PROGETTAZIONE DEI SISTEMI ELETTRONICI AD ELEVATA AFFIDABILITA'
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- CRISTIAN ZAMBELLI
- Crediti formativi
- 6
- Percorso
- Components & circuits design
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Il corso di progettazione dei sistemi elettronici ad alta affidabilità esamina nel dettaglio le tecniche per l'analisi, la modellazione statistica e la predizione nonché miglioramento dell'affidabilità dei sistemi elettronici. Il corso è strutturato su tre livelli: il livello 0 ha come obiettivo di fornire le strutture teoriche per l'analisi statistica dei dati e la modellazione dell'affidabilità di un generico sistema elettronico; il livello 1 ha come obiettivo di far comprendere il legame fra resa e affidabilità di un prodotto elettronico; il livello 2 ha come obiettivo di mostrare i meccanismi di guasto tipici dei componenti elettronici, mostrando le tecniche principali usate per la loro modellazione e per una eventuale riduzione dell'occorrenza.
L'obiettivo principale del corso è di fornire agli studenti le basi per affrontare l'analisi dell'affidabilità di sistemi elettronici complessi multicomponente considerando vincoli di costo dei test sotto forma di numerosità dei campioni, tempo richiesto, e complessità tecnologica. Tali strumenti saranno alla base dell'attività di progettazione di un sistema elettronico ad elevata affidabilità.
Le principali conoscenze acquisite saranno:
- Elementi teorici di affidabilità dei sistemi elettronici con riferimento alla terminologia e alle tecniche di modellazione statistiche dei guasti.
- Distribuzioni di probabilità e loro proprietà utilizzate per la modellazione dei guasti.
- Conoscenza dei metodi di indagine per valutare il legame fra resa e affidabilità di un sistema elettronico.
- Conoscenza dei meccanismi di guasto più comuni nelle tecnologie integrate, metodi per la loro riduzione/eliminazione e modellazione considerando effetti di temperatura, radiazione, e tensione di alimentazione
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- Identificare il meccanismo di guasto di un sistema elettronico.
- Capacità di pianificazione dei test accelerati e degli esperimenti per evidenziare particolari fenomeni di guasto considerando vincoli legati ai test.
- Valutare l'applicabilità di un componente o sistema elettronico in un determinato ambiente di utilizzo e predire la sua vita residua (es. alte temperature).
- Utilizzare programmi di calcolo per lo studio dei test accelerati e per il data mining di esperimenti mirati all'analisi di affidabilità di un sistema elettronico.
- Progettare un sistema elettronico ad elevata affidabilità. Prerequisiti
- Per seguire il corso è necessario avere compreso e studiato i concetti di:
- Calcolo delle probabilità e statistica, Analisi matematica per il Livello 0 del corso
- Elettronica digitale (tecnologie per la fabbricazione dei dispositivi elettronici) per il Livello 1 del corso
- Progetto di Circuiti Elettronici ad Alta Frequenza per il Livello 2 del corso
Nel corso sono comunque previsti dei richiami a tali concetti per facilitare la comprensione di alcuni argomenti specifici del corso. Per sostenere l'esame non è necessario avere superato gli esami associati Contenuti del corso
- Livello 0 (Teoria e concetti di base)
Definizione di affidabilità - Evoluzione della disciplina nei sistemi elettronici - Trend di affidabilità nei circuiti integrati (Lezione 1)
Definizioni formali (Reliability, Availability, Maintainability, Survaivability) - Failure modes tipici nei sistemi elettronici - MTTF e MTBF (Definizione) (Lezione 2)
Cumulative Density Function (CDF) e Probability Density Function (PDF) - Funzione affidabilità - Tasso di guasto - Sistemi riparabili - Repair rate (ROCOF) (Lezione 3)
Teoria dei tests accelerati - Fattore di accelerazione - Modelli di accelerazione di Arrhenius e di Eyring (Lezione 4)
Analisi statistica dei dati - Tecniche Monte Carlo per la simulazione di CDF e PDF - Stima dei parametri di una distribuzione statistica (LSE e MLE) (Lezione 5)
Analisi e teoria dei sistemi (Lezione 6)
Distribuzione di Weibull e sue applicazioni nei sistemi elettronici - Distribuzione Normale e applicazioni six sigma (Lezione 7)
Distribuzione lognormale - Distribuzione di Birnbaum-Saunders - Modello proportional hazard (Cox model) (Lezione 8)
Test a zero guasti - Design of Experiment per valutare l'affidabilità (DoE) - Modelli di degrado - Burn In (Lezione 9)
Livello 1 (Resa e affidabilità)
Resa nei circuiti integrati - Statistica dei difetti - Formule di Resa - Tipi di difetto (Lezione 10)
Difetti indotti da step di processo - Stress termici - Contaminazione del processo di fabbricazione di un sistema elettronico - Legame fra affidabilità e resa (Lezione 11)
Livello 2 (Applicazioni della teoria)
Elettromigrazione - MTTF dell'elettromigrazione (Black's model) - Testing e metodi per ridurre l'elettromigrazione (Lezione 12)
Il breakdown - Modelli e metodi di test - Fattore di accelerazione per il breakdown (Lezione 13)
Modello di MTTF del degrado da elettroni caldi - Metodi per ridurre il degrado da elettroni caldi - Definizione di NBTI e sue problematiche (Lezione 14)
Effetto delle radiazioni in componenti elettronici - Prevenzione dei danni da radiazione - Contatti - Barriere di interdiffusione e siliciuri (Lezione 15)
Affidabilità di memorie non-volatili (Lezione 16) Metodi didattici
- 17 Lezioni in aula
1 Esercitazione su MATLAB
Seminari su tematiche relative alla progettazione dei sistemi elettronici ad alta affidabilità Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
L'esame è composto da una prova orale di tre domande su tutti gli argomenti del corso (dal livello 0 al livello 2) che ha lo scopo di valutare la preparazione dello studente sulla teoria e verificare la capacità dello stesso di collegare i contenuti del corso per una loro futura applicazione.
Il superamento dell'esame è prova di aver acquisito le conoscenze e le abilità specificate negli obiettivi formativi dell'insegnamento.
L'esame può essere sostenuto anche in lingua inglese. Testi di riferimento
- I testi di riferimento principali utilizzati per questo corso sono:
- Applied Reliability, Paul A. Tobias and David Trinidade, Chapman&Hall/CRC
- Reliability and Failure of Electronic Materials and Devices, Milton Ohring, Academic Press
- Failure Mechanisms in Semiconductor Devices, E.A. Amerasekera and D.S. Campbell, Wiley
Molte altre referenze specifiche si possono trovare online su:
- www.weibull.com
- ieexplore.org
- IEEE Reliability Society su rs.ieee.org
- IEEE Electron Device Society su eds.ieee.org
