Normas, fallas y confiabilidad
Un equipo de 200 componentes que a 40 °C tiene un 92 % de probabilidad de funcionar cinco años sin fallar baja al 66 % si trabaja a 60 °C. La temperatura es el primer enemigo de la confiabilidad.
01Normas y especificaciones
Un producto electrónico se diseña contra una especificación: qué tiene que hacer, en qué condiciones y durante cuánto tiempo. Buena parte de ella la fijan normas, que permiten comparar productos y cumplir requisitos legales:
| Organismo | Ejemplos de normas |
|---|---|
| IEC | Seguridad eléctrica (IEC 62368-1), compatibilidad electromagnética (serie 61000), componentes |
| IPC | Diseño de circuitos impresos (IPC-2221), aceptabilidad de montajes (IPC-A-610), soldadura (J-STD-001) |
| ISO | Gestión de la calidad (ISO 9001), gestión ambiental (ISO 14001) |
| JEDEC | Encapsulados, sensibilidad a la humedad y ensayos de confiabilidad de semiconductores |
| IRAM | Normas argentinas, muchas adoptadas de las internacionales |
Las especificaciones de un componente distinguen los valores máximos absolutos, que no se deben superar nunca, de las condiciones de operación recomendadas y las características garantizadas. Los ensayos y la certificación se trataron en ensayos y normas, de Medidas I.
02Fallas y la curva de la bañera
La tasa de fallas de una población de componentes sigue la curva de la bañera: alta al principio, por defectos de fabricación (mortalidad infantil), baja y casi constante durante la vida útil (fallas aleatorias), y creciente al final, por desgaste. Los fabricantes eliminan la primera parte con ensayos de quemado (burn-in). Los mecanismos de falla más comunes son la electromigración en metalizaciones, la ruptura de óxidos, la fatiga térmica de soldaduras, la corrosión y el secado de los capacitores electrolíticos.
03Tasa de fallas, MTBF y confiabilidad
En la zona plana, la tasa de fallas \( \lambda \) es constante y la probabilidad de funcionar sin fallar hasta \( t \) es exponencial. En un sistema en serie, donde cualquier falla lo detiene, las tasas se suman:
Con redundancia, dos unidades en paralelo donde basta una, la probabilidad de falla es el producto: \( R_{par} = 1 - (1 - R)^2 \). La tasa de fallas depende de la temperatura según el modelo de Arrhenius:
Un equipo con N componentes de 10 FIT cada uno a 40 °C y una energía de activación de 0,7 eV. La curva es la probabilidad de funcionar sin fallar en función de los años, sin redundancia (azul) y con dos unidades redundantes (verde).
Las tasas de fallas de cada tipo de componente se estiman con manuales de predicción, como el MIL-HDBK-217 o el SN 29500 de Siemens, o con datos de campo del fabricante.
04En el laboratorio
Estimar el MTBF de una placa del laboratorio contando sus componentes por tipo y usando tasas de fallas de un manual de predicción.
Medir con una cámara térmica o termocuplas la temperatura de los componentes más calientes de una fuente y recalcular la confiabilidad.
En la hoja de datos de un regulador, separar los valores máximos absolutos, las condiciones recomendadas y las características garantizadas.
05Errores frecuentes
- Leer el MTBF como vida útil. Es la inversa de la tasa de fallas aleatorias, no el tiempo hasta el desgaste.
- Diseñar en el valor máximo absoluto. Es un límite de daño; se trabaja con márgenes, reduciendo tensión, corriente y temperatura.
- Olvidar la temperatura en la confiabilidad. Unos grados de más multiplican la tasa de fallas.
- Creer que la redundancia resuelve todo. Las fallas de causa común afectan a las dos unidades a la vez.
06Autoevaluación
¿Qué MTBF tiene un equipo de 5000 FIT?
200 000 horas.
¿Qué probabilidad tiene de funcionar un año sin fallar?
\( e^{-8760/200\,000} \approx 0{,}957 \).
Con Ea = 0,7 eV, ¿cuánto aumenta la tasa de fallas al pasar de 40 a 60 °C?
Unas 4,7 veces.
¿Qué es la mortalidad infantil?
La tasa de fallas alta del comienzo de la vida, por defectos de fabricación; se elimina con ensayos de quemado.
07Para ampliar
- Patrick D. T. O'Connor y Andre Kleyner. Practical Reliability Engineering. 5.ª ed., Wiley, 2012. La referencia práctica sobre confiabilidad, predicción y ensayos acelerados.
- Departamento de Defensa de los Estados Unidos. MIL-HDBK-217F: Reliability Prediction of Electronic Equipment. 1991. El manual clásico de tasas de fallas por tipo de componente.
- Milton Ohring y Lucian Kasprzak. Reliability and Failure of Electronic Materials and Devices. 2.ª ed., Academic Press, 2014. Los mecanismos físicos de falla de los materiales y dispositivos electrónicos.