Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45-59
Autori : Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail : [email prutettu]), è Guy Richardson
Affiliazioni di l'autori: Gruppu di Ricerca Astronautica, Università di Southampton, Scola di Scienze Ingegneria, Southampton, Regnu Unitu
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Regnu Unitu
Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Questu hè un articulu d'accessu apertu distribuitu sottu a Creative Commons Attribution License, chì permette l'usu, a distribuzione è a ripruduzzione senza restrizioni in qualsiasi supportu, sempre chì l'opera originale hè citata bè.
Annotazione. In u futuru, hè previstu chì tutti l'equipaghji elettronichi muderni anu una funziunalità crescente, mantenendu a capacità di resistà à carichi di scossa è vibrazione. U prucessu di predichendu affidabilità hè difficiule per via di a risposta cumplessa è e caratteristiche di fallimentu di l'equipaggiu elettronicu, cusì i metudi attualmente esistenti sò un cumprumissu trà a precisione di u calculu è u costu.
Previsione affidabile è rapida di l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu quandu operanu sottu carichi dinamichi hè assai impurtante per l'industria. Questu articulu mostra i prublemi in predichendu l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu chì rallenta i risultati. Ci vole ancu esse cunsideratu chì u mudellu di affidabilità hè di solitu custruitu in cunsiderà una larga gamma di cunfigurazioni di l'equipaggiu per una quantità di cumpunenti simili. Quattru classi di metudi di predizione di affidabilità (metudi di riferimentu, dati di prova, dati sperimentali è mudeli di e cause fisiche di fallimentu - fisica di fallimentu) sò paragunati in questu articulu per selezziunà a pussibilità di utilizà unu o un altru mètudu. Hè nutatu chì a maiò parte di i fallimenti in l'equipaggiu elettronicu sò causati da carichi termichi, ma sta rivisione si cuncentra nantu à i fallimenti causati da scossa è vibrazione durante l'operazione.
Nota di u traduttore. L'articulu hè una rivista di a literatura nantu à questu tema. Malgradu a so età relativamente vechja, serve com'è una excelente introduzione à u prublema di valutà a fiducia cù diversi metudi.
1. Terminulugia
BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line Processor, qualchì volta cunnisciutu cum'è Dual In-line Package.
FE Elementu finitu.
PGA Pin Grid Array.
PCB Printed Circuit Board, qualchì volta cunnisciutu cum'è PWB (Printed Wiring Board).
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier.
PTH Plated Through Hole, qualchì volta cunnisciutu cum'è Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - cunnisciutu ancu com'è ala di gabbianu.
Alloys à memoria di forma SMA.
Tecnulugia di a superficia SMT.
Nota da l'autori originali: In questu articulu, u terminu "cumpunente" si riferisce à un dispositivu elettronicu specificu chì pò esse saldatu à un circuitu stampatu; u terminu "pacchettu" si riferisce à qualsiasi cumpunente di un circuitu integratu (tipicamenti qualsiasi cumpunente SMT o DIP). U terminu "componente attaccatu" si riferisce à qualsiasi circuitu stampatu cumminatu o sistema di cumpunenti, enfatizendu chì i cumpunenti attaccati anu a so propria massa è rigidità. (L'imballaggio di cristalli è u so impattu nantu à l'affidabilità ùn sò micca discututi in l'articulu, cusì in ciò chì seguita u terminu "pacchettu" pò esse percepitu cum'è un "casu" di un tipu o un altru - circa trad.)
2. Dichjarazione di u prublema
I carichi di scossa è vibrazioni imposti à un PCB causanu stress nantu à u sustrato di PCB, i pacchetti di cumpunenti, tracce di cumpunenti è e ghjunti di saldatura. Queste tensioni sò causate da una cumminazione di mumenti di curvatura in u circuitu è l'inerzia di massa di u cumpunente. In u peghju scenariu, queste stress ponu causà unu di i seguenti modi di fallimentu: delaminazione di PCB, fallimentu di a saldatura, fallimentu di piombo, o fallimentu di pacchettu di cumpunenti. Sì qualchissia di sti modi di fallimentu si trova, u fallimentu cumpletu di u dispusitivu serà più prubabile di seguità. U modu di fallimentu sperimentatu durante u funziunamentu dipende da u tipu di imballaggio, e proprietà di u circuitu stampatu, è ancu a frequenza è l'amplitude di i momenti di curvatura è e forze inerziali. U prugressu lento in l'analisi di affidabilità di l'equipaggiu elettronicu hè dovutu à e numerose cumminazzioni di fattori di input è modi di fallimentu chì deve esse cunsideratu.
U restu di sta sezione pruverà à spiegà a difficultà di cunsiderà diversi fattori di input simultaneamente.
U primu fattore complicatu à cunsiderà hè a larga gamma di tippi di pacchetti dispunibili in l'elettronica muderna, postu chì ogni pacchettu pò fallu per diverse ragioni. I cumpunenti pesanti sò più suscettibili à carichi inerziali, mentre chì a risposta di i cumpunenti SMT hè più dipendente da a curvatura di u circuit board. In u risultatu, per via di sti differenzi basi, sti tipi di cumpunenti anu largamente diversi criterii di fallimentu basatu nantu à massa o dimensione. Stu prublema hè ancu aggravatu da l'emergenza constante di novi cumpunenti dispunibili nantu à u mercatu. Dunque, ogni metudu prupostu di predizione di affidabilità deve adattà à novi cumpunenti per avè ogni applicazione pratica in u futuru. A risposta di un circuitu stampatu à a vibrazione hè determinata da a rigidità è a massa di i cumpunenti, chì influenzanu a risposta lucale di u circuitu stampatu. Hè cunnisciutu chì i cumpunenti più pisanti o più grandi cambianu significativamente a risposta di u bordu à a vibrazione in i lochi induve sò stallati. Proprietà meccanica di PCB (modulu di Young è spessore) pò affettà affidabilità in modi chì sò difficiuli di predict.
Un PCB più rigidu pò riduce u tempu di risposta generale di u PCB sottu a carica, ma à u stessu tempu, pò in realtà aumentà localmente i momenti di curvatura applicati à i cumpunenti (In più, da una perspettiva di fallimentu indotta termicamente, hè preferibile specificà un più altu. PCB compatibile, postu chì questu riduce i stress termichi imposti à l'imballu - nota di l'autore). A frequenza è l'amplitude di i momenti di curvatura lucali è i carichi inerziali imposti à a pila influenzanu ancu u modu di fallimentu più prubabile. I carichi d'ampiezza di bassa frequenza d'alta frequenza pò purtà à fallimentu di fatigue di a struttura, chì pò esse a causa principale di fallimentu (fatica ciclica bassa / alta, LCF si riferisce à fallimenti duminati da a deformazione plastica (N_f 10 ^ 6 ) à fallimentu [10] - nota di l'autore) L'arrangementu finali di elementi nantu à u circuitu stampatu determinarà a causa di fallimentu, chì pò accade per u stress in un cumpunente individuale causatu da carichi inerziali. o mumenti di curvatura lucali. Infine, hè necessariu di piglià in contu l'influenza di i fatturi umani è e caratteristiche di produzzione, chì aumenta a probabilità di fallimentu di l'equipaggiu.
Quandu si cunsiderà un numeru significativu di fattori di input è a so interazzione cumplessa, diventa chjaru perchè un metudu efficace per predichendu l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu ùn hè ancu statu creatu. Una di e revisioni di a literatura cunsigliate da l'autori nantu à questu tema hè presentata in IEEE [26]. Tuttavia, sta rivista si focalizeghja principarmenti in classificazioni abbastanza larghe di mudelli di affidabilità, cum'è u metudu di predichendu l'affidabilità da a literatura di riferimentu, i dati sperimentali, a modellazione in computer di e cundizioni di fallimentu (Fissica-of-Failure Reliability (PoF)), è ùn tratta micca i fallimenti. in abbastanza dettagliu causatu da scossa è vibrazione. Foucher et al [17] seguenu un schema simili à a rivista IEEE, cun enfasi significativa in i fallimenti termichi. A brevità precedente di l'analisi di i metudi PoF, in particulare applicata à i fallimenti di scossa è vibrazione, meriteghja a so considerazione ulteriore. Una rivista simile à l'IEEE hè in prucessu di esse compilata da l'AIAA, ma l'alcunu di a rivista hè scunnisciutu à questu tempu.
3. Evoluzione di i metudi di predizione di affidabilità
U primu metudu di predizione di affidabilità, sviluppatu in l'anni 1960, hè attualmente deskrittu in MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F hè l'ultima è a rivisione finale di u metudu, liberata in 1995 - nota di l'autore) Utilizendu Stu metudu usa una basa di dati di fallimenti di l'equipaggiu elettronicu per ottene a vita media di serviziu di un circuitu stampatu cumpostu di certi cumpunenti. Stu metudu hè cunnisciutu com'è un metudu per predichendu affidabilità da a literatura di riferimentu è normativa. Ancu se Mil-Hdbk-217F hè diventatu sempre più anticu, u metudu di riferimentu hè sempre in usu oghje. E limitazioni è imprecisioni di stu metudu sò stati ben documentati [42,50], chì portanu à u sviluppu di trè classi di metudi alternativi: modellazione in computer di e cundizioni di fallimentu fisicu (PoF), dati sperimentali è dati di teste di campu.
I metudi PoF predicanu a affidabilità analiticamente senza s'appoghjanu nantu à e dati raccolti prima. Tutti i metudi PoF anu duie caratteristiche cumuni di u metudu classicu descrittu in Steinberg [62]: prima, a risposta di vibrazione di u circuitu stampatu à un stimulu di vibrazione specificu hè cercata, dopu i criterii di fallimentu di i cumpunenti individuali dopu l'esposizione à a vibrazione sò pruvati. Un avanzu impurtante in i metudi PoF hè statu l'usu di pruprietà di schede distribuite (mediate) per generà rapidamente un mudellu matematicu di un circuitu stampatu [54], chì hà riduciutu significativamente a cumplessità è u tempu passatu per calculà accuratamente a risposta di vibrazione di un stampatu. circuit board (vede Section 8.1.3). Sviluppi recenti in tecniche PoF anu migliuratu a predizione di fallimentu per i cumpunenti saldati di a tecnulugia di superficia (SMT); in ogni modu, cù l'eccezzioni di u metudu Barkers [59], sti novi metudi sò applicabili solu à cumminzioni assai specifiche di cumpunenti è circuiti stampati. Ci hè assai pochi metudi dispunibuli per i cumpunenti grandi cum'è trasformatori o grandi capacitors.
I metudi di dati sperimentali migliurà a qualità è e capacità di u mudellu utilizatu in i metudi di predizione di affidabilità basatu nantu à a literatura di riferimentu. U primu metudu basatu annantu à e dati sperimentali per predichendu l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu hè statu descrittu in un documentu di u 1999 cù u metudu HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), chì hè statu creatu in Honeywell, Inc. [20]. U metudu di dati spirimintali hà una quantità di vantaghji nantu à i metudi per predichendu affidabilità utilizendu a literatura di riferimentu è norma. Ricertamenti, parechji metudi simili sò apparsu (REMM è TRACS [17], ancu FIDES [16]). U metudu di dati spirimintali, è ancu u metudu di predichendu affidabilità utilizendu a literatura di riferimentu è norma, ùn ci permette micca di piglià in cunsiderà satisfactoriamente u layout di u bordu è l'ambienti operativi di u so funziunamentu in a valutazione di affidabilità. Sta carenza pò esse curretta usendu dati di fallimentu da i bordi chì sò simili in u disignu, o da i bordi chì sò stati esposti à cundizioni operativi simili.
Методы экспериментальных данных зависят от наличия обширной базы данных, содержащих данные о сбоях в течение определенного времени. Каждый тип сбоя в этой базе данных должен быть правильно идентифицирован, и определена его истинная причина. Такой метод оценки надежности подходит для компаний, производящих однотипное оборудование достаточно большими партиями, так чтобы можно было бы обработать значительное количество отказов для оценки надежности.
I metudi per a prova di cumpunenti elettronichi per a affidabilità sò stati utilizati da a mità di l'anni 1970 è sò tipicamente divisi in testi accelerati è micca accelerati. L'approcciu di basa hè di fà e teste di hardware chì creanu l'ambiente operativu previstu in u più realisticu pussibule. I testi sò realizati finu à chì un fallimentu si verifica, chì permette di prevede u MTBF (Mean Time Between Failures). Se l'MTBF hè stimatu per esse assai longu, allora a durata di a prova pò esse ridutta da una prova accelerata, chì hè ottenuta aumentendu i fatturi di l'ambiente operativu è utilizendu una formula cunnisciuta per rapportà a rata di fallimentu in a prova accelerata à a rata di fallimentu prevista in funziunamentu. Questa prova hè vitale per i cumpunenti à altu risicu di fallimentu postu chì furnisce u ricercatore cù u più altu livellu di dati di cunfidenza, in ogni modu, ùn saria micca praticu di usà per l'ottimisazione di u disignu di bordu per via di i tempi longu di iterazione di u studiu.
Una rivista rapida di u travagliu publicatu in l'anni 1990 suggerisce chì questu era un periodu quandu i dati sperimentali, i dati di teste è i metudi PoF cuncurrenu l'un à l'altru per rimpiazzà i metudi obsoleti per predice l'affidabilità da i libri di riferimentu. Tuttavia, ogni metudu hà i so vantaghji è svantaghji, è quandu s'utilice currettamente, pruduce risultati preziosi. In cunseguenza, IEEE hà publicatu recentemente un standard [26] chì elenca tutti i metudi di predizione di affidabilità in usu oghje. L'obiettivu di l'IEEE era di preparà una guida chì furnisce à l'ingegnere infurmazione nantu à tutti i metudi dispunibili è i vantaghji è i svantaghji inherenti à ogni metudu. Ancu se l'approcciu IEEE hè sempre à l'iniziu di una longa evoluzione, pare avè i so meriti, postu chì l'AIAA (Istitutu Americanu di Aeronautica è Astronautica) u seguita cù una guida chjamata S-102, chì hè simile à l'IEEE ma tene ancu in contu a qualità relative di e dati da ogni metudu [27]. Queste guide sò destinate solu à riunisce i metudi chì circulanu in a literatura mundiale publicata nantu à questi sugetti.
4. Failures causati da vibrazioni
A maiò parte di a ricerca passata s'hè focalizata principalmente nantu à a vibrazione aleatoria cum'è una carica di PCB, ma u studiu chì seguita specificamente guarda à i fallimenti legati à l'impattu. Tali metudi ùn saranu micca discututi cumplettamente quì, postu chì sò sottumessi à a classificazione di metudi PoF è sò discututi in e sezzioni 8.1 è 8.2 di stu articulu. Heen et al [24] anu creatu un tavulinu di prova per pruvà l'integrità di i giunti di saldatura BGA quandu sò sottumessi à scossa. Lau et al [36] descrive l'affidabilità di i cumpunenti PLCC, PQFP è QFP sottu impatti in u pianu è fora di u pianu. Pitarresi et al [53,55] anu guardatu i fallimenti di e schede madri di l'urdinatore per via di carichi di scossa è furnia una bona rivista di a literatura chì descrive l'equipaggiu elettronicu sottu carichi di scossa. Steinberg [62] furnisce un capitulu sanu nantu à u disignu è l'analisi di l'equipaggiu elettronicu impactatu, chì copre sia cumu predichendu l'ambienti di scossa è cumu assicurà a prestazione di cumpunenti elettronici. Sukhir [64,65] hà descrittu l'errori in i calculi lineari di a risposta di un circuitu stampatu à una carica d'impattu applicata à i fasteners di bordu. Cusì, i metudi di dati di riferimentu è esperimenti ponu cunsiderà i fallimenti di l'equipaggiu di l'impattu, ma questi metudi descrizanu i fallimenti di "impattu" implicitamente.
5. I metudi di riferimentu
Di tutti i metudi dispunibili descritti in i manuali, ci limiteremu solu à dui chì cunsidereghjanu fallimentu di vibrazione: Mil-Hdbk-217 è CNET [9]. Mil-Hdbk-217 hè accettatu cum'è standard da a maiò parte di i fabricatori. Cum'è tutti i metudi manuali è di riferimentu, sò basati nantu à approcci empirici chì anu scopu di predichendu l'affidabilità di i cumpunenti da e dati sperimentali o di laboratoriu. I metudi descritti in a literatura di riferimentu sò relativamente sèmplice à implementà, postu chì ùn anu micca bisognu di mudeli matematichi cumplessi è usanu solu tipi di parti, numeru di parti, cundizioni operativi di u bordu è altri paràmetri facilmente accessibili. I dati input hè tandu intrutu in u mudellu di calculà u tempu trà fallimenti, MTBF. Malgradu i so vantaghji, Mil-Hdbk-217 hè diventatu menu è menu populari [12, 17,42,50,51]. Fighjemu una lista incompleta di restrizioni à a so applicabilità.
- I dati sò sempre più obsoleti, essendu stati aghjurnati l'ultima volta in u 1995 è micca pertinenti à i novi cumpunenti, ùn ci hè nisuna chance chì u mudellu sia rivisatu postu chì u Cunsigliu di Migliuramentu di i Norme di Difesa hà decisu di lascià u metudu "morte una morte naturale" [ 26].
- U metudu ùn furnisce micca infurmazioni nantu à u modu di fallimentu, perchè u layout di PCB ùn pò micca esse migliuratu o ottimisatu.
- I mudelli assumanu chì u fallimentu hè indipendente di u disignu, ignurà u layout di cumpunenti nantu à u PCB, in ogni modu, u layout di cumpunenti hè cunnisciutu per avè un grande impattu nantu à a probabilità di fallimentu. [50].
- I dati empirichi raccolti cuntene assai inaccurates, dati sò usati da cumpunenti di prima generazione cù un tassu di fallimentu unnaturally altu per via di i registri erronei di u tempu di funziunamentu, riparazione, etc., chì riduce l'affidabilità di i risultati di predizioni di affidabilità [51].
Tutte queste carenze indicanu chì l'usu di i metudi di riferimentu deve esse evitata, in ogni modu, in i limiti di l'ammissibilità di questi metudi, una quantità di esigenze di e specificazioni tecniche deve esse implementate. Per quessa, i metudi di riferimentu deve esse usatu solu quandu apprupriati, i.e. in i primi fasi di disignu [46]. Sfurtunatamente, ancu questu usu deve esse avvicinatu cù una certa prudenza, postu chì sti tipi di metudi ùn sò micca stati rivisiuti da u 1995. Per quessa, i metudi di riferimentu sò intrinsecamente poveri predittori di affidabilità meccanica è deve esse usatu cun prudenza.
6. I metudi di dati Test
I metudi di dati di prova sò i metudi di predizione di affidabilità più simplici dispunibili. Un prototipu di u disignu di u circuitu stampatu prupostu hè sottumessu à vibrazioni ambientali riprodutte nantu à un bancu di laboratoriu. In seguitu, i paràmetri di distruzzione (MTTF, spettru di scossa) sò analizati, allora questu hè utilizatu per calculà indicatori di affidabilità [26]. U metudu di dati di prova deve esse usatu tenendu in contu i so vantaghji è i svantaghji.
U vantaghju principali di i metudi di dati di prova hè l'alta precisione è affidabilità di i risultati, cusì per l'equipaggiu cù un altu risicu di fallimentu, a tappa finale di u prucessu di cuncepimentu deve sempre include a prova di qualificazione di vibrazione. U svantaghju hè u longu tempu necessariu per fabricà, installà è carricà u pezzu di prova, chì rende u metudu inadatta per migliurà u disignu di l'equipaggiu cù una alta probabilità di fallimentu. Per un prucessu di cuncepimentu di produttu iterativu, un metudu più veloce deve esse cunsideratu. U tempu di esposizione di carica pò esse ridutta da teste accelerate se mudelli affidabili sò dispunibuli per u calculu sussegwenti di a vita di serviziu attuale [70,71]. Tuttavia, i metudi di prova accelerati sò più adattati per a modellazione di fallimenti termichi cà i fallimenti di vibrazione. Questu hè perchè ci vole menu tempu per pruvà l'effetti di carichi termichi nantu à l'equipaggiu cà per pruvà l'effetti di carichi di vibrazione. L'effettu di a vibrazione pò cumparisce in u pruduttu solu dopu un bellu pezzu.
In cunsiquenza, i metudi di prova ùn sò generalmente micca usati per i fallimenti di vibrazione, salvu chì ci sò circustanze attenuanti, cum'è tensioni basse chì risultanu in tempi assai longu à fallimentu. Esempii di metudi di verificazione di dati ponu esse vistu in l'opere di Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al [57], Liguore è Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih è Jung [30]. Una bona visione generale di u metudu hè datu in IEEE [26].
7. I metudi di dati spirimintali
U metudu di dati sperimentali hè basatu annantu à i dati di fallimentu di circuiti stampati simili chì sò stati pruvati in cundizioni operative specifiche. U metudu hè solu currettu per i circuiti stampati chì sperimentanu carichi simili. U metudu di dati sperimentali hà dui aspetti principali: custruì una basa di dati di fallimenti di cumpunenti elettroni è implementà u metudu basatu annantu à u disignu prupostu. Per custruisce una basa di dati appropritata, deve esse dati di fallimentu pertinenti chì sò stati cullati da disinni simili; questu significa chì e dati nantu à i fallimenti di l'equipaggiu simili deve esse esistenti. L'equipaggiu difettu deve ancu esse analizatu è e statistiche raccolte bè, ùn hè micca abbastanza per dichjarà chì un designu di PCB hà fiascatu dopu à un certu numaru d'ore, u locu, u modu di fallimentu è a causa di u fallimentu deve esse determinatu. A menu chì tutti i dati di fallimentu precedente sò stati analizati bè, un longu periodu di cullizzioni di dati serà necessariu prima chì u metudu di dati sperimentali pò esse usatu.
Una possibile soluzione per questa limitazione è di implementare Test di Ciclo di Vita Altamente Accelerato (HALT) per u scopu di custruisce rapidamente una basa di dati di tassi di fallimentu, anche se riproduce accuratamente i parametri ambientali hè sfida ma vitale [27]. Una descrizzione di a seconda tappa di l'implementazione di u metudu di dati sperimentali pò esse letta in [27], chì mostra cumu predichendu l'MTBF per un disignu prupostu, se u disignu in prova hè ottenutu mudificà una scheda esistente per a quale esisti digià dati dettagliati di fallimentu. . L'altri rivisioni di i metudi di dati sperimentali sò descritti da diversi autori in [11,17,20,26].
8. Simulazione computer di e cundizioni di fallimentu (PoF)
Tecniche di modellazione di computer per e cundizioni di fallimentu, ancu chjamati mudelli di stress è danni o mudelli PoF, sò implementati in un prucessu di prediczione di affidabilità in dui passi. A prima tappa include a ricerca di a risposta di u circuitu stampatu à una carica dinamica imposta nantu à ellu; in a seconda tappa, a risposta di u mudellu hè calculata per assicurà un indicatore di affidabilità datu. A maiò parte di a literatura hè spessu dedicata à u metudu di predichendu a risposta è à u prucessu di truvà criteri di fallimentu. Sti dui metudi sò megliu capitu quandu sò descritti indipindentamente, cusì sta rivista cunsiderà questi dui passi separatamente.
Trà i tappe di predichendu a risposta è a ricerca di criterii di fallimentu, u settore di dati creatu in u primu stadiu è utilizatu in a seconda hè trasferitu à u mudellu. A variabile di risposta hà evolutu da l'usu di l'accelerazione di input nantu à u chassis [15,36,37,67], attraversu l'accelerazione attuale sperimentata da u cumpunente per cuntà e diverse risposte vibrazionali di diverse layout di PCB [40], è infine à cunsiderà. escursione lucale [62] o momenti di curvatura lucali [59] sperimentati da u PCB locale à u cumpunente.
Hè statu nutatu chì u fallimentu hè una funzione di l'arrangementu di cumpunenti nantu à un circuitu stampatu [21,38], cusì mudelli chì incorporanu a risposta di vibrazione lucale sò più prubabile di esse precisi. A scelta di quale paràmetru (accelerazione lucale, deflessione lucale o momentu di curvatura) hè u fattore determinante per fallimentu dipende da u casu specificu.
Se i cumpunenti SMT sò usati, i mumenti di curvatura o di curvatura ponu esse i fatturi più significativi per u fallimentu; per i cumpunenti pesanti, l'accelerazioni lucali sò tipicamente usate cum'è criteri di fallimentu. Sfurtunatamente, nisuna ricerca hè stata fatta per dimustrà quale tipu di criteri hè più appropritatu in un determinatu settore di dati di input.
Hè impurtante di cunsiderà l'idoneità di qualsiasi metudu PoF utilizatu, postu chì ùn hè micca praticu di utilizà qualsiasi metudu PoF, analiticu o FE, chì ùn hè micca supportatu da dati di teste di laboratoriu. Inoltre, hè impurtante d'utilizà qualsiasi mudellu solu in u scopu di a so applicabilità, chì sfurtunatamenti limita l'applicabilità di a maiò parte di i mudelli PoF attuali per aduprà in cundizioni assai specifiche è limitate. Boni esempi di discussione di metudi PoF sò descritti da diversi autori [17,19,26,49].
8.1. Previsione di Risposta
A predizione di risposta implica l'usu di a geometria è e proprietà di materiale di una struttura per calculà a variabile di risposta necessaria. Stu passu hè previstu di catturà solu a risposta generale di u PCB sottostante è micca a risposta di cumpunenti individuali. Ci sò trè tippi principali di metudu di predizione di risposta: mudelli FE analitici, dettagliati è mudelli FE simplificati, descritti quì sottu. Questi metudi fucalizza nantu à l'incorporazione di l'effetti di rigidità è di massa di cumpunenti aghjuntu, ma hè impurtante ùn perde micca di vista l'impurtanza di modellà accuratamente a rigidità rotazionale à u bordu di u PCB, postu chì questu hè strettamente ligatu à a precisione di u mudellu (questu hè discututu in Sezione 8.1.4). Fig. 1. Esempiu di un mudellu detallatu di un circuitu stampatu [53].
8.1.1. Previsione di risposta analitica
Steinberg [62] furnisce l'unicu metudu analiticu per calculà a risposta di vibrazione di un circuitu stampatu. Steinberg dichjara chì l'amplitude di l'oscillazione à a risonanza di una unità elettronica hè uguale à duie volte a radica quadrata di a freccia di risonanza; sta dichjarazione hè basatu annantu à dati indisponibili è ùn pò micca esse verificatu. Questu permette a deflessione dinamica à a risonanza per esse calculata analiticamente, chì pò esse usata per calculà sia a carica dinamica da un cumpunente pesante sia a curvatura di u circuitu stampatu. Stu metudu ùn pruduce micca direttamente a risposta PCB locale è hè solu cumpatibile cù i criterii di fallimentu basati in deflection descritti da Steinberg.
A validità di l'assunzione di a distribuzione di a funzione di trasferimentu basata nantu à e misurazioni di amplitude hè discutibile postu chì Pitarresi et al [53] misuranu una attenuazione critica di 2% per una scheda madre di l'urdinatore, mentre chì l'usu di l'assunzione di Steinberg daria 3,5% (basatu nantu à a frequenza naturale 54). Hz), chì portaria à una grande sottostima di a risposta di u bordu à a vibrazione.
8.1.2. Modelli FE detallati
Certi autori dimustranu l'usu di mudelli FE detallati per calculà a risposta di vibrazione di un circuitu stampatu [30,37,53, 57,58] (Figura 1-3 mostra esempi cù un livellu aumentatu di dettagliu), ma l'usu di questi. i metudi ùn hè micca cunsigliatu per un pruduttu cummerciale (salvo chì solu a prediczione precisa di a risposta lucale ùn hè micca assolutamente necessariu) postu chì u tempu necessariu per custruisce è risolve un tali mudellu hè eccessivu. I mudelli simplificati producenu dati di precisione adatta assai più veloce è à costu più bassu. U tempu necessariu per custruisce è risolve un mudellu FE detallatu pò esse ridutta usendu i custanti di primavera JEDEC 4 publicati in [33-35], sti custanti di primavera ponu esse aduprati in u locu di u mudellu FE detallatu di ogni filu. Inoltre, u metudu di sottostruttura (qualchì volta cunnisciutu cum'è u metudu di superelementu) pò esse implementatu per riduce u tempu di calculu necessariu per risolve mudelli detallati. Hè da nutà chì i mudelli FE detallati spessu sfondate e linee trà a predizione di risposta è i criterii di fallimentu, cusì u travagliu riferitu quì pò ancu cascà in a lista di l'opere chì cuntenenu criteri di fallimentu.
8.1.3. Modelli FE distribuiti
I mudelli FE simplificati riducenu a creazione di mudelli è u tempu di suluzione. A massa di cumpunenti aghjuntu è a so rigidità pò esse rapprisentatu simpricimenti simulendu un PCB viotu cù massa è rigidità aumentata, induve l'effetti di a massa è di a rigidità sò incorporati da l'aumentu lucale di u modulu di Young di PCB.
Fig. 2. Esempiu di un mudellu detallatu di un cumpunente QFP utilizendu a simmetria per simplificà u prucessu di mudeli è riduce u tempu di suluzione [36]. Fig. 3. Esempiu di un mudellu FE detallatu di J-lead [6].
U fattore di rinfurzà a rigidità pò esse calculatu tagliando fisicamente l'elementu attaccatu è applicà metudi di prova di curvatura [52]. Pitarresi et al. [52,54] hà esaminatu l'effettu di simplificazione di a massa è a rigidità aghjuntu furnita da cumpunenti attaccati à un circuitu stampatu.
U primu documentu esamina un casu unicu di un mudellu FE simplificatu di un circuitu stampatu, verificatu contr'à e dati sperimentali. L'area principale d'interessu di stu documentu hè a determinazione di pruprietà distribuite, cù l'avvertimentu chì una alta precisione di rigidità torsionale hè necessaria per un mudellu precisu.
U secondu articulu s'assumiglia à cinque PCB cumpleti diffirenti, ognuna modellata cù diversi livelli di simplificazione di a so cumpusizioni. Questi mudelli sò paragunati cù dati sperimentali. Questu articulu cuncludi cù alcune osservazioni istruttive di a correlazione trà i rapporti massa-rigidità è a precisione di u mudellu. Tramindui sti documenti usanu solu frequenze naturali è MEC (criteri d'assicuranza modali) per determinà a correlazione trà i dui mudelli. Sfurtunatamente, l'errore in a freccia naturali ùn pò micca furnisce alcuna infurmazione nantu à l'errore in l'accelerazioni lucali o i mumenti di curvatura, è MKO pò solu dà a correlazione generale trà dui modi naturali, ma ùn pò micca esse usatu per calculà l'errore percentuale di accelerazione o curvatura. Utilizendu una cumminazzioni di analisi numerica è simulazione di computer, Cifuentes [10] face i seguenti quattru osservazioni.
- I modi simulati devenu cuntene almenu 90% di massa vibrante per una analisi precisa.
- In i casi induve e deviazioni di u bordu sò paragunabili à u so grossu, l'analisi non lineari pò esse più apprupriata chè l'analisi lineale.
- Picculi errori in u piazzamentu di i cumpunenti ponu causà errori grossi in e misure di risposta.
- A precisione di a misura di a risposta hè più sensibile à l'errori in massa cà a rigidità.
8.1.4. Cundizioni di cunfini
U coefficientu di rigidità di rotazione di u bordu di PCB hà un impattu significativu nantu à l'accuratezza di a risposta calculata [59], è secondu a cunfigurazione specifica hè di più impurtanza chì a massa è a rigidità di i cumpunenti aghjuntu. U mudellu di a rigidità di u bordu di rotazione cum'è zero (essenzialmente solu una cundizione supportata) generalmente pruduce risultati cunservatori, mentre chì a modellazione cum'è strettamente serrata di solitu sottustima i risultati, postu chì ancu i meccanismi di serratura di PCB più rigidi ùn ponu micca assicurà una cundizione di bordu cumplettamente serrata. Barker è Chen [5] validanu a teoria analitica cù risultati sperimentali per vede cumu a rigidità rotazionale di u bordu affetta a frequenza naturale di un PCB. A scuperta principale di stu travagliu hè a forte correlazione trà a rigidità di rotazione di u bordu è e frequenze naturali, in cunfurmità cù a teoria. Questu significa ancu chì i grandi errori in u mudellu di a rigidità rotazionale di u bordu portanu à grandi errori in a predizione di risposta. Ancu s'ellu hè statu cunsideratu stu travagliu in un casu particulari, hè appiicatu à u mudellu di tutti i tipi di miccanismi di cundizione di cunfini. Utilizendu dati sperimentali da Lim et al. [41] furnisce un esempiu di cumu a rigidità rotazionale di u bordu pò esse calculata per utilizà FE in un mudellu PCB; questu hè ottenutu cù un metudu adattatu da Barker è Chen [5]. Stu travagliu mostra ancu cumu per determinà u locu ottimale di ogni puntu in una struttura per maximizà e frequenze naturali. Opere chì cunsiderà specificamente l'effettu di mudificà e cundizioni di cunfini per riduce a risposta di vibrazione esistenu ancu da Guo è Zhao [21]; Aglietti [2] ; Aglietti et Schwingshackl [3], Lim et al. [41].
8.1.5. Previsioni di impattu di scossa è vibrazione
Pitarresi et al. [53-55] utilizate un mudellu FE detallatu di un PCB per predichendu a risposta di scossa è vibrazione di una scheda cù cumpunenti rapprisentati cum'è blocchi 3D. Questi mudelli anu utilizatu rapporti di smorzamentu custanti determinati sperimentalmente per migliurà a prediczione di a risposta à a risonanza. U spettru di risposta à l'impattu (SRS) è i metudi di spazzamentu di u tempu sò stati paragunati per a predizione di risposta à l'impattu, cù i dui metudi chì sò un scambiu trà a precisione è u tempu di suluzione.
8.2. Criterium di rifiutu
I criteri di fallimentu piglianu una misura di a risposta di u PCB è l'utilizanu per derivà una metrica di fallimentu, induve a metrica di fallimentu pò esse u tempu mediu trà fallimenti (MTBF), cicli à fallimentu, probabilità di operazione senza fallimentu, o qualsiasi altra metrica di affidabilità (vede. IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] per una discussione di metrica di fallimentu). I numerosi approcci diffirenti per generà sta dati ponu esse convenientemente divisu in metudi analitici è empirichi. I metudi empirici generanu dati di criterii di fallimentu carichendu esemplari di prova di cumpunenti à a carica dinamica necessaria. Sfurtunatamente, per via di a larga gamma di dati di input (tipu di cumpunenti, spessori di PCB è carichi) chì sò pussibuli in a pratica, i dati publicati sò improbabile di esse direttamente applicabile postu chì i dati sò validi solu in casi assai spiciali. I metudi analitici ùn soffrenu micca di tali svantaghji è anu una applicabilità assai più larga.
8.2.1. Criteri di fallimentu empiricu
Comu diciatu prima, una limitazione di a maiò parte di i mudelli empirichi hè chì sò solu applicabili à cunfigurazioni chì implicanu u stessu spessore di PCB, tipi di cumpunenti simili, è carica di input, chì hè improbabile. In ogni casu, a literatura dispunibule hè utile per i seguenti motivi: furnisce boni esempi di eseguisce teste di fallimentu, mette in risaltu diverse opzioni per metriche di fallimentu, è furnisce infurmazioni preziose in quantu à a meccanica di fallimentu. Li [37] hà criatu un mudellu empiricu per predichendu l'affidabilità di i pacchetti BGA 272-pin è QFP 160-pin. I danni di fatigue in i cunduttori è in u corpu di u pacchettu sò investigati, è i risultati spirimintali sò in bon accordu cù l'analisi di danni basati nantu à u stress calculatu cù un mudellu FE detallatu (vede ancu Li è Poglitsch [38,39]). U prucessu pruduce danni cumulativi per un determinatu livellu di accelerazione di vibrazione di u segnu di input di vibrazione.
Lau et al [36] anu valutatu l'affidabilità di cumpunenti specifichi sottu a carica di scossa è vibrazione utilizendu statistiche Weibull. Liguore è Followell [40] anu esaminatu i fallimenti di i cumpunenti LLCC è J-lead variendu l'accelerazione lucale in i cicli di serviziu. L'accelerazione lucale hè aduprata in uppusizione à l'accelerazione di input di u chassis, è l'effettu di a temperatura nantu à i risultati di a prova hè statu investigatu. L'articulu face ancu riferimentu à a ricerca nantu à l'effettu di u spessore di PCB nantu à a fiducia di i cumpunenti.
Guo è Zhao [21] paragunate l'affidabilità di i cumpunenti quandu a curvatura torsionale lucale hè aduprata cum'è carica, in cuntrastu à i studii precedenti chì anu utilizatu l'accelerazione. I danni di fatigue sò simulati, allora u mudellu FE hè paragunatu cù i risultati sperimentali. L'articulu discute ancu l'optimizazione di u layout di cumpunenti per migliurà a affidabilità.
Ham è Lee [22] presentanu un metudu di dati di prova per u prublema di determinà e tensioni di saldatura di piombu sottu carica torsionale ciclicu. Estes et al [15] cunzidirau u prublema di fallimentu di cumpunenti gullwing (GOST IEC 61188-5-5-2013) cù l'accelerazione di input applicata è a carica termica. I cumpunenti studiati sò tippi di pacchetti di chip CQFP 352, 208, 196, 84 è 28, è ancu FP 42 è 10. L'articulu hè dedicatu à u fallimentu di cumpunenti elettroni per via di i fluttuazioni in l'orbita di un satellitu geostationary di a Terra, u tempu. trà fallimenti hè datu in termini di anni di volu nantu à urbiti geostazionarii o terrestri bassi. Hè nutatu chì u fallimentu di i fili di gullwing hè più prubabile in i lochi in cuntattu cù u corpu di u pacchettu cà à l'articulazione di saldatura.
Jih è Jung [30] cunsidereghjanu i fallimenti di l'equipaggiu causati da difetti inerenti di fabricazione in l'articulazione di saldatura. Questu hè fattu creendu un mudellu FE assai detallatu di u PCB è truvà a densità spettrale di putenza (PSD) per diverse lunghezze di crack di fabricazione. Ligyore, Followell [40] è Shetty, Reinikainen [58] suggerenu chì i metudi empirici pruducenu i dati di fallimentu più precisi è utili per cunfigurazioni specifiche di cumpunenti cunnessi. Sti tipi di metudi sò usati se certi dati di input (spessore di u tavulinu, tipu di cumpunenti, intervallu di curvatura) ponu esse manteni constantu in tuttu u disignu, o se l'utilizatore pò permette di realizà teste reali di stu tipu.
8.2.2. Critère di fallimentu analiticu
Modelli SMT di articulazioni d'angle
Diversi circadori chì cercanu i fallimenti di u pin d'angle SMT suggerenu chì questa hè a causa più cumuna di fallimentu. I documenti di Sidharth è Barker [59] cumpletanu una seria precedente di documenti presentendu un mudellu per a determinazione di a tensione di i cunduttori di l'angulu SMT è i cumpunenti di u loop lead. U mudellu prupostu hà un errore di menu di 7% cumparatu cù u mudellu FE detallatu per sei scenarii peghju. U mudellu hè basatu annantu à una formula publicata prima da Barker è Sidharth [4], induve a deflessione di una parte attaccata sottumessa à un momentu flettente hè stata modellata. U documentu di Sukhir [63] esamina analiticamente e tensioni previste in i terminali di pacchetti per via di i momenti di curvatura applicati localmente. Barker è Sidharth [4] si basanu nantu à u travagliu di Sukhir [63], Barker et al [4], chì cunsidereghja l'influenza di a rigidità rotazionale di guida. Finalmente, Barker et al [7] anu utilizatu mudelli FE detallati per studià l'effettu di variazioni dimensionali in u piombu nantu à a vita di fatigue di piombu.
Hè apprupriatu quì à menziunà u travagliu nantu à i custanti di primavera di piombo JEDEC, chì simplificà assai a creazione di mudelli di cumpunenti di piombu [33-35]. E custanti di primavera ponu esse usate invece di un mudellu detallatu di cunnessione di piombo; u tempu necessariu per custruisce è risolve u mudellu FE serà ridutta in u mudellu. L'usu di tali custanti in u mudellu di cumpunenti FE impedisce u calculu direttu di e tensioni lucali lucali. Invece, a deformazione generale di u piombu serà datu, chì deve esse ligata à e tensioni di piombu lucale o à i criterii di fallimentu di piombu basatu nantu à u ciclu di vita di u pruduttu.
Dati di fatigue materiale
A maiò parte di e dati nantu à u fallimentu di i materiali utilizati per i saldatura è i cumpunenti sò principarmenti in relazione cù fallimentu termale, è relativamente pocu dati esistenu in relazione à fallimentu di fatigue. Una rifarenza maiò in questa zona hè furnita da Sandor [56], chì furnisce dati nantu à a meccanica di fatigue è fallimentu di alleati di saldatura. Steinberg [62] cunsidereghja u fallimentu di i campioni di saldatura. I dati di fatigue per i soldati standard è i fili sò dispunibili in a carta di Yamada [69].
Fig. 4. U solitu postu di fallimentu da u manuale per i cumpunenti QFP hè vicinu à u corpu di u pacchettu.
I fallimenti di mudeli assuciati à u debonding di saldatura sò sfida per e proprietà inusual di stu materiale. A suluzione à sta quistione dipende di u cumpunente chì deve esse pruvatu. Hè cunnisciutu chì per i pacchetti QFP ùn hè micca generalmente cunsideratu, è a affidabilità hè valutata cù a literatura di riferimentu. Ma se a saldatura di i grandi cumpunenti BGA è PGA hè calculatu, allora e cunnessione di guida, per via di e so proprietà inusual, ponu influenzà u fallimentu di u pruduttu. Cusì, per i pacchetti QFP, proprietà di fatigue di piombu sò l'infurmazioni più utili. Per BGA, l'infurmazioni nantu à a durabilità di e articuli di saldatura sottumessi à a deformazione plastica istantanea hè più utile [14]. Per i cumpunenti più grande, Steinberg [62] furnisce i dati di tensione di pull-out joint di saldatura.
Modelli di fallimentu di cumpunenti pesanti
L'unicu mudelli di fallimentu chì esistenu per i cumpunenti pisanti sò presentati in un documentu di Steinberg [62], chì esamina a forza di tensione di i cumpunenti è dà un esempiu di cumu calculà a tensione massima permessa chì pò esse appiicata à una cunnessione di piombu.
8.3. Conclusioni nantu à l'applicabilità di mudelli PoF
E seguenti cunclusioni sò state fatte in a literatura in quantu à i metudi PoF.
A risposta lucale hè critica per predichendu fallimentu di cumpunenti. Comu nutatu in Li, Poglitsch [38], i cumpunenti à i bordi di un PCB sò menu suscettibili à fallimentu cà quelli chì si trovanu in u centru di u PCB per via di differenzi lucali in curvatura. In cunseguenza, i cumpunenti in diverse lochi nantu à u PCB averà diverse probabilità di fallimentu.
A curvatura di u bordu lucale hè cunsideratu un criteriu di fallimentu più impurtante chì l'accelerazione per i cumpunenti SMT. I travaglii recenti [38,57,62,67] indicanu chì a curvatura di u bordu hè u principale criteriu di fallimentu.
Diversi tipi di pacchetti, sia in u numeru di pins è in u tipu utilizatu, sò intrinsecamente più affidabili di l'altri, indipendentemente da l'ambiente locale specificu [15,36,38].
A temperatura pò influenzà l'affidabilità di i cumpunenti. Liguore è Followell [40] dichjaranu chì a vita di fatigue hè più altu in a gamma di temperatura da 0 ◦C à 65 ◦C, cù una diminuzione notevule à e temperature sottu -30 ◦C è sopra 95 ◦C. Per i cumpunenti QFP, u locu induve u filu attache à u pacchettu (vede Fig. 4) hè cunsideratu u locu di difettu primariu piuttostu cà u solder joint [15,22,38].
U spessore di u tavulinu hà un effettu definitu nantu à a vita di fatigue di i cumpunenti SMT, postu chì a vita di fatigue BGA hè stata dimustrata per diminuisce di circa 30-50 volte se u grossu di u tavulinu hè aumentatu da 0,85 mm à 1,6 mm (mentre mantene a curvatura generale constante) [13] . A flessibilità (cunformità) di i cumpunenti di cumpunenti affetta significativamente l'affidabilità di i cumpunenti di i cumpunenti periferici [63], in ogni modu, questa hè una relazione non lineale, è i cunduttori di cunnessione intermedi sò i menu affidabili.
8.4. I metudi di software
U Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) di l'Università di Maryland furnisce un software per calculà a vibrazione è a risposta di scossa di i circuiti stampati. U software (chjamatu CALCE PWA) hà una interfaccia d'utilizatore chì simplificà u prucessu di eseguisce u mudellu FE è inserisce automaticamente u calculu di risposta in u mudellu di vibrazione. Ùn ci sò micca ipotesi utilizati per creà u mudellu di risposta FE, è i criterii di fallimentu utilizati sò pigliati da Steinberg [61] (ancu se u metudu di Barkers [48] hè ancu previstu per esse implementatu). Per furnisce cunsiglii generali per migliurà l'affidabilità di l'equipaggiu, u software descrittu funziona bè, soprattuttu postu chì simultaneamente piglia in considerazione i stressi indotti termicamente è esige un minimu cunniscenza specializata, ma l'accuratezza di i criteri di fallimentu in i mudelli ùn hè micca stata verificata sperimentalmente.
9. Metudu per aumentà a fiducia di l'equipaggiu
Questa sezione discuterà e mudificazioni post-prughjetti chì migliurà l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu. Ci sò dui categurie: quelli chì cambianu e cundizioni di u cunfini di u PCB, è quelli chì aumentanu u damping.
U scopu principale di e mudificazioni di e cundizioni di cunfini hè di riduce a deflessione dinamica di u circuitu stampatu, questu pò esse ottenutu per mezu di nervature rigide, supporti supplementari o riducendu a vibrazione di u mediu di input. I stiffeners ponu esse utili cumu aumentanu e frequenze naturali, riducendu cusì a deflessione dinamica [62], u listessu s'applica à l'aghjunzione di supporti supplementari [3], ancu s'è u locu di supporti pò ancu esse ottimisatu, cum'è mostra in i travaglii di J. H. Ong è Lim [40] . XNUMX]. Sfurtunatamente, i costili è i supporti sò generalmente bisognu di un redesignu di u layout, cusì sti tecniche sò megliu cunsiderate prima di u ciculu di designu. Inoltre, deve esse cura per assicurà chì e mudificazioni ùn cambianu micca e frequenze naturali per currisponde à e frequenze naturali di a struttura di supportu, perchè questu seria contraproducente.
L'aghjunzione di l'insulazione migliurà l'affidabilità di u produttu riducendu l'impattu di l'ambiente dinamicu trasferitu à l'equipaggiu è pò esse ottenutu sia passivamente sia attivamente.
I metudi passivi sò generalmente simplici è più prezzu di implementà, cum'è l'usu di l'insulatori di cable [66] o l'usu di proprietà pseudoelastiche di leghe di memoria di forma (SMA) [32]. Tuttavia, hè cunnisciutu chì l'isolatori mal cuncepiti ponu in realtà aumentà a risposta.
I metudi attivi furniscenu un ammortizzamentu megliu nantu à una gamma di frequenze più larga, di solitu à a spesa di simplicità è massa, per quessa, sò generalmente destinati à migliurà l'accuratezza di strumenti di precisione assai sensibili invece di prevene danni. L'isolamentu di vibrazione attiva include metudi elettromagneticu [60] è piezoelectric [18,43]. A cuntrariu di i metudi di mudificazione di e cundizioni di cunfini, a mudificazione di smorzamentu hà per scopu di riduce a risposta di risonanza di punta di l'equipaggiu elettronicu, mentre chì e frequenze naturali attuali duveranu cambià solu ligeramente.
Cum'è cù l'isolamentu di vibrazioni, l'ammortizazione pò esse ottenuta sia passivamente sia attivamente, cù simplificazioni di disignu simili in u primu è più cumplessità è ammortizzamentu in l'ultimi.
I metudi passivi includenu, per esempiu, metudi assai simplici cum'è u materiale di ligame, chì aumentanu cusì l'ammortizazione di u circuitu stampatu [62]. I metudi più sofisticati includenu l'amortizzazione di particelle [68] è l'usu di assorbitori dinamichi di banda larga [25].
U cuntrollu di a vibrazione attiva hè generalmente ottenutu per mezu di l'usu di elementi piezoceramici uniti à a superficia di u circuitu stampatu [1,45]. L'usu di i metudi di indurimentu hè casu specificu è deve esse cunsideratu currettamente in relazione à altri metudi. L'applicazione di queste tecniche à l'equipaggiu chì ùn hè micca cunnisciutu per avè prublemi di affidabilità ùn hà micca necessariamente aumentà u costu è u pesu di u disignu. In ogni casu, se un pruduttu cù un disignu appruvatu falla durante a prova, pò esse assai più veloce è più faciule d'applicà una tecnica di indurimentu strutturale cà di riprogettà l'equipaggiu.
10. Opportunità per sviluppà metudi
Questa sezione detalla l'opportunità per migliurà a predizione di l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu, anche se i recenti avanzati in optoelettronica, nanotecnologia è tecnulugia di imballaggio puderanu limità prestu l'applicabilità di queste pruposte. I quattru metudi principali di predizione di affidabilità ùn ponu micca esse in usu à u mumentu di u disignu di u dispusitivu. L'unicu fattore chì puderia rende tali metudi più attrattivi seria u sviluppu di tecnulugii di fabricazione è di teste cumplettamente automatizati, à pocu costu, postu chì questu permetterebbe chì u disignu prupostu sia custruitu è testatu assai più veloce di ciò chì hè pussibule, cù un minimu sforzu umanu.
U metudu PoF hà assai spaziu per migliurà. L'area principale induve pò esse migliurata hè in integrazione cù u prucessu di cuncepimentu generale. U disignu di l'equipaggiu elettronicu hè un prucessu iterativu chì avvicina u sviluppatore à u risultatu finitu solu in cullaburazione cù ingegneri specializati in u campu di l'elettronica, a fabricazione è l'ingegneria termica, è u disignu strutturale. Un metudu chì indirizza automaticamente alcuni di sti prublemi simultaneamente riducerà u numeru di iterazioni di designu è risparmià quantità significativa di tempu, soprattuttu quandu cunzidira a quantità di cumunicazione interdipartimentale. L'altri spazii di migliuramentu in i metudi PoF seranu divisi in tippi di predizione di risposta è criteri di fallimentu.
A predizione di a risposta hà dui percorsi pussibuli in avanti: mudelli più veloci è più detallati, o mudelli simplificati è migliurati. Cù l'avventu di prucessori di computer sempre più putenti, u tempu di suluzione per i mudelli FE detallati pò diventà abbastanza cortu, mentri à u stessu tempu, grazia à u software mudernu, u tempu di assemblea di u produttu hè ridutta, chì ultimamente minimize u costu di risorse umane. I metudi FE simplificati ponu ancu esse migliurati da un prucessu per a generazione automatica di mudelli FE, simili à quelli pruposti per i metudi FE detallati. U software automaticu (CALCE PWA) hè attualmente dispunibule per questu scopu, ma a tecnulugia ùn hè micca bè pruvata in pratica è l'assunzioni di mudeli fatti sò scunnisciuti.
U calculu di l'incertezza inherente à diversi metudi di simplificazione seria assai utile, chì permette di implementà criteri utili di tolleranza di difetti.
Infine, una basa di dati o un metudu per impartisce una rigidità aumentata à i cumpunenti attaccati seria utile, induve questi aumenti di rigidità puderanu esse aduprati per migliurà a precisione di mudelli di risposta. A creazione di criteri di fallimentu di cumpunenti dipende da a ligera variazione trà cumpunenti simili di diversi fabricatori, è ancu di u sviluppu pussibule di novi tippi di imballaggio, postu chì ogni metudu o basa di dati per a determinazione di i criteri di fallimentu deve cuntà tali variabilità è cambiamenti.
Una soluzione seria di creà un metudu / software per custruisce automaticamente mudelli FE detallati basati nantu à parametri di input cum'è dimensioni di piombo è imballaggio. Stu metudu pò esse fattibile per cumpunenti di forma generale uniforme cum'è cumpunenti SMT o DIP, ma micca per cumpunenti irregulari cumplessi cum'è trasformatori, chokes, o cumpunenti persunalizati.
I mudelli FE successivi ponu esse risolti per stress è cumminati cù dati di fallimentu di materiale (dati di curva di plasticità S-N, meccanica di frattura o simili) per calculà a vita di i cumpunenti, ancu s'è i dati di fallimentu di materiale deve esse di alta qualità. U prucessu FE deve esse correlatu cù dati di prova reali, preferibbilmente nantu à una larga gamma di cunfigurazioni pussibule.
U sforzu implicatu in un tali prucessu hè relativamente chjucu cumparatu cù l'alternativa di teste dirette di laboratoriu, chì deve esse realizatu un numeru statisticamente significativu di teste in diversi spessori di PCB, variate intensità di carica è direzzione di carica, ancu cù centinaie di tipi di cumpunenti diffirenti dispunibili per parechje. tippi di tavulini. In termini di teste di laboratori simplici, pò esse un metudu per migliurà u valore di ogni prova.
S'ellu ci era un metudu per calculà l'aumentu relativo di u stress per via di cambiamenti in certi variàbili, cum'è u spessore di PCB o dimensioni di piombo, allora u cambiamentu di a vita di i cumpunenti puderia esse stimatu in seguitu. Un tali metudu pò esse creatu utilizendu analisi FE o metudi analitici, in ultimamente chì porta à una formula simplice per calculà i criteri di fallimentu da i dati di fallimentu esistenti.
In ultimamente, hè previstu chì un metudu serà creatu chì combina tutte e diverse arnesi dispunibuli: analisi FE, dati di teste, analisi analitiche è metudi statistichi per creà i dati di fallimentu più precisi pussibule cù e risorse limitate dispunibili. Tutti l'elementi individuali di u metudu PoF ponu esse migliurati intruducendu metudi stochastichi in u prucessu per piglià in contu l'effetti di a variabilità in i materiali elettronichi è e fasi di fabricazione. Questu faria i risultati più realistichi, forse chì portanu à un prucessu per creà l'equipaggiu chì hè più robustu à a variabilità mentre minimizeghja a degradazione di u produttu (cumpresu u pesu è u costu).
In ultimamente, tali miglioramenti puderanu ancu permette una valutazione in tempu reale di l'affidabilità di l'equipaggiu durante u prucessu di cuncepimentu, suggerendu istantaneamente opzioni di cumpunenti più sicuri, layout, o altre raccomandazioni per migliurà l'affidabilità mentre affruntendu altre questioni cum'è interferenza elettromagnetica (EMI), termica è industriale.
11. Chjave
Questa rivista introduce a cumplessità di predichendu l'affidabilità di l'equipaggiu elettronicu, traccia l'evoluzione di quattru tippi di metudi di analisi (literatura regulatoria, dati sperimentali, dati di teste è PoF), chì porta à una sintesi è paraguni di sti tipi di metudi. I metudi di riferimentu sò nutati per esse utili solu per studii preliminari, i metudi di dati sperimentali sò utili solu s'ellu hè dispunibule dati di timing estensivi è precisi, è i metudi di dati di prova sò vitali per a prova di qualificazione di cuncepimentu, ma insufficient per l'optimizazione.
I metudi di PoF sò discututi in più detail chì in rivista di letteratura precedente, dividendu a ricerca in categurie di criteri di predizione è probabilità di fallimentu. Section "Response Prediction" rivista a literatura nantu à e proprietà distribuite, a mudeli di cundizione di cunfini è i livelli di dettagliu in i mudelli FE. L'scelta di u metudu di predizione di risposta hè dimustrata per esse un scambiu trà a precisione è u tempu per generà è risolve u mudellu FE, enfatizendu dinò l'impurtanza di a precisione di e cundizioni di u cunfini. A sezione "Criteri di fallimentu" discute i criteri di fallimentu empirici è analitici; per a tecnulugia SMT, sò furnite recensioni di mudelli è cumpunenti pesanti.
I metudi empirici sò applicabili solu à casi assai specifichi, ancu s'ellu furnisce boni esempi di metudi di prova di affidabilità, mentri i metudi analitici anu una gamma assai più larga di applicabilità, ma sò più cumplessi da implementà. Una breve discussione di i metudi di analisi di fallimentu esistenti basati nantu à un software specializatu hè furnitu. Infine, l'implicazioni per u futuru di a predizione di affidabilità sò furnite, cunsiderendu direzzione in quale i metudi di predizione di affidabilità ponu evoluzione.
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[2]G.S. Aglietti, A lighter enclosure for electronics for space applications, Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131-142.
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Source: www.habr.com