AFFIDABILITA' DEI SISTEMI ELETTRONICI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2016/2017
- Docente
- CRISTIAN ZAMBELLI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Il corso di affidabilità dei sistemi elettronici 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.
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. 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
- Tecnologia della fabbricazione di dispositivi elettronici per il Livello 1 del corso
- Fisica dei dispositivi 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
- 16 Lezioni in aula
1 Esercitazione su MATLAB
Seminari su tematiche relative all'affidabilità dei sistemi elettronici
Flipped classroom su casi reali di affidabilità di dispositivi, circuiti, e sistemi elettronici 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 due fasi:
- Sviluppo di un progetto che riguarderà una problematica specifica dell'affidabilità dei sistemi elettronici (40% del voto complessivo finale)
- Esame orale ( 60% del voto complessivo finale)
La prima parte dell'esame è un progetto da presentare al docente con un vincolo temporale. Dalla data di assegnazione del progetto ad uno studente (o ad un gruppo di studenti) si hanno 30 giorni di tempo per lo svolgimento e la presentazione dello stesso. Non sono previste estensioni sulla durata a meno di valide motivazioni giudicate dal docente. Lo scopo di questa parte dell'esame è duplice:
- Valutare le abilità acquisite nel corso riguardo i concetti di simulazione e modellazione dell'affidabilità dei sistemi elettronici e la capacità di applicazione dei concetti su casi reali
- Responsabilizzare lo studente con il concetto di "deadline" (associata alla soft skill del problem solving) in modo da ottenere un lavoro di qualità in un tempo contingentato
La seconda parte dell'esame è 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.
Ulteriori informazioni sono disponibili nella pagina del corso alla sezione "Modalità d'esame".
Il superamento dell'esame è prova di aver acquisito le conoscenze e le abilità specificate negli obiettivi formativi dell'insegnamento. 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 (Richiede un abbonamento)
- IEEE Reliability Society su rs.ieee.org
- IEEE Electron Device Society su eds.ieee.org
Appunti forniti dal docente sono disponibili sul sito del corso
