Analýza spolehlivosti elektronického zařízení vystaveného otřesům a vibracím – přehled

Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Autoři: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [chráněno e-mailem]) a Guy Richardson
Pracoviště autorů: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Spojené království

Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Toto je článek s otevřeným přístupem distribuovaný pod licencí Creative Commons Attribution License, která umožňuje neomezené použití, distribuci a reprodukci na jakémkoli médiu za předpokladu, že je původní dílo řádně citováno.

Anotace. V budoucnu se očekává, že všechna moderní elektronická zařízení budou mít stále větší funkčnost při zachování schopnosti odolávat rázovému a vibračnímu zatížení. Proces predikce spolehlivosti je obtížný kvůli složité odezvy a poruchovým charakteristikám elektronických zařízení, takže v současnosti existující metody představují kompromis mezi přesností výpočtu a cenou.
Spolehlivá a rychlá predikce spolehlivosti elektronických zařízení při provozu při dynamickém zatížení je pro průmysl velmi důležitá. Tento článek ukazuje problémy s předpovídáním spolehlivosti elektronických zařízení, které zpomalují výsledky. Je třeba také vzít v úvahu, že model spolehlivosti je obvykle sestaven s ohledem na širokou škálu konfigurací zařízení pro řadu podobných komponent. Čtyři třídy metod predikce spolehlivosti (referenční metody, testovací data, experimentální data a modelování fyzikálních příčin poruchy - fyzika poruchy) jsou v tomto článku porovnány, aby se vybrala možnost použití té či oné metody. Je třeba poznamenat, že většina poruch elektronických zařízení je způsobena tepelným zatížením, ale tento přehled se zaměřuje na poruchy způsobené nárazy a vibracemi během provozu.

Poznámka překladatele. Článek je přehledem literatury na toto téma. Přes svůj poměrně vysoký věk slouží jako výborný úvod do problematiky posuzování spolehlivosti různými metodami.

1. Terminologie

BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line Processor, někdy známý jako Dual In-line Package.
FE konečný prvek.
PGA Pin Grid Array.
Deska s plošnými spoji PCB, někdy známá jako PWB (Printed Wiring Board).
PLCC plastový olovnatý nosič čipů.
PTH Plated Through Hole, někdy známé jako Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - také známý jako racčí křídlo.
SMA Shape Memory Alloys.
Technologie povrchové montáže SMT.

Poznámka od původních autorů: V tomto článku termín „komponenta“ označuje konkrétní elektronické zařízení, které lze připájet k desce s plošnými spoji, termín „balíček“ označuje jakoukoli součást integrovaného obvodu (typicky jakoukoli součástku SMT nebo DIP). Termín "připojená součást" se vztahuje na jakoukoli kombinovanou desku s plošnými spoji nebo komponentový systém, přičemž je zdůrazněno, že připojené součásti mají svou vlastní hmotnost a tuhost. (Krystalový obal a jeho vliv na spolehlivost se v článku nezabývá, takže dále lze pojem „obal“ chápat jako „pouzdro“ toho či onoho typu – cca překlad.)

2. Vyjádření problému

Rázová a vibrační zatížení působící na PCB způsobují namáhání substrátu PCB, obalů součástek, stop součástek a pájených spojů. Tato napětí jsou způsobena kombinací ohybových momentů v desce plošných spojů a setrvačnosti hmoty součásti. V nejhorším případě mohou tato namáhání způsobit jeden z následujících poruchových režimů: delaminace PCB, porucha pájeného spoje, porucha přívodu nebo porucha součástky. Pokud dojde k některému z těchto poruchových režimů, bude s největší pravděpodobností následovat úplná porucha zařízení. Způsob poruchy, ke kterému dochází během provozu, závisí na typu obalu, vlastnostech desky s plošnými spoji a také na frekvenci a amplitudě ohybových momentů a setrvačných sil. Pomalý pokrok v analýze spolehlivosti elektronických zařízení je způsoben četnými kombinacemi vstupních faktorů a způsobů poruch, které je třeba vzít v úvahu.

Zbytek této části se pokusí vysvětlit obtížnost současného zvažování různých vstupních faktorů.

Prvním komplikujícím faktorem, který je třeba zvážit, je široká škála typů pouzder dostupných v moderní elektronice, protože každé pouzdro může selhat z různých důvodů. Těžké součástky jsou náchylnější k setrvačnému zatížení, zatímco odezva součástek SMT je více závislá na zakřivení plošného spoje. V důsledku těchto základních rozdílů mají tyto typy součástí značně odlišná kritéria selhání na základě hmotnosti nebo velikosti. Tento problém je dále prohlubován neustálým objevováním se nových komponent dostupných na trhu. Každá navrhovaná metoda predikce spolehlivosti se proto musí přizpůsobit novým komponentám, aby měla v budoucnu praktické uplatnění. Odezva desky s plošnými spoji na vibrace je dána tuhostí a hmotností součástek, které ovlivňují místní odezvu desky plošných spojů. Je známo, že nejtěžší nebo největší součástky výrazně mění odezvu desky na vibrace v místech, kde jsou instalovány. Mechanické vlastnosti PCB (Youngův modul a tloušťka) mohou ovlivnit spolehlivost způsobem, který je obtížné předvídat.

Tužší deska plošných spojů může zkrátit celkovou dobu odezvy desky plošných spojů při zatížení, ale současně může ve skutečnosti lokálně zvýšit ohybové momenty působící na součásti (navíc z hlediska tepelně indukovaného selhání je ve skutečnosti vhodnější specifikovat více kompatibilní PCB, protože to snižuje tepelné namáhání obalu – pozn. autora). Frekvence a amplituda lokálních ohybových momentů a setrvačných zatížení působících na komín také ovlivňují nejpravděpodobnější způsob porušení. Vysokofrekvenční zatížení s nízkou amplitudou může vést k únavovému porušení konstrukce, což může být hlavní příčinou porušení (nízká/vysoká cyklická únava, LCF označuje poruchy, kterým dominuje plastická deformace (N_f < 10^6), zatímco HCF označuje elastickou deformaci poruchy , obvykle (N_f > 10^6 ) až porucha [56] - pozn. aut.) Konečné uspořádání prvků na desce plošných spojů určí příčinu poruchy, která může nastat v důsledku namáhání jednotlivé součástky způsobené setrvačným zatížením nebo lokální ohybové momenty. Nakonec je třeba vzít v úvahu vliv lidského faktoru a výrobních vlastností, což zvyšuje pravděpodobnost selhání zařízení.

Při zvažování značného množství vstupních faktorů a jejich složité interakce se ukazuje, proč dosud nebyla vytvořena účinná metoda pro predikci spolehlivosti elektronických zařízení. Jeden z literárních přehledů doporučených autory k tomuto problému je uveden v IEEE [26]. Tento přehled se však zaměřuje především na poměrně široké klasifikace modelů spolehlivosti, jako je metoda predikce spolehlivosti z referenční literatury, experimentálních dat, počítačového modelování poruchových stavů (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), a nezabývá se poruchami. dostatečně detailně způsobené otřesy a vibracemi. Foucher a spol. Předchozí stručnost analýzy metod PoF, zejména při aplikaci na rázové a vibrační poruchy, si zasluhuje jejich další zvážení. IAAA právě sestavuje recenzi podobnou IEEE, ale její rozsah není v tuto chvíli znám.

3. Vývoj metod predikce spolehlivosti

Nejstarší metoda predikce spolehlivosti, vyvinutá v 1960. letech 217. století, je v současnosti popsána v MIL-HDBK-44F [217] (Mil-Hdbk-1995F je nejnovější a konečná revize metody, vydaná v roce 217 – pozn. autora) Použití Tato metoda využívá databáze poruch elektronických zařízení pro získání průměrné životnosti desky s plošnými spoji sestávající z určitých součástek. Tato metoda je známá jako metoda predikce spolehlivosti z referenční a normativní literatury. Přestože je Mil-Hdbk-42,50F stále více zastaralý, referenční metoda se používá dodnes. Omezení a nepřesnosti této metody byly dobře zdokumentovány [XNUMX], což vedlo k vývoji tří tříd alternativních metod: počítačové modelování podmínek fyzikálního selhání (PoF), experimentální data a data z terénních testů.

Metody PoF předpovídají spolehlivost analyticky, aniž by se spoléhaly na dříve shromážděná data. Všechny metody PoF mají dvě společné charakteristiky klasické metody popsané v Steinberg [62]: nejprve se hledá vibrační odezva desky plošných spojů na konkrétní vibrační podnět, poté se testují kritéria selhání jednotlivých komponent po vystavení vibracím. Důležitým pokrokem v metodách PoF bylo použití distribuovaných (průměrovaných) vlastností desky k rychlému generování matematického modelu desky s plošnými spoji [54], což výrazně snížilo složitost a čas strávený přesným výpočtem vibrační odezvy vytištěné desky. obvodová deska (viz část 8.1.3). Nedávný vývoj v technikách PoF zlepšil predikci selhání u pájených součástí technologií povrchové montáže (SMT); s výjimkou Barkersovy metody [59] jsou však tyto nové metody použitelné pouze pro velmi specifické kombinace součástek a desek plošných spojů. Pro velké součástky, jako jsou transformátory nebo velké kondenzátory, je k dispozici velmi málo metod.
Metody experimentálních dat zlepšují kvalitu a možnosti modelu používaného v metodách predikce spolehlivosti na základě referenční literatury. První metoda založená na experimentálních datech pro predikci spolehlivosti elektronických zařízení byla popsána v článku z roku 1999 pomocí metody HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), která byla vytvořena ve společnosti Honeywell, Inc. [20]. Metoda experimentálních dat má oproti metodám predikce spolehlivosti pomocí referenční a normativní literatury řadu výhod. V poslední době se objevilo mnoho podobných metod (REMM a TRACS [17], také FIDES [16]). Metoda experimentálních dat, stejně jako metoda predikce spolehlivosti pomocí referenční a normativní literatury, neumožňuje při posuzování spolehlivosti uspokojivě zohlednit uspořádání desky a provozní prostředí jejího provozu. Tento nedostatek lze napravit použitím údajů o poruchách z desek, které mají podobný design, nebo z desek, které byly vystaveny podobným provozním podmínkám.

Metody experimentálních dat závisí na dostupnosti rozsáhlé databáze obsahující data o haváriích v průběhu času. Každý typ selhání v této databázi musí být správně identifikován a musí být určena jeho hlavní příčina. Tato metoda hodnocení spolehlivosti je vhodná pro společnosti, které vyrábějí stejný typ zařízení v dostatečně velkém množství, aby bylo možné zpracovat významný počet poruch pro posouzení spolehlivosti.

Metody pro testování spolehlivosti elektronických součástek se používají od poloviny 1970. let a obvykle se dělí na zrychlené a nezrychlené testy. Základním přístupem je provádění testů hardwaru, které vytvoří očekávané operační prostředí co nejrealističtěji. Testy se provádějí, dokud nedojde k poruše, což umožňuje předpovědět MTBF (střední dobu mezi poruchami). Pokud se odhaduje, že MTBF je velmi dlouhá, pak lze dobu trvání testu zkrátit zrychleným testováním, kterého se dosáhne zvýšením faktorů provozního prostředí a použitím známého vzorce, který spojí míru selhání ve zrychleném testu s mírou selhání očekávanou v úkon. Toto testování je životně důležité pro komponenty s vysokým rizikem selhání, protože poskytuje výzkumníkům nejvyšší úroveň spolehlivosti dat, bylo by však nepraktické je používat pro optimalizaci návrhu desky kvůli dlouhým iteračním dobám studie.

Rychlý přehled prací publikovaných v 1990. letech naznačuje, že to bylo období, kdy experimentální data, testovací data a metody PoF spolu soupeřily o nahrazení zastaralých metod předpovídání spolehlivosti z referenčních knih. Každá metoda má však své výhody a nevýhody a při správném použití přináší cenné výsledky. V důsledku toho IEEE nedávno vydala standard [26], který uvádí všechny dnes používané metody predikce spolehlivosti. Cílem IEEE bylo připravit příručku, která by inženýrovi poskytla informace o všech dostupných metodách a výhodách a nevýhodách jednotlivých metod. Ačkoli je přístup IEEE stále na začátku dlouhého vývoje, zdá se, že má své vlastní výhody, protože AIAA (Americký institut pro letectví a kosmonautiku) jej následuje směrnicí nazvanou S-102, která je podobná IEEE, ale zohledňuje také relativní kvalitu dat z každé metody [27]. Účelem těchto příruček je pouze shromáždit metody, které kolují ve světové literatuře vydávané na tato témata.

4. Poruchy způsobené vibracemi

Mnoho z minulých výzkumů se primárně soustředilo na náhodné vibrace jako zátěž PCB, ale následující studie se konkrétně zaměřuje na poruchy související s nárazem. Takové metody zde nebudou plně diskutovány, protože spadají pod klasifikaci metod PoF a jsou diskutovány v částech 8.1 a 8.2 tohoto článku. Heen et al [24] vytvořili testovací desku pro testování integrity pájených spojů BGA při vystavení nárazu. Lau et al [36] popsali spolehlivost komponent PLCC, PQFP a QFP při nárazech v rovině a mimo rovinu. Pitarresi a kol. Steinberg [53,55] poskytuje celou kapitolu o návrhu a analýze zasažených elektronických zařízení, která zahrnuje jak předvídat prostředí otřesů, tak jak zajistit výkon elektronických součástek. Sukhir [62] popsal chyby v lineárních výpočtech odezvy desky s plošnými spoji na nárazové zatížení působící na upevňovací prvky desky. Metody referenčních a experimentálních dat tedy mohou uvažovat o selháních zařízení souvisejících s nárazem, ale tyto metody implicitně popisují selhání „nárazu“.

5. Referenční metody

Ze všech dostupných metod popsaných v příručkách se omezíme pouze na dvě, které uvažují o selhání vibrací: Mil-Hdbk-217 a CNET [9]. Mil-Hdbk-217 je akceptován jako standard většinou výrobců. Stejně jako všechny manuální a referenční metody jsou založeny na empirických přístupech, jejichž cílem je predikovat spolehlivost komponent z experimentálních nebo laboratorních dat. Metody popsané v referenční literatuře jsou poměrně jednoduché na implementaci, protože nevyžadují složité matematické modelování a využívají pouze typy dílů, počet dílů, provozní podmínky desky a další snadno dostupné parametry. Vstupní data jsou poté vložena do modelu pro výpočet doby mezi poruchami, MTBF. Přes své výhody je Mil-Hdbk-217 stále méně populární [12, 17,42,50,51]. Podívejme se na neúplný seznam omezení jeho použitelnosti.

1. Údaje jsou stále více zastaralé, byly naposledy aktualizovány v roce 1995 a nejsou relevantní pro nové komponenty, není šance na revizi modelu, protože Rada pro zlepšování obranných standardů se rozhodla nechat metodu „umřít přirozenou smrtí“ [ 26].
2. Metoda neposkytuje informace o režimu poruchy, takže rozložení DPS nelze zlepšit nebo optimalizovat.
3. Modely předpokládají, že porucha je nezávislá na návrhu, ignorují rozmístění součástek na desce plošných spojů, nicméně je známo, že rozmístění součástek má velký vliv na pravděpodobnost poruchy. [50].
4. Shromážděná empirická data obsahují mnoho nepřesností, jsou použita data z komponent první generace s nepřirozeně vysokou poruchovostí v důsledku chybných záznamů doby provozu, opravy apod., což snižuje spolehlivost výsledků predikce spolehlivosti [51].

Všechny tyto nedostatky naznačují, že je třeba se vyvarovat použití referenčních metod, avšak v mezích přípustnosti těchto metod je třeba splnit řadu požadavků technické specifikace. Referenční metody by se proto měly používat pouze tehdy, je-li to vhodné, tzn. v raných fázích návrhu [46]. Bohužel i k tomuto použití je třeba přistupovat s určitou opatrností, protože tyto typy metod nebyly od roku 1995 revidovány. Referenční metody jsou proto ze své podstaty špatnými prediktory mechanické spolehlivosti a měly by být používány opatrně.

6. Metody testovacích dat

Metody testovacích dat jsou nejjednodušší dostupné metody predikce spolehlivosti. Prototyp navrženého návrhu desky s plošnými spoji je vystaven okolním vibracím reprodukovaným na laboratorním stole. Dále jsou analyzovány parametry destrukce (MTTF, rázové spektrum), které je následně použito pro výpočet ukazatelů spolehlivosti [26]. Metoda testovacích dat by měla být použita s ohledem na její výhody a nevýhody.
Hlavní výhodou metod testovacích dat je vysoká přesnost a spolehlivost výsledků, takže u zařízení s vysokým rizikem selhání by konečná fáze procesu návrhu měla vždy zahrnovat vibrační kvalifikační testování. Nevýhodou je dlouhá doba potřebná k výrobě, instalaci a zatížení zkušebního kusu, což činí metodu nevhodnou pro konstrukční vylepšení zařízení s vysokou pravděpodobností poruchy. U iterativního procesu návrhu produktu je třeba zvážit rychlejší metodu. Dobu vystavení zátěži lze zkrátit zrychleným testováním, pokud jsou k dispozici spolehlivé modely pro následný výpočet skutečné životnosti [70,71]. Pro modelování tepelných poruch než vibračních poruch jsou však vhodnější zrychlené zkušební metody. Je to proto, že testování účinků tepelného zatížení na zařízení trvá kratší dobu než testování účinků zatížení vibracemi. Vliv vibrací se ve výrobku může projevit až po delší době.

V důsledku toho se zkušební metody obecně nepoužívají pro poruchy způsobené vibracemi, pokud neexistují polehčující okolnosti, jako je nízké napětí, které má za následek velmi dlouhou dobu do selhání. Příklady metod ověřování dat lze vidět v pracích Harta [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau a kol. [36], Shetty a kol., [57], Liguore a Followell [40], Estes a kol. [15], Wang a kol. [67], Jih a Jung [30]. Dobrý obecný přehled metody je uveden v IEEE [26].

7. Experimentální datové metody

Metoda experimentálních dat je založena na údajích o poruchách z podobných desek plošných spojů, které byly testovány za specifikovaných provozních podmínek. Metoda je správná pouze pro desky plošných spojů, které budou vystaveny podobnému zatížení. Metoda experimentálních dat má dva hlavní aspekty: sestavení databáze poruch elektronických součástek a implementace metody na základě navrženého návrhu. K sestavení vhodné databáze musí existovat relevantní data o poruchách, která byla shromážděna z podobných návrhů; to znamená, že musí existovat údaje o poruchách podobného zařízení. Vadné zařízení je také nutné analyzovat a řádně shromáždit statistiky, nestačí konstatovat, že daný návrh DPS selhal po určitém počtu hodin, je třeba určit místo, způsob poruchy a příčinu poruchy. Pokud nebyla důkladně analyzována všechna předchozí data o selhání, bude před použitím metody experimentálních dat vyžadovat dlouhé období sběru dat.

Možným řešením tohoto omezení je implementace Highly Accelerated Lifecycle Testing (HALT) za účelem rychlého vybudování databáze poruchovosti, ačkoli přesná reprodukce parametrů prostředí je náročná, ale životně důležitá [27]. Popis druhé fáze implementace metody experimentálních dat si můžete přečíst v [27], která ukazuje, jak předpovědět MTBF pro navrhovaný návrh, pokud je testovaný návrh získán úpravou stávající desky, pro kterou již existují podrobné údaje o poruchách. . Další přehledy metod experimentálních dat jsou popsány různými autory v [11,17,20,26].

8. Počítačová simulace poruchových stavů (PoF)

Techniky počítačového modelování poruchových stavů, nazývané také modely napětí a poškození nebo modely PoF, jsou implementovány ve dvoustupňovém procesu predikce spolehlivosti. V první fázi se hledá odezva desky plošných spojů na dynamickou zátěž, ve druhé se vypočítá odezva modelu pro zajištění daného ukazatele spolehlivosti. Většina literatury je často věnována jak metodě predikce odezvy, tak procesu hledání kritérií selhání. Tyto dvě metody lze nejlépe pochopit, když jsou popsány nezávisle, takže tento přehled bude tyto dva kroky zvažovat samostatně.

Mezi fázemi predikce odezvy a hledáním kritérií selhání se do modelu přenese soubor dat vytvořený v první fázi a použitý ve druhé fázi. Proměnná odezvy se vyvinula od použití vstupního zrychlení na šasi [15,36,37,67] přes skutečné zrychlení, které komponenta zažívá, aby se zohlednily různé vibrační odezvy různých rozložení desek plošných spojů [40], a nakonec k uvážení lokální vychýlení [62] nebo lokální ohybové momenty [59], které zažívá PCB lokálně na součástce.

Bylo poznamenáno, že selhání je funkcí uspořádání součástí na desce s plošnými spoji [21,38], takže modely, které zahrnují lokální vibrační odezvu, budou pravděpodobně přesnější. Volba toho, který parametr (lokální zrychlení, lokální průhyb nebo ohybový moment) je určujícím faktorem pro porušení, závisí na konkrétním případu.
Pokud jsou použity komponenty SMT, mohou být nejvýznamnějšími faktory selhání křivost nebo ohybové momenty, u těžkých komponent se jako kritérium selhání obvykle používají místní zrychlení. Bohužel nebyl proveden žádný výzkum, který by ukázal, jaký typ kritérií je pro daný soubor vstupních dat nejvhodnější.

Je důležité zvážit vhodnost jakékoli použité metody PoF, protože není praktické použít jakoukoli metodu PoF, analytickou nebo FE, která není podporována daty laboratorních testů. Navíc je důležité používat jakýkoli model pouze v rámci jeho použitelnosti, což bohužel omezuje použitelnost většiny současných modelů PoF pro použití ve velmi specifických a omezených podmínkách. Dobré příklady diskuse o metodách PoF jsou popsány různými autory [17,19,26,49].

8.1. Predikce odezvy

Predikce odezvy zahrnuje použití geometrie a materiálových vlastností konstrukce k výpočtu požadované proměnné odezvy. Očekává se, že tento krok zachytí pouze celkovou odezvu základní desky plošných spojů a nikoli odezvu jednotlivých součástek. Existují tři hlavní typy metod predikce odezvy: analytické, podrobné modely konečných prvků a zjednodušené modely konečných prvků, které jsou popsány níže. Tyto metody se zaměřují na začlenění tuhosti a hmotnostních efektů přidaných součástí, je však důležité neztratit ze zřetele důležitost přesného modelování rotační tuhosti na okraji DPS, protože to úzce souvisí s přesností modelu (toto je diskutováno v Část 8.1.4). Obr. 1. Ukázka detailního modelu desky plošných spojů [53].

8.1.1. Predikce analytické odezvy

Steinberg [62] poskytuje jedinou analytickou metodu pro výpočet vibrační odezvy desky s plošnými spoji. Steinberg uvádí, že amplituda oscilace při rezonanci elektronické jednotky je rovna dvojnásobku druhé odmocniny rezonanční frekvence; toto tvrzení je založeno na nedostupných datech a nelze jej ověřit. To umožňuje analyticky vypočítat dynamickou výchylku při rezonanci, kterou pak lze použít k výpočtu dynamického zatížení od těžké součásti nebo zakřivení desky s plošnými spoji. Tato metoda nevytváří přímo místní odezvu PCB a je kompatibilní pouze s kritérii selhání založenými na průhybu popsanými Steinbergem.

Platnost předpokladu rozdělení přenosových funkcí na základě měření amplitudy je sporná, protože Pitarresi et al [53] naměřili kritický útlum 2 % pro základní desku počítače, zatímco použití Steinbergova předpokladu by dalo 3,5 % (na základě vlastní frekvence 54). Hz), což by vedlo k velkému podcenění odezvy desky na vibrace.

8.1.2. Detailní FE modely

Někteří autoři demonstrují použití podrobných FE modelů pro výpočet vibrační odezvy desky s plošnými spoji [30,37,53, 57,58] (obrázek 1-3 ukazuje příklady se zvýšenou úrovní detailů), nicméně použití těchto Metody se pro komerční produkt nedoporučuje (pokud není nezbytně nutná pouze přesná predikce lokální odezvy), protože čas potřebný k sestavení a vyřešení takového modelu je příliš velký. Zjednodušené modely produkují data s odpovídající přesností mnohem rychleji a s nižšími náklady. Čas potřebný k sestavení a vyřešení podrobného FE modelu lze zkrátit použitím pružinových konstant JEDEC 4 publikovaných v [33-35], tyto pružinové konstanty lze použít místo podrobného FE modelu každého drátu. Navíc lze implementovat metodu podstruktury (někdy známou jako metoda superelementů), aby se zkrátil výpočetní čas potřebný k řešení detailních modelů. Je třeba poznamenat, že podrobné modely konečných prvků často stírají hranice mezi predikcí odezvy a kritérii selhání, takže zde uvedená práce může také spadat do seznamu prací obsahujících kritéria selhání.

8.1.3. Distribuované FE modely

Zjednodušené FE modely zkracují tvorbu modelu a dobu řešení. Přidanou hmotnost součásti a její tuhost lze reprezentovat jednoduchou simulací prázdné desky plošných spojů se zvýšenou hmotností a tuhostí, kde jsou účinky hmoty a tuhosti začleněny místním zvýšením Youngova modulu desky plošných spojů.

Obr. 2. Příklad detailního modelu komponenty QFP využívající symetrii pro zjednodušení procesu modelování a zkrácení doby řešení [36]. Obr. 3. Příklad podrobného MKP modelu J-svodu [6].

Faktor zvýšení tuhosti lze vypočítat fyzickým vyříznutím připojeného prvku a aplikací ohybových zkušebních metod [52]. Pitarresi a kol. [52,54] zkoumali zjednodušení efektu přidané hmoty a tuhosti poskytované součástkami připevněnými k desce s plošnými spoji.

První článek zkoumá jediný případ zjednodušeného FE modelu desky s plošnými spoji, ověřeného na základě experimentálních dat. Hlavní oblastí zájmu tohoto článku je stanovení distribuovaných vlastností s tím, že pro přesný model je vyžadována vysoká přesnost torzní tuhosti.

Druhý článek se zabývá pěti různými plněnými PCB, z nichž každá je modelována s několika různými úrovněmi zjednodušení jejího složení. Tyto modely jsou porovnány s experimentálními daty. Tento článek uzavírá několik instruktivních pozorování korelace mezi poměry hmotnosti a tuhosti a přesností modelu. Oba tyto dokumenty používají k určení korelace mezi těmito dvěma modely pouze vlastní frekvence a MEC (kritéria modálního zajištění). Chyba ve vlastní frekvenci bohužel nemůže poskytnout žádné informace o chybě v místních zrychleních nebo ohybových momentech a MKO může poskytnout pouze celkovou korelaci mezi dvěma přirozenými režimy, ale nelze ji použít k výpočtu procentuální chyby zrychlení nebo zakřivení. Cifuentes [10] provádí pomocí kombinace numerické analýzy a počítačové simulace následující čtyři pozorování.

1. Simulované režimy musí obsahovat alespoň 90 % vibrující hmoty pro přesnou analýzu.
2. V případech, kdy jsou odchylky desky srovnatelné s její tloušťkou, může být nelineární analýza vhodnější než lineární analýza.
3. Malé chyby v umístění součástí mohou způsobit velké chyby v měření odezvy.
4. Přesnost měření odezvy je citlivější na chyby hmotnosti než na tuhost.

8.1.4. Hraniční podmínky

Koeficient tuhosti rotace okraje DPS má významný vliv na přesnost vypočtené odezvy [59] a v závislosti na konkrétní konfiguraci má mnohem větší význam než přidaná hmotnost a tuhost součásti. Modelování tuhosti rotační hrany jako nulové (v podstatě jen podepřené podmínky) obvykle poskytuje konzervativní výsledky, zatímco modelování jako pevně upnuté obvykle výsledky podhodnocuje, protože ani nejtužší upínací mechanismy DPS nemohou zajistit plně upnutý okraj. Barker a Chen [5] ověřují analytickou teorii experimentálními výsledky, aby ukázali, jak rotační tuhost hrany ovlivňuje vlastní frekvenci PCB. Hlavním zjištěním této práce je silná korelace mezi tuhostí rotace okraje a vlastními frekvencemi, v souladu s teorií. To také znamená, že velké chyby v modelování rotační tuhosti hran povedou k velkým chybám v predikci odezvy. Přestože byla tato práce zvažována v konkrétním případě, je použitelná pro modelování všech typů mechanismů okrajových podmínek. Pomocí experimentálních dat od Lim et al. [41] uvádí příklad, jak lze vypočítat okrajovou rotační tuhost pro použití FE v modelu PCB; toho je dosaženo pomocí metody upravené podle Barkera a Chena [5]. Tato práce také ukazuje, jak určit optimální umístění libovolného bodu ve struktuře pro maximalizaci vlastních frekvencí. Práce, které specificky zvažují účinek modifikace okrajových podmínek na snížení vibrační odezvy, existují také od Guo a Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti a Schwingshackl [3], Lim a kol. [41].

8.1.5. Předpovědi dopadu otřesů a vibrací

Pitarresi a kol. [53-55] používají podrobný FE model PCB k predikci rázové a vibrační odezvy desky s komponentami reprezentovanými jako 3D bloky. Tyto modely používaly experimentálně stanovené konstantní poměry tlumení ke zlepšení predikce odezvy při rezonanci. Spektrum rázové odezvy (SRS) a metody časového rozmítání byly porovnány pro predikci rázové odezvy, přičemž obě metody byly kompromisem mezi přesností a dobou řešení.

8.2. Kritéria odmítnutí

Kritéria selhání měří odezvu PCB a používají ji k odvození metriky selhání, kde metrikou selhání může být střední doba mezi poruchami (MTBF), cykly do selhání, pravděpodobnost bezporuchového provozu nebo jakákoli jiná metrika spolehlivosti (viz IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] pro diskusi o metrikách selhání). Mnoho různých přístupů ke generování těchto dat lze pohodlně rozdělit na analytické a empirické metody. Empirické metody generují data kritérií poruch zatížením zkušebních vzorků součástí na požadované dynamické zatížení. Bohužel vzhledem k široké škále vstupních dat (typy součástí, tloušťky DPS a zatížení), které jsou v praxi možné, je nepravděpodobné, že by publikovaná data byla přímo použitelná, protože data jsou platná pouze ve velmi speciálních případech. Analytické metody netrpí takovými nevýhodami a mají mnohem širší použitelnost.

8.2.1. Empirická kritéria selhání

Jak bylo uvedeno dříve, omezení většiny empirických modelů spočívá v tom, že jsou použitelné pouze pro konfigurace zahrnující stejnou tloušťku PCB, podobné typy součástí a vstupní zatížení, což je nepravděpodobné. Dostupná literatura je však užitečná z následujících důvodů: poskytuje dobré příklady provádění testů selhání, zdůrazňuje různé možnosti měření selhání a poskytuje cenné informace týkající se mechaniky selhání. Li [37] vytvořil empirický model pro predikci spolehlivosti 272-pinových BGA a 160-pinových QFP pouzder. Je zkoumáno únavové poškození vodičů a tělesa obalu a experimentální výsledky jsou v dobré shodě s analýzou poškození na základě napětí vypočítanou pomocí podrobného FE modelu (viz také Li a Poglitsch [38,39]). Proces vytváří kumulativní poškození pro danou úroveň zrychlení vibrací vstupního signálu vibrací.
Lau et al [36] hodnotili spolehlivost specifických komponent při rázovém a vibračním zatížení pomocí Weibullových statistik. Liguore a Followell [40] zkoumali selhání komponent LLCC a J-lead změnou místního zrychlení v průběhu servisních cyklů. Na rozdíl od vstupního zrychlení podvozku se používá místní zrychlení a zkoumal se vliv teploty na výsledky testu. Článek také odkazuje na výzkum vlivu tloušťky DPS na spolehlivost součástek.

Guo a Zhao [21] porovnávají spolehlivost součástí, když je jako zátěž použito lokální torzní zakřivení, na rozdíl od předchozích studií, které používaly zrychlení. Simuluje se únavové poškození, poté je FE model porovnán s experimentálními výsledky. Článek také pojednává o optimalizaci rozložení komponent za účelem zvýšení spolehlivosti.

Ham a Lee [22] prezentují metodu zkušebních dat pro problém stanovení napětí olověné pájky při cyklickém torzním zatížení. Estes a kol. Studovanými součástkami jsou čipové balíčky typů CQFP 15, 61188, 5, 5 a 2013, dále FP 352 a 208. Článek je věnován poruchám elektronických součástek v důsledku kolísání dráhy geostacionární družice Země, času mezi poruchami se udává v počtu let letu na geostacionární nebo nízké oběžné dráze Země. Je třeba poznamenat, že selhání drátů typu gullwing je pravděpodobnější v místech kontaktu s tělem obalu než v pájeném spoji.

Jih a Jung [30] zvažují poruchy zařízení způsobené vlastními výrobními vadami v pájeném spoji. To se provádí vytvořením velmi podrobného FE modelu PCB a zjištěním výkonové spektrální hustoty (PSD) pro různé délky výrobních trhlin. Ligyore, Followell [40] a Shetty, Reinikainen [58] navrhují, že empirické metody poskytují nejpřesnější a nejužitečnější data o poruchách pro konkrétní konfigurace připojených součástí. Tyto druhy metod se používají, pokud určitá vstupní data (tloušťka desky, typ součásti, rozsah zakřivení) mohou být během návrhu udržována konstantní, nebo pokud si uživatel může dovolit provádět skutečné testy tohoto druhu.

8.2.2. Analytické kritérium selhání

SMT modely rohových spojů

Různí výzkumníci zabývající se poruchami rohových kolíků SMT naznačují, že toto je nejčastější příčina selhání. Články Sidhartha a Barkera [59] doplňují dřívější sérii článků tím, že představují model pro určování napětí rohových vývodů SMT a komponent smyčkových vývodů. Navrhovaný model má chybu menší než 7 % ve srovnání s podrobným modelem FE pro šest nejhorších scénářů. Model je založen na vzorci publikovaném dříve Barkerem a Sidharthem [4], kde byl modelován průhyb připojeného dílu vystaveného ohybovému momentu. Článek Sukhira [63] analyticky zkoumá napětí očekávaná v koncovkách pouzdra v důsledku lokálně působících ohybových momentů. Barker a Sidharth [4] navazují na práci Sukhira [63], Barkera a kol., [4], která uvažuje o vlivu vedoucí rotační tuhosti. Nakonec Barker et al [7] použili podrobné modely FE ke studiu vlivu rozměrových změn olova na životnost olova.

Zde je vhodné zmínit práci na konstantách olověných pružin JEDEC, která značně zjednodušila tvorbu modelů olověných součástek [33-35]. Místo podrobného modelu připojení vodičů lze použít pružinové konstanty, v modelu se zkrátí čas potřebný k sestavení a vyřešení MKP modelu. Použití takových konstant v modelu prvků konečných prvků zabrání přímému výpočtu lokálních napětí olova. Místo toho bude uvedeno celkové namáhání olova, které by se pak mělo vztahovat buď k místnímu namáhání olova nebo kritériu selhání olova na základě životního cyklu produktu.

Údaje o únavě materiálu

Většina údajů o selhání materiálů používaných pro pájky a součástky souvisí primárně s tepelným selháním a relativně málo údajů existuje o selhání při únavě. Hlavní odkaz v této oblasti poskytuje Sandor [56], který poskytuje údaje o mechanice únavy a porušení pájecích slitin. Steinberg [62] uvažuje o selhání vzorků pájky. Údaje o únavě pro standardní pájky a dráty jsou k dispozici v článku Yamady [69].

Obr. 4. Obvyklá poloha selhání z příručky pro komponenty QFP je blízko těla obalu.

Modelování poruch spojených s odpojováním pájky je náročné kvůli neobvyklým vlastnostem tohoto materiálu. Řešení této otázky závisí na komponentě, kterou je třeba otestovat. Je známo, že u balíčků QFP se to obvykle nebere v úvahu a spolehlivost se posuzuje pomocí referenční literatury. Ale pokud se počítá pájení velkých součástek BGA a PGA, pak mohou připojení vývodů kvůli jejich neobvyklým vlastnostem ovlivnit selhání produktu. U obalů QFP jsou tedy nejužitečnější informace vlastnosti týkající se únavy olova. Pro BGA jsou užitečnější informace o trvanlivosti pájených spojů vystavených okamžité plastické deformaci [14]. Pro větší součástky poskytuje Steinberg [62] údaje o napětí vytažení pájeného spoje.

Modely selhání těžkých součástí

Jediné modely poruch, které existují pro těžké součástky, jsou uvedeny v práci Steinberga [62], která zkoumá pevnost součástek v tahu a uvádí příklad, jak vypočítat maximální dovolené napětí, které lze aplikovat na spoj vývodu.

8.3. Závěry o použitelnosti modelů PoF

V literatuře byly učiněny následující závěry týkající se metod PoF.

Místní odezva je kritická pro předvídání selhání součásti. Jak je uvedeno v Li, Poglitsch [38], součástky na okrajích DPS jsou méně náchylné k selhání než ty, které se nacházejí ve středu DPS kvůli místním rozdílům v ohybu. V důsledku toho budou mít součásti na různých místech na desce plošných spojů různé pravděpodobnosti selhání.

Místní zakřivení desky je považováno za důležitější kritérium selhání než zrychlení pro komponenty SMT. Nedávné práce [38,57,62,67] naznačují, že zakřivení desky je hlavním kritériem selhání.

Různé typy balíčků, jak v počtu pinů, tak v použitém typu, jsou ze své podstaty spolehlivější než jiné, bez ohledu na konkrétní místní prostředí [15,36,38].
Teplota může ovlivnit spolehlivost součástí. Liguore a Followell [40] uvádějí, že únavová životnost je nejvyšší v teplotním rozsahu od 0 ◦C do 65 ◦C, s patrným poklesem při teplotách pod -30 ◦C a nad 95 ◦C. U součástek QFP se za primární místo poruchy považuje místo, kde se drát připojuje k obalu (viz obr. 4), spíše než pájený spoj [15,22,38].

Tloušťka desky má jednoznačný vliv na únavovou životnost součástí SMT, protože bylo prokázáno, že únavová životnost BGA se sníží přibližně 30–50krát, pokud se tloušťka desky zvýší z 0,85 mm na 1,6 mm (při zachování konstantního celkového zakřivení) [13] . Flexibilita (shoda) vývodů součástek výrazně ovlivňuje spolehlivost součástek periferních vývodů [63], jedná se však o nelineární vztah a mezilehlé připojovací vývody jsou nejméně spolehlivé.

8.4. Softwarové metody

Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) na University of Maryland poskytuje software pro výpočet vibrací a rázové odezvy desek plošných spojů. Software (pojmenovaný CALCE PWA) má uživatelské rozhraní, které zjednodušuje proces spouštění modelu FE a automaticky vkládá výpočet odezvy do modelu vibrací. K vytvoření modelu odezvy FE nejsou použity žádné předpoklady a použitá kritéria selhání jsou převzata ze Steinberga [61] (ačkoli se očekává, že bude implementována také Barkersova metoda [48]). Pro poskytnutí obecných doporučení pro zlepšení spolehlivosti zařízení popsaný software funguje dobře, zejména proto, že současně bere v úvahu tepelně indukovaná napětí a vyžaduje minimální odborné znalosti, ale přesnost kritérií poruch v modelech nebyla experimentálně ověřena.

9. Metody zvyšování spolehlivosti zařízení

Tato část se bude zabývat úpravami po projektu, které zlepšují spolehlivost elektronického zařízení. Spadají do dvou kategorií: ty, které mění okrajové podmínky DPS, a ty, které zvyšují tlumení.

Hlavním účelem úprav okrajových podmínek je snížení dynamického průhybu desky s plošnými spoji, toho lze dosáhnout vyztužujícími žebry, přídavnými podpěrami nebo snížením vibrací vstupního média. Výztuhy mohou být užitečné, protože zvyšují vlastní frekvence, čímž snižují dynamický průhyb [62], totéž platí pro přidávání dalších podpěr [3], i když umístění podpěr lze také optimalizovat, jak ukazují práce JH Onga a Lima [ 40]. Bohužel, žebra a podpěry obvykle vyžadují přepracování rozvržení, takže tyto techniky je nejlepší zvážit na začátku cyklu návrhu. Kromě toho je třeba dbát na to, aby se úpravami nezměnily vlastní frekvence tak, aby odpovídaly vlastním frekvencím nosné konstrukce, protože by to bylo kontraproduktivní.

Přidání izolace zlepšuje spolehlivost produktu snížením dopadu dynamického prostředí přenášeného na zařízení a lze jej dosáhnout buď pasivně, nebo aktivně.
Pasivní metody jsou obvykle jednoduché a levnější na implementaci, jako je použití kabelových izolátorů [66] nebo využití pseudoelastických vlastností slitin s tvarovou pamětí (SMA) [32]. Je však známo, že špatně navržené izolátory mohou ve skutečnosti zvýšit odezvu.
Aktivní metody poskytují lepší tlumení v širším frekvenčním rozsahu, obvykle na úkor jednoduchosti a hmotnosti, takže jsou obvykle určeny ke zlepšení přesnosti velmi citlivých přesných přístrojů spíše než k prevenci poškození. Aktivní izolace vibrací zahrnuje elektromagnetické [60] a piezoelektrické metody [18,43]. Na rozdíl od metod modifikace okrajových podmínek má modifikace tlumení za cíl snížit špičkovou rezonanční odezvu elektronického zařízení, zatímco skutečné vlastní frekvence by se měly měnit jen nepatrně.

Stejně jako u izolace vibrací lze tlumení dosáhnout buď pasivně nebo aktivně, s podobnými konstrukčními zjednodušeními v prvním případě a větší složitostí a tlumením v druhém.

Mezi pasivní metody patří např. velmi jednoduché metody jako je lepení materiálu, čímž se zvyšuje tlumení desky plošných spojů [62]. Mezi sofistikovanější metody patří tlumení částic [68] a použití širokopásmových dynamických absorbérů [25].

Aktivní regulace vibrací se obvykle dosahuje použitím piezokeramických prvků nalepených na povrch desky plošných spojů [1,45]. Použití metod kalení je případ specifické a musí být pečlivě zváženo ve vztahu k jiným metodám. Použití těchto technik na zařízení, o kterém není známo, že má problémy se spolehlivostí, nutně nezvýší náklady a váhu návrhu. Pokud však výrobek se schváleným designem během testování selže, může být mnohem rychlejší a snazší použít techniku ​​zpevnění konstrukce než předělávat zařízení.

10. Možnosti rozvoje metod

Tato část podrobně popisuje příležitosti pro zlepšení predikce spolehlivosti elektronických zařízení, ačkoli nedávné pokroky v optoelektronice, nanotechnologii a obalových technologiích mohou brzy omezit použitelnost těchto návrhů. Čtyři hlavní metody predikce spolehlivosti nemusí být v době návrhu zařízení používány. Jediným faktorem, který by mohl učinit takové metody atraktivnějšími, by byl vývoj plně automatizovaných, levných výrobních a testovacích technologií, protože to by umožnilo navržený návrh postavit a otestovat mnohem rychleji, než je v současnosti možné, s minimálním lidským úsilím.

Metoda PoF má velký prostor pro zlepšení. Hlavní oblastí, kde jej lze zlepšit, je integrace s celkovým procesem návrhu. Návrh elektronického zařízení je iterativní proces, který přibližuje vývojáře ke konečnému výsledku pouze ve spolupráci s inženýry specializovanými na oblast elektroniky, výroby a tepelné techniky a konstrukčního návrhu. Metoda, která automaticky řeší některé z těchto problémů současně, sníží počet iterací návrhu a ušetří značné množství času, zejména pokud vezmeme v úvahu množství mezirezortní komunikace. Další oblasti zlepšení metod PoF budou rozděleny na typy predikce odezvy a kritéria selhání.

Predikce odezvy má dvě možné cesty vpřed: buď rychlejší, podrobnější modely, nebo vylepšené, zjednodušené modely. S nástupem stále výkonnějších počítačových procesorů se může doba řešení detailních FE modelů značně zkrátit a zároveň se díky modernímu softwaru zkrátí doba montáže produktu, což v konečném důsledku minimalizuje náklady na lidské zdroje. Zjednodušené metody konečných prvků lze také zlepšit procesem automatického generování modelů konečných prvků, podobným těm, které jsou navrženy pro podrobné metody konečných prvků. Pro tento účel je v současné době k dispozici automatický software (CALCE PWA), ale tato technologie není v praxi dobře ověřena a vytvořené předpoklady modelování nejsou známy.

Výpočet nejistoty vlastní různým metodám zjednodušení by byl velmi užitečný, což by umožnilo implementovat užitečná kritéria tolerance chyb.

Konečně by byla užitečná databáze nebo metoda pro udělování zvýšené tuhosti připojeným komponentům, kde by tato zvýšení tuhosti mohla být použita ke zlepšení přesnosti modelů odezvy. Vytvoření kritérií selhání součástí závisí na mírných odchylkách mezi podobnými součástmi od různých výrobců, stejně jako na možném vývoji nových typů obalů, protože jakákoli metoda nebo databáze pro stanovení kritérií selhání musí počítat s takovou variabilitou a změnami.

Jedním z řešení by bylo vytvořit metodu/software pro automatické vytváření detailních FE modelů na základě vstupních parametrů, jako jsou rozměry olova a balení. Tato metoda může být proveditelná pro obecně jednotně tvarované součásti, jako jsou součásti SMT nebo DIP, ale ne pro složité nepravidelné součásti, jako jsou transformátory, tlumivky nebo zakázkové součásti.

Následné FE modely mohou být řešeny pro napětí a kombinovány s údaji o porušení materiálu (údaje křivky plasticity S-N, lomová mechanika nebo podobně) pro výpočet životnosti součásti, ačkoli data o porušení materiálu musí mít vysokou kvalitu. Proces FE by měl korelovat se skutečnými zkušebními daty, nejlépe v co nejširším rozsahu konfigurací.

Úsilí vynaložené na takový proces je relativně malé ve srovnání s alternativou přímého laboratorního testování, které musí provést statisticky významný počet testů napříč různými tloušťkami DPS, proměnlivou intenzitou zatížení a směry zatížení, a to i se stovkami různých typů součástek dostupných pro více typy desek. Pokud jde o jednoduché laboratorní testování, může existovat metoda, jak zlepšit hodnotu každého testu.

Pokud by existovala metoda pro výpočet relativního nárůstu napětí v důsledku změn určitých proměnných, jako je tloušťka DPS nebo rozměry olova, pak by bylo možné následně odhadnout změnu životnosti součásti. Takovou metodu lze vytvořit pomocí analýzy konečných prvků nebo analytických metod, což nakonec vede k jednoduchému vzorci pro výpočet kritérií selhání z existujících dat selhání.

Nakonec se očekává, že bude vytvořena metoda, která kombinuje všechny různé dostupné nástroje: analýzu konečných prvků, testovací data, analytickou analýzu a statistické metody pro vytvoření co nejpřesnějších dat o poruchách s omezenými dostupnými zdroji. Všechny jednotlivé prvky metody PoF lze vylepšit zavedením stochastických metod do procesu, aby se zohlednily účinky variability elektronických materiálů a výrobních fází. To by učinilo výsledky realističtějšími, což by možná vedlo k procesu vytváření zařízení, které je odolnější vůči variabilitě a zároveň minimalizuje degradaci produktu (včetně hmotnosti a nákladů).

V konečném důsledku by taková vylepšení mohla dokonce umožnit posouzení spolehlivosti zařízení v reálném čase během procesu návrhu a okamžitě navrhnout bezpečnější možnosti součástí, uspořádání nebo jiná doporučení pro zlepšení spolehlivosti a zároveň řešit další problémy, jako je elektromagnetické rušení (EMI), tepelné a průmyslové.

11. Závěr

Tento přehled představuje složitost predikce spolehlivosti elektronických zařízení, sleduje vývoj čtyř typů analytických metod (regulační literatura, experimentální data, testovací data a PoF), což vede k syntéze a srovnání těchto typů metod. Uvádí se, že referenční metody jsou užitečné pouze pro předběžné studie, metody experimentálních dat jsou užitečné pouze tehdy, jsou-li k dispozici rozsáhlé a přesné časové údaje, a metody zkušebních dat jsou zásadní pro testování kvalifikace návrhu, ale nedostatečné pro optimalizační návrhy.

Metody PoF jsou diskutovány podrobněji než v předchozích literárních přehledech, přičemž výzkum je rozdělen do kategorií predikčních kritérií a pravděpodobnosti selhání. Část „Předpověď odezvy“ uvádí přehled literatury o distribuovaných vlastnostech, modelování okrajových podmínek a úrovních detailů v modelech konečných prvků. Ukázalo se, že volba metody predikce odezvy je kompromisem mezi přesností a časem pro generování a řešení FE modelu, což opět zdůrazňuje důležitost přesnosti okrajových podmínek. Sekce „Kritéria poruch“ pojednává o empirických a analytických kritériích poruch, pro technologii SMT jsou uvedeny recenze modelů a těžkých komponent.
Empirické metody jsou použitelné pouze na velmi specifické případy, ačkoli poskytují dobré příklady metod testování spolehlivosti, zatímco analytické metody mají mnohem širší rozsah použitelnosti, ale jejich implementace je složitější. Je poskytnuta stručná diskuse o existujících metodách analýzy poruch založených na specializovaném softwaru. Nakonec jsou uvedeny implikace pro budoucnost predikce spolehlivosti s ohledem na směry, kterými se mohou metody predikce spolehlivosti vyvíjet.

Literatura[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers a S. B. Gabriel, Efektivní model panelu zatíženého zařízením pro studie návrhu aktivního řízení, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, Lehčí skříň pro elektroniku pro kosmické aplikace, Sborník Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti a C. Schwingshackl, Analýza krytů a antivibračních zařízení pro elektronická zařízení pro kosmické aplikace, Sborník ze 6. mezinárodní konference o dynamice a řízení struktur kosmických lodí ve vesmíru, Riomaggiore, Itálie, (2004).
[4] D. B. Barker a Y. Chen, Modelování vibračních omezení vodítek klínového zámku, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen a A. Dasgupta, Odhadování životnosti vibrační únavy komponentů pro povrchovou montáž se čtyřmi vývody, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta a M. Pecht, PWB výpočty životnosti pájených spojů při tepelném a vibračním zatížení, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 1991 Proceedings (Kat. č. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta a M. Pecht, Vliv rozměrových variabilit olova SMC na poddajnost olova a únavovou životnost pájeného spoje, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker a K. Sidharth, Místní PWB a ohýbání součástí sestavy vystavené ohybovému momentu, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, Přehled postupů předpovídání spolehlivosti pro mikroelektronická zařízení, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Odhad dynamického chování desek plošných spojů, Transakce IEEE na součástech, balení a výrobní technologii, část B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy a C. Wilkinson, Hodnocení spolehlivosti leteckých elektronických zařízení, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman a A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approachs, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux a A. Syed, Spolehlivost plošných pájených spojů v ohybu, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder a J. R. Lesniak, Mechanical behaviors of 60/40 cínovo-olověných pájených přeplátovaných spojů, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger a Y. Saito, Spolehlivost zaoblení paty třídy 2 na olovnatých součástech křídla racka. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517-6 C2525
[16] FIDES, Průvodce FIDES z roku 2004, vydání A Metodika spolehlivosti elektronických systémů. Skupina FIDES, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie a B. Meslet, Přehled metod predikce spolehlivosti pro elektronická zařízení, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David a R. Pinnington, Nový vysokoobjemový piezoelektrický aktuátor pro aktivní řízení vibrací, 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 a E. Vergnault, Metodologie k posoudit a vybrat vhodnou metodu predikce spolehlivosti pro komponenty eee ve vesmírných aplikacích, Evropská kosmická agentura, (zvláštní publikace) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Hodnocení spolehlivosti v provozu a přístup shora dolů poskytuje alternativní metodu predikce spolehlivosti. Annual Reliability and Maintainability, Symposium Proceedings (kat. č. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo a M. Zhao, Únava pájeného spoje SMT včetně torzního zakřivení a optimalizace umístění čipu, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Šunka a S.-B. Lee, Experimentální studie spolehlivosti elektronického obalu při vibracích, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Únavové testování součástkového vedení v pokoveném průchozím otvoru, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh a K. Seetharamu, Vývoj dynamické testovací desky pro hodnocení spolehlivosti pájeného spoje FCBGA při rázech a vibracích. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik a V. Babitsky, Ruggedizing desky s plošnými spoji pomocí širokopásmového dynamického absorbéru, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, příručka IEEE pro výběr a použití předpovědí spolehlivosti na základě IEEE 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe a T. Kinney, Vývoj standardních formátů pro modely spolehlivosti vesmírných systémů, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2003 Proceedings (kat. č. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Electronic Component Reliability, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong a G. Lim, Jednoduchá technika pro maximalizaci základní frekvence struktur, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih a W. Jung, Vibrační únava povrchově montovaných pájených spojů. IThermfl98. Šestá mezispolečenská konference o tepelných a termomechanických jevech v elektronických systémech (kat. č. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson a L. Gullo, Zlepšení metodiky hodnocení spolehlivosti a predikce. Výroční sympozium o spolehlivosti a údržbě. 2000 Sborník. International Symposium on Product Quality and Integrity (kat. č. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes a B. Henderson, Pseudoelastické pružinové prvky SMA pro pasivní izolaci vibrací: modelování části i, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Komparativní shoda reprezentativních návrhů vodítek pro povrchově montované komponenty, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Metriky shody pro návrh vedení pro povrchovou montáž. 1990 Sborník. 40. konference elektronických součástek a technologií (kat. č. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz a L. Taylor, Metriky shody pro návrhy nakloněných racčích křídel, pavoučích j-ohybů a pavučinových racčích křídel pro součásti pro povrchovou montáž. 1991 Sborník. 41. konference elektronických součástek a technologií (kat. č. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice a B. Shaw, Spolehlivost pájených spojů technologických sestav pro povrchovou montáž s jemným stoupáním, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 13(3) (1990), 534-544.
[37] R. Li, Metodika pro predikci únavy elektronických součástek při náhodném zatížení vibracemi, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li a L. Poglitsch, Únava mřížkového pole plastových kuliček a plastových čtyřplochých obalů při automobilových vibracích. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li a L. Poglitsch, Vibrační únava, mechanismus selhání a spolehlivost plastového kulového mřížkového pole a plastových quad plochých obalů.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore a D. Followell, Vibrační únava pájených spojů technologií povrchové montáže (smt). Výroční sympozium o spolehlivosti a údržbě 1995 Sborník příspěvků (kat. č. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong a J. Penny, Vliv okrajové a vnitřní bodové podpory desky s plošnými spoji při vibracích, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Co je na tom špatného? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze a L. Cheng, Studie proveditelnosti aktivní izolace vibrací pomocí thunder aktuátorů, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Predikce spolehlivosti elektronických zařízení. Ministerstvo obrany USA, vydání F, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Přehled nedávných inovací v tlumení a řízení vibrací pomocí shuntovaných piezoelektrických měničů, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris a J. Reilly, Mil-hdbk-217-oblíbený cíl. Výroční sympozium o spolehlivosti a údržbě. 1993 Sborník (kat. č. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktické inženýrství spolehlivosti. Wiley, 1997.
[48] ​​​​M. Osterman a T. Stadterman, Software pro hodnocení poruch sestav obvodových karet. Roční spolehlivost a údržba. Symposium. 1999 Sborník (kat. č. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht a A. Dasgupta, Physics-of-failure: the approach to spolehlivý product development, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (kat. č. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht a W.-C. Kang, Kritika metod predikce spolehlivosti mil-hdbk-217e, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht a F. R. Nash, Predicting the reliability of electronic equipment, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell a D. Smith, Technika rozmazaných vlastností pro FE vibrační analýzu karet s plošnými spoji, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman a Y. Ling, Dynamické modelování a měření základních desek osobních počítačů. 52. konference elektronických komponent a technologie 2002., (kat. č. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi a A. Primavera, Porovnání technik modelování vibrací pro karty s plošnými spoji, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala a P. Geng, Mechanické šokové testování a modelování základních desek PC. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Mechanika pájky – hodnocení stavu techniky. The Minerals, Metals and Materials Society, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola a T. Reinikainen, Únava vzájemného propojení obalu čipové váhy v důsledku cyklického ohýbání, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty a T. Reinikainen, Tří- a čtyřbodové ohybové testování elektronických obalů, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth a D. B. Barker, Odhad životnosti rohových vývodů obvodových olovnatých součástek vyvolaných vibracemi, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman a G. Blackwood, Měkký 6osý aktivní izolátor vibrací, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Mohly by vyhovující externí vodiče snížit pevnost zařízení montovaného na povrch? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Nelineární dynamická odezva desky s plošnými spoji na rázová zatížení působící na její nosný obrys, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Odezva flexibilní desky s plošnými spoji na periodické rázové zatížení působící na její nosný obrys, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Ochrana před vibracemi kritických součástí elektronických zařízení v drsných podmínkách prostředí, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao a Q. Guo, Experimenty vibrační únavy pájeného spoje SMT, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan a W. Liao, Empirická metoda pro návrh tlumení částic, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, Přístup lomové mechaniky k praskání pájených spojů, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao a E. Elsayed, Modelování zrychleného testování životnosti založeného na průměrné zbytkové životnosti, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou a E. A. Elsayed, Generalized step stress akcelered life model. Sborník z mezinárodní konference 2004 o podnikání v oblasti spolehlivosti a odpovědnosti elektronických produktů, 2004, 19.–25.

Zdroj: www.habr.com