Časopis: Šok i vibracije 16 (2009) 45–59
Autori: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [email zaštićen]), i Guy Richardson
Povezanost autora: Grupa za astronautička istraživanja, Univerzitet Southampton, Škola inženjerskih nauka, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, UK
Autorsko pravo 2009 Hindawi Publishing Corporation. Ovo je članak otvorenog pristupa koji se distribuira pod licencom Creative Commons Attribution, koja dozvoljava neograničenu upotrebu, distribuciju i reprodukciju na bilo kojem mediju, pod uslovom da je originalno djelo pravilno citirano.
Bilješka. U budućnosti se očekuje da će sva moderna elektronska oprema imati sve veću funkcionalnost uz zadržavanje sposobnosti da izdrži udarna i vibracijska opterećenja. Proces predviđanja pouzdanosti je težak zbog složenog odziva i karakteristika kvara elektronske opreme, pa su trenutno postojeće metode kompromis između tačnosti proračuna i cijene.
Pouzdano i brzo predviđanje pouzdanosti elektronske opreme pri radu pod dinamičkim opterećenjima je veoma važno za industriju. Ovaj članak pokazuje probleme u predviđanju pouzdanosti elektronske opreme koji usporavaju rezultate. Također treba uzeti u obzir da se model pouzdanosti obično gradi uzimajući u obzir širok raspon konfiguracija opreme za niz sličnih komponenti. Četiri klase metoda predviđanja pouzdanosti (referentne metode, podaci ispitivanja, eksperimentalni podaci i modeliranje fizičkih uzroka kvara - fizika kvara) upoređuju se u ovom članku kako bi se odabrala mogućnost korištenja jedne ili druge metode. Napominje se da je većina kvarova u elektronskoj opremi uzrokovana toplinskim opterećenjem, ali ovaj pregled se fokusira na kvarove uzrokovane udarima i vibracijama tokom rada.
Napomena prevodioca. Članak je pregled literature o ovoj temi. Uprkos relativnoj starosti, služi kao odličan uvod u problem procene pouzdanosti različitim metodama.
1. Terminologija
BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line procesor, ponekad poznat kao Dual In-line paket.
FE konačni element.
PGA Pin Grid Array.
PCB štampana ploča, ponekad poznata kao PWB (Štampana ploča za ožičenje).
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier.
Prolazni otvor sa PTH-om, ponekad poznat kao otvor za otvor.
QFP Quad Flat Pack - poznat i kao krilo galeba.
SMA legure sa memorijom oblika.
SMT Surface Mount Technology.
Napomena originalnih autora: U ovom članku, izraz "komponenta" odnosi se na određeni elektronski uređaj koji se može zalemiti na štampanu ploču, termin "paket" se odnosi na bilo koju komponentu integrisanog kola (obično bilo koju SMT ili DIP komponentu). Termin "priključena komponenta" odnosi se na bilo koju kombinovanu štampanu ploču ili sistem komponenti, naglašavajući da spojene komponente imaju sopstvenu masu i krutost. (O kristalnoj ambalaži i njenom uticaju na pouzdanost u članku se ne govori, pa se u daljem tekstu termin „paket“ može percipirati kao „slučaj“ ove ili one vrste – pribl. prev.)
2. Izjava o problemu
Udarna i vibracijska opterećenja nametnuta PCB-u uzrokuju naprezanje na podlozi PCB-a, paketima komponenti, tragovima komponenti i lemnim spojevima. Ova naprezanja su uzrokovana kombinacijom momenata savijanja u pločici i inercijom mase komponente. U najgorem slučaju, ova naprezanja mogu uzrokovati jedan od sljedećih načina kvara: raslojavanje PCB-a, kvar lemnog spoja, kvar elektrode ili kvar paketa komponenti. Ako dođe do bilo kojeg od ovih načina kvara, najvjerovatnije će uslijediti potpuni kvar uređaja. Način kvara koji se javlja tokom rada zavisi od vrste pakovanja, svojstava štampane ploče, kao i učestalosti i amplitude momenata savijanja i inercionih sila. Spor napredak u analizi pouzdanosti elektronske opreme je zbog brojnih kombinacija ulaznih faktora i načina kvara koje treba uzeti u obzir.
Ostatak ovog odeljka će pokušati da objasni poteškoću istovremenog razmatranja različitih ulaznih faktora.
Prvi komplicirajući faktor koji treba uzeti u obzir je širok raspon tipova paketa dostupnih u modernoj elektronici, jer svaki paket može pokvariti iz različitih razloga. Teške komponente su podložnije inercijskom opterećenju, dok odziv SMT komponenti više ovisi o zakrivljenosti ploče. Kao rezultat, zbog ovih osnovnih razlika, ove vrste komponenti imaju u velikoj mjeri različite kriterije kvara na osnovu mase ili veličine. Ovaj problem je dodatno pogoršan stalnom pojavom novih komponenti dostupnih na tržištu. Stoga se svaka predložena metoda predviđanja pouzdanosti mora prilagoditi novim komponentama kako bi imala bilo kakvu praktičnu primjenu u budućnosti. Reakcija štampane ploče na vibracije određena je krutošću i masom komponenti, koje utiču na lokalni odziv štampane ploče. Poznato je da najteže ili najveće komponente značajno mijenjaju odgovor ploče na vibracije na mjestima gdje su ugrađene. Mehanička svojstva PCB-a (Youngov modul i debljina) mogu utjecati na pouzdanost na načine koje je teško predvidjeti.
Tvrđi PCB može smanjiti ukupno vrijeme odziva PCB-a pod opterećenjem, ali u isto vrijeme može zapravo lokalno povećati momente savijanja primijenjene na komponente (Dodatno, iz perspektive termički induciranog kvara, zapravo je poželjno specificirati više kompatibilan PCB, jer se time smanjuju termička naprezanja na ambalaži – napomena autora). Učestalost i amplituda lokalnih momenata savijanja i inercijskih opterećenja nametnutih na dimnjak također utječu na najvjerovatniji način kvara. Visokofrekventna opterećenja niske amplitude mogu dovesti do loma konstrukcije od zamora, što može biti glavni uzrok kvara (niski/visoki ciklički zamor, LCF se odnosi na kvarove kojima dominira plastična deformacija (N_f < 10^6), dok HCF označava elastičnu deformaciju kvarovi , obično (N_f > 10^6 ) do kvara [56] - napomena autora) Konačni raspored elemenata na štampanoj ploči će odrediti uzrok kvara, koji može nastati zbog naprezanja u pojedinoj komponenti uzrokovanog inercijskim opterećenjem ili lokalni momenti savijanja. Konačno, potrebno je uzeti u obzir utjecaj ljudskih faktora i proizvodnih karakteristika, što povećava vjerovatnoću kvara opreme.
Kada se uzme u obzir značajan broj ulaznih faktora i njihova složena interakcija, postaje jasno zašto još nije stvoren efikasan metod za predviđanje pouzdanosti elektronske opreme. Jedan od pregleda literature koji su autori preporučili o ovom pitanju predstavljen je u IEEE [26]. Međutim, ovaj pregled se uglavnom fokusira na prilično široke klasifikacije modela pouzdanosti, kao što je metoda predviđanja pouzdanosti iz referentne literature, eksperimentalnih podataka, kompjutersko modeliranje stanja kvara (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), i ne bavi se kvarovima. dovoljno detalja uzrokovano udarima i vibracijama. Foucher i saradnici [17] slijede sličan pregled kao i IEEE pregled, sa značajnim naglaskom na termičke kvarove. Prethodna sažetost analize PoF metoda, posebno primijenjenih na udarne i vibracijske kvarove, zaslužuje njihovo daljnje razmatranje. AIAA je u procesu sastavljanja pregleda nalik na IEEE, ali obim pregleda je nepoznat u ovom trenutku.
3. Evolucija metoda predviđanja pouzdanosti
Najranija metoda predviđanja pouzdanosti, razvijena 1960-ih, trenutno je opisana u MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F je najnovija i konačna revizija metode, objavljena 1995. - napomena autora) Korištenje ove metode koristi baza podataka o kvarovima elektronske opreme za postizanje prosječnog vijeka trajanja štampane ploče koja se sastoji od određenih komponenti. Ova metoda je poznata kao metoda za predviđanje pouzdanosti iz referentne i normativne literature. Iako Mil-Hdbk-217F postaje sve zastarjeliji, referentna metoda se i danas koristi. Ograničenja i nepreciznosti ove metode su dobro dokumentovane [42,50], što je dovelo do razvoja tri klase alternativnih metoda: kompjutersko modeliranje stanja fizičkog kvara (PoF), eksperimentalni podaci i podaci terenskih ispitivanja.
PoF metode predviđaju pouzdanost analitički bez oslanjanja na prethodno prikupljene podatke. Sve PoF metode imaju dvije zajedničke karakteristike klasične metode opisane u Steinbergu [62]: prvo se traži vibracijski odgovor tiskane ploče na određeni vibracijski stimulans, zatim se testiraju kriteriji kvara pojedinih komponenti nakon izlaganja vibracijama. Važan napredak u PoF metodama bila je upotreba distribuiranih (prosječnih) svojstava ploče za brzo generiranje matematičkog modela tiskane ploče [54], što je značajno smanjilo složenost i vrijeme utrošeno na precizno izračunavanje vibracijskog odziva štampane ploče. štampana ploča (pogledajte odeljak 8.1.3). Nedavni razvoj PoF tehnika poboljšao je predviđanje kvara za lemljene komponente tehnologije površinske montaže (SMT); međutim, s izuzetkom Barkersove metode [59], ove nove metode su primjenjive samo na vrlo specifične kombinacije komponenti i štampanih ploča. Postoji vrlo malo dostupnih metoda za velike komponente kao što su transformatori ili veliki kondenzatori.
Metode eksperimentalnih podataka poboljšavaju kvalitetu i mogućnosti modela koji se koristi u metodama predviđanja pouzdanosti na osnovu referentne literature. Prva metoda zasnovana na eksperimentalnim podacima za predviđanje pouzdanosti elektronske opreme opisana je u radu iz 1999. godine koristeći metodu HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program) koja je kreirana u Honeywell, Inc. [20]. Metoda eksperimentalnih podataka ima niz prednosti u odnosu na metode predviđanja pouzdanosti korištenjem referentne i normativne literature. Nedavno se pojavilo mnogo sličnih metoda (REMM i TRACS [17], također FIDES [16]). Metoda eksperimentalnih podataka, kao i metoda predviđanja pouzdanosti korištenjem referentne i normativne literature, ne omogućavaju nam da pri ocjeni pouzdanosti na zadovoljavajući način uzmemo u obzir izgled ploče i radno okruženje njenog rada. Ovaj nedostatak se može ispraviti korištenjem podataka o kvarovima sa ploča koje su slične po dizajnu, ili sa ploča koje su bile izložene sličnim radnim uvjetima.
Metode eksperimentalnih podataka zavise od dostupnosti opsežne baze podataka koja sadrži podatke o padu tokom vremena. Svaki tip kvara u ovoj bazi podataka mora biti ispravno identificiran i njegov osnovni uzrok utvrđen. Ova metoda procjene pouzdanosti je pogodna za kompanije koje proizvode istu vrstu opreme u dovoljno velikim količinama tako da se značajan broj kvarova može obraditi za procjenu pouzdanosti.
Metode za ispitivanje pouzdanosti elektronskih komponenti su u upotrebi od sredine 1970-ih i obično se dijele na ubrzane i neubrzane testove. Osnovni pristup je izvođenje testnih pokretanja hardvera koji stvaraju očekivano radno okruženje što je realnije moguće. Testovi se izvode sve dok ne dođe do kvara, što omogućava predviđanje MTBF-a (srednje vrijeme između kvarova). Ako se procijeni da je MTBF vrlo dug, tada se trajanje testa može smanjiti ubrzanim testiranjem, što se postiže povećanjem faktora radnog okruženja i korištenjem poznate formule za povezivanje stope neuspjeha u ubrzanom testu sa stopom otkaza koja se očekuje u operacija. Ovo testiranje je od vitalnog značaja za komponente sa visokim rizikom od kvara jer istraživaču pruža najviši nivo pouzdanih podataka, međutim, bilo bi nepraktično koristiti ga za optimizaciju dizajna ploče zbog dugog vremena ponavljanja studije.
Brzi pregled rada objavljenog 1990-ih sugerira da je to bio period kada su se eksperimentalni podaci, podaci testa i PoF metode takmičili jedni s drugima u zamjeni zastarjelih metoda za predviđanje pouzdanosti iz referentnih knjiga. Međutim, svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke, a kada se pravilno koristi, daje vrijedne rezultate. Kao posljedica toga, IEEE je nedavno objavio standard [26] koji navodi sve metode predviđanja pouzdanosti koje se danas koriste. Cilj IEEE je bio da pripremi vodič koji bi inženjeru pružio informacije o svim dostupnim metodama i prednostima i nedostacima koji su svojstveni svakoj metodi. Iako je IEEE pristup još uvijek na početku duge evolucije, čini se da ima svoje prednosti, jer ga AIAA (Američki institut za aeronautiku i astronautiku) slijedi smjernicom pod nazivom S-102, koja je slična IEEE, ali također uzima u obzir relativni kvalitet podataka iz svake metode [27]. Ovi vodiči su namijenjeni samo da spoje metode koje kruže širom svjetske literature objavljene o ovim temama.
4. Kvarovi uzrokovani vibracijama
Veliki dio prošlih istraživanja prvenstveno se fokusirao na nasumične vibracije kao opterećenje PCB-a, ali sljedeća studija posebno se bavi kvarovima povezanim s udarcem. O takvim metodama ovdje se neće u potpunosti raspravljati jer spadaju u klasifikaciju PoF metoda i o njima se govori u odjeljcima 8.1 i 8.2 ovog članka. Heen i saradnici [24] kreirali su testnu ploču za testiranje integriteta BGA lemnih spojeva kada su podvrgnuti udaru. Lau i suradnici [36] opisali su pouzdanost PLCC, PQFP i QFP komponenti pri udarima u ravnini i izvan ravnine. Pitarresi i saradnici [53,55] su razmatrali kvarove matičnih ploča računara usled udarnih opterećenja i dali dobar pregled literature koja opisuje elektronsku opremu pod udarnim opterećenjima. Steinberg [62] pruža cijelo poglavlje o dizajnu i analizi pogođene elektronske opreme, pokrivajući kako predvidjeti šok okruženje i kako osigurati performanse elektronskih komponenti. Sukhir [64,65] je opisao greške u linearnim proračunima odgovora tiskane ploče na udarno opterećenje primijenjeno na učvršćivače ploče. Stoga, metode referentnih i eksperimentalnih podataka mogu uzeti u obzir kvarove opreme povezane s udarom, ali ove metode implicitno opisuju kvarove „udara“.
5. Referentne metode
Od svih dostupnih metoda opisanih u priručnicima, ograničit ćemo se na samo dvije koje uzimaju u obzir kvar vibracija: Mil-Hdbk-217 i CNET [9]. Mil-Hdbk-217 je prihvaćen kao standard od strane većine proizvođača. Kao i sve ručne i referentne metode, one se temelje na empirijskim pristupima koji imaju za cilj predviđanje pouzdanosti komponenti iz eksperimentalnih ili laboratorijskih podataka. Metode opisane u referentnoj literaturi su relativno jednostavne za implementaciju, jer ne zahtijevaju složeno matematičko modeliranje i koriste samo tipove dijelova, broj dijelova, radne uvjete ploče i druge lako dostupne parametre. Ulazni podaci se zatim unose u model kako bi se izračunalo vrijeme između kvarova, MTBF. Uprkos svojim prednostima, Mil-Hdbk-217 postaje sve manje popularan [12, 17,42,50,51]. Razmotrimo nepotpunu listu ograničenja njegove primjenjivosti.
- Podaci su sve više zastarjeli, budući da su posljednji put ažurirani 1995. godine i nisu relevantni za nove komponente, nema šanse da se model revidira jer je Odbor za poboljšanje standarda odbrane odlučio pustiti metodu „umreti prirodnom smrću“ [ 26].
- Metoda ne pruža informacije o načinu kvara, tako da se raspored PCB-a ne može poboljšati ili optimizirati.
- Modeli pretpostavljaju da je kvar neovisan o dizajnu, zanemarujući raspored komponenti na PCB-u, međutim, poznato je da raspored komponenti ima veliki utjecaj na vjerovatnoću kvara. [50].
- Prikupljeni empirijski podaci sadrže mnoge netočnosti, koriste se podaci od komponenti prve generacije s neprirodno visokom stopom kvarova zbog pogrešne evidencije vremena rada, popravka itd., što smanjuje pouzdanost rezultata predviđanja pouzdanosti [51].
Svi ovi nedostaci ukazuju na to da treba izbjegavati korištenje referentnih metoda, međutim, u granicama prihvatljivosti ovih metoda mora se implementirati niz zahtjeva tehničke specifikacije. Stoga, referentne metode treba koristiti samo kada je to prikladno, tj. u ranim fazama projektovanja [46]. Nažalost, čak i ovoj upotrebi treba pristupiti s određenim oprezom, jer ove vrste metoda nisu revidirane od 1995. godine. Stoga su referentne metode inherentno loši prediktori mehaničke pouzdanosti i treba ih koristiti s oprezom.
6. Metode ispitivanja podataka
Metode testnih podataka su najjednostavnije dostupne metode predviđanja pouzdanosti. Prototip predloženog dizajna štampane ploče je izložen vibracijama okruženja koje se reprodukuju na laboratorijskoj klupi. Zatim se analiziraju parametri razaranja (MTTF, šok spektar), a zatim se koriste za izračunavanje pokazatelja pouzdanosti [26]. Metodu testnih podataka treba koristiti uzimajući u obzir njene prednosti i nedostatke.
Glavna prednost metoda ispitivanja podataka je visoka točnost i pouzdanost rezultata, tako da za opremu s visokim rizikom od kvara, završna faza procesa projektovanja uvijek treba uključivati ispitivanje kvalifikacije vibracija. Nedostatak je dugo vrijeme potrebno za proizvodnju, montažu i opterećenje ispitnog komada, što metodu čini neprikladnom za projektna poboljšanja opreme sa velikom vjerovatnoćom kvara. Za iterativni proces dizajna proizvoda, treba razmotriti bržu metodu. Vrijeme izlaganja opterećenju može se smanjiti ubrzanim testiranjem ako su dostupni pouzdani modeli za naknadni proračun stvarnog vijeka trajanja [70,71]. Međutim, ubrzane metode ispitivanja su pogodnije za modeliranje termičkih kvarova nego kvarova vibracija. To je zato što je potrebno manje vremena za testiranje efekata toplotnih opterećenja na opremu nego za testiranje efekata opterećenja vibracijama. Učinak vibracije može se pojaviti u proizvodu tek nakon dužeg vremena.
Kao posljedica toga, metode ispitivanja se općenito ne koriste za kvarove zbog vibracija osim ako ne postoje olakšavajuće okolnosti, kao što su niski naponi koji rezultiraju vrlo dugim vremenima do otkaza. Primjeri metoda verifikacije podataka mogu se vidjeti u radovima Harta [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty i dr. [57], Liguore i Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih i Jung [30]. Dobar opšti pregled metode dat je u IEEE [26].
7. Metode eksperimentalnih podataka
Metoda eksperimentalnih podataka zasniva se na podacima o kvarovima sa sličnih štampanih ploča koje su testirane pod određenim radnim uslovima. Metoda je ispravna samo za štampane ploče koje će doživjeti slična opterećenja. Metoda eksperimentalnih podataka ima dva glavna aspekta: izgradnju baze podataka o kvarovima elektronskih komponenti i implementaciju metode zasnovane na predloženom dizajnu. Da bi se izgradila odgovarajuća baza podataka, moraju postojati relevantni podaci o greškama koji su prikupljeni iz sličnih projekata; to znači da podaci o kvarovima slične opreme moraju postojati. Neispravna oprema se također mora analizirati i pravilno prikupiti statistika, nije dovoljno konstatovati da je dati dizajn PCB-a otkazao nakon određenog broja sati, mora se utvrditi lokacija, način kvara i uzrok kvara. Osim ako svi prethodni podaci o kvarovima nisu detaljno analizirani, biće potreban dug period prikupljanja podataka prije nego što se može koristiti metoda eksperimentalnih podataka.
Moguće rješenje za ovo ograničenje je implementacija visoko ubrzanog testiranja životnog ciklusa (HALT) u svrhu brze izgradnje baze podataka o stopi otkaza, iako je precizna reprodukcija parametara okoline izazovna, ali vitalna [27]. Opis druge faze implementacije metode eksperimentalnih podataka može se pročitati u [27], koji pokazuje kako predvidjeti MTBF za predloženi dizajn ako se dizajn koji se testira dobije modifikacijom postojeće ploče za koju već postoje detaljni podaci o kvarovima. . Drugi pregledi metoda eksperimentalnih podataka opisani su od strane različitih autora u [11,17,20,26].
8. Računarska simulacija uslova kvara (PoF)
Tehnike kompjuterskog modeliranja za uslove kvara, koje se nazivaju i modeli napona i oštećenja ili PoF modeli, implementiraju se u procesu predviđanja pouzdanosti u dva koraka. Prva faza uključuje traženje odgovora tiskane ploče na dinamičko opterećenje koje joj je nametnuto; u drugoj fazi se izračunava odgovor modela kako bi se osigurao zadani pokazatelj pouzdanosti. Većina literature je često posvećena i metodi predviđanja odgovora i procesu pronalaženja kriterija neuspjeha. Ove dvije metode se najbolje razumiju kada su opisane nezavisno, tako da će se u ovom pregledu ova dva koraka razmatrati odvojeno.
Između faza predviđanja odgovora i traženja kriterija kvara, skup podataka kreiran u prvoj fazi i korišten u drugoj se prenosi u model. Varijabla odziva je evoluirala od upotrebe ulaznog ubrzanja na kućištu [15,36,37,67], preko stvarnog ubrzanja koje je komponenta iskusila kako bi se uzeli u obzir različiti vibracijski odgovori različitih rasporeda PCB-a [40], i konačno do razmatranja lokalno kretanje [62] ili lokalni momenti savijanja [59] koje PCB doživljava lokalno na komponentu.
Primjećeno je da je kvar funkcija rasporeda komponenti na štampanoj ploči [21,38], tako da su modeli koji uključuju lokalni odziv na vibracije vjerojatnije da će biti precizni. Izbor parametra (lokalno ubrzanje, lokalni otklon ili moment savijanja) je odlučujući faktor za kvar ovisi o konkretnom slučaju.
Ako se koriste SMT komponente, momenti zakrivljenosti ili savijanja mogu biti najznačajniji faktori kvara; za teške komponente, lokalna ubrzanja se obično koriste kao kriteriji kvara. Nažalost, nije provedeno nikakvo istraživanje koje bi pokazalo koja je vrsta kriterija najprikladnija u datom skupu ulaznih podataka.
Važno je razmotriti prikladnost bilo koje korištene PoF metode, jer nije praktično koristiti bilo koju PoF metodu, analitičku ili FE, koja nije podržana podacima laboratorijskih testova. Dodatno, važno je koristiti bilo koji model samo u okviru njegove primenljivosti, što nažalost ograničava primenljivost većine aktuelnih PoF modela na upotrebu u vrlo specifičnim i ograničenim uslovima. Dobre primjere rasprave o PoF metodama opisali su različiti autori [17,19,26,49].
8.1. Predviđanje odgovora
Predviđanje odgovora uključuje korištenje geometrije i svojstava materijala strukture za izračunavanje potrebne varijable odgovora. Očekuje se da će ovaj korak obuhvatiti samo ukupni odgovor osnovnog PCB-a, a ne i odgovor pojedinačnih komponenti. Postoje tri glavna tipa metoda predviđanja odgovora: analitički, detaljni FE modeli i pojednostavljeni FE modeli, opisani u nastavku. Ove metode se fokusiraju na uključivanje krutosti i efekta mase dodanih komponenti, međutim važno je ne izgubiti iz vida važnost preciznog modeliranja rotacijske krutosti na rubu PCB-a jer je to usko povezano s preciznošću modela (ovo se raspravlja u Odjeljak 8.1.4). Fig. 1. Primjer detaljnog modela tiskane ploče [53].
8.1.1. Analitičko predviđanje odgovora
Steinberg [62] pruža jedinu analitičku metodu za izračunavanje odziva na vibracije štampane ploče. Steinberg tvrdi da je amplituda oscilacije u rezonanciji elektronske jedinice jednaka dvostrukom kvadratnom korijenu rezonantne frekvencije; ova tvrdnja je zasnovana na nedostupnim podacima i ne može se provjeriti. Ovo omogućava analitički proračun dinamičkog otklona pri rezonanciji, koji se zatim može koristiti za izračunavanje ili dinamičkog opterećenja od teške komponente ili zakrivljenosti štampane ploče. Ova metoda ne proizvodi direktno lokalni odziv PCB-a i kompatibilna je samo sa kriterijima kvara zasnovanim na skretanju koje je opisao Steinberg.
Valjanost pretpostavke distribucije funkcije prijenosa na osnovu mjerenja amplitude je upitna jer su Pitarresi i saradnici [53] izmjerili kritično slabljenje od 2% za matičnu ploču računala, dok bi korištenje Steinbergove pretpostavke dalo 3,5% (na osnovu prirodne frekvencije 54 Hz), što bi dovelo do velikog potcjenjivanja odgovora ploče na vibracije.
8.1.2. Detaljni FE modeli
Neki autori demonstriraju upotrebu detaljnih FE modela za izračunavanje vibracijskog odziva štampane ploče [30,37,53, 57,58] (Slika 1-3 prikazuje primere sa povećanim nivoom detalja), međutim upotreba ovih Metode se ne preporučuju za komercijalni proizvod (osim ako samo precizno predviđanje lokalnog odgovora nije apsolutno neophodno) jer je vrijeme potrebno za izgradnju i rješavanje takvog modela pretjerano. Pojednostavljeni modeli proizvode podatke odgovarajuće tačnosti mnogo brže i po nižoj cijeni. Vrijeme potrebno za izgradnju i rješavanje detaljnog FE modela može se smanjiti korištenjem JEDEC 4 konstanti opruge objavljenih u [33-35], te se konstante opruge mogu koristiti umjesto detaljnog FE modela svake žice. Dodatno, metoda podstrukture (ponekad poznata kao metoda superelemenata) može se implementirati kako bi se smanjilo vrijeme izračunavanja potrebno za rješavanje detaljnih modela. Treba napomenuti da detaljni FE modeli često brišu granice između predviđanja odgovora i kriterija neuspjeha, tako da rad na koji se ovdje referencira također može potpasti pod listu radova koji sadrže kriterije neuspjeha.
8.1.3. Distribuirani FE modeli
Pojednostavljeni FE modeli smanjuju vrijeme kreiranja modela i rješenja. Masa dodane komponente i njena krutost mogu se predstaviti jednostavnom simulacijom prazne PCB-a sa povećanom masom i krutošću, gdje su efekti mase i krutosti inkorporirani lokalnim povećanjem Youngovog modula PCB-a.
Fig. 2. Primjer detaljnog modela QFP komponente koristeći simetriju za pojednostavljenje procesa modeliranja i smanjenje vremena rješenja [36]. Fig. 3. Primjer detaljnog FE modela J-voda [6].
Faktor povećanja krutosti može se izračunati fizičkim izrezivanjem pričvršćenog elementa i primjenom metoda ispitivanja savijanja [52]. Pitarresi et al. [52,54] ispitali su efekat pojednostavljenja dodane mase i krutosti komponenti pričvršćenih na štampanu ploču.
Prvi rad ispituje jedan slučaj pojednostavljenog FE modela štampane ploče, verifikovanog na osnovu eksperimentalnih podataka. Glavno područje interesa ovog rada je određivanje raspoređenih svojstava, uz napomenu da je za precizan model potrebna visoka točnost torzijske krutosti.
Drugi članak razmatra pet različitih punjenih PCB-a, od kojih je svaki modeliran sa nekoliko različitih nivoa pojednostavljenja svog sastava. Ovi modeli se uspoređuju s eksperimentalnim podacima. Ovaj članak završava se nekim poučnim zapažanjima o korelaciji između omjera mase i krutosti i točnosti modela. Oba ova rada koriste samo prirodne frekvencije i MEC (modalne kriterije osiguranja) za utvrđivanje korelacije između dva modela. Nažalost, greška u prirodnoj frekvenciji ne može dati nikakvu informaciju o grešci u lokalnim ubrzanjima ili momentima savijanja, a MKO može dati samo ukupnu korelaciju između dva prirodna moda, ali se ne može koristiti za izračunavanje postotka greške ubrzanja ili zakrivljenosti. Koristeći kombinaciju numeričke analize i kompjuterske simulacije, Cifuentes [10] iznosi sljedeća četiri zapažanja.
- Simulirani načini rada moraju sadržavati najmanje 90% vibrirajuće mase za preciznu analizu.
- U slučajevima kada su odstupanja ploče uporediva sa njenom debljinom, nelinearna analiza može biti prikladnija od linearne analize.
- Male greške u postavljanju komponenti mogu uzrokovati velike greške u mjerenju odgovora.
- Preciznost mjerenja odgovora je osjetljivija na greške u masi nego na krutost.
8.1.4. Granični uslovi
Koeficijent krutosti ruba PCB-a ima značajan utjecaj na točnost izračunatog odziva [59], a ovisno o specifičnoj konfiguraciji je mnogo veći od dodane mase i krutosti komponente. Modeliranje krutosti rotacijske ivice kao nula (u suštini samo podržano stanje) obično daje konzervativne rezultate, dok modeliranje čvrsto stegnute obično potcjenjuje rezultate, budući da čak i najtvrđi mehanizmi stezanja PCB-a ne mogu osigurati potpuno stegnuto stanje ruba. Barker i Chen [5] potvrđuju analitičku teoriju eksperimentalnim rezultatima kako bi pokazali kako rotacijska krutost ruba utječe na prirodnu frekvenciju PCB-a. Glavni nalaz ovog rada je jaka korelacija između krutosti rotacije rubova i prirodnih frekvencija, u skladu s teorijom. To također znači da će velike greške u modeliranju rotacijske krutosti rubova dovesti do velikih grešaka u predviđanju odgovora. Iako je ovaj rad razmatran u posebnom slučaju, primjenjiv je na modeliranje svih vrsta mehanizama graničnih uvjeta. Koristeći eksperimentalne podatke od Lim et al. [41] daje primjer kako se rotacijska krutost ruba može izračunati za korištenje FE u PCB modelu; ovo se postiže metodom prilagođenom od Barkera i Chena [5]. Ovaj rad također pokazuje kako odrediti optimalnu lokaciju bilo koje tačke u strukturi kako bi se maksimizirale prirodne frekvencije. Radovi koji posebno razmatraju efekat modifikacije graničnih uslova za smanjenje odziva na vibracije takođe postoje od Guoa i Zhaoa [21]; Aglietti [2]; Aglietti i Schwingshackl [3], Lim et al. [41].
8.1.5. Predviđanja udara i vibracija
Pitarresi et al. [53-55] koriste detaljni FE model PCB-a za predviđanje odgovora na udarce i vibracije ploče s komponentama predstavljenim kao 3D blokovi. Ovi modeli su koristili eksperimentalno određene konstantne omjere prigušenja kako bi poboljšali predviđanje odgovora pri rezonanciji. Spektar odziva na udar (SRS) i metode vremenskog pomeranja upoređene su za predviđanje odziva na udar, pri čemu su obe metode predstavljale kompromis između tačnosti i vremena rešenja.
8.2. Kriterijumi za odbijanje
Kriterijumi kvara uzimaju mjeru odgovora PCB-a i koriste je za izvođenje metrike kvara, gdje metrika kvara može biti srednje vrijeme između kvarova (MTBF), ciklusi do otkaza, vjerovatnoća rada bez greške ili bilo koja druga metrika pouzdanosti (vidi IEEE [26], Jensen [28] 47], O'Connor [XNUMX] za raspravu o metrikama neuspjeha). Mnogi različiti pristupi generiranju ovih podataka mogu se prikladno podijeliti na analitičke i empirijske metode. Empirijske metode generiraju podatke o kriterijima kvara opterećujući ispitne uzorke komponenti na potrebno dinamičko opterećenje. Nažalost, zbog širokog spektra ulaznih podataka (vrste komponenti, debljine PCB-a i opterećenja) koji su mogući u praksi, malo je vjerovatno da će objavljeni podaci biti direktno primjenjivi jer su podaci valjani samo u vrlo posebnim slučajevima. Analitičke metode nemaju takve nedostatke i imaju mnogo širu primjenu.
8.2.1. Empirijski kriteriji neuspjeha
Kao što je ranije rečeno, ograničenje većine empirijskih modela je da su oni primjenjivi samo na konfiguracije koje uključuju istu debljinu PCB-a, slične tipove komponenti i ulazno opterećenje, što je malo vjerovatno. Međutim, dostupna literatura je korisna iz sljedećih razloga: pruža dobre primjere izvođenja testova kvara, ističe različite opcije za metriku otkaza i pruža vrijedne informacije u vezi s mehanikom kvara. Li [37] je kreirao empirijski model za predviđanje pouzdanosti 272-pinskog BGA i 160-pinskog QFP paketa. Istražuje se oštećenje od zamora u vodičima i tijelu paketa, a eksperimentalni rezultati su u dobroj saglasnosti s analizom oštećenja temeljenom na naponu izračunatom pomoću detaljnog FE modela (vidi također Li i Poglitsch [38,39]). Proces proizvodi kumulativnu štetu za dati nivo ubrzanja vibracije ulaznog signala vibracije.
Lau i saradnici [36] su procijenili pouzdanost specifičnih komponenti pod udarnim i vibracijskim opterećenjem koristeći Weibullove statistike. Liguore i Followell [40] su ispitivali kvarove LLCC i J-lead komponenti mijenjajući lokalno ubrzanje kroz servisne cikluse. Koristi se lokalno ubrzanje za razliku od ulaznog ubrzanja šasije, a istražen je utjecaj temperature na rezultate testa. Članak se također poziva na istraživanje utjecaja debljine PCB-a na pouzdanost komponenti.
Guo i Zhao [21] uspoređuju pouzdanost komponenti kada se kao opterećenje koristi lokalna torzijska zakrivljenost, za razliku od prethodnih studija koje su koristile ubrzanje. Simulira se oštećenje od zamora, zatim se model FE uspoređuje s eksperimentalnim rezultatima. U članku se također govori o optimizaciji rasporeda komponenti radi poboljšanja pouzdanosti.
Ham i Lee [22] predstavljaju metodu testnih podataka za problem određivanja naprezanja olovnog lema pri cikličkom torzijskom opterećenju. Estes i ostali [15] razmatrali su problem kvara komponenti galebovog krila (GOST IEC 61188-5-5-2013) s primijenjenim ulaznim ubrzanjem i toplinskim opterećenjem. Komponente koje se proučavaju su paketi čipova tipa CQFP 352, 208, 196, 84 i 28, kao i FP 42 i 10. Članak je posvećen kvaru elektronskih komponenti usled fluktuacija u orbiti geostacionarnog Zemljinog satelita, vremenu između kvarova dat je u smislu godina leta na geostacionarnim ili niskim Zemljinim orbitama. Primjećuje se da je kvar žica galebovog krila vjerovatniji na mjestima u kontaktu s tijelom pakovanja nego na lemnom spoju.
Jih i Jung [30] razmatraju kvarove opreme uzrokovane inherentnim greškama u proizvodnji u lemnom spoju. Ovo se postiže kreiranjem vrlo detaljnog FE modela PCB-a i pronalaženjem spektralne gustine snage (PSD) za različite dužine proizvodnih pukotina. Ligyore, Followell [40] i Shetty, Reinikainen [58] sugeriraju da empirijske metode proizvode najtočnije i najkorisnije podatke o kvaru za specifične konfiguracije povezanih komponenti. Ove vrste metoda se koriste ako se određeni ulazni podaci (debljina ploče, tip komponente, raspon zakrivljenosti) mogu održavati konstantnim kroz cijeli dizajn, ili ako korisnik može priuštiti izvođenje stvarnih testova ove vrste.
8.2.2. Kriterijum analitičkog neuspjeha
SMT modeli ugaonih spojeva
Različiti istraživači koji proučavaju kvarove SMT kutnih pinova sugeriraju da je to najčešći uzrok kvara. Radovi Sidhartha i Barkera [59] upotpunjuju raniju seriju radova predstavljajući model za određivanje deformacije SMT kutnih izvoda i komponenti elektrode petlje. Predloženi model ima grešku manju od 7% u poređenju sa detaljnim FE modelom za šest najgorih scenarija. Model se temelji na formuli koju su prethodno objavili Barker i Sidharth [4], gdje je modelirano otklon pričvršćenog dijela koji je podvrgnut momentu savijanja. U radu Sukhira [63] analitički se ispituju naprezanja koja se očekuju u terminalima paketa zbog lokalno primijenjenih momenata savijanja. Barker i Sidharth [4] nadovezuju se na rad Sukhira [63], Barker et al. [4], koji razmatra utjecaj vodeće rotacijske krutosti. Konačno, Barker i saradnici [7] koristili su detaljne FE modele za proučavanje utjecaja varijacija dimenzija olova na vijek trajanja zamora olova.
Ovdje je prikladno spomenuti rad na JEDEC konstantama olovne opruge, koji je uvelike pojednostavio izradu modela olovnih komponenti [33-35]. Konstante opruge se mogu koristiti umjesto detaljnog modela veza elektroda; vrijeme potrebno za izgradnju i rješavanje FE modela će se smanjiti u modelu. Upotreba takvih konstanti u komponentnom FE modelu će spriječiti direktan proračun lokalnih napona olova. Umjesto toga, dat će se ukupna deformacija olova, koja bi zatim trebala biti povezana ili s lokalnim naponima olova ili kriterijima kvara olova na osnovu životnog ciklusa proizvoda.
Podaci o zamoru materijala
Većina podataka o kvarovima materijala koji se koriste za lemove i komponente prvenstveno se odnose na termičke kvarove, a relativno malo podataka o kvarovima od zamora. Glavnu referencu u ovoj oblasti daje Sandor [56], koji daje podatke o mehanici zamora i loma legura za lemljenje. Steinberg [62] razmatra kvar uzoraka lemljenja. Podaci o zamoru za standardne lemove i žice dostupni su u Yamadinom radu [69].
Fig. 4. Uobičajena pozicija kvara iz priručnika za QFP komponente je blizu tijela paketa.
Modeliranje kvarova povezanih sa odvajanjem lemljenja je izazovno zbog neobičnih svojstava ovog materijala. Rješenje ovog pitanja ovisi o komponenti koju treba testirati. Poznato je da se za QFP pakete to obično ne uzima u obzir, a pouzdanost se procjenjuje korištenjem referentne literature. Ali ako se izračuna lemljenje velikih BGA i PGA komponenti, tada spojevi elektroda, zbog svojih neobičnih svojstava, mogu utjecati na kvar proizvoda. Stoga, za QFP pakete, svojstva zamora olova su najkorisnija informacija. Za BGA korisnije su informacije o trajnosti lemnih spojeva koji su podvrgnuti trenutnoj plastičnoj deformaciji [14]. Za veće komponente, Steinberg [62] daje podatke o naponu izvlačenja lemnog spoja.
Modeli kvarova teških komponenti
Jedini modeli loma koji postoje za teške komponente predstavljeni su u Steinbergovom radu [62], koji ispituje vlačnu čvrstoću komponenti i daje primjer kako izračunati maksimalno dozvoljeno naprezanje koje se može primijeniti na spoj elektrode.
8.3. Zaključci o primjenjivosti PoF modela
U literaturi o PoF metodama doneseni su sljedeći zaključci.
Lokalni odgovor je kritičan za predviđanje kvara komponente. Kao što je navedeno u Li, Poglitsch [38], komponente na rubovima PCB-a su manje podložne kvaru od onih koje se nalaze u središtu PCB-a zbog lokalnih razlika u savijanju. Posljedično, komponente na različitim lokacijama na PCB-u će imati različite vjerovatnoće kvara.
Zakrivljenost lokalne ploče smatra se važnijim kriterijem kvara od ubrzanja za SMT komponente. Noviji radovi [38,57,62,67] ukazuju da je zakrivljenost ploče glavni kriterij kvara.
Različiti tipovi paketa, kako po broju pinova tako i po tipu koji se koristi, inherentno su pouzdaniji od drugih, bez obzira na specifično lokalno okruženje [15,36,38].
Temperatura može uticati na pouzdanost komponenti. Liguore i Followell [40] navode da je vijek trajanja zamora najveći u rasponu temperatura od 0 ◦C do 65 ◦C, uz primjetno smanjenje na temperaturama ispod -30 ◦C i iznad 95 ◦C. Za QFP komponente, mjesto gdje je žica pričvršćena za paket (vidi sliku 4) se smatra primarnom lokacijom kvara, a ne lemnim spojem [15,22,38].
Debljina ploče ima definitivan utjecaj na vijek trajanja SMT komponenti, jer se pokazalo da se vijek trajanja zamora BGA smanjuje za otprilike 30-50 puta ako se debljina ploče poveća sa 0,85 mm na 1,6 mm (uz održavanje konstantne ukupne zakrivljenosti) [13] . Fleksibilnost (usklađenost) komponentnih izvoda značajno utiče na pouzdanost komponenti perifernih elektroda [63], međutim, ovo je nelinearan odnos, a međuvezni vodovi su najmanje pouzdani.
8.4. Softverske metode
Centar za napredno inženjerstvo životnog ciklusa (CALCE) na Univerzitetu u Merilendu obezbeđuje softver za izračunavanje odziva na vibracije i udare štampanih ploča. Softver (nazvan CALCE PWA) ima korisnički interfejs koji pojednostavljuje proces pokretanja FE modela i automatski unosi proračun odziva u model vibracija. Ne postoje pretpostavke koje se koriste za kreiranje FE modela odgovora, a korišteni kriteriji kvara preuzeti su iz Steinberga [61] (iako se očekuje da će se implementirati i Barkersova metoda [48]). Za pružanje općih preporuka za poboljšanje pouzdanosti opreme, opisani softver radi dobro, pogotovo jer istovremeno uzima u obzir termički inducirana naprezanja i zahtijeva minimalno specijalizirano znanje, ali točnost kriterija kvara u modelima nije eksperimentalno provjerena.
9. Metode povećanja pouzdanosti opreme
U ovom dijelu će se raspravljati o modifikacijama nakon projekta koje poboljšavaju pouzdanost elektronske opreme. Spadaju u dvije kategorije: one koje mijenjaju granične uslove PCB-a i one koje povećavaju prigušenje.
Glavna svrha modifikacija graničnih uvjeta je smanjenje dinamičkog otklona tiskane ploče, što se može postići kroz rebra za ukrućenje, dodatne oslonce ili smanjenje vibracija ulaznog medija. Ukrućenja mogu biti korisna jer povećavaju prirodne frekvencije, čime se smanjuju dinamički otklon [62], isto vrijedi i za dodavanje dodatnih oslonaca [3], iako se lokacija oslonaca također može optimizirati, kao što je prikazano u radovima JH Onga i Lima [ 40]. Nažalost, rebra i oslonci obično zahtijevaju redizajn rasporeda, tako da je ove tehnike najbolje razmotriti na početku ciklusa dizajna. Osim toga, treba voditi računa da modifikacije ne mijenjaju prirodne frekvencije kako bi odgovarale prirodnim frekvencijama noseće konstrukcije, jer bi to bilo kontraproduktivno.
Dodavanje izolacije poboljšava pouzdanost proizvoda smanjenjem uticaja dinamičkog okruženja koji se prenosi na opremu i može se postići bilo pasivno ili aktivno.
Pasivne metode su obično jednostavne i jeftinije za implementaciju, kao što je upotreba kablovskih izolatora [66] ili upotreba pseudoelastičnih svojstava legura sa memorijom oblika (SMA) [32]. Međutim, poznato je da loše dizajnirani izolatori zapravo mogu povećati odziv.
Aktivne metode obezbeđuju bolje prigušivanje u širem frekventnom opsegu, obično na račun jednostavnosti i mase, tako da su obično namenjene poboljšanju tačnosti veoma osetljivih preciznih instrumenata, a ne sprečavanju oštećenja. Aktivna izolacija vibracija uključuje elektromagnetske [60] i piezoelektrične metode [18,43]. Za razliku od metoda modifikacije graničnih uslova, modifikacija prigušenja ima za cilj smanjenje vršnog rezonantnog odziva elektronske opreme, dok bi se stvarne prirodne frekvencije trebale samo neznatno promijeniti.
Kao i kod izolacije vibracija, prigušenje se može postići bilo pasivno ili aktivno, sa sličnim pojednostavljenjima dizajna u prvom i većom složenošću i prigušenjem u drugom.
Pasivne metode uključuju, na primjer, vrlo jednostavne metode kao što je vezivanje materijala, čime se povećava prigušenje tiskane ploče [62]. Sofisticiranije metode uključuju prigušivanje čestica [68] i korištenje širokopojasnih dinamičkih apsorbera [25].
Aktivna kontrola vibracija obično se postiže upotrebom piezokeramičkih elemenata vezanih za površinu tiskane ploče [1,45]. Upotreba metoda kaljenja je specifična za slučaj i mora se pažljivo razmotriti u odnosu na druge metode. Primjena ovih tehnika na opremu za koju se ne zna da ima problema s pouzdanošću neće nužno povećati cijenu i težinu dizajna. Međutim, ako proizvod odobrenog dizajna ne uspije tijekom testiranja, može biti mnogo brže i lakše primijeniti tehniku strukturalnog očvršćavanja nego redizajnirati opremu.
10. Mogućnosti za razvoj metoda
Ovaj odjeljak detaljno opisuje mogućnosti za poboljšanje predviđanja pouzdanosti elektronske opreme, iako bi nedavni napredak u optoelektronici, nanotehnologiji i tehnologijama pakovanja mogao uskoro ograničiti primjenjivost ovih prijedloga. Četiri glavne metode predviđanja pouzdanosti možda neće biti u upotrebi u vrijeme dizajniranja uređaja. Jedini faktor koji bi takve metode mogao učiniti privlačnijim bio bi razvoj potpuno automatizirane, jeftine tehnologije proizvodnje i testiranja, jer bi to omogućilo da se predloženi dizajn izgradi i testira mnogo brže nego što je trenutno moguće, uz minimalan ljudski napor.
PoF metoda ima mnogo prostora za poboljšanje. Glavna oblast u kojoj se može poboljšati je integracija sa cjelokupnim procesom dizajna. Projektovanje elektronske opreme je iterativni proces koji razvijaoca približava gotovom rezultatu samo u saradnji sa inženjerima specijalizovanim za oblast elektronike, proizvodnog i toplotnog inženjeringa, kao i projektovanja konstrukcija. Metoda koja se automatski bavi nekim od ovih problema istovremeno će smanjiti broj iteracija dizajna i uštedjeti značajnu količinu vremena, posebno kada se uzme u obzir količina međuodjelske komunikacije. Ostale oblasti poboljšanja PoF metoda biće podeljene na tipove predviđanja odgovora i kriterijume neuspeha.
Predviđanje odgovora ima dva moguća puta naprijed: ili brži, detaljniji modeli ili poboljšani, pojednostavljeni modeli. Pojavom sve moćnijih kompjuterskih procesora, vrijeme rješenja za detaljne FE modele može postati prilično kratko, dok se istovremeno, zahvaljujući modernom softveru, smanjuje vrijeme sklapanja proizvoda, što u konačnici minimizira troškove ljudskih resursa. Pojednostavljene FE metode se također mogu poboljšati procesom za automatsko generiranje FE modela, sličnim onima predloženim za detaljne FE metode. Automatski softver (CALCE PWA) trenutno je dostupan za ovu svrhu, ali tehnologija nije dobro dokazana u praksi, a pretpostavke modeliranja su nepoznate.
Proračun nesigurnosti svojstvene različitim metodama pojednostavljenja bio bi vrlo koristan, omogućavajući implementaciju korisnih kriterija tolerancije grešaka.
Konačno, bila bi korisna baza podataka ili metoda za davanje povećane krutosti spojenim komponentama, gdje bi se ova povećanja krutosti mogla koristiti za poboljšanje tačnosti modela odgovora. Kreiranje kriterijuma kvara komponenti zavisi od male varijacije između sličnih komponenti različitih proizvođača, kao i od mogućeg razvoja novih tipova pakovanja, budući da bilo koja metoda ili baza podataka za određivanje kriterijuma kvara mora uzeti u obzir takvu varijabilnost i promene.
Jedno rješenje bi bilo kreiranje metode/softvera za automatsku izgradnju detaljnih FE modela na osnovu ulaznih parametara kao što su dimenzije olova i pakovanja. Ova metoda može biti izvodljiva za komponente općenito uniformnog oblika kao što su SMT ili DIP komponente, ali ne i za složene nepravilne komponente kao što su transformatori, prigušnice ili prilagođene komponente.
Naknadni FE modeli se mogu riješiti za naprezanja i kombinirati s podacima o kvaru materijala (podaci krivulje S-N plastičnosti, mehanika loma ili slično) za izračunavanje vijeka trajanja komponente, iako podaci o kvaru materijala moraju biti visokog kvaliteta. FE proces bi trebao biti u korelaciji sa stvarnim testnim podacima, po mogućnosti u što širem rasponu konfiguracija.
Napor uključen u takav proces je relativno mali u usporedbi s alternativom direktnog laboratorijskog testiranja, koja mora izvršiti statistički značajan broj testova na različitim debljinama PCB-a, različitim intenzitetima opterećenja i smjerovima opterećenja, čak i sa stotinama različitih tipova komponenti dostupnih za više vrste ploča. U smislu jednostavnog laboratorijskog ispitivanja, može postojati metoda za poboljšanje vrijednosti svakog testa.
Kada bi postojala metoda za izračunavanje relativnog povećanja naprezanja zbog promjena u određenim varijablama, kao što su debljina PCB-a ili dimenzije olova, tada bi se naknadno mogla procijeniti promjena vijeka trajanja komponente. Takva metoda se može kreirati korištenjem FE analize ili analitičkih metoda, što u konačnici dovodi do jednostavne formule za izračunavanje kriterija kvara iz postojećih podataka o kvarovima.
Na kraju, očekuje se da će biti kreirana metoda koja kombinuje sve različite dostupne alate: FE analizu, testne podatke, analitičku analizu i statističke metode kako bi se stvorili najprecizniji mogući podaci o kvarovima uz ograničene raspoložive resurse. Svi pojedinačni elementi PoF metode mogu se poboljšati uvođenjem stohastičkih metoda u proces kako bi se uzeli u obzir efekti varijabilnosti elektronskih materijala i faza proizvodnje. To bi rezultate učinilo realističnijim, što bi možda dovelo do procesa za stvaranje opreme koja je otpornija na varijabilnost uz minimaliziranje degradacije proizvoda (uključujući težinu i cijenu).
Na kraju, takva poboljšanja mogu čak omogućiti procjenu pouzdanosti opreme u realnom vremenu tokom procesa projektovanja, trenutno sugerirajući sigurnije opcije komponenti, rasporede ili druge preporuke za poboljšanje pouzdanosti dok se bave drugim pitanjima kao što su elektromagnetne smetnje (EMI), termalne i industrijske.
11. Zaključak
Ovaj pregled uvodi složenost predviđanja pouzdanosti elektronske opreme, praćenje evolucije četiri vrste metoda analize (regulatorna literatura, eksperimentalni podaci, podaci testa i PoF), što dovodi do sinteze i poređenja ovih vrsta metoda. Napominje se da su referentne metode korisne samo za preliminarne studije, metode eksperimentalnih podataka su korisne samo ako su dostupni opsežni i tačni podaci o vremenu, a metode testnih podataka su od vitalnog značaja za testiranje kvalifikacije projekta, ali nedostatne za optimizaciju dizajna.
PoF metode se razmatraju detaljnije nego u prethodnim pregledima literature, dijeleći istraživanje na kategorije kriterija predviđanja i vjerovatnoće neuspjeha. Odjeljak “Predviđanje odgovora” daje pregled literature o distribuiranim svojstvima, modeliranju graničnih uslova i nivoima detalja u FE modelima. Pokazalo se da je izbor metode predviđanja odgovora kompromis između tačnosti i vremena za generiranje i rješavanje FE modela, ponovo naglašavajući važnost tačnosti graničnih uslova. Odjeljak „Kriterijumi kvara“ razmatra empirijske i analitičke kriterije kvara; za SMT tehnologiju su dati pregledi modela i teških komponenti.
Empirijske metode su primjenjive samo na vrlo specifične slučajeve, iako daju dobre primjere metoda ispitivanja pouzdanosti, dok analitičke metode imaju mnogo širi raspon primjenjivosti, ali su složenije za implementaciju. Dat je kratak pregled postojećih metoda analize kvarova zasnovanih na specijalizovanom softveru. Konačno, date su implikacije za budućnost predviđanja pouzdanosti, s obzirom na pravce u kojima metode predviđanja pouzdanosti mogu evoluirati.
Literatura[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers i S. B. Gabriel, Efikasan model panela napunjenog opremom za studije dizajna aktivne kontrole, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, Lakše kućište za elektroniku za svemirske aplikacije, Zbornik radova Instituta mašinskih inženjera 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti i C. Schwingshackl, Analiza kućišta i antivibracionih uređaja za elektronsku opremu za svemirske aplikacije, Zbornik radova 6. međunarodne konferencije o dinamici i kontroli struktura svemirskih letjelica u svemiru, Riomaggiore, Italija, (2004).
[4] D. B. Barker i Y. Chen, Modeliranje ograničenja vibracija vodiča kartice sa klinastim zaključavanjem, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen i A. Dasgupta, Procjena vijeka trajanja vibracionih zamora komponenti za površinsku montažu sa četiri olovke, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta i M. Pecht, Proračuni vijeka trajanja PWB lemnih spojeva pod termičkim i vibracijskim opterećenjem, Godišnji simpozijum o pouzdanosti i održavanju, 1991. Proceedings (Cat. No. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta i M. Pecht, Utjecaj varijabilnosti dimenzija SMC olova na usklađenost olova i vijek zamora lemnog spoja, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker i K. Sidharth, Lokalni PWB i savijanje komponenti sklopa podložnog momentu savijanja, Američko društvo mašinskih inženjera (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, Pregled procedura predviđanja pouzdanosti za mikroelektronske uređaje, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Procjena dinamičkog ponašanja štampanih ploča, IEEE transakcije o komponentama, pakovanju i tehnologiji proizvodnje Dio B: Napredno pakovanje 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy i C. Wilkinson, Procjena pouzdanosti zrakoplovne elektronske opreme, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman i A. Malhotra, Poređenje pristupa procjeni pouzdanosti elektronike, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux i A. Syed, Pouzdanost lemnih spojeva polja u savijanju, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder i J. R. Lesniak, Mehanička ponašanja 60/40 kalaj-olovnih lemnih spojeva, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger i Y. Saito, Pouzdanost fileta pete klase 2 na olovnim komponentama krila galeba. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Vodič iz 2004. izdanje Metodologija pouzdanosti za elektronske sisteme. FIDES grupa, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie i B. Meslet, Pregled metoda predviđanja pouzdanosti za elektronske uređaje, Pouzdanost mikroelektronike 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David i R. Pinnington, Novi piezoelektrični aktuator velikog pomaka za aktivnu kontrolu vibracija, Smart Materials and Structures 7(1) (1998), 31 –42.
[19] W. Gericke, G. Gregoris, I. Jenkins, J. Jones, D. Lavielle, P. Lecuyer, J. Lenic, C. Neugnot, M. Sarno, E. Torres i E. Vergnault, Metodologija za procijeniti i odabrati odgovarajući metod predviđanja pouzdanosti za eee komponente u svemirskim aplikacijama, Evropska svemirska agencija, (Specijalna publikacija) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Procjena pouzdanosti u radu i pristup odozgo prema dolje pruža alternativni metod predviđanja pouzdanosti. Godišnja pouzdanost i održivost, Zbornik radova Simpozija (Kat. br. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo i M. Zhao, Zamor SMT lemnog spoja uključujući torzionu krivinu i optimizaciju lokacije čipa, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham i S.-B. Lee, Eksperimentalna studija o pouzdanosti elektronskog pakovanja pod vibracijom, Eksperimentalna mehanika 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Ispitivanje zamora komponente elektrode u obloženom prolazu, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh i K. Seetharamu, Razvoj dinamičke testne ploče za FCBGA procjenu pouzdanosti lemnih spojeva u udarima i vibracijama. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik i V. Babitsky, Ruggeding printed boards using a širokopojasni dinamički apsorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE vodič za odabir i korištenje predviđanja pouzdanosti na osnovu ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe i T. Kinney, Razvoj standardnih formata za modele pouzdanosti svemirskih sistema, Godišnji simpozijum o pouzdanosti i održivosti, 2003. Proceedings (Cat. No. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Pouzdanost elektronskih komponenti, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong i G. Lim, Jednostavna tehnika za maksimiziranje osnovne frekvencije struktura, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih i W. Jung, Vibracijski zamor lemnih spojeva za površinsku montažu. IThermfl98. Šesta međudruštvena konferencija o toplotnim i termomehaničkim pojavama u elektronskim sistemima (Kat. br. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson i L. Gullo, Poboljšanja u procjeni pouzdanosti i metodologiji predviđanja. Godišnji simpozijum o pouzdanosti i održavanju. 2000 Proceedings. Međunarodni simpozijum o kvalitetu i integritetu proizvoda (Kat. br. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes i B. Henderson, Pseudoelastični SMA opružni elementi za pasivnu izolaciju vibracija: dio i modeliranje, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Komparativna usklađenost reprezentativnih dizajna elektroda za komponente za površinsku montažu, IEEE Transakcije o komponentama, hibridima i tehnologiji proizvodnje 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, metrika usklađenosti za dizajn elektrode komponenti za površinsku montažu. 1990 Proceedings. 40. konferencija o elektronskim komponentama i tehnologiji (Kat. br. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz i L. Taylor, metrika usklađenosti za dizajne kosih krila galeba, j-savijanja i paukovog galebovog krila za komponente za površinsku montažu. 1991 Proceedings. 41. konferencija o elektronskim komponentama i tehnologiji (Kat. br. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice i B. Shaw, Pouzdanost lemnih spojeva sklopova tehnologije površinske montaže malog koraka, IEEE Transakcije o komponentama, hibridima i tehnologiji proizvodnje 13(3) (1990), 534–544.
[37] R. Li, Metodologija za predviđanje zamora elektronskih komponenti pod nasumičnim vibracijskim opterećenjem, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li i L. Poglitsch, Zamor plastične kuglične rešetke i plastičnih četverostrukih ravnih paketa pod vibracijama automobila. SMTA International, Zbornik radova tehničkog programa (2001), 324–329.
[39] R. Li i L. Poglitsch, Vibracijski zamor, mehanizam kvara i pouzdanost plastične kuglične rešetke i plastičnih četverostrukih ravnih paketa.
[40] Zbornik radova 2001 HD Međunarodna konferencija o međusobnom povezivanju visoke gustine i pakovanju sistema (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore i D. Followell, Vibracioni zamor lemnih spojeva tehnologije površinske montaže (smt). Godišnji simpozijum o pouzdanosti i održavanju 1995. Proceedings (Cat. No. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong i J. Penny, Efekat ivice i unutrašnje tačke podrške štampane ploče pod vibracijom, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Šta nije u redu s tim? IEEE Transakcije o pouzdanosti 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze i L. Cheng, Studija izvodljivosti aktivne izolacije vibracija uz pomoć grmljavinskih aktuatora, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Predviđanje pouzdanosti elektronske opreme. Ministarstvo odbrane SAD, F izdanje, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Pregled nedavnih inovacija u prigušivanju i kontroli vibracija pomoću šantovanih piezoelektričnih pretvarača, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris i J. Reilly, Mil-hdbk-217-omiljena meta. Godišnji simpozijum o pouzdanosti i održavanju. Zbornik iz 1993. (kat. br. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktični inženjering pouzdanosti. Wiley, 1997.
[48] M. Osterman i T. Stadterman, Softver za procjenu kvarova za sklopove kartica. Godišnja pouzdanost i održivost. Simpozijum. 1999 Proceedings (Cat. No. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht i A. Dasgupta, Fizika neuspjeha: pristup pouzdanom razvoju proizvoda, IEEE 1995 Međunarodna integrirana radionica o pouzdanosti Konačni izvještaj (Kat. br. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht i W.-C. Kang, Kritika mil-hdbk-217e metoda predviđanja pouzdanosti, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht i F. R. Nash, Predviđanje pouzdanosti elektronske opreme, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell i D. Smith, Tehnika razmazanih svojstava za analizu FE vibracija kartica sa štampanim kolima, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman i Y. Ling, Dinamičko modeliranje i mjerenje matičnih ploča personalnih računara. 52. konferencija o elektronskim komponentama i tehnologiji 2002., (Kat. br. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi i A. Primavera, Poređenje tehnika modeliranja vibracija za kartice sa štampanim kolima, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala i P. Geng, Ispitivanje mehaničkih udara i modeliranje matičnih ploča za PC. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Šandor, Mehanika lemljenja – Procjena stanja tehnike. Društvo za minerale, metale i materijale, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola i T. Reinikainen, Zamor interkonekcija paketa čipova zbog cikličkog savijanja, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty i T. Reinikainen, Ispitivanje savijanja elektronskih paketa u tri i četiri tačke, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth i D. B. Barker, Procjena vijeka trajanja zamora izazvanog vibracijama ugaonih vodova perifernih olovnih komponenti, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman i G. Blackwood, Meki 6-osni aktivni izolator vibracija, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Analiza vibracija za elektronsku opremu, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Analiza vibracija za elektronsku opremu, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Mogu li usaglašeni vanjski vodovi smanjiti snagu uređaja koji se postavlja na površinu? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Nelinearni dinamički odgovor štampane ploče na udarna opterećenja primijenjena na njenu potpornu konturu, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Odgovor fleksibilne štampane ploče na periodična udarna opterećenja primijenjena na njenu potpornu konturu, Američko društvo mašinskih inženjera (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Zaštita od vibracija kritičnih komponenti elektronske opreme u teškim uslovima okoline, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao i Q. Guo, Eksperimenti zamora od vibracija SMT lemnog spoja, Pouzdanost mikroelektronike 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan i W. Liao, Empirijska metoda za dizajn prigušenja čestica, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, Pristup mehanike loma pucanju zalemljenih spojeva, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao i E. Elsayed, Modeliranje ubrzanog testiranja životnog vijeka zasnovanog na srednjem rezidualnom vijeku, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou i E. A. Elsayed, Generalizirani životni model ubrzanog stresa u koracima. Proceedings of the 2004 International Conference on Business of Electronic Product Reliability and Liability, 2004, 19–25.
izvor: www.habr.com