Pålidelighedsanalyse af elektronisk udstyr udsat for stød og vibrationer – en oversigt

Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Forfattere: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [e-mail beskyttet]), og Guy Richardson
Forfatteres tilknytning: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, Storbritannien
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Storbritannien

Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Dette er en artikel med åben adgang distribueret under Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat at det originale værk er korrekt citeret.

Kommentar. I fremtiden forventes det, at alt moderne elektronisk udstyr vil have stigende funktionalitet og samtidig bevare evnen til at modstå stød- og vibrationsbelastninger. Processen med at forudsige pålidelighed er vanskelig på grund af elektronisk udstyrs komplekse reaktions- og fejlkarakteristika, så de nuværende metoder er et kompromis mellem beregningsnøjagtighed og omkostninger.
Pålidelig og hurtig forudsigelse af pålideligheden af ​​elektronisk udstyr ved drift under dynamiske belastninger er meget vigtigt for industrien. Denne artikel viser problemer med at forudsige pålideligheden af ​​elektronisk udstyr, der bremser resultaterne. Det skal også tages i betragtning, at pålidelighedsmodellen normalt er bygget under hensyntagen til en lang række udstyrskonfigurationer for en række lignende komponenter. Fire klasser af pålidelighedsforudsigelsesmetoder (referencemetoder, testdata, eksperimentelle data og modellering af fysiske årsager til fejl - fysik af fejl) sammenlignes i denne artikel for at vælge muligheden for at bruge en eller anden metode. Det bemærkes, at de fleste fejl i elektronisk udstyr er forårsaget af termiske belastninger, men denne gennemgang fokuserer på fejl forårsaget af stød og vibrationer under drift.

Oversætterens notat. Artiklen er en gennemgang af litteraturen om dette emne. På trods af sin relativt høje alder fungerer den som en fremragende introduktion til problemet med at vurdere pålidelighed ved hjælp af forskellige metoder.

1. Terminologi

BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line Processor, nogle gange kendt som Dual In-line Package.
FE endeligt element.
PGA Pin Grid Array.
PCB Printed Circuit Board, nogle gange kendt som et PWB (Printed Wiring Board).
PLCC blyholdig spånbærer.
PTH Plated Through Hole, nogle gange kendt som Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - også kendt som mågevinge.
SMA Shape Memory legeringer.
SMT overflademonteringsteknologi.

Bemærkning fra originale forfattere: I denne artikel refererer udtrykket "komponent" til en specifik elektronisk enhed, der kan loddes til et trykt kredsløbskort; udtrykket "pakke" refererer til enhver komponent i et integreret kredsløb (typisk enhver SMT- eller DIP-komponent). Udtrykket "tilsluttet komponent" refererer til ethvert kombineret printkort eller komponentsystem, hvilket understreger, at de vedhæftede komponenter har deres egen masse og stivhed. (Krystalemballage og dens indvirkning på pålideligheden diskuteres ikke i artiklen, så i det følgende kan udtrykket "pakke" opfattes som en "sag" af en eller anden type - ca. overs.)

2. Beskrivelse af problemet

Stød- og vibrationsbelastninger påført et PCB forårsager belastning af PCB-substratet, komponentpakker, komponentspor og loddesamlinger. Disse spændinger er forårsaget af en kombination af bøjningsmomenter i printpladen og komponentens masseinerti. I det værste tilfælde kan disse spændinger forårsage en af ​​følgende fejltilstande: PCB-delaminering, loddesamlingsfejl, ledningsfejl eller komponentpakkefejl. Hvis en af ​​disse fejltilstande opstår, vil en fuldstændig fejl i enheden højst sandsynligt følge. Fejltilstanden, der opleves under drift, afhænger af typen af ​​emballage, egenskaberne af det trykte kredsløb samt frekvensen og amplituden af ​​bøjningsmomenter og inertikræfter. Langsomme fremskridt i elektronisk udstyrs pålidelighedsanalyse skyldes de mange kombinationer af inputfaktorer og fejltilstande, der skal tages i betragtning.

Resten af ​​dette afsnit vil forsøge at forklare vanskeligheden ved at overveje forskellige inputfaktorer samtidigt.

Den første komplicerende faktor at overveje er det brede udvalg af pakketyper, der er tilgængelige i moderne elektronik, da hver pakke kan fejle af forskellige årsager. Tunge komponenter er mere modtagelige for inertibelastninger, mens responsen af ​​SMT-komponenter er mere afhængig af kredsløbskortets krumning. Som et resultat, på grund af disse grundlæggende forskelle, har disse typer komponenter stort set forskellige fejlkriterier baseret på masse eller størrelse. Dette problem forværres yderligere af den konstante fremkomst af nye komponenter, der er tilgængelige på markedet. Derfor skal enhver foreslået pålidelighedsforudsigelsesmetode tilpasse sig nye komponenter for at have nogen praktisk anvendelse i fremtiden. Et printkorts reaktion på vibrationer bestemmes af komponenternes stivhed og masse, som påvirker printkortets lokale respons. Det er kendt, at de tungeste eller største komponenter i væsentlig grad ændrer pladens reaktion på vibrationer på de steder, hvor de er installeret. PCB mekaniske egenskaber (Youngs modul og tykkelse) kan påvirke pålideligheden på måder, der er svære at forudsige.

Et stivere PCB kan reducere den samlede responstid for PCB'et under belastning, men kan på samme tid faktisk lokalt øge de bøjningsmomenter, der påføres komponenterne (Yderligere er det ud fra et termisk induceret fejlperspektiv faktisk at foretrække at specificere en mere kompatible PCB, da dette reducerer de termiske spændinger på emballagen - forfatterens note). Frekvensen og amplituden af ​​lokale bøjningsmomenter og inertibelastninger påført stakken påvirker også den mest sandsynlige fejltilstand. Højfrekvente lavamplitudebelastninger kan føre til træthedsfejl i strukturen, hvilket kan være hovedårsagen til svigt (lav/høj cyklisk træthed, LCF refererer til fejl domineret af plastisk deformation (N_f < 10^6), mens HCF betegner elastisk deformation fejl , sædvanligvis (N_f > 10^6 ) til fejl [56] - forfatterens note) Det endelige arrangement af elementer på printpladen vil bestemme årsagen til fejlen, som kan opstå på grund af stress i en individuel komponent forårsaget af inertibelastninger eller lokale bøjningsmomenter. Endelig er det nødvendigt at tage højde for indflydelsen af ​​menneskelige faktorer og produktionsfunktioner, hvilket øger sandsynligheden for udstyrsfejl.

Når man overvejer et betydeligt antal inputfaktorer og deres komplekse interaktion, bliver det klart, hvorfor en effektiv metode til at forudsige pålideligheden af ​​elektronisk udstyr endnu ikke er blevet skabt. En af de litteraturgennemgange, der anbefales af forfatterne om dette emne, er præsenteret i IEEE [26]. Denne gennemgang fokuserer dog hovedsageligt på ret brede klassifikationer af pålidelighedsmodeller, såsom metoden til at forudsige pålidelighed fra referencelitteratur, eksperimentelle data, computermodellering af fejltilstande (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), og behandler ikke fejl. tilstrækkeligt detaljeret forårsaget af stød og vibrationer. Foucher et al. [17] følger en lignende oversigt som IEEE-gennemgangen med betydelig vægt på termiske fejl. Den tidligere korthed i analysen af ​​PoF-metoder, især som anvendt på stød- og vibrationsfejl, fortjener deres yderligere overvejelse. En IEEE-lignende anmeldelse er ved at blive udarbejdet af AIAA, men omfanget af anmeldelsen er ukendt på nuværende tidspunkt.

3. Udvikling af metoder til forudsigelse af pålidelighed

Den tidligste pålidelighedsforudsigelsesmetode, udviklet i 1960'erne, er i øjeblikket beskrevet i MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F er den seneste og sidste revision af metoden, udgivet i 1995 - forfatterens note) Brug af Denne metode bruger en database over elektronisk udstyrsfejl for at opnå den gennemsnitlige levetid for et printkort bestående af visse komponenter. Denne metode er kendt som en metode til at forudsige pålidelighed ud fra reference- og normativ litteratur. Selvom Mil-Hdbk-217F bliver mere og mere forældet, er referencemetoden stadig i brug i dag. Begrænsningerne og unøjagtighederne ved denne metode er blevet veldokumenteret [42,50], hvilket fører til udviklingen af ​​tre klasser af alternative metoder: computermodellering af fysiske fejlforhold (PoF), eksperimentelle data og felttestdata.

PoF-metoder forudsiger pålidelighed analytisk uden at stole på tidligere indsamlede data. Alle PoF-metoder har to fælles karakteristika for den klassiske metode, der er beskrevet i Steinberg [62]: For det første søges det trykte kredsløbs vibrationsrespons på en specifik vibrationsstimulus, derefter testes fejlkriterierne for individuelle komponenter efter vibrationseksponering. Et vigtigt fremskridt inden for PoF-metoder har været brugen af ​​distribuerede (gennemsnitlige) kortegenskaber til hurtigt at generere en matematisk model af et printkort [54], hvilket væsentligt har reduceret kompleksiteten og tiden brugt på nøjagtigt at beregne vibrationsresponsen af ​​et trykt kredsløb. printplade (se afsnit 8.1.3). Den seneste udvikling inden for PoF-teknikker har forbedret fejlforudsigelse for loddede komponenter med overflademonteringsteknologi (SMT); dog, med undtagelse af Barkers-metoden [59], er disse nye metoder kun anvendelige til meget specifikke kombinationer af komponenter og printkort. Der er meget få metoder til rådighed for store komponenter såsom transformere eller store kondensatorer.
Eksperimentelle datametoder forbedrer kvaliteten og kapaciteten af ​​den model, der anvendes i pålidelighedsforudsigelsesmetoder baseret på referencelitteratur. Den første metode baseret på eksperimentelle data til at forudsige pålideligheden af ​​elektronisk udstyr blev beskrevet i et papir fra 1999 ved hjælp af HIRAP-metoden (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), som blev oprettet hos Honeywell, Inc. [20]. Metoden med eksperimentelle data har en række fordele i forhold til metoder til at forudsige pålidelighed ved hjælp af reference- og normativ litteratur. For nylig er der dukket mange lignende metoder op (REMM og TRACS [17], også FIDES [16]). Metoden til eksperimentelle data, såvel som metoden til at forudsige pålidelighed ved hjælp af reference og normativ litteratur, tillader os ikke tilfredsstillende at tage hensyn til bestyrelsens layout og driftsmiljøet for dets drift ved vurdering af pålidelighed. Denne mangel kan udbedres ved at bruge fejldata fra tavler, der ligner design, eller fra tavler, der har været udsat for lignende driftsforhold.

Eksperimentelle datametoder afhænger af tilgængeligheden af ​​en omfattende database med nedbrudsdata over tid. Hver fejltype i denne database skal identificeres korrekt, og dens rodårsag skal bestemmes. Denne pålidelighedsvurderingsmetode er velegnet til virksomheder, der producerer den samme type udstyr i store nok mængder, så et betydeligt antal fejl kan behandles for at vurdere pålideligheden.

Metoder til at teste elektroniske komponenter for pålidelighed har været i brug siden midten af ​​1970'erne og er typisk opdelt i accelererede og ikke-accelererede tests. Den grundlæggende tilgang er at udføre hardwaretestkørsler, der skaber det forventede driftsmiljø så realistisk som muligt. Tests udføres, indtil der opstår en fejl, hvilket gør det muligt at forudsige MTBF (Mean Time Between Failures). Hvis MTBF estimeres til at være meget lang, kan testvarigheden reduceres ved accelereret test, hvilket opnås ved at øge driftsmiljøfaktorerne og bruge en kendt formel til at relatere fejlraten i den accelererede test til den forventede fejlrate i operation. Denne test er afgørende for komponenter med høj risiko for fejl, da den giver forskeren det højeste niveau af konfidensdata, men det ville være upraktisk at bruge det til optimering af borddesign på grund af undersøgelsens lange iterationstider.

En hurtig gennemgang af arbejde offentliggjort i 1990'erne tyder på, at dette var en periode, hvor eksperimentelle data, testdata og PoF-metoder konkurrerede med hinanden om at erstatte forældede metoder til at forudsige pålidelighed fra opslagsbøger. Hver metode har dog sine egne fordele og ulemper, og når den bruges korrekt, giver den værdifulde resultater. Som en konsekvens heraf udgav IEEE for nylig en standard [26], der viser alle de metoder til pålidelighedsforudsigelse, der er i brug i dag. Målet med IEEE var at udarbejde en guide, der ville give ingeniøren information om alle tilgængelige metoder og fordele og ulemper, der er forbundet med hver metode. Selvom IEEE-tilgangen stadig er i begyndelsen af ​​en lang udvikling, ser den ud til at have sine egne fordele, da AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) følger den med en retningslinje kaldet S-102, som ligner IEEE, men tager også hensyn til den relative kvalitet af data fra hver metode [27]. Disse vejledninger er kun beregnet til at samle de metoder, der cirkulerer i hele verdens litteratur udgivet om disse emner.

4. Fejl forårsaget af vibrationer

Meget af den tidligere forskning har primært fokuseret på tilfældig vibration som en PCB-belastning, men den følgende undersøgelse ser specifikt på stødrelaterede fejl. Sådanne metoder vil ikke blive diskuteret fuldt ud her, da de falder ind under klassificeringen af ​​PoF-metoder og diskuteres i afsnit 8.1 og 8.2 i denne artikel. Heen et al. [24] skabte et testkort for at teste integriteten af ​​BGA-loddeforbindelser, når de udsættes for stød. Lau et al. [36] beskrev pålideligheden af ​​PLCC, PQFP og QFP komponenter under in-plane og out-of-plane påvirkninger. Pitarresi et al. [53,55] så på fejl på computerbundkort på grund af stødbelastninger og gav en god gennemgang af litteraturen, der beskriver elektronisk udstyr under stødbelastning. Steinberg [62] giver et helt kapitel om design og analyse af påvirket elektronisk udstyr, der dækker både, hvordan man forudsiger stødmiljøet, og hvordan man sikrer ydeevnen af ​​elektroniske komponenter. Sukhir [64,65] beskrev fejl i lineære beregninger af et trykt kredsløbskorts respons på en stødbelastning påført kortfastgørelseselementer. Reference- og eksperimentelle datametoder kan således overveje påvirkningsrelaterede udstyrsfejl, men disse metoder beskriver implicit "påvirkningsfejl".

5. Referencemetoder

Af alle de tilgængelige metoder, der er beskrevet i manualerne, vil vi begrænse os til kun to, der overvejer vibrationsfejl: Mil-Hdbk-217 og CNET [9]. Mil-Hdbk-217 accepteres som standard af de fleste producenter. Som alle manuelle og referencemetoder er de baseret på empiriske tilgange, der sigter mod at forudsige komponentpålidelighed ud fra eksperimentelle eller laboratoriedata. Metoderne beskrevet i referencelitteraturen er relativt enkle at implementere, da de ikke kræver kompliceret matematisk modellering og kun bruger typer af dele, antal dele, driftsbetingelser for tavlen og andre let tilgængelige parametre. Indgangsdataene indtastes derefter i modellen for at beregne tiden mellem fejl, MTBF. På trods af sine fordele bliver Mil-Hdbk-217 mindre og mindre populær [12, 17,42,50,51]. Lad os overveje en ufuldstændig liste over begrænsninger for dens anvendelighed.

1. Dataene er i stigende grad forældede, da de sidst er blevet opdateret i 1995 og ikke relevante for de nye komponenter, er der ingen chance for at modellen bliver revideret, da Defence Standards Improvement Board har besluttet at lade metoden "dø en naturlig død" [ 26].
2. Metoden giver ikke information om fejltilstanden, så PCB-layoutet kan ikke forbedres eller optimeres.
3. Modellerne antager, at fejl er designuafhængige, idet man ignorerer layoutet af komponenter på printkortet, men komponentlayout er kendt for at have stor indflydelse på sandsynligheden for fejl. [50].
4. De indsamlede empiriske data indeholder mange unøjagtigheder, data anvendes fra førstegenerationskomponenter med en unaturligt høj fejlrate på grund af fejlregistreringer af driftstid, reparation osv., hvilket reducerer pålideligheden af ​​pålidelighedsforudsigelsesresultaterne [51].

Alle disse mangler indikerer, at brugen af ​​referencemetoder bør undgås, men inden for grænserne af disse metoders tilladelighed skal en række krav i den tekniske specifikation implementeres. Derfor bør referencemetoder kun anvendes, når det er relevant, dvs. i de tidlige stadier af design [46]. Desværre bør selv denne brug behandles med en vis forsigtighed, da disse typer af metoder ikke er blevet revideret siden 1995. Derfor er referencemetoder i sagens natur dårlige forudsigere for mekanisk pålidelighed og bør bruges med forsigtighed.

6. Test data metoder

Testdatametoder er de enkleste pålidelighedsforudsigelsesmetoder, der er tilgængelige. En prototype af det foreslåede printkortdesign udsættes for miljøvibrationer gengivet på en laboratoriebænk. Dernæst analyseres destruktionsparametrene (MTTF, stødspektrum), hvorefter dette bruges til at beregne pålidelighedsindikatorer [26]. Testdatametoden bør anvendes under hensyntagen til dens fordele og ulemper.
Den største fordel ved testdatametoder er den høje nøjagtighed og pålidelighed af resultaterne, så for udstyr med høj risiko for fejl, bør den sidste fase af designprocessen altid omfatte vibrationskvalifikationstest. Ulempen er den lange tid, det tager at fremstille, installere og belaste prøveemnet, hvilket gør metoden uegnet til designforbedringer af udstyr med stor sandsynlighed for fejl. For en iterativ produktdesignproces bør en hurtigere metode overvejes. Belastningseksponeringstiden kan reduceres ved accelereret test, hvis pålidelige modeller er tilgængelige til efterfølgende beregning af den faktiske levetid [70,71]. Accelererede testmetoder er dog mere velegnede til modellering af termiske fejl end vibrationsfejl. Dette skyldes, at det tager kortere tid at teste virkningerne af termiske belastninger på udstyr end at teste virkningerne af vibrationsbelastninger. Effekten af ​​vibrationer kan først optræde i produktet efter lang tid.

Som en konsekvens heraf bruges testmetoder generelt ikke til vibrationsfejl, medmindre der er formildende omstændigheder, såsom lave spændinger, der resulterer i meget lange tider til svigt. Eksempler på dataverifikationsmetoder kan ses i Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al. [57], Liguore og Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih og Jung [30]. En god generel oversigt over metoden er givet i IEEE [26].

7. Eksperimentelle datametoder

Den eksperimentelle datametode er baseret på fejldata fra lignende printkort, der er blevet testet under specificerede driftsforhold. Metoden er kun korrekt for printkort, der vil opleve lignende belastninger. Den eksperimentelle datametode har to hovedaspekter: opbygning af en database over fejl i elektroniske komponenter og implementering af metoden baseret på det foreslåede design. For at opbygge en passende database skal der være relevante fejldata, der er indsamlet fra lignende designs; det betyder, at data om fejl på lignende udstyr skal eksistere. Defekt udstyr skal også analyseres og statistik indsamles korrekt, det er ikke nok at konstatere, at et givent PCB-design fejlede efter et vist antal timer, stedet, fejltilstanden og fejlårsagen skal fastlægges. Medmindre alle tidligere fejldata er blevet grundigt analyseret, vil der være behov for en lang periode med dataindsamling, før den eksperimentelle datametode kan anvendes.

En mulig løsning på denne begrænsning er at implementere Highly Accelerated Lifecycle Testing (HALT) med det formål hurtigt at opbygge en fejlfrekvensdatabase, selvom nøjagtig gengivelse af miljøparametre er udfordrende, men afgørende [27]. En beskrivelse af anden fase af implementeringen af ​​den eksperimentelle datametode kan læses i [27], som viser, hvordan man forudsiger MTBF for et foreslået design, hvis designet under test opnås ved at modificere et eksisterende kort, for hvilket der allerede findes detaljerede fejldata. . Andre anmeldelser af eksperimentelle datametoder er beskrevet af forskellige forfattere i [11,17,20,26].

8. Computersimulering af fejltilstande (PoF)

Computermodelleringsteknikker for fejltilstande, også kaldet stress- og skadesmodeller eller PoF-modeller, implementeres i en to-trins pålidelighedsforudsigelsesproces. Det første trin inkluderer at søge efter det trykte kredsløbs respons på en dynamisk belastning, der påføres det; i det andet trin beregnes modellens respons for at sikre en given pålidelighedsindikator. Det meste af litteraturen er ofte viet til både metoden til at forudsige respons og processen med at finde fejlkriterier. Disse to metoder forstås bedst, når de er beskrevet uafhængigt, så denne gennemgang vil overveje disse to trin separat.

Mellem stadierne med forudsigelse af responsen og søgning efter fejlkriterier overføres datasættet, der er oprettet i den første fase og brugt i den anden, til modellen. Responsvariablen har udviklet sig fra at bruge inputaccelerationen på chassiset [15,36,37,67], gennem den faktiske acceleration, som komponenten oplever, til at tage højde for de forskellige vibrationsresponser af forskellige PCB-layouts [40], og endelig til at overveje lokal ekskursion [62] eller lokale bøjningsmomenter [59] oplevet af PCB'et lokalt for komponenten.

Det er blevet bemærket, at fejl er en funktion af arrangementet af komponenter på et printkort [21,38], så modeller, der inkorporerer lokal vibrationsrespons er mere tilbøjelige til at være nøjagtige. Valget af hvilken parameter (lokal acceleration, lokal afbøjning eller bøjningsmoment) der er den afgørende faktor for svigt afhænger af det konkrete tilfælde.
Hvis der anvendes SMT-komponenter, kan krumnings- eller bøjningsmomenter være de væsentligste faktorer for svigt; for tunge komponenter bruges lokale accelerationer typisk som fejlkriterier. Desværre er der ikke udført forskning for at vise, hvilken type kriterier der er mest passende i et givet sæt inputdata.

Det er vigtigt at overveje egnetheden af ​​enhver anvendt PoF-metode, da det ikke er praktisk at bruge nogen PoF-metode, analytisk eller FE, der ikke understøttes af laboratorietestdata. Derudover er det vigtigt kun at bruge enhver model inden for rammerne af dens anvendelighed, hvilket desværre begrænser anvendeligheden af ​​de fleste nuværende PoF-modeller til brug under meget specifikke og begrænsede forhold. Gode ​​eksempler på diskussion af PoF-metoder er beskrevet af forskellige forfattere [17,19,26,49].

8.1. Forudsigelse af svar

Responsforudsigelse involverer at bruge en strukturs geometri og materialeegenskaber til at beregne den krævede responsvariabel. Dette trin forventes kun at fange den overordnede respons af det underliggende PCB og ikke responsen fra individuelle komponenter. Der er tre hovedtyper af responsforudsigelsesmetode: analytiske, detaljerede FE-modeller og forenklede FE-modeller, beskrevet nedenfor. Disse metoder fokuserer på at inkorporere stivheden og masseeffekterne af tilføjede komponenter, men det er vigtigt ikke at miste af syne vigtigheden af ​​nøjagtig modellering af rotationsstivheden ved kanten af ​​printkortet, da dette er tæt forbundet med modelnøjagtighed (dette er diskuteret i Afsnit 8.1.4). Fig. 1. Eksempel på en detaljeret model af et printkort [53].

8.1.1. Analytisk respons forudsigelse

Steinberg [62] giver den eneste analytiske metode til at beregne vibrationsresponsen af ​​et printkort. Steinberg anfører, at amplituden af ​​oscillation ved resonans af en elektronisk enhed er lig med to gange kvadratroden af ​​resonansfrekvensen; denne påstand er baseret på utilgængelige data og kan ikke verificeres. Dette gør det muligt at beregne den dynamiske afbøjning ved resonans analytisk, som derefter kan bruges til at beregne enten den dynamiske belastning fra en tung komponent eller krumningen af ​​printkortet. Denne metode producerer ikke direkte lokal PCB-respons og er kun kompatibel med de afbøjningsbaserede fejlkriterier beskrevet af Steinberg.

Validiteten af ​​antagelsen om overføringsfunktionsfordeling baseret på amplitudemålinger er tvivlsom, da Pitarresi et al. [53] målte en kritisk dæmpning på 2 % for et computerbundkort, mens Steinbergs antagelse ville give 3,5 % (baseret på egenfrekvensen 54). Hz), hvilket ville føre til en stor undervurdering af brættets reaktion på vibrationer.

8.1.2. Detaljerede FE-modeller

Nogle forfattere demonstrerer brugen af ​​detaljerede FE-modeller til at beregne vibrationsresponsen af ​​et printkort [30,37,53, 57,58] (Figur 1-3 viser eksempler med et øget detaljeringsniveau), men brugen af ​​disse metoder anbefales ikke til et kommercielt produkt (medmindre kun nøjagtig forudsigelse af den lokale respons ikke er absolut nødvendig), da den tid, der kræves til at bygge og løse en sådan model, er for lang. Forenklede modeller producerer data med passende nøjagtighed meget hurtigere og til lavere omkostninger. Den tid, der kræves til at bygge og løse en detaljeret FE-model, kan reduceres ved at bruge JEDEC 4-fjederkonstanter offentliggjort i [33-35], disse fjederkonstanter kan bruges i stedet for den detaljerede FE-model for hver ledning. Derudover kan understrukturmetoden (nogle gange kendt som superelementmetoden) implementeres for at reducere den beregningstid, der kræves for at løse detaljerede modeller. Det skal bemærkes, at detaljerede FE-modeller ofte udvisker grænserne mellem responsforudsigelse og fejlkriterier, så det arbejde, der refereres til her, kan også falde ind under listen over værker, der indeholder fejlkriterier.

8.1.3. Distribuerede FE-modeller

Forenklede FE-modeller reducerer modeloprettelse og løsningstid. Den tilføjede komponentmasse og dens stivhed kan repræsenteres ved blot at simulere et tomt PCB med øget masse og stivhed, hvor virkningerne af masse og stivhed inkorporeres ved lokalt at øge PCB'ens Youngs modul.

Fig. 2. Eksempel på en detaljeret model af en QFP-komponent, der bruger symmetri til at forenkle modelleringsprocessen og reducere løsningstiden [36]. Fig. 3. Eksempel på en detaljeret FE-model af J-lead [6].

Stivhedsforbedringsfaktoren kan beregnes ved fysisk at skære det fastgjorte element ud og anvende bøjningstestmetoder [52]. Pitarresi et al. [52,54] undersøgte forenklingseffekten af ​​tilføjet masse og stivhed tilvejebragt af komponenter knyttet til et printkort.

Det første papir undersøger et enkelt tilfælde af en forenklet FE-model af et printkort, verificeret mod eksperimentelle data. Dette papirs hovedinteresseområde er bestemmelsen af ​​distribuerede egenskaber, med det forbehold, at høj nøjagtighed af vridningsstivhed er påkrævet for en nøjagtig model.

Den anden artikel ser på fem forskellige fyldte PCB'er, hver modelleret med flere forskellige niveauer af forenkling af dens sammensætning. Disse modeller sammenlignes med eksperimentelle data. Denne artikel afsluttes med nogle lærerige observationer af sammenhængen mellem masse-stivhedsforhold og modelnøjagtighed. Begge disse papirer bruger kun naturlige frekvenser og MEC'er (modal assurance criteria) til at bestemme sammenhængen mellem de to modeller. Fejlen i egenfrekvensen kan desværre ikke give nogen information om fejlen i lokale accelerationer eller bøjningsmomenter, og MKO kan kun give den overordnede sammenhæng mellem to naturlige tilstande, men kan ikke bruges til at beregne den procentvise fejl ved acceleration eller krumning. Ved at bruge en kombination af numerisk analyse og computersimulering gør Cifuentes [10] følgende fire observationer.

1. Simulerede tilstande skal indeholde mindst 90 % vibrerende masse for nøjagtig analyse.
2. I tilfælde hvor pladens afvigelser er sammenlignelige med dens tykkelse, kan ikke-lineær analyse være mere hensigtsmæssig end lineær analyse.
3. Små fejl i komponentplacering kan forårsage store fejl i responsmålinger.
4. Responsmålenøjagtighed er mere følsom over for fejl i masse end stivhed.

8.1.4. Grænseforhold

PCB-kantrotationsstivhedskoefficienten har en væsentlig indflydelse på nøjagtigheden af ​​den beregnede respons [59], og afhængigt af den specifikke konfiguration er den af ​​meget større betydning end den tilføjede komponentmasse og stivhed. Modellering af rotationskantens stivhed som nul (i det væsentlige kun en understøttet tilstand) giver normalt konservative resultater, mens modellering som stramt fastspændt normalt undervurderer resultaterne, da selv de stiveste PCB-spændemekanismer ikke kan sikre en fuldt fastspændt kanttilstand. Barker og Chen [5] validerer den analytiske teori med eksperimentelle resultater for at vise, hvordan kantrotationsstivhed påvirker den naturlige frekvens af et PCB. Hovedresultatet af dette arbejde er den stærke sammenhæng mellem kantrotationsstivhed og naturlige frekvenser, i overensstemmelse med teorien. Dette betyder også, at store fejl i modelleringen af ​​kantrotationsstivhed vil føre til store fejl i responsforudsigelsen. Selvom dette arbejde blev overvejet i et bestemt tilfælde, er det anvendeligt til modellering af alle typer af randbetingelsesmekanismer. Ved at bruge eksperimentelle data fra Lim et al. [41] giver et eksempel på, hvordan kantrotationsstivheden kan beregnes til at bruge FE i en PCB-model; dette opnås ved hjælp af en metode tilpasset fra Barker og Chen [5]. Dette arbejde viser også, hvordan man bestemmer den optimale placering af ethvert punkt i en struktur for at maksimere naturlige frekvenser. Værker, der specifikt overvejer effekten af ​​at ændre grænsebetingelser for at reducere vibrationsrespons, findes også af Guo og Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti og Schwingshackl [3], Lim et al. [41].

8.1.5. Forudsigelser om stød og vibrationer

Pitarresi et al. [53-55] bruge en detaljeret FE-model af et printkort til at forudsige stød- og vibrationsresponsen af ​​et kort med komponenter repræsenteret som 3D-blokke. Disse modeller brugte eksperimentelt bestemte konstante dæmpningsforhold for at forbedre forudsigelsen af ​​respons ved resonans. Impact response spectrum (SRS) og tids-sweeping metoder blev sammenlignet for effekt respons forudsigelse, hvor begge metoder er en afvejning mellem nøjagtighed og løsningstid.

8.2. Afvisningskriterier

Fejlkriterier tager et mål for PCB'ens respons og bruger det til at udlede en fejlmåling, hvor fejlmålingen kan være middeltid mellem fejl (MTBF), cyklusser til fejl, sandsynlighed for fejlfri drift eller enhver anden pålidelighedsmetrik (se IEEE [26]; Jensen[28] 47], O'Connor [XNUMX] for en diskussion af fejlmålinger). De mange forskellige tilgange til at generere disse data kan bekvemt opdeles i analytiske og empiriske metoder. Empiriske metoder genererer fejlkriteriedata ved at indlæse testprøver af komponenter til den nødvendige dynamiske belastning. På grund af den brede vifte af inputdata (komponenttyper, PCB-tykkelser og belastninger), der er mulige i praksis, er det desværre usandsynligt, at de offentliggjorte data er direkte anvendelige, da dataene kun er gyldige i helt særlige tilfælde. Analytiske metoder lider ikke af sådanne ulemper og har meget bredere anvendelighed.

8.2.1. Empiriske fiaskokriterier

Som nævnt tidligere er en begrænsning ved de fleste empiriske modeller, at de kun er anvendelige til konfigurationer, der involverer samme PCB-tykkelse, lignende komponenttyper og inputbelastning, hvilket er usandsynligt. Den tilgængelige litteratur er dog nyttig af følgende årsager: den giver gode eksempler på udførelse af fejltests, fremhæver forskellige muligheder for fejlmålinger og giver værdifuld information om fejlmekanikken. Li [37] skabte en empirisk model til at forudsige pålideligheden af ​​272-bens BGA- og 160-bens QFP-pakker. Træthedsskader i lederne og i pakkelegemet undersøges, og forsøgsresultaterne stemmer godt overens med spændingsbaseret skadesanalyse beregnet ved hjælp af en detaljeret FE-model (se også Li og Poglitsch [38,39]). Processen producerer kumulativ skade for et givet niveau af vibrationsacceleration af vibrationsindgangssignalet.
Lau et al. [36] vurderede pålideligheden af ​​specifikke komponenter under stød- og vibrationsbelastning ved hjælp af Weibull-statistikker. Liguore og Followell [40] undersøgte fejl i LLCC og J-lead komponenter ved at variere den lokale acceleration på tværs af servicecyklusser. Lokal acceleration bruges i modsætning til chassis input acceleration, og effekten af ​​temperatur på testresultater blev undersøgt. Artiklen henviser også til forskning i effekten af ​​PCB-tykkelse på komponenternes pålidelighed.

Guo og Zhao [21] sammenligner komponenternes pålidelighed, når lokal torsionskrumning bruges som belastning, i modsætning til tidligere undersøgelser, der brugte acceleration. Træthedsskader simuleres, derefter sammenlignes FE-modellen med eksperimentelle resultater. Artiklen diskuterer også optimering af komponentlayout for at forbedre pålideligheden.

Ham og Lee [22] præsenterer en testdatametode for problemet med bestemmelse af blyloddespændinger under cyklisk torsionsbelastning. Estes et al. [15] overvejede fejlproblemet med mågevingekomponenter (GOST IEC 61188-5-5-2013) med påført inputacceleration og termisk belastning. De undersøgte komponenter er chippakketyperne CQFP 352, 208, 196, 84 og 28 samt FP 42 og 10. Artiklen er helliget elektroniske komponenters svigt på grund af fluktuationer i en geostationær jordsatellits kredsløb, tiden mellem fejl er givet i form af års flyvning på geostationære eller lave jordbaner. Det bemærkes, at svigt af mågevingetråde er mere sandsynligt på steder i kontakt med emballagelegemet end ved loddeforbindelsen.

Jih og Jung [30] overvejer udstyrsfejl forårsaget af iboende fabrikationsfejl i loddeforbindelsen. Dette gøres ved at skabe en meget detaljeret FE-model af printkortet og finde den spektrale effekttæthed (PSD) for forskellige fremstillingsrevner. Ligyore, Followell [40] og Shetty, Reinikainen [58] foreslår, at empiriske metoder producerer de mest nøjagtige og nyttige fejldata for specifikke tilsluttede komponentkonfigurationer. Denne slags metoder bruges, hvis visse inputdata (pladetykkelse, komponenttype, krumningsområde) kan holdes konstant gennem hele designet, eller hvis brugeren har råd til at udføre reelle test af denne art.

8.2.2. Kriterium for analytisk fejl

SMT modeller af hjørnesamlinger

Forskellige forskere, der ser på SMT-hjørnepinsfejl, tyder på, at dette er den mest almindelige årsag til fejl. Artiklerne af Sidharth og Barker [59] fuldender en tidligere serie af artikler ved at præsentere en model til bestemmelse af belastningen af ​​SMT-hjørneledninger og løkkeledningskomponenter. Den foreslåede model har en fejl på mindre end 7 % sammenlignet med den detaljerede FE-model for seks worst-case scenarier. Modellen er baseret på en formel tidligere udgivet af Barker og Sidharth [4], hvor afbøjningen af ​​en fastgjort del udsat for et bøjningsmoment blev modelleret. Papiret af Sukhir [63] undersøger analytisk de forventede spændinger i pakketerminaler på grund af lokalt påførte bøjningsmomenter. Barker og Sidharth [4] bygger videre på arbejdet fra Sukhir [63], Barker et al. [4], som overvejer indflydelsen af ​​førende rotationsstivhed. Endelig brugte Barker et al. [7] detaljerede FE-modeller til at studere effekten af ​​dimensionsvariationer i bly på blytræthedslevetid.

Det er passende her at nævne arbejdet med JEDEC blyfjederkonstanter, som i høj grad forenklede skabelsen af ​​modeller af blykomponenter [33-35]. Fjederkonstanter kan bruges i stedet for en detaljeret model af ledningsforbindelser; den tid, der kræves til at bygge og løse FE-modellen, vil blive reduceret i modellen. Brugen af ​​sådanne konstanter i komponent-FE-modellen vil forhindre direkte beregning af lokale blyspændinger. I stedet vil den samlede blybelastning blive angivet, som så skal relateres til enten lokale blyspændinger eller blybrudskriterier baseret på produktets livscyklus.

Materialetræthedsdata

De fleste data om svigt af materialer brugt til loddemidler og komponenter er primært relateret til termisk svigt, og der findes relativt få data relateret til udmattelsesfejl. En vigtig reference på dette område er leveret af Sandor [56], som leverer data om mekanikken ved træthed og svigt af loddelegeringer. Steinberg [62] overvejer svigtet af loddeprøver. Træthedsdata for standardlodninger og ledninger er tilgængelige i Yamadas papir [69].

Fig. 4. Den sædvanlige fejlposition fra manualen til QFP-komponenter er tæt på pakkens krop.

Modelleringsfejl forbundet med loddebinding er udfordrende på grund af dette materiales usædvanlige egenskaber. Løsningen på dette spørgsmål afhænger af den komponent, der skal testes. Det er kendt, at der for QFP-pakker normalt ikke tages højde for dette, og pålideligheden vurderes ved hjælp af referencelitteratur. Men hvis lodning af store BGA- og PGA-komponenter beregnes, kan ledningsforbindelser på grund af deres usædvanlige egenskaber påvirke produktets fejl. For QFP-pakker er blytræthedsegenskaber den mest nyttige information. For BGA er information om holdbarheden af ​​loddesamlinger udsat for øjeblikkelig plastisk deformation mere nyttig [14]. For større komponenter leverer Steinberg [62] spændingsdata for loddeforbindelsesudtræk.

Modeller med svære komponenter

De eneste fejlmodeller, der findes for tunge komponenter, er præsenteret i et papir af Steinberg [62], som undersøger komponenters trækstyrke og giver et eksempel på, hvordan man beregner den maksimalt tilladte spænding, der kan påføres en ledningsforbindelse

8.3. Konklusioner om anvendeligheden af ​​PoF-modeller

Følgende konklusioner er draget i litteraturen vedrørende PoF-metoder.

Lokal respons er afgørende for at forudsige komponentfejl. Som nævnt i Li, Poglitsch [38], er komponenter ved kanterne af et PCB mindre modtagelige for fejl end dem, der er placeret i midten af ​​PCB'et på grund af lokale forskelle i bøjning. Følgelig vil komponenter på forskellige steder på printkortet have forskellige sandsynligheder for fejl.

Lokal kortkrumning betragtes som et vigtigere fejlkriterium end acceleration for SMT-komponenter. Nylige værker [38,57,62,67] indikerer, at kortets krumning er det vigtigste fejlkriterium.

Forskellige typer pakker, både hvad angår antallet af ben og den anvendte type, er i sagens natur mere pålidelige end andre, uanset det specifikke lokale miljø [15,36,38].
Temperatur kan påvirke komponenternes pålidelighed. Liguore og Followell [40] angiver, at træthedslevetiden er højest i temperaturområdet fra 0 ◦C til 65 ◦C, med et mærkbart fald ved temperaturer under -30 ◦C og over 95 ◦C. For QFP-komponenter anses det sted, hvor ledningen fastgøres til pakken (se fig. 4), som den primære fejlplacering snarere end loddeforbindelsen [15,22,38].

Pladetykkelse har en klar indflydelse på SMT-komponenters udmattelseslevetid, da BGA udmattelseslevetid har vist sig at falde med ca. 30-50 gange, hvis pladens tykkelse øges fra 0,85 mm til 1,6 mm (samtidig med konstant generel krumning) [13] . Fleksibiliteten (compliance) af komponentledninger påvirker i væsentlig grad pålideligheden af ​​perifere ledningskomponenter [63], men dette er et ikke-lineært forhold, og mellemforbindelsesledninger er de mindst pålidelige.

8.4. Software metoder

Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) ved University of Maryland leverer software til beregning af vibrations- og stødresponsen af ​​printplader. Softwaren (kaldet CALCE PWA) har en brugergrænseflade, der forenkler processen med at køre FE-modellen og automatisk indlæser responsberegningen i vibrationsmodellen. Der er ingen antagelser brugt til at skabe FE-responsmodellen, og de anvendte fejlkriterier er taget fra Steinberg [61] (selvom Barkers' metode [48] også forventes at blive implementeret). For at give generelle anbefalinger til forbedring af udstyrs pålidelighed fungerer den beskrevne software godt, især da den samtidig tager hensyn til termisk inducerede spændinger og kræver minimal specialiseret viden, men nøjagtigheden af ​​fejlkriterierne i modellerne er ikke blevet verificeret eksperimentelt.

9. Metoder til at øge udstyrets pålidelighed

Dette afsnit vil diskutere post-projekt ændringer, der forbedrer pålideligheden af ​​elektronisk udstyr. De falder i to kategorier: dem, der ændrer printets randbetingelser, og dem, der øger dæmpningen.

Hovedformålet med modifikationer af grænsebetingelser er at reducere den dynamiske afbøjning af printpladen, dette kan opnås gennem afstivning af ribber, yderligere understøtninger eller reduktion af vibrationer af inputmediet. Afstivninger kan være nyttige, da de øger de naturlige frekvenser, og derved reducerer dynamisk afbøjning [62], det samme gælder for tilføjelse af yderligere understøtninger [3], selvom placeringen af ​​understøtninger også kan optimeres, som vist i værkerne af JH Ong og Lim [ 40]. Desværre kræver ribber og understøtninger normalt et redesign af layoutet, så disse teknikker overvejes bedst tidligt i designcyklussen. Derudover bør man sørge for at sikre, at modifikationer ikke ændrer de naturlige frekvenser, så de matcher de naturlige frekvenser af den understøttende struktur, da dette ville være kontraproduktivt.

Tilføjelse af isolering forbedrer produktets pålidelighed ved at reducere påvirkningen af ​​det dynamiske miljø, der overføres til udstyret og kan opnås enten passivt eller aktivt.
Passive metoder er normalt enkle og billigere at implementere, såsom brugen af ​​kabelisolatorer [66] eller brugen af ​​pseudoelastiske egenskaber af formhukommelseslegeringer (SMA) [32]. Det er dog kendt, at dårligt designede isolatorer faktisk kan øge responsen.
Aktive metoder giver bedre dæmpning over et bredere frekvensområde, normalt på bekostning af enkelhed og masse, så de er normalt beregnet til at forbedre nøjagtigheden af ​​meget følsomme præcisionsinstrumenter i stedet for at forhindre skader. Aktiv vibrationsisolering omfatter elektromagnetiske [60] og piezoelektriske metoder [18,43]. I modsætning til grænsetilstandsmodifikationsmetoder har dæmpningsmodifikation til formål at reducere den maksimale resonansrespons af elektronisk udstyr, mens de faktiske naturlige frekvenser kun bør ændre sig lidt.

Som med vibrationsisolering kan dæmpning opnås enten passivt eller aktivt, med lignende designforenklinger i førstnævnte og større kompleksitet og dæmpning i sidstnævnte.

Passive metoder omfatter for eksempel meget simple metoder såsom limning af materiale, hvorved dæmpningen af ​​printpladen øges [62]. Mere sofistikerede metoder omfatter partikeldæmpning [68] og brugen af ​​bredbånds dynamiske absorbere [25].

Aktiv vibrationskontrol opnås normalt ved brug af piezokeramiske elementer bundet til overfladen af ​​printkortet [1,45]. Anvendelsen af ​​hærdningsmetoder er sagsspecifik og skal nøje overvejes i forhold til andre metoder. Anvendelse af disse teknikker på udstyr, der ikke vides at have pålidelighedsproblemer, vil ikke nødvendigvis øge omkostningerne og vægten af ​​designet. Men hvis et produkt med et godkendt design fejler under test, kan det være meget hurtigere og nemmere at anvende en strukturel hærdningsteknik end at redesigne udstyret.

10. Muligheder for udvikling af metoder

Dette afsnit beskriver muligheder for at forbedre pålidelighedsforudsigelse af elektronisk udstyr, selvom de seneste fremskridt inden for optoelektronik, nanoteknologi og pakketeknologier snart kan begrænse anvendeligheden af ​​disse forslag. De fire vigtigste metoder til forudsigelse af pålidelighed er muligvis ikke i brug på tidspunktet for enhedsdesign. Den eneste faktor, der kunne gøre sådanne metoder mere attraktive, ville være udviklingen af ​​fuldt automatiserede, billige fremstillings- og testteknologier, da dette ville gøre det muligt at bygge og afprøve det foreslåede design meget hurtigere end i øjeblikket muligt med minimal menneskelig indsats.

PoF-metoden har meget plads til forbedring. Det vigtigste område, hvor det kan forbedres, er integration med den overordnede designproces. Elektronisk udstyrsdesign er en iterativ proces, der bringer udvikleren tættere på det færdige resultat kun i samarbejde med ingeniører med speciale inden for elektronik, fremstilling og termisk teknik og konstruktionsdesign. En metode, der automatisk løser nogle af disse problemer samtidigt, vil reducere antallet af designgentagelser og spare betydelige mængder tid, især når man overvejer mængden af ​​interafdelingskommunikation. Andre forbedringsområder i PoF-metoder vil blive opdelt i typer af responsforudsigelse og fiaskokriterier.

Responsforudsigelse har to mulige veje frem: enten hurtigere, mere detaljerede modeller eller forbedrede, forenklede modeller. Med fremkomsten af ​​stadigt stærkere computerprocessorer kan løsningstiden for detaljerede FE-modeller blive ret kort, samtidig med at produktmonteringstiden takket være moderne software reduceres, hvilket i sidste ende minimerer omkostningerne til menneskelige ressourcer. Forenklede FE-metoder kan også forbedres ved en proces til automatisk generering af FE-modeller, svarende til dem, der foreslås for detaljerede FE-metoder. Automatisk software (CALCE PWA) er i øjeblikket tilgængelig til dette formål, men teknologien er ikke velafprøvet i praksis, og modelleringsantagelserne er ukendte.

Beregning af den usikkerhed, der er forbundet med forskellige forenklingsmetoder, ville være meget nyttig, hvilket gør det muligt at implementere nyttige fejltolerancekriterier.

Endelig ville en database eller metode til at bibringe øget stivhed til vedhæftede komponenter være nyttig, hvor disse stivhedsforøgelser kunne bruges til at forbedre nøjagtigheden af ​​svarmodeller. Oprettelsen af ​​komponentfejlkriterier er afhængig af den lille variation mellem lignende komponenter fra forskellige producenter, samt den mulige udvikling af nye emballagetyper, da enhver metode eller database til bestemmelse af fejlkriterier skal tage højde for sådanne variationer og ændringer.

En løsning ville være at skabe en metode/software til automatisk at bygge detaljerede FE-modeller baseret på inputparametre som bly og emballagedimensioner. Denne metode kan være mulig for generelt ensartet formede komponenter såsom SMT- eller DIP-komponenter, men ikke for komplekse uregelmæssige komponenter såsom transformere, drosler eller brugerdefinerede komponenter.

Efterfølgende FE-modeller kan løses for spændinger og kombineres med materialebrudsdata (S-N plasticitetskurvedata, brudmekanik eller lignende) for at beregne komponentlevetid, selvom materialebrudsdata skal være af høj kvalitet. FE-processen bør korreleres med reelle testdata, helst over så bred en række konfigurationer som muligt.

Indsatsen involveret i en sådan proces er relativt lille sammenlignet med alternativet med direkte laboratorietestning, som skal udføre et statistisk signifikant antal test på tværs af forskellige PCB-tykkelser, varierende belastningsintensiteter og belastningsretninger, selv med hundredvis af forskellige komponenttyper tilgængelige for flere typer af brædder. Med hensyn til simpel laboratorietestning kan der være en metode til at forbedre værdien af ​​hver test.

Hvis der var en metode til at beregne den relative stigning i spænding som følge af ændringer i visse variable, såsom PCB-tykkelse eller blydimensioner, så kunne ændringen i komponentlevetid efterfølgende estimeres. En sådan metode kan skabes ved hjælp af FE-analyse eller analytiske metoder, hvilket i sidste ende fører til en simpel formel til beregning af fejlkriterier ud fra eksisterende fejldata.

I sidste ende forventes det, at der vil blive skabt en metode, der kombinerer alle de forskellige tilgængelige værktøjer: FE-analyse, testdata, analytisk analyse og statistiske metoder for at skabe de mest præcise fejldata som muligt med de begrænsede ressourcer, der er til rådighed. Alle individuelle elementer i PoF-metoden kan forbedres ved at indføre stokastiske metoder i processen for at tage højde for virkningerne af variabilitet i elektroniske materialer og fremstillingsstadier. Dette ville gøre resultaterne mere realistiske, måske føre til en proces til at skabe udstyr, der er mere robust over for variabilitet og samtidig minimere produktnedbrydning (inklusive vægt og omkostninger).

I sidste ende kunne sådanne forbedringer endda give mulighed for realtidsvurdering af udstyrs pålidelighed under designprocessen, hvilket øjeblikkeligt foreslår sikrere komponentmuligheder, layouts eller andre anbefalinger for at forbedre pålideligheden, mens de løser andre problemer såsom elektromagnetisk interferens (EMI), termisk og industriel.

11. Konklusion

Denne gennemgang introducerer kompleksiteten ved at forudsige pålideligheden af ​​elektronisk udstyr, sporing af udviklingen af ​​fire typer analysemetoder (lovgivningslitteratur, eksperimentelle data, testdata og PoF), hvilket fører til en syntese og sammenligning af disse typer metoder. Det bemærkes, at referencemetoder kun er nyttige til indledende undersøgelser, eksperimentelle datametoder er kun nyttige, hvis omfattende og nøjagtige tidsdata er tilgængelige, og testdatametoder er afgørende for designkvalifikationstestning, men er utilstrækkelige til optimering.

PoF-metoder diskuteres mere detaljeret end i tidligere litteraturgennemgange, idet forskningen opdeles i kategorier af forudsigelseskriterier og sandsynlighed for fiasko. Afsnit "Responsforudsigelse" gennemgår litteraturen om distribuerede egenskaber, grænsetilstandsmodellering og detaljeringsniveauer i FE-modeller. Valget af responsforudsigelsesmetode er vist at være en afvejning mellem nøjagtighed og tid til at generere og løse FE-modellen, hvilket igen understreger vigtigheden af ​​nøjagtigheden af ​​randbetingelserne. Afsnittet "Fejlkriterier" diskuterer empiriske og analytiske fejlkriterier; for SMT-teknologi leveres gennemgange af modeller og tunge komponenter.
Empiriske metoder er kun anvendelige til meget specifikke tilfælde, selvom de giver gode eksempler på metoder til pålidelighedstestning, hvorimod analytiske metoder har en meget bredere række af anvendelighed, men er mere komplekse at implementere. Der gives en kort diskussion af eksisterende fejlanalysemetoder baseret på specialiseret software. Endelig gives der implikationer for fremtiden for pålidelighedsforudsigelse, idet man overvejer retninger, i hvilke metoder til pålidelighedsforudsigelse kan udvikle sig.

Litteratur[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers og S. B. Gabriel, En effektiv model af et udstyrsbelastet panel til aktive kontroldesignstudier, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663-1673.
[2] GS Aglietti, Et lettere kabinet til elektronik til rumapplikationer, Proceeding of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131-142.
[3] G. S. Aglietti og C. Schwingshackl, Analyse af indkapslinger og antivibrationsanordninger til elektronisk udstyr til rumapplikationer, Proceedings of the 6th International Conference on Dynamics and Control of Spacecraft Structures in Space, Riomaggiore, Italien, (2004).
[4] D. B. Barker og Y. Chen, Modeling the vibration restraints of wedge lock card guides, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189-194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen og A. Dasgupta, Estimating the vibration fatigue life of quad blyed overflademontering komponenter, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195-200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta og M. Pecht, PWB-loddeforbindelseslevetidsberegninger under termisk og vibrationsbelastning, årligt pålideligheds- og vedligeholdelsessymposium, 1991 Proceedings (kat. nr. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta og M. Pecht, Effect of SMC lead dimensional variations on lead compliance and solder joint fatigue life, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177-184.
[8] D. B. Barker og K. Sidharth, Lokal PWB og komponentbøjning af en samling, der er udsat for et bøjningsmoment, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1-7.
[9] J. Bowles, A survey of reliability-prediction procedures for microelectronic devices, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2-12.
[10] AO Cifuentes, Estimating the dynamic behavior of printed circuit boards, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology Del B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69-75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy og C. Wilkinson, Reliability assessment of aerospace electronic equipment, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman og A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux og A. Syed, Reliability of area array solder joints in bending, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313-324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder og J. R. Lesniak, Mechanical behaviors of 60/40 tin-lead solder lap joints, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264-272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger og Y. Saito, Reliability of klasse 2 hælfileter på mågevinge blyholdige komponenter. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517-6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 udgave A Reliability Methodology for Electronic Systems. FIDES Group, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie og B. Meslet, A review of reliability prediction methods for electronic devices, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155-1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David og R. Pinnington, En ny piezoelektrisk aktuator med høj forskydning til aktiv vibrationskontrol, 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 og E. Vergnault, A methodology to vurdere og vælge en passende pålidelighedsforudsigelsesmetode for eee-komponenter i rumapplikationer, European Space Agency, (Special Publication) ESA SP (507) (2002), 73-80.
[20] L. Gullo, In-service pålidelighedsvurdering og top-down tilgang giver alternativ pålidelighedsforudsigelsesmetode. Årlig pålidelighed og vedligeholdelse, symposiumprocedurer (kat. nr. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo og M. Zhao, Fatigue of SMT loddesamling inklusive torsionskrumning og chipplacering optimering, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham og S.-B. Lee, Eksperimentel undersøgelse for pålidelighed af elektronisk emballage under vibration, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339-344.
[23] D. Hart, Fatigue testing of a component lead in a plated through hul, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh og K. Seetharamu, Udvikling af et dynamisk testkort til FCBGA loddeforbindelses pålidelighedsvurdering i stød og vibration. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256-262.58
[25] V. Ho, A. Veprik og V. Babitsky, Ruggedizing printed circuit boards using a wideband dynamic absorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195-210.
[26] IEEE, IEEE guide til valg og brug af pålidelighedsforudsigelser baseret på ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe og T. Kinney, Udvikling af standardformater for pålidelighedsmodeller for rumsystemer, Årligt symposium om pålidelighed og vedligeholdelse, 2003 Proceedings (Kat. nr. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Electronic Component Reliability, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong og G. Lim, En simpel teknik til at maksimere den grundlæggende frekvens af strukturer, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341-349.
[30] E. Jih og W. Jung, Vibrationstræthed af overflademonterede loddesamlinger. Ithermfl98. Sjette Intersociety-konference om termiske og termomekaniske fænomener i elektroniske systemer (kat. nr. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson og L. Gullo, Improvements in reliability assessment and prediction methodology. Årligt symposium om pålidelighed og vedligeholdelse. 2000 Proces. Internationalt symposium om produktkvalitet og integritet (kat. nr. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes og B. Henderson, Pseudoelastic SMA fjederelementer til passiv vibrationsisolering: del i modellering, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415-441 .
[33] R. Kotlowitz, Comparative compliance of repræsentative lead-designs for overflademonterede komponenter, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Overholdelsesmålinger for overflademontering af komponentledningsdesign. 1990 Proces. 40. Electronic Components and Technology Conference (kat. nr. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz og L. Taylor, Overholdelsesmålinger for de skrå mågevinge, edderkoppe-j-bøjninger og edderkoppemågevinge-ledningsdesign til overflademonteringskomponenter. 1991 Proces. 41. Electronic Components and Technology Conference (kat. nr. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice og B. Shaw, Loddeforbindelsespålidelighed af fine pitch overflademonteringsteknologisamlinger, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 13(3) (1990), 534-544.
[37] R. Li, A methodology for træthedsforudsigelse af elektroniske komponenter under tilfældig vibrationsbelastning, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394-400.
[38] R. Li og L. Poglitsch, Fatigue of plastic ball grid array and plastic quad flat packages under automotive vibration. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324-329.
[39] R. Li og L. Poglitsch, Vibrationstræthed, fejlmekanisme og pålidelighed af plastkuglegitter-array og quad-flade plastpakker.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223-228.
[41] S. Liguore og D. Followell, Vibrationstræthed af overflademonteringsteknologi (smt) loddesamlinger. Årligt pålideligheds- og vedligeholdelsessymposium 1995 Proceedings (Cat. No. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong og J. Penny, Effekt af kant- og indre punktstøtte af et trykt kredsløbskort under vibration, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122-126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Hvad er der galt med det? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze og L. Cheng, En gennemførlighedsundersøgelse af aktiv vibrationsisolering ved hjælp af tordenaktuatorer, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854-862.
[45] MIL-HDBK-217F. Pålidelighedsforudsigelse af elektronisk udstyr. US Department of Defense, F-udgave, 1995.
[46] S. R. Moheimani, En undersøgelse af nylige innovationer inden for vibrationsdæmpning og kontrol ved hjælp af shuntede piezoelektriske transducere, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482-494.
[47] S. Morris og J. Reilly, Mil-hdbk-217-et yndet mål. Årligt symposium om pålidelighed og vedligeholdelse. 1993 Proceedings (Kat. nr. 93CH3257-3), (1993), 503-509.
P. O'Connor, Praktisk pålidelighedsteknik. Wiley, 1997.
[48] ​​M. Osterman og T. Stadterman, Fejlvurderingssoftware til kredsløbskortsamlinger. Årlig pålidelighed og vedligeholdelse. Symposium. 1999 Proceedings (Cat. No. 99CH36283), 1999, 269-276.
[49] M. Pecht og A. Dasgupta, Physics-of-failure: en tilgang til pålidelig produktudvikling, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1-4.
[50] M. Pecht og W.-C. Kang, En kritik af mil-hdbk-217e pålidelighedsforudsigelsesmetoder, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453-457.
[51] M. G. Pecht og 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 og D. Smith, The smared property technique for the FE vibration analysis of printed circuit cards, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250-257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman og Y. Ling, Dynamisk modellering og måling af personlige computers bundkort. 52nd Electronic Components and Technology Conference 2002., (Kat. nr. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi og A. Primavera, Sammenligning af vibrationsmodelleringsteknikker for trykte kredsløbskort, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378-383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala og P. Geng, Mekanisk stødtest og modellering af pc-bundkort. 2004 Proceedings, 54. Electronic Components and Technology Conference (IEEE kat. nr. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Solder Mechanics – A State of the Art Assessment. Minerals, Metals and Materials Society, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola og T. Reinikainen, Fatigue of chip scale package interconnects due to cyclic bending, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty og T. Reinikainen, Tre- og firepunkts bøjningstest for elektroniske pakker, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556-561.
[59] K. Sidharth og D. B. Barker, Vibrationsinduceret træthedslevetid estimering af hjørneledninger af perifere blyholdige komponenter, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244-249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman og G. Blackwood, Blød 6-akset aktiv vibrationsisolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412-416.
[61] D. Steinberg, Vibrationsanalyse for elektronisk udstyr, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Vibrationsanalyse for elektronisk udstyr, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Kunne kompatible eksterne ledninger reducere styrken af ​​en overflademonteret enhed? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1-6.
[64] E. Suhir, Ikke-lineær dynamisk respons af et printkort på stødbelastninger påført dets støttekontur, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368-377.
[65] E. Suhir, Reaktion af et fleksibelt printkort på periodiske stødbelastninger påført dets støttekontur, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1-7.
[66] A. Veprik, Vibrationsbeskyttelse af kritiske komponenter i elektronisk udstyr under barske miljøforhold, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161-175.
[67] H. Wang, M. Zhao og Q. Guo, Vibrationstræthedseksperimenter med SMT-loddeforbindelse, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143-1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan og W. Liao, En empirisk metode til partikeldæmpningsdesign, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, A fraktur mechanics approach to soldered joint cracking, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99-104.
[70] W. Zhao og E. Elsayed, Modellering af accelereret levetidstest baseret på gennemsnitlig restlevetid, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689-696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou og E. A. Elsayed, Generalized step stress accelerated life model. Proceedings of the 2004 International Conference on the Business of Electronic Product Reliability and Liability, 2004, 19-25.

Kilde: www.habr.com