata mekanizmalarını, yüksek gerilim ile sistemin gerçek ömründen daha kısa bir sürede uyararak oluşturulur. Ürünün gerçek kullanım ömrü boyunca çıkarabileceği hata mekanizmaları ve türleri kısa bir sürede gösterilir. Elde edilen hata bilgileri, ürün geliştirme süreci güvenilirlik değerlendirmeleri için önemlidir. Testlerin süresini ve örneklem miktarını belirlemek için zaman hızlandırma modelleri ve istatistiksel analiz gereklidir. Yüksek sıcaklık için Arrhenius, sıcaklık ve nem için Eyring, sıcaklık çevrimi için Coffin-Manson modelleri kullanılmaktadır. Kullanım ömrünün test süresine oranı ile, hızlandırma faktörü elde edilir. 45

Hızlandırma Faktörü (Acceleration Factor) Hızlandırma Faktörü (AF) test süresinin ne kadar kısaltılacağını tahmin etmek için kullanılır Test süresi=ürün kullanım ömrü/(af) Hızlandırma faktörü deneysel veri veya bazı modeller kullanılarak tahmin edilir. 46

Örnek Yüksek sıcaklık- Arrhenius modeli Sıcaklık stres faktörünün hızlandırma faktörü hesabında Arrhenius Modeli kullanılır AF : Hızlandırma Faktörü, Ea : Aktivasyon Enerjisi, K : Boltzman Sabiti = 8.617 x 10-5 ev/k, T1 : Test Sıcaklığı (ºK), T2 : Kullanım Sıcaklığı (ºK) 47

Örnek:Yüksek sıcaklık test süresi- HTOL test Problem: 10 yıllık ömrü benzetmek üzere yüksek sıcaklık test süresinin belirlenmesi. Hata modları için aktivasyon enerjisi 0.7 ev olarak varsayılmıştır. Cihazın lehim bağlantı noktası sıcaklık artışı ortam sıcaklığının 15 C üzerindedir. Test sıcaklığı 110 C ve kullanım sıcaklığı 40 C dir. Çözüm: T1=15+40=55 C T2=15+110=125 C 10 yıl için test süresi=87,600 saat Test süresi=ürün ömrü/af=87600/77.6=1129 saat =47 gün test süresi 48

Hangi Hızlandırılmış Test? Hızlandırılmış qualitative (nitel) testler (HALT veya HAST ) hata modlarını belirlemek için hataları hızlandırır ve normal kullanım koşullarında ürünün beklenen ömrü hakkında bilgi vermezler. Olası hata türlerinin açığa çıkarılmasını sağlar. Eğer uygulanacak yükler doğru hesaplanmazsa, ürün yaşam döngüsünde hiç göstermeyeceği bir hatadan dolayı bozulabilir Hızlandırılmış quantitative (nicel) testler (QALT) ürünün ömrünü bulmak için tasarlanırlar. Bir hızlandırılmış nicel testinde, ürünün bozulmasına yol açan etmen(ler), ürünün daha kısa bir zaman diliminde bozulması için kontrollü olarak hızlandırılır. Kullanım koşullarındaki hata olasılıklarının, ortalama ömrün ve tahmini geri dönüş ile garanti maliyetinin hesaplanmasını kapsayan Güvenilirlik bilgilerini sağlar.

Hangi Test Isıl çevrim Isıl şok Burn-in Fırınlama İyonik kirlenme Çevresel yük taraması (ESS) yük etkisi Yorulma hataları Yorulma hataları, genleşme, daralma Güç verilmiş halde yüksek sıcaklık erken hata dönemi Yüksek sıcaklıkda fırınlama, erken hata dönemi Yüzey kirlerinin korozyon etkisi Sabit ivme titreşim Nem Korozyon Yüksek ivmeli gerilim testi (HAST) hataları belirlemek için Ürünün sevk edilmeden önce çevresel Montajın mekanik bütünlüğü Nemin de olduğu kısa sürede 50

Çevresel yükler-mukavemet Yükler Stress Çevresel yükler (T, nem, titreşim) Mimari-Yapısal Malzeme özellikleri(cte, nem emilimi,vb) Dayanıklılık Strength Mimari-Yapısal Malzeme özellikleri (akma dayanımnı (yield strength), uzama vb) Kusurlar Hatalar Hata kök sebep analizi yapılarak ürün üzerindeki çevresel yüklerin azaltılıp, dayanıklılığının artırılması mümkündür. 51

Hata kök sebebi ve hata analizi metodolojisi Hata kök sebebi düzeltildiği veya ortadan kaldırıldığı zaman neden olunan durumun tekrarının ortadan kalkmasını sağlar. Hatanın kök sebebini ortaya çıkarmanın amacı sorunu kaynağında gidermek ve tekrarını önlemktir. Hata kök sebep analizi aşamaları şunlardır; 1. Hatanın varlığının ispatlanması 2. Hata belirtilerinin veya hata türünün tespiti 3. Hataya sebep veren fiziksel mekanizmanın belirlenmesi 4. Düzeltici ve tekrarlamasının önleneceği gerekli tedbirlerin alınması/önerilmesi Hata analiz sonucunda ürünün zayıf noktalarına işaret edilir. Hatayı oluşturan bu zayıf noktalar tasarım veya üretimdeki eksikliklerden kaynaklanabilmektedir. Ürün yaşam sürecinin erken safhalarında etkin hata analizlerinin yapılması ile ürün güvenilirliğini artıracak faydalı bilgilere erişilebilecektir. Hata analizi metodolojisi ne olduğunun açıklanması, nasıl olduğunun belirlenmesi ve neden olduğunun anlaşılmasını kapsar şekilde tasarlanır. 52

Örneklerle Hata Mekanizmaları Hata Mekanizmaları - Aşırı Stres Hata Mekanizmaları Yıpranma Mekanik Gevşeme Çatlama oluşumu Bağlantı / yapışkan ayrılması Mekanik Mekanik yorulma Deformasyon, Aşınma Isıl Elektriksel Yoğun ısıl baskı Yalıtkanlık kırılması Aşırı elektriksel yük Statik yük boşalması Elektriksel Radyasyon İyon akışı / atlaması Zamana bağlı yalıtkanlık kırılması Potansiyel atlaması Toplam doz birikimi Radyasyon Kimyasal Yüklü parçacık etkisi İyonik kirlenme Kimyasal Korozyon İyonik dallanma Polimer bozulması Hidrojen kırılganlığı Kirkendall adacıkları 53

Örnek Hata Analizi Bulguları Hata Mekanizması Olası Hata Türü Hatanın Olası Kök Sebepleri Lehim bağlantı yorulması Lehim çatlaması; Açık devre Kart ve komponentin ısıl genleşme katsayılarının (CTE) çok farklı olması Lehimleme profilinin uygun olmaması Ani ısınma ve soğumaya maruz kalma Kılcal uzama Kısa devre, Yüksek frekansta gürültü oluşumu Komponent sonlandırmaları veya lehim alaşımında %97 den fazla kalay olması Mısır patlağı oluşumu, kart tabaka ayrılmaları Yapısal bütünlüğün bozulması, Korozyon sonucu iletkenliğin azalması, Açık devre İç yapısalda boşluklar bulunması Nem birikmesi sonrası ısıya bağlı ani genleşme Lehim bağlantısında gerginlik oluşması Lehim bağlantısının kopması; Açık devre Komponent bacağına gerilim rahatlatma bükümünün verilmemesi İyonik (elektro-kimyasal) iletkenlik yolu oluşumu Kısa devre, Gürültü İletkenler arası kirlilik olması ve neme maruz kalma 54

Hatalar-Elektrokimyasal tasinma Elektrokimyasal taşınma İyonik dallanma 55

Kılcal uzama-whiskering 56

Kılcal uzama hata modları 57

Kılcal uzama-önleme çalışmaları 58

Kılcal uzama-önleme çalışmaları 59

Hata Tespitine Yönelik İnceleme ve Testler Görsel ve Mikroskop İncelemeleri Elektriksel Testler X-ray ve Akustik Mikroskop İncelemeleri Tahribatlı Mikro-Kesit İncelemeleri Yapısal Dayanıklılık Mekanik Testleri Korozyon / Kirlilik Kısa Devre Komponent Paketinde Ayrılmalar Bağlantı Yapısı Bozuklukları Tel / Bacak Çekme Dayanıklılığı Kartda Katman Ayrılması Açık Devre Yonga Teli Kopması Katman Ayrılması /Çatlama Bağlantı Sürükleme Dayanıklılığı Paket Yapısında Çatlak Lojik Konum Atlaması BGA Lehim Toplarında Boşluk (void) Kaplama Kalınlığında Uygunsuzluk Yonga Bağlantı Dayanıklılığı Hasarlı Lehim Bağlantısı Bağlantı Yüzeyinde Direnç Lehim Dolgu Yetersizliği Metalikler arası uzama Komponent Paket Yapısı Dayanıklılığı 60

Örnek; Akustik Mikroskop İncelemeleri Akustik mikroskop incelemesi ile; henüz fonksiyonel hata vermemiş komponentler tespit edilip ayıklanabilmekte, hata kaynağı / süreci araştırmalarına katkı sağlayan bilgiler edinilebilmektedir. Düzgün konumlanmamış yonga / Kısmi boşluk Metalik hatlar üzerinde boşluk bulunması Büyük çaplı boşluk (Katman ayrılması) Üretim sürecindeki hatalı kalıplama işlemi ya da depolama ortamındaki rutubetlenmenin ardından ürünün ani ısınması gibi nedenlerden ötürü; komponent iç yapısında kalan veya oluşan sıkışmış boşluklar (gaz veya akışkan hapsolması); mısır patlaması ( pop corning ) etkisi ile katman ayrılmaları ve çatlamalar, yonga zedelenmesi, yonga tel bağlantısı kopması, metalik hatlar arası boşluklardaki elektro-kimyasal ektileşim sonucu kısa devre oluşması gibi hatalara sebep olabilmektedir.

Uzay elektronik sistemlerinde karşılaşılan hatalar ve etkilerine örnekler EVRELER Çevresel Etken Etki Hata Test ve operasyon Yüksek sıcaklık Yaşlanma, Oksitlenme, Yapısal değişim, Gaz çıkışı Kimyasal reaksiyon Erimeden dolayı yalıtım hatası Elektriksel özelliklerde değişim Lehim bağlantı erimesi Yumuşama, erime, Farklı genleşme kaynaklı çatlak katıdan gaz hale geçme İyonik kirlenme Vizkosite azalması, genleşme Test ve operasyon Düşük sıcaklık Vizkosite artması ve katılaşma Buzlanma Kırılganlık Fiziksel daralma Elektriksel özelliklerde değişim Farklı genleşme (CTE) kaynaklı çatlaklar Metal kırılganmlşığında artış Camsı geçiş sıcaklığı,tg Depolama Yüksek nem Nem emilimi Kimyasal reaksiyonlar Metal korozyonu Tabaka ayrılması Korozyon Elektriksel özelliklerin kaybı Elektrokimyasal metal yayılımı Elektriksel direncin azalması Nakliye Tuz Kimyasal reaksiyon, korozyon, mantar, tuz kalıntıları, elektroliz Yıpranma, Elektriksel özelliklerde değişim, yüzey bozulmaları, iletkenliğin artması, korozyon 62

Elektronik sistemlerin hata sebepleri Elektronik sistemler hata sebepleri dağılımı Hata bulunamadı; 20% Yazılım; 9% Parçalar; 22% Üretim; 15% Dış gerilimler; 12% Eskime; 9% Sistem işletimi; 4% Tasarım; 9% 63

Uçak Elektronik komponent çevresel etken hata sebep dağılımı Yükseklik Değişimi Toz 4% 2% Tuz 6% Nem 19% Şok 2% Titreşim 27% Yükseklik Değişimi Titreşim Sıcaklık Şok Nem Tuz Toz Sıcaklık 40% 64

Bazı hata örnekleri Yüksek sıcaklık Korozyon Ark sonucu PCB deki yanma X ışını cihazı ile görüntülenmiş lehim içi boşluklar 65

Ürünler neden hata verir? Tasarım kötüdür Üretim/imalat yanlış yapılıyordur Montaj yanlış yapılmıştır Uygun şekilde muayene edilmemiştir Uygun şekilde ambalajlanıp depolanmamıştır Uygun şekilde nakledilmemiştir Çok fazla strese/yüke maruz kalmıştır Eskimiştir Sabote edilme ihtimali 66

Kılcal uzama kaynaklı arızalar 67

Kılcal uzama kaynaklı arızalar 68

Reliability Engineer-job description Required Skills Engineering Analyst, REA, Reliability Ensemble Averaging digital circuit design, analog circuit design, RF circuit design, FMECA(Failure modes, effects and criticality analysis), Qualifications: Ability to analyze complex systems, establish associated reliability and/or risk assessment goals and objectives, and lead/perform associated contractor support activities with minimal direction. The candidate should possess strong interpersonal, analytical, communication, and organizational skills; and have demonstrated proficiency in utilizing various computer applications. Must also possess the ability to interact effectively with large, crossfunctional, engineering teams and integrate reliability activities into the systems development process. Solid understanding and implementation experience with various reliability analysis techniques and tools including comparative numerical reliability assessments and /or reliability predictions. Failure Modes, Effects and Criticality Analysis (FMECA), Worst Case Analysis (WCA), and Electronic Parts Stress Analysis (PSA) is required. 69

TEŞEKKÜRLER ilknur.baylakoglu@tubitak.gov.tr http://www.uzay.tubitak.gov.tr http://www.uzay.tubitak.gov.tr/guvenilirlik/tr/root/ http://www.uzay.tubitak.gov.tr/reliabilitylab/en/root/ 70