Ajakiri: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Autorid: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-post: [meiliga kaitstud]) ja Guy Richardson
Autorite kuuluvus: Astronautikauuringute rühm, Southamptoni Ülikool, Tehnikateaduste kool, Southampton, Ühendkuningriik
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Ühendkuningriik
Autoriõigus 2009 Hindawi Publishing Corporation. See on avatud juurdepääsuga artikkel, mida levitatakse Creative Commonsi omistamislitsentsi alusel, mis lubab piiramatut kasutamist, levitamist ja reprodutseerimist mis tahes kandjatel, eeldusel, et originaalteosele viidatakse õigesti.
Märkus. Tulevikus eeldatakse, et kõik kaasaegsed elektroonikaseadmed saavad üha suurema funktsionaalsusega, säilitades samal ajal võime taluda põrutus- ja vibratsioonikoormust. Usaldusväärsuse ennustamise protsess on elektroonikaseadmete keeruliste reaktsiooni- ja tõrkeomaduste tõttu keeruline, mistõttu on praegu olemasolevad meetodid kompromiss arvutuse täpsuse ja kulude vahel.
Tööstuse jaoks on väga oluline elektroonikaseadmete töökindluse usaldusväärne ja kiire prognoosimine dünaamilisel koormusel töötamisel. See artikkel näitab probleeme elektroonikaseadmete töökindluse ennustamisel, mis aeglustavad tulemusi. Arvestada tuleks ka sellega, et töökindlusmudeli koostamisel võetakse tavaliselt arvesse paljude sarnaste komponentide laia valikut seadmete konfiguratsioone. Ühe või teise meetodi kasutamise võimaluse valimiseks võrreldakse käesolevas artiklis nelja usaldusväärsuse prognoosimeetodite klassi (referentsmeetodid, katseandmed, katseandmed ja rikke füüsiliste põhjuste modelleerimine – rikke füüsika). Märgitakse, et enamik elektroonikaseadmete tõrkeid on põhjustatud termilistest koormustest, kuid käesolev ülevaade keskendub riketele, mis on põhjustatud löögist ja vibratsioonist töötamise ajal.
Tõlkija märkus. Artikkel on selleteemalise kirjanduse ülevaade. Vaatamata oma suhteliselt kõrgele eale on see suurepärane sissejuhatus erinevate meetodite abil usaldusväärsuse hindamise probleemisse.
1. Terminoloogia
BGA pallivõre massiiv.
DIP-i kaherealine protsessor, mõnikord tuntud ka kui kaherealine pakett.
FE lõplik element.
PGA Pin Grid Array.
PCB trükkplaat, mõnikord tuntud ka kui PWB (Printed Wiring Board).
PLCC plastikust pliikandja.
PTH Plated Through Hole, mõnikord tuntud kui Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack – tuntud ka kui kajaka tiib.
SMA kujuga mälusulamid.
SMT Surface Mount Technology.
Algsete autorite märkus: Selles artiklis viitab mõiste "komponent" konkreetsele elektroonikaseadmele, mida saab trükkplaadile joota, termin "pakett" tähistab integraallülituse mis tahes komponenti (tavaliselt mis tahes SMT või DIP komponenti). Mõiste "kinnitatud komponent" viitab mis tahes kombineeritud trükkplaadile või komponentsüsteemile, rõhutades, et ühendatud komponentidel on oma mass ja jäikus. (Kristallpakendit ja selle mõju töökindlusele artiklis ei käsitleta, seega võib edaspidi mõistet “pakk” tajuda kui üht või teist tüüpi “juhtumit” – ca tõlkes.)
2. Probleemi avaldus
PCB-le avaldatavad löök- ja vibratsioonikoormused põhjustavad pinget PCB-alusele, komponentide pakenditele, komponentide jälgedele ja jooteühendustele. Need pinged on põhjustatud trükkplaadi paindemomentide ja komponendi massiinertsuse kombinatsioonist. Halvima stsenaariumi korral võivad need pinged põhjustada ühe järgmistest tõrkerežiimidest: PCB delaminatsioon, jooteühenduse rike, juhtme rike või komponentide pakendi rike. Kui mõni neist rikkerežiimidest ilmneb, järgneb suure tõenäosusega seadme täielik rike. Töö ajal kogetav rikkerežiim sõltub pakendi tüübist, trükkplaadi omadustest, aga ka paindemomentide ja inertsiaaljõudude sagedusest ja amplituudist. Elektroonikaseadmete töökindluse analüüsi aeglane areng on tingitud sisendtegurite ja rikkerežiimide arvukatest kombinatsioonidest, mida tuleb arvesse võtta.
Selle jaotise ülejäänud osas püütakse selgitada erinevate sisendtegurite samaaegse arvestamise raskust.
Esimene komplitseeriv tegur, mida tuleb arvesse võtta, on tänapäevases elektroonikas saadaolevate pakenditüüpide lai valik, kuna iga pakett võib erinevatel põhjustel ebaõnnestuda. Rasked komponendid on vastuvõtlikumad inertsiaalsetele koormustele, samas kui SMT komponentide reaktsioon sõltub rohkem trükkplaadi kõverusest. Sellest tulenevalt on nende põhiliste erinevuste tõttu seda tüüpi komponentidel massist või suurusest lähtuvalt suuresti erinevad rikkekriteeriumid. Seda probleemi süvendab veelgi turul saadaolevate uute komponentide pidev ilmumine. Seetõttu peab iga kavandatav usaldusväärsuse ennustamise meetod kohanema uute komponentidega, et seda saaks tulevikus praktiliselt rakendada. Trükkplaadi reaktsiooni vibratsioonile määravad komponentide jäikus ja mass, mis mõjutavad trükkplaadi lokaalset reaktsiooni. On teada, et kõige raskemad või suurimad komponendid muudavad oluliselt plaadi reaktsiooni vibratsioonile nende paigalduskohtades. PCB mehaanilised omadused (Youngi moodul ja paksus) võivad mõjutada töökindlust viisil, mida on raske ennustada.
Jäigam PCB võib vähendada PCB üldist reaktsiooniaega koormuse all, kuid samal ajal võib tegelikult lokaalselt suurendada komponentidele rakendatavaid paindemomente (Lisaks on termiliselt indutseeritud rikke seisukohast eelistatav määrata rohkem ühilduv PCB, kuna see vähendab pakendile avaldatavat termilist pinget – autori märkus). Kohalike paindemomentide ja virnale mõjutavate inertsiaalsete koormuste sagedus ja amplituud mõjutavad ka kõige tõenäolisemat rikkerežiimi. Kõrgsageduslikud madala amplituudiga koormused võivad põhjustada konstruktsiooni väsimustõrke, mis võib olla rikke peamiseks põhjuseks (madal/kõrge tsükliline väsimus, LCF viitab tõrgetele, milles domineerib plastiline deformatsioon (N_f < 10^6), samas kui HCF tähistab elastset deformatsiooni rikked , tavaliselt (N_f > 10^6 ) kuni rikkeni [56] - autori märkus) Elementide lõplik paigutus trükkplaadil määrab tõrke põhjuse, mis võib tekkida üksiku komponendi pinge tõttu, mis on põhjustatud inertsiaalkoormustest või kohalikud paindemomendid. Lõpuks on vaja arvestada inimtegurite ja tootmisomaduste mõjuga, mis suurendab seadmete rikke tõenäosust.
Arvestades märkimisväärset hulka sisendtegureid ja nende keerulist koostoimet, saab selgeks, miks pole seni loodud tõhusat meetodit elektroonikaseadmete töökindluse ennustamiseks. Üks autorite soovitatud kirjanduse ülevaadetest selles küsimuses on esitatud IEEE-s [26]. See ülevaade keskendub siiski peamiselt üsna laiadele usaldusväärsuse mudelite klassifikatsioonidele, nagu usaldusväärsuse ennustamise meetod viitekirjanduse, eksperimentaalsete andmete, rikketingimuste arvutimudelite (Physics-of-Failure Reliability (PoF)) põhjal, ega käsitle tõrkeid. piisavalt üksikasjalikult, mis on põhjustatud šokist ja vibratsioonist. Foucher jt [17] järgivad IEEE ülevaatega sarnast joont, pannes olulist rõhku termilistele riketele. PoF-meetodite analüüsi eelnev lühidus, eriti kui seda rakendati löögi- ja vibratsioonitõrgete korral, väärib nende edasist kaalumist. IEEE-laadset ülevaadet koostab AIAA, kuid ülevaate ulatus pole praegu teada.
3. Usaldusväärsuse prognoosimeetodite areng
Varaseimat 1960. aastatel välja töötatud usaldusväärsuse ennustamise meetodit kirjeldatakse praegu dokumendis MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F on meetodi uusim ja viimane redaktsioon, mis avaldati 1995. aastal – autori märkus) Kasutades Seda meetodit kasutatakse elektroonikaseadmete rikete andmebaas teatud komponentidest koosneva trükkplaadi keskmise kasutusea saamiseks. See meetod on tuntud kui meetod usaldusväärsuse ennustamiseks viite- ja normatiivkirjanduse põhjal. Kuigi Mil-Hdbk-217F on üha enam vananenud, on võrdlusmeetod kasutusel ka tänapäeval. Selle meetodi piirangud ja ebatäpsused on hästi dokumenteeritud [42,50, XNUMX], mille tulemusel on välja töötatud kolm alternatiivsete meetodite klassi: füüsiliste rikete tingimuste arvutimodelleerimine (PoF), katseandmed ja välikatsete andmed.
PoF-meetodid ennustavad usaldusväärsust analüütiliselt ilma eelnevalt kogutud andmetele tuginemata. Kõigil PoF-meetoditel on kaks Steinbergis [62] kirjeldatud klassikalise meetodi ühist tunnust: esiteks otsitakse trükkplaadi vibratsioonireaktsiooni konkreetsele vibratsioonistiimulile, seejärel testitakse üksikute komponentide rikkekriteeriume pärast vibratsiooniga kokkupuudet. PoF-meetodite oluline edasiminek on olnud hajutatud (keskmistatud) plaadiomaduste kasutamine trükkplaadi matemaatilise mudeli kiireks genereerimiseks [54], mis on oluliselt vähendanud trükkplaadi vibratsioonireaktsiooni täpseks arvutamiseks kuluvat keerukust ja aega. trükkplaat (vt punkt 8.1.3). Hiljutised PoF-tehnikate arengud on parandanud pindpaigaldustehnoloogia (SMT) joodetud komponentide rikete prognoosimist; kuid välja arvatud Barkersi meetod [59], on need uued meetodid rakendatavad ainult väga spetsiifiliste komponentide ja trükkplaatide kombinatsioonide puhul. Suurte komponentide (nt trafod või suured kondensaatorid) jaoks on saadaval väga vähe meetodeid.
Eksperimentaalsed andmemeetodid parandavad teatmekirjandusel põhineva usaldusväärsuse prognoosimeetodites kasutatava mudeli kvaliteeti ja võimalusi. Esimest eksperimentaalsetel andmetel põhinevat meetodit elektroonikaseadmete töökindluse ennustamiseks kirjeldati 1999. aasta töös, kasutades HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program) meetodit, mis loodi ettevõttes Honeywell, Inc [20]. Eksperimentaalsete andmete meetodil on mitmeid eeliseid usaldusväärsuse ennustamise meetoditega võrreldes võrdlus- ja normkirjanduse abil. Viimasel ajal on ilmunud palju sarnaseid meetodeid (REMM ja TRACS [17], ka FIDES [16]). Katseandmete meetod, samuti usaldusväärsuse ennustamise meetod teatme- ja normkirjanduse abil, ei võimalda usaldusväärsuse hindamisel rahuldavalt arvesse võtta tahvli paigutust ja selle töökeskkonda. Seda puudust saab parandada, kasutades rikkeandmeid, mis on saadud sarnase konstruktsiooniga plaatidelt või plaatidelt, mis on kokku puutunud sarnaste töötingimustega.
Eksperimentaalsed andmemeetodid sõltuvad aja jooksul krahhiandmeid sisaldava ulatusliku andmebaasi kättesaadavusest. Iga tõrketüüp selles andmebaasis tuleb õigesti tuvastada ja selle algpõhjus kindlaks määrata. See töökindluse hindamismeetod sobib ettevõtetele, kes toodavad sama tüüpi seadmeid piisavalt suurtes kogustes, et töökindluse hindamiseks saaks töödelda märkimisväärsel hulgal rikkeid.
Elektrooniliste komponentide töökindluse testimise meetodeid on kasutatud alates 1970. aastate keskpaigast ning need jagunevad tavaliselt kiirendatud ja mittekiirendatud testideks. Põhiline lähenemine on viia läbi riistvara testid, mis loovad eeldatava töökeskkonna võimalikult realistlikult. Teste tehakse kuni rikke ilmnemiseni, mis võimaldab prognoosida MTBF-i (Mean Time Between Failures). Kui MTBF on hinnanguliselt väga pikk, saab testi kestust lühendada kiirendatud testimisega, mis saavutatakse töökeskkonna tegurite suurendamise ja teadaoleva valemi abil kiirendatud testi rikkemäära seostamiseks eeldatava rikkemääraga. operatsiooni. See testimine on suure rikkeohuga komponentide jaoks ülioluline, kuna see annab uurijale kõrgeima usaldusväärsuse taseme, kuid uuringu pikkade iteratsiooniaegade tõttu oleks seda ebaotstarbekas kasutada plaadi kujunduse optimeerimiseks.
1990. aastatel avaldatud tööde kiire ülevaade viitab sellele, et see oli periood, mil eksperimentaalsed andmed, katseandmed ja PoF-meetodid võistlesid omavahel, et asendada teatmeteoste põhjal usaldusväärsuse ennustamise aegunud meetodid. Igal meetodil on aga oma eelised ja puudused ning õige kasutamise korral annab see väärtuslikke tulemusi. Selle tulemusena avaldas IEEE hiljuti standardi [26], mis loetleb kõik tänapäeval kasutatavad usaldusväärsuse ennustamise meetodid. IEEE eesmärk oli koostada juhend, mis annaks insenerile teavet kõigi saadaolevate meetodite ning igale meetodile omaste eeliste ja puuduste kohta. Kuigi IEEE lähenemine on alles pika arengu alguses, näib sellel olevat omad eelised, kuna AIAA (Ameerika Lennundus- ja Astronautikainstituut) järgib seda suunisega nimega S-102, mis on sarnane IEEE-ga, kuid võtab arvesse ka iga meetodi andmete suhtelist kvaliteeti [27]. Need juhendid on mõeldud ainult selleks, et koondada kogu maailmas nendel teemadel avaldatud kirjanduses levivad meetodid.
4. Vibratsioonist tingitud tõrked
Suur osa varasematest uuringutest on keskendunud peamiselt juhuslikule vibratsioonile kui PCB koormusele, kuid järgmine uuring käsitleb konkreetselt löökidega seotud rikkeid. Selliseid meetodeid siin täielikult ei käsitleta, kuna need kuuluvad PoF-meetodite klassifikatsiooni alla ja neid käsitletakse käesoleva artikli jaotistes 8.1 ja 8.2. Heen jt [24] lõid testplaadi, et testida BGA jooteühenduste terviklikkust põrutusel. Lau jt [36] kirjeldasid PLCC, PQFP ja QFP komponentide töökindlust tasapinnaliste ja -väliste mõjude korral. Pitarresi jt [53,55] vaatlesid arvuti emaplaatide tõrkeid löökkoormuse tõttu ja andsid hea ülevaate elektroonikaseadmeid kirjeldavast kirjandusest šokikoormuse all. Steinberg [62] annab terve peatüki mõjutatud elektroonikaseadmete disaini ja analüüsi kohta, hõlmates nii šokikeskkonna ennustamist kui ka elektroonikakomponentide jõudluse tagamist. Sukhir [64,65] kirjeldas vigu trükkplaadi reaktsiooni lineaarsetes arvutustes plaadi kinnitusdetailidele rakendatud löökkoormusele. Seega võivad võrdlus- ja eksperimentaalsed andmemeetodid arvesse võtta löökidega seotud seadmete rikkeid, kuid need meetodid kirjeldavad kaudselt "löögi" rikkeid.
5. Võrdlusmeetodid
Kõigist juhendites kirjeldatud saadaolevatest meetoditest piirdume ainult kahega, mis arvestavad vibratsioonihäirega: Mil-Hdbk-217 ja CNET [9]. Mil-Hdbk-217 on enamiku tootjate poolt standardina aktsepteeritud. Nagu kõik manuaalsed ja võrdlusmeetodid, põhinevad need empiirilistel lähenemisviisidel, mille eesmärk on ennustada komponentide usaldusväärsust eksperimentaalsete või laboratoorsete andmete põhjal. Teatmekirjanduses kirjeldatud meetodid on suhteliselt lihtsalt rakendatavad, kuna need ei nõua keerulist matemaatilist modelleerimist ja kasutavad ainult osade tüüpe, osade arvu, plaadi töötingimusi ja muid kergesti ligipääsetavaid parameetreid. Seejärel sisestatakse sisendandmed mudelisse, et arvutada rikete vaheline aeg, MTBF. Vaatamata oma eelistele muutub Mil-Hdbk-217 üha vähem populaarseks [12, 17,42,50,51]. Vaatleme selle kohaldamispiirangute mittetäielikku loendit.
- Andmed on üha enam aegunud, kuna neid on viimati uuendatud 1995. aastal ja see ei ole uute komponentide jaoks asjakohane, pole võimalust mudelit üle vaadata, kuna kaitsestandardite täiustamise nõukogu on otsustanud lasta meetodil "surra loomulikku surma" [ 26].
- Meetod ei anna teavet rikkerežiimi kohta, seega ei saa PCB paigutust parandada ega optimeerida.
- Mudelid eeldavad, et rike on disainist sõltumatu, jättes tähelepanuta komponentide paigutuse PCB-l, kuid komponentide paigutusel on teadaolevalt suur mõju rikke tõenäosusele. [50].
- Kogutud empiirilised andmed sisaldavad palju ebatäpsusi, andmeid kasutatakse esimese põlvkonna komponentidelt, mille rikete protsent on ebaloomulikult kõrge, mis on tingitud tööaja, remondi jms vigasest kirjest, mis vähendab töökindluse prognoosi tulemuste usaldusväärsust [51].
Kõik need puudused viitavad sellele, et võrdlusmeetodite kasutamist tuleks vältida, kuid nende meetodite lubatavuse piires tuleb rakendada mitmeid tehnilise kirjelduse nõudeid. Seetõttu tuleks võrdlusmeetodeid kasutada ainult siis, kui see on asjakohane, s.t. projekteerimise algfaasis [46]. Kahjuks tuleks isegi sellesse kasutusse suhtuda ettevaatlikult, kuna seda tüüpi meetodeid pole alates 1995. aastast üle vaadatud. Seetõttu on võrdlusmeetodid oma olemuselt halvad mehaanilise töökindluse ennustajad ja neid tuleks kasutada ettevaatusega.
6. Katseandmete meetodid
Katseandmete meetodid on kõige lihtsamad saadaolevad usaldusväärsuse prognoosimismeetodid. Kavandatava trükkplaadi disaini prototüüp allutatakse keskkonnavibratsioonile, mida reprodutseeritakse laboripingil. Järgmisena analüüsitakse hävitamise parameetreid (MTTF, šokispekter), seejärel arvutatakse selle põhjal usaldusväärsuse näitajad [26]. Katseandmete meetodit tuleks kasutada, võttes arvesse selle eeliseid ja puudusi.
Katseandmete meetodite peamiseks eeliseks on tulemuste suur täpsus ja usaldusväärsus, mistõttu suure rikkeohuga seadmete puhul peaks projekteerimisprotsessi viimane etapp alati hõlmama vibratsiooni kvalifitseerimise testimist. Puuduseks on katsekeha tootmiseks, paigaldamiseks ja laadimiseks kuluv pikk aeg, mistõttu meetod ei sobi suure rikke tõenäosusega seadmete projekteerimiseks. Iteratiivse tootekujundusprotsessi jaoks tuleks kaaluda kiiremat meetodit. Koormuse kokkupuuteaega saab kiirendatud testimisega lühendada, kui on olemas usaldusväärsed mudelid tegeliku kasutusea hilisemaks arvutamiseks [70,71]. Küll aga sobivad kiirendatud katsemeetodid termiliste rikete modelleerimiseks rohkem kui vibratsioonirikkeid. Selle põhjuseks on asjaolu, et soojuskoormuse mõju katsetamiseks seadmetele kulub vähem aega kui vibratsioonikoormuse mõju testimiseks. Vibratsiooni mõju võib tootes ilmneda alles pikema aja pärast.
Seetõttu ei kasutata vibratsioonitõrgete korral katsemeetodeid üldiselt, välja arvatud juhul, kui esinevad kergendavad asjaolud, näiteks madalpinge, mis põhjustab väga pikka aega rikkeni. Andmete kontrollimise meetodite näiteid võib näha Harti [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau jt. [36], Shetty jt [57], Liguore ja Followell [40], Estes jt. [15], Wang et al. [67], Jih ja Jung [30]. Hea üldise ülevaate meetodist annab IEEE [26].
7. Katseandmete meetodid
Katseandmete meetod põhineb sarnaste trükkplaatide rikkeandmetel, mida on testitud kindlaksmääratud töötingimustes. Meetod on õige ainult trükkplaatide puhul, millel on sarnane koormus. Eksperimentaalsel andmemeetodil on kaks põhiaspekti: elektroonikakomponentide rikete andmebaasi koostamine ja meetodi rakendamine kavandatud konstruktsiooni alusel. Asjakohase andmebaasi loomiseks peavad olema asjakohased rikete andmed, mis on kogutud sarnastest projektidest; see tähendab, et andmed sarnaste seadmete rikete kohta peavad olemas olema. Samuti tuleb rikkis seadmeid analüüsida ja korralikult statistikat koguda, ei piisa vaid väitmisest, et antud trükkplaadi konstruktsioon läks teatud arvu tundide möödudes üles, tuleb välja selgitada rikke asukoht, rikkerežiim ja põhjus. Kui kõiki varasemaid rikete andmeid pole põhjalikult analüüsitud, on enne katseandmete meetodi kasutamist vaja pikka aega koguda andmeid.
Selle piirangu võimalikuks lahenduseks on väga kiirendatud elutsükli testimise (HALT) rakendamine, et luua kiiresti rikkemäärade andmebaas, kuigi keskkonnaparameetrite täpne reprodutseerimine on keeruline, kuid oluline [27]. Eksperimentaalsete andmete meetodi rakendamise teise etapi kirjeldust saab lugeda artiklist [27], mis näitab, kuidas prognoosida kavandatava konstruktsiooni MTBF-i, kui testitav disain saadakse olemasoleva plaadi muutmise teel, mille kohta on juba üksikasjalikud rikkeandmed. . Teisi katseandmete meetodite ülevaateid kirjeldavad erinevad autorid artiklis [11,17,20,26].
8. Rikketingimuste arvutisimulatsioon (PoF)
Rikketingimuste arvutimodelleerimistehnikaid, mida nimetatakse ka stressi- ja kahjustusmudeliteks või PoF-mudeliteks, rakendatakse kaheetapilises töökindluse prognoosimisprotsessis. Esimeses etapis otsitakse trükkplaadi reaktsiooni sellele mõjuvale dünaamilisele koormusele, teises etapis arvutatakse mudeli reaktsioon etteantud töökindlusnäidiku tagamiseks. Suurem osa kirjandusest on sageli pühendatud nii reaktsiooni ennustamise meetodile kui ka ebaõnnestumise kriteeriumide leidmise protsessile. Neid kahte meetodit saab kõige paremini mõista, kui neid kirjeldatakse eraldi, seega käsitletakse käesolevas ülevaates neid kahte etappi eraldi.
Reaktsiooni ennustamise ja tõrkekriteeriumide otsimise etappide vahel kantakse mudelisse üle esimeses etapis loodud ja teises kasutatud andmestik. Reaktsioonimuutuja on arenenud alates sisendkiirenduse kasutamisest šassiil [15,36,37,67, 40, 62, 59] kuni komponendi tegeliku kiirenduseni, et võtta arvesse erinevate PCB paigutuste erinevaid vibratsioonireaktsioone [XNUMX], ja lõpuks kaaluda. lokaalne kõrvalekalle [XNUMX] või lokaalsed paindemomendid [XNUMX], mida PCB kogeb komponendi lokaalselt.
On täheldatud, et rike sõltub komponentide paigutusest trükkplaadil [21,38, XNUMX], seega on lokaalset vibratsioonireaktsiooni sisaldavad mudelid tõenäolisemalt täpsed. Valik, milline parameeter (kohalik kiirendus, lokaalne läbipaine või paindemoment) on rikke määrav tegur, sõltub konkreetsest juhtumist.
Kui kasutatakse SMT komponente, võivad kõverus- või paindemomendid olla rikke kõige olulisemad tegurid; raskete komponentide puhul kasutatakse rikkekriteeriumitena tavaliselt kohalikke kiirendusi. Kahjuks ei ole läbi viidud uuringuid, mis näitaksid, millist tüüpi kriteeriumid on antud sisendandmete kogumi jaoks kõige sobivamad.
Oluline on kaaluda mis tahes kasutatava PoF-meetodi sobivust, kuna ei ole otstarbekas kasutada ühtegi PoF-meetodit, analüütilist või FE-meetodit, mida laboratoorsete testide andmed ei toeta. Lisaks on oluline kasutada mis tahes mudelit ainult selle rakendatavuse piires, mis kahjuks piirab enamiku praeguste PoF-mudelite rakendatavust väga spetsiifilistes ja piiratud tingimustes. Häid näiteid PoF meetodite arutelust on kirjeldanud erinevad autorid [17,19,26,49].
8.1. Vastuse ennustamine
Vastuse ennustamine hõlmab konstruktsiooni geomeetria ja materjali omaduste kasutamist nõutava vastusemuutuja arvutamiseks. Eeldatakse, et see samm hõlmab ainult aluseks oleva PCB üldist reaktsiooni, mitte üksikute komponentide vastust. Vastuse ennustamise meetodeid on kolm peamist tüüpi: analüütilised üksikasjalikud FE mudelid ja lihtsustatud FE mudelid, mida kirjeldatakse allpool. Need meetodid keskenduvad lisatud komponentide jäikuse ja massiefektide kaasamisele, kuid oluline on mitte unustada PCB serva pöörlemisjäikuse täpse modelleerimise tähtsust, kuna see on tihedalt seotud mudeli täpsusega (sellest on juttu Punkt 8.1.4). Joonis fig. 1. Näide trükkplaadi üksikasjalikust mudelist [53].
8.1.1. Analüütilise vastuse ennustamine
Steinberg [62] pakub ainsa analüütilise meetodi trükkplaadi vibratsioonireaktsiooni arvutamiseks. Steinberg väidab, et võnke amplituud elektroonilise üksuse resonantsil on võrdne resonantssageduse kahekordse ruutjuurega; see väide põhineb kättesaamatud andmetel ja seda ei saa kontrollida. See võimaldab analüütiliselt arvutada resonantsi dünaamilist läbipainet, mida saab seejärel kasutada kas raske komponendi dünaamilise koormuse või trükkplaadi kõveruse arvutamiseks. See meetod ei tekita otseselt kohalikku PCB vastust ja ühildub ainult Steinbergi kirjeldatud läbipaindel põhinevate rikkekriteeriumidega.
Amplituudimõõtmistel põhineva ülekandefunktsiooni jaotuse eelduse paikapidavus on küsitav, kuna Pitarresi jt [53] mõõtsid arvuti emaplaadi kriitiliseks sumbumiseks 2%, Steinbergi eeldust kasutades aga 3,5% (omasageduse põhjal 54 Hz), mis tooks kaasa plaadi reaktsiooni vibratsioonile suure alahindamise.
8.1.2. Üksikasjalikud FE mudelid
Mõned autorid demonstreerivad üksikasjalike FE-mudelite kasutamist trükkplaadi vibratsioonireaktsiooni arvutamiseks [30,37,53, 57,58] (joonis 1-3 näitab üksikasjalikuma tasemega näiteid), kuid nende kasutamine meetodeid ei soovitata kaubandusliku toote puhul (välja arvatud juhul, kui ainult kohaliku reaktsiooni täpne ennustamine pole tingimata vajalik), kuna sellise mudeli koostamiseks ja lahendamiseks kuluv aeg on liiga pikk. Lihtsustatud mudelid toodavad vajaliku täpsusega andmeid palju kiiremini ja väiksemate kuludega. Üksikasjaliku FE mudeli ehitamiseks ja lahendamiseks kuluvat aega saab vähendada, kasutades JEDEC 4 vedrukonstandid, mis on avaldatud [33-35]. Neid vedrukonstante saab kasutada iga juhtme üksikasjaliku FE mudeli asemel. Lisaks saab rakendada alamstruktuuri meetodit (mõnikord ka superelementide meetodit), et vähendada üksikasjalike mudelite lahendamiseks kuluvat arvutusaega. Tuleb märkida, et üksikasjalikud FE-mudelid hägustavad sageli piire reageerimise ennustamise ja ebaõnnestumise kriteeriumide vahel, seega võib siin viidatud töö kuuluda ka ebaõnnestumise kriteeriume sisaldavate tööde loendisse.
8.1.3. Levinud FE mudelid
Lihtsustatud FE mudelid vähendavad mudeli loomise ja lahendamise aega. Lisatud komponendi massi ja selle jäikust saab esitada, simuleerides lihtsalt tühja PCB suurema massi ja jäikusega, kus massi ja jäikuse mõjud on kaasatud PCB Youngi mooduli kohaliku suurendamisega.
Joonis fig. 2. Näide QFP komponendi üksikasjalikust mudelist, mis kasutab sümmeetriat modelleerimisprotsessi lihtsustamiseks ja lahendusaja vähendamiseks [36]. Joonis fig. 3. J-plii üksikasjaliku FE mudeli näide [6].
Jäikuse suurendamise tegurit saab arvutada kinnitatud elemendi füüsilise väljalõikamise ja paindekatse meetodite abil [52]. Pitarresi et al. [52,54] uuris trükkplaadile kinnitatud komponentide lisatud massi ja jäikuse lihtsustamise mõju.
Esimeses artiklis uuritakse trükkplaadi lihtsustatud FE mudeli üksikut juhtumit, mida on kontrollitud eksperimentaalsete andmetega. Selle artikli peamine huvivaldkond on hajutatud omaduste määramine, hoiatusega, et täpse mudeli jaoks on vaja väändejäikuse suurt täpsust.
Teises artiklis vaadeldakse viit erinevat täidetud PCB-d, millest igaüks on modelleeritud mitme erineva koostise lihtsustamise tasemega. Neid mudeleid võrreldakse eksperimentaalsete andmetega. Selle artikli lõpus on mõned õpetlikud tähelepanekud massi-jäikuse suhete ja mudeli täpsuse vahelise seose kohta. Mõlemad dokumendid kasutavad kahe mudeli vahelise korrelatsiooni määramiseks ainult loomulikke sagedusi ja MEC-sid (modaalse tagamise kriteeriumid). Kahjuks ei saa omasageduse viga anda mingit teavet kohalike kiirenduste või paindemomentide vea kohta ning MKO saab anda ainult kahe loomuliku režiimi üldise korrelatsiooni, kuid seda ei saa kasutada kiirenduse või kõveruse vea protsendi arvutamiseks. Kasutades numbrilise analüüsi ja arvutisimulatsiooni kombinatsiooni, teeb Cifuentes [10] järgmised neli tähelepanekut.
- Simuleeritud režiimid peavad täpse analüüsi jaoks sisaldama vähemalt 90% vibreerivat massi.
- Juhtudel, kui plaadi hälbed on võrreldavad selle paksusega, võib mittelineaarne analüüs olla sobivam kui lineaarne analüüs.
- Väikesed vead komponentide paigutuses võivad põhjustada suuri vigu vastuse mõõtmisel.
- Vastuse mõõtmise täpsus on tundlikum massivigade kui jäikuse suhtes.
8.1.4. Piiritingimused
PCB serva pöörlemise jäikuse koefitsient mõjutab oluliselt arvutusreaktsiooni täpsust [59] ning olenevalt konkreetsest konfiguratsioonist on palju suurema tähtsusega kui lisatud komponendi mass ja jäikus. Pöörleva serva jäikuse modelleerimine nulliks (sisuliselt lihtsalt toetatud tingimus) annab tavaliselt konservatiivsed tulemused, samas kui modelleerimine tihedalt klammerdatuna alahindab tavaliselt tulemusi, kuna isegi kõige jäigemad PCB kinnitusmehhanismid ei suuda tagada täielikult klammerdatud serva seisundit. Barker ja Chen [5] kinnitavad analüütilist teooriat eksperimentaalsete tulemustega, et näidata, kuidas servade pöörlemise jäikus mõjutab PCB loomulikku sagedust. Selle töö peamine järeldus on teooriaga kooskõlas tugev korrelatsioon servade pöörlemise jäikuse ja omasageduste vahel. See tähendab ka seda, et suured vead serva pöörlemise jäikuse modelleerimisel põhjustavad suuri vigu vastuse ennustamisel. Kuigi seda tööd käsitleti konkreetsel juhul, on see rakendatav igat tüüpi piirtingimuste mehhanismide modelleerimiseks. Kasutades Limi jt eksperimentaalseid andmeid. [41] annab näite, kuidas saab arvutada serva pöörlemisjäikust, et kasutada PCB mudelis FE-d; see saavutatakse Barkeri ja Cheni [5] kohandatud meetodi abil. See töö näitab ka, kuidas määrata struktuuri mis tahes punkti optimaalne asukoht, et maksimeerida loomulikke sagedusi. Guo ja Zhao [21] on olemas ka töid, mis arvestavad konkreetselt piirtingimuste muutmise mõju vibratsioonireaktsiooni vähendamiseks; Aglietti [2]; Aglietti ja Schwingshackl [3], Lim et al. [41].
8.1.5. Löögi ja vibratsiooni mõju prognoosid
Pitarresi et al. [53-55] kasutavad trükkplaadi üksikasjalikku FE mudelit, et ennustada 3D-plokkidena kujutatud komponentidega plaadi löögi- ja vibratsioonireaktsiooni. Need mudelid kasutasid eksperimentaalselt määratud konstantseid sumbumissuhteid, et parandada resonantsi reaktsiooni prognoosimist. Löögi reageerimise spekter (SRS) ja ajapühkimise meetodid võrreldi löögi reageerimise prognoosimiseks, kusjuures mõlemad meetodid olid kompromiss täpsuse ja lahendusaja vahel.
8.2. Tagasilükkamise kriteeriumid
Rikkekriteeriumid mõõdavad PCB reaktsiooni ja kasutavad seda rikkemõõdiku tuletamiseks, kus rikkemõõdik võib olla keskmine aeg rikete vahel (MTBF), tsüklid tõrkeni, tõrkevaba töö tõenäosus või mõni muu töökindluse mõõdik (vt. IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] rikkemõõdikute arutamiseks). Paljud erinevad lähenemisviisid nende andmete genereerimiseks võib mugavalt jagada analüütilisteks ja empiirilisteks meetoditeks. Empiirilised meetodid genereerivad rikkekriteeriumide andmeid, laadides komponentide katsekehad vajaliku dünaamilise koormuseni. Kahjuks on praktikas võimalike paljude sisendandmete (komponentide tüübid, trükkplaatide paksused ja koormused) tõttu avaldatud andmed ebatõenäoliselt otseselt rakendatavad, kuna andmed kehtivad ainult väga erijuhtudel. Analüütilised meetodid ei kannata selliste puuduste all ja on palju laiemalt kasutatavad.
8.2.1. Empiirilised ebaõnnestumise kriteeriumid
Nagu varem öeldud, on enamiku empiiriliste mudelite piirang see, et need on rakendatavad ainult konfiguratsioonidele, mis hõlmavad sama PCB paksust, sarnaseid komponentide tüüpe ja sisendkoormust, mis on ebatõenäoline. Olemasolev kirjandus on aga kasulik järgmistel põhjustel: see annab häid näiteid tõrketestide läbiviimisest, toob esile erinevad rikkemõõdikute võimalused ja annab väärtuslikku teavet rikkemehhanismide kohta. Li [37] lõi empiirilise mudeli, et ennustada 272-pin BGA ja 160-pin QFP pakettide töökindlust. Uuritakse väsimuskahjustusi juhtides ja pakendi korpuses ning katsetulemused ühtivad hästi pingepõhise kahjustuse analüüsiga, mis on arvutatud üksikasjaliku FE mudeli abil (vt ka Li ja Poglitsch [38,39]). Protsess tekitab kumulatiivseid kahjustusi vibratsiooni sisendsignaali vibratsiooni kiirenduse teatud tasemel.
Lau jt [36] hindasid spetsiifiliste komponentide töökindlust löök- ja vibratsioonikoormusel Weibulli statistika abil. Liguore ja Followell [40] uurisid LLCC ja J-plii komponentide rikkeid, muutes kohalikku kiirendust teenindustsüklite lõikes. Kasutatakse lokaalset kiirendust, mitte šassii sisendkiirendust, ning uuriti temperatuuri mõju katsetulemustele. Artiklis viidatakse ka uuringutele PCB paksuse mõju kohta komponentide töökindlusele.
Guo ja Zhao [21] võrdlevad komponentide töökindlust, kui koormusena kasutatakse kohalikku väändekõverust, erinevalt varasematest uuringutest, kus kasutati kiirendust. Väsimuskahjustust simuleeritakse, seejärel võrreldakse FE mudelit katsetulemustega. Artiklis käsitletakse ka komponentide paigutuse optimeerimist töökindluse parandamiseks.
Ham ja Lee [22] esitavad katseandmete meetodi pliijoodise pingete määramiseks tsüklilise väändekoormuse korral. Estes jt [15] käsitlesid kajakatiiva komponentide rikkeprobleemi (GOST IEC 61188-5-5-2013) rakendatud sisendkiirenduse ja termilise koormuse korral. Uuritavad komponendid on kiibipaketi tüübid CQFP 352, 208, 196, 84 ja 28, samuti FP 42 ja 10. Artikkel on pühendatud elektroonikakomponentide riketele, mis on tingitud geostatsionaarse Maa satelliidi orbiidi kõikumisest, kellaaeg rikete vahel on antud geostatsionaarsetel või madalatel Maa orbiitidel lennatud aastatena. Tuleb märkida, et kajakate juhtmete rike on tõenäolisem pakendi korpusega kokkupuutuvates kohtades kui jootekohas.
Jih ja Jung [30] vaatlevad seadmete rikkeid, mis on põhjustatud jootekoha tootmisdefektidest. Selleks luuakse PCB-st väga üksikasjalik FE mudel ja leitakse võimsusspektri tihedus (PSD) erinevate tootmispragude pikkuste jaoks. Ligyore, Followell [40] ja Shetty, Reinikainen [58] viitavad sellele, et empiirilised meetodid toodavad konkreetsete ühendatud komponentide konfiguratsioonide jaoks kõige täpsemaid ja kasulikke rikkeandmeid. Seda tüüpi meetodeid kasutatakse juhul, kui teatud sisendandmeid (plaadi paksus, komponendi tüüp, kõveruse vahemik) saab kogu konstruktsiooni vältel konstantsena hoida või kui kasutaja saab endale lubada sedalaadi tõelisi teste.
8.2.2. Analüütilise ebaõnnestumise kriteerium
Nurgaühenduste SMT mudelid
Erinevad SMT nurgatihvtide rikkeid uurivad teadlased viitavad sellele, et see on kõige levinum rikke põhjus. Sidharthi ja Barkeri [59] artiklid viivad lõpule varasema paberite seeria, esitades mudeli SMT nurgajuhtmete ja silmusjuhtme komponentide pinge määramiseks. Kavandatava mudeli viga on kuue halvima stsenaariumi puhul üksikasjaliku FE mudeliga võrreldes alla 7%. Mudel põhineb Barkeri ja Sidharthi varem avaldatud valemil [4], kus modelleeriti paindemomendile allutatud kinnitatud detaili läbipaine. Sukhiri artikkel [63] uurib analüütiliselt pingeid, mis eeldatavad pakenditerminalides tulenevad lokaalselt rakendatud paindemomentidest. Barker ja Sidharth [4] tuginevad Sukhiri [63], Barkeri jt [4] tööle, mis käsitleb juhtiva pöörlemisjäikuse mõju. Lõpuks kasutasid Barker jt [7] üksikasjalikke FE mudeleid, et uurida plii mõõtmete erinevuste mõju plii väsimuse elueale.
Siinkohal on kohane mainida tööd JEDEC-i pliivedrukonstantide alal, mis lihtsustas oluliselt pliikomponentide mudelite loomist [33-35]. Juhtühenduste üksikasjaliku mudeli asemel saab kasutada vedrukonstante, mudelis väheneb FE mudeli ehitamiseks ja lahendamiseks kuluv aeg. Selliste konstantide kasutamine komponendi FE mudelis hoiab ära kohalike pliipingete otsese arvutamise. Selle asemel antakse üldine plii deformatsioon, mis peaks olema seotud kas kohalike plii pingete või toote elutsüklil põhinevate juhtme rikke kriteeriumidega.
Materjali väsimuse andmed
Enamik andmeid joodisteks ja komponentideks kasutatavate materjalide rikete kohta on peamiselt seotud termilise rikkega ja suhteliselt vähe andmeid on väsimusrikke kohta. Selle valdkonna peamiseks viiteallikaks on Sandor [56], kes annab andmeid jootesulamite väsimuse ja rikke mehaanika kohta. Steinberg [62] käsitleb jootenäidiste ebaõnnestumist. Väsimusandmed tavaliste jootiste ja juhtmete kohta on saadaval Yamada paberil [69].
Joonis fig. 4. Tavaline QFP komponentide juhendis toodud rikkeasend on pakendi korpuse lähedal.
Joote lahtiühendamisega seotud tõrgete modelleerimine on selle materjali ebatavaliste omaduste tõttu keeruline. Selle küsimuse lahendus sõltub testitavast komponendist. Teatavasti QFP pakettide puhul seda tavaliselt ei arvestata ning usaldusväärsust hinnatakse teatmekirjanduse abil. Kuid kui arvutada suurte BGA ja PGA komponentide jootmine, võivad juhtmeühendused oma ebatavaliste omaduste tõttu mõjutada toote riket. Seega on QFP-pakettide puhul plii väsimusomadused kõige kasulikum teave. BGA puhul on kasulikum teave hetkelise plastilise deformatsiooni all olevate jooteühenduste vastupidavuse kohta [14]. Suuremate komponentide puhul annab Steinberg [62] andmed jooteühenduse väljatõmbepinge kohta.
Raskete komponentide rikkega mudelid
Ainsad raskete komponentide rikkemudelid on esitatud Steinbergi artiklis [62], mis uurib komponentide tõmbetugevust ja annab näite, kuidas arvutada maksimaalne lubatud pinge, mida saab juhtmeühendusele rakendada.
8.3. Järeldused PoF mudelite rakendatavuse kohta
PoF meetodite kohta on kirjanduses tehtud järgmised järeldused.
Kohalik reaktsioon on komponentide tõrke ennustamisel kriitilise tähtsusega. Nagu märkis Li, Poglitsch [38], on PCB servades olevad komponendid painde lokaalsete erinevuste tõttu vähem vastuvõtlikud rikkele kui need, mis asuvad PCB keskel. Järelikult on PCB erinevates kohtades olevate komponentide rikke tõenäosus erinev.
Kohalikku tahvli kõverust peetakse SMT komponentide puhul olulisemaks rikkekriteeriumiks kui kiirendus. Hiljutised tööd [38,57,62,67] näitavad, et plaadi kõverus on peamine rikkekriteerium.
Erinevat tüüpi pakendid, nii tihvtide arvu kui ka kasutatava tüübi poolest, on oma olemuselt teistest usaldusväärsemad, olenemata konkreetsest kohalikust keskkonnast [15,36,38].
Temperatuur võib mõjutada komponentide töökindlust. Liguore ja Followell [40] väidavad, et väsimuse kestus on suurim temperatuurivahemikus 0 ◦ C kuni 65 ◦ C, märgatavalt väheneb temperatuuridel alla -30 ◦ C ja üle 95 ◦ C. QFP komponentide puhul peetakse esmaseks veakohaks pigem kohta, kus traat pakendi külge kinnitub (vt joonis 4), mitte jootekohaks [15,22,38].
Plaadi paksusel on kindel mõju SMT komponentide väsimuse kestusele, kuna on näidatud, et BGA väsimuse kestus väheneb ligikaudu 30–50 korda, kui plaadi paksust suurendatakse 0,85 mm-lt 1,6 mm-le (säilitades samal ajal konstantse üldise kumeruse) [13] . Komponentjuhtmete paindlikkus (vastavus) mõjutab oluliselt perifeersete juhtmekomponentide töökindlust [63], kuid see on mittelineaarne seos ja vaheühendusjuhtmed on kõige vähem töökindlad.
8.4. Tarkvara meetodid
Marylandi ülikooli täiustatud olelustsükli tehnika keskus (CALCE) pakub tarkvara trükkplaatide vibratsiooni- ja põrutusreaktsiooni arvutamiseks. Tarkvaral (nimega CALCE PWA) on kasutajaliides, mis lihtsustab FE-mudeli käitamise protsessi ja sisestab reaktsiooniarvutuse automaatselt vibratsioonimudelisse. FE vastuse mudeli loomisel ei ole kasutatud eeldusi ja kasutatud ebaõnnestumise kriteeriumid on võetud Steinbergilt [61] (kuigi eeldatavasti rakendatakse ka Barkersi meetodit [48]). Üldiste soovituste andmiseks seadmete töökindluse parandamiseks toimib kirjeldatud tarkvara hästi, seda enam, et see võtab samaaegselt arvesse termiliselt indutseeritud pingeid ja nõuab minimaalseid eriteadmisi, kuid mudelite rikkekriteeriumide täpsust pole katseliselt kontrollitud.
9. Seadmete töökindluse suurendamise meetodid
Selles jaotises käsitletakse projektijärgseid muudatusi, mis parandavad elektroonikaseadmete töökindlust. Need jagunevad kahte kategooriasse: need, mis muudavad PCB piirtingimusi, ja need, mis suurendavad summutamist.
Piirtingimuste muutmise põhieesmärk on vähendada trükkplaadi dünaamilist läbipainet, seda on võimalik saavutada jäigastavate ribide, lisatugede või sisendkandja vibratsiooni vähendamisega. Tugevdajad võivad olla kasulikud, kuna need suurendavad omasagedusi, vähendades seeläbi dünaamilist läbipainet [62], sama kehtib ka täiendavate tugede lisamise kohta [3], kuigi tugede asukohta saab ka optimeerida, nagu on näidatud JH Ongi ja Limi töödes [ 40]. Kahjuks nõuavad ribid ja toed tavaliselt paigutuse ümberkujundamist, nii et neid tehnikaid on kõige parem kaaluda projekteerimistsükli alguses. Lisaks tuleks hoolitseda selle eest, et modifikatsioonid ei muudaks loomulikke sagedusi kandekonstruktsiooni omasagedustele vastavaks, kuna see oleks kahjulik.
Isolatsiooni lisamine parandab toote töökindlust, vähendades seadmetele ülekantud dünaamilise keskkonna mõju ning seda on võimalik saavutada kas passiivselt või aktiivselt.
Passiivsed meetodid on tavaliselt lihtsad ja odavamad, näiteks kaabliisolaatorite kasutamine [66] või kujumälusulamite (SMA) pseudoelastsete omaduste kasutamine [32]. Siiski on teada, et halvasti konstrueeritud isolaatorid võivad tegelikult reageerimist suurendada.
Aktiivsed meetodid tagavad parema summutuse laiemas sagedusvahemikus, tavaliselt lihtsuse ja massi arvelt, seega on need tavaliselt mõeldud pigem väga tundlike täppisinstrumentide täpsuse parandamiseks kui kahjustuste vältimiseks. Aktiivne vibratsiooniisolatsioon hõlmab elektromagnetilisi [60] ja piesoelektrilisi meetodeid [18,43]. Erinevalt piirtingimuste muutmise meetoditest on summutamise modifikatsiooni eesmärk vähendada elektroonikaseadmete tippresonantsreaktsiooni, samas kui tegelikud omasagedused peaksid muutuma vaid veidi.
Nagu vibratsiooniisolatsiooni puhul, saab summutamist saavutada kas passiivselt või aktiivselt, esimese puhul sarnaste konstruktsiooni lihtsustustega ning teises suurema keerukuse ja summutamisega.
Passiivsed meetodid hõlmavad näiteks väga lihtsaid meetodeid, nagu materjali sidumine, suurendades seeläbi trükkplaadi summutamist [62]. Keerulisemad meetodid hõlmavad osakeste summutamist [68] ja lairiba dünaamiliste neeldurite kasutamist [25].
Aktiivne vibratsioonikontroll saavutatakse tavaliselt trükkplaadi pinnaga ühendatud piesokeraamiliste elementide kasutamisega [1,45]. Karastusmeetodite kasutamine on juhtumipõhine ja seda tuleb teiste meetoditega võrreldes hoolikalt kaaluda. Nende meetodite rakendamine seadmetele, millel ei ole teadaolevalt töökindlusprobleeme, ei suurenda tingimata disaini kulusid ja kaalu. Kui aga heakskiidetud konstruktsiooniga toode katsetamise käigus ebaõnnestub, võib olla palju kiirem ja lihtsam rakendada konstruktsioonikarastustehnikat kui seadme ümberkujundamine.
10. Meetodite arendamise võimalused
Selles jaotises kirjeldatakse üksikasjalikult võimalusi elektroonikaseadmete töökindluse prognoosimiseks, kuigi hiljutised edusammud optoelektroonikas, nanotehnoloogias ja pakendamistehnoloogiates võivad peagi piirata nende ettepanekute rakendatavust. Seadme kavandamise ajal ei pruugi neli peamist töökindluse prognoosimismeetodit olla kasutusel. Ainus tegur, mis võiks selliseid meetodeid atraktiivsemaks muuta, oleks täielikult automatiseeritud, odavate tootmis- ja testimistehnoloogiate väljatöötamine, sest see võimaldaks kavandatud disaini ehitada ja katsetada palju kiiremini kui praegu võimalik, minimaalse inimjõuga.
PoF-meetodil on palju arenguruumi. Peamine valdkond, kus seda saab täiustada, on integreerimine üldise projekteerimisprotsessiga. Elektroonikaseadmete projekteerimine on iteratiivne protsess, mis viib arendaja valmis tulemusele lähemale vaid koostöös elektroonika, tootmis- ja soojustehnika ning konstruktsioonide projekteerimise valdkonnale spetsialiseerunud inseneridega. Meetod, mis lahendab mõned neist probleemidest automaatselt samaaegselt, vähendab disaini iteratsioonide arvu ja säästab märkimisväärselt aega, eriti kui arvestada osakondadevahelise suhtluse mahtu. Teised PoF-meetodite täiustamise valdkonnad jagatakse vastuse ennustamise ja ebaõnnestumise kriteeriumiteks.
Vastuste ennustamisel on kaks võimalikku teed: kas kiiremad, üksikasjalikumad mudelid või täiustatud, lihtsustatud mudelid. Üha võimsamate arvutiprotsessorite tulekuga võib detailsete FE mudelite lahendusaeg muutuda üsna lühikeseks, samas väheneb tänu kaasaegsele tarkvarale toote kokkupaneku aeg, mis lõppkokkuvõttes minimeerib inimressursi kulu. Lihtsustatud FE-meetodeid saab täiustada ka FE-mudelite automaatse genereerimise protsessiga, mis sarnaneb üksikasjalike FE-meetodite jaoks pakutavatega. Praegu on selleks otstarbeks saadaval automaatne tarkvara (CALCE PWA), kuid tehnoloogia pole praktikas hästi tõestatud ja modelleerimisel tehtud eeldused on teadmata.
Väga kasulik oleks erinevatele lihtsustusmeetoditele omase määramatuse arvutamine, mis võimaldaks rakendada kasulikke tõrketaluvuse kriteeriume.
Lõpuks oleks kasulik andmebaas või meetod kinnitatud komponentide jäikuse suurendamiseks, kus neid jäikuse suurenemisi saaks kasutada reageerimismudelite täpsuse parandamiseks. Komponentide tõrkekriteeriumide loomine sõltub erinevate tootjate sarnaste komponentide väikesest erinevusest, samuti uute pakenditüüpide võimalikust väljatöötamisest, kuna iga rikkekriteeriumide määramise meetod või andmebaas peab arvestama sellise varieeruvuse ja muutustega.
Üks lahendus oleks luua meetod/tarkvara, et luua automaatselt üksikasjalikud FE mudelid, mis põhinevad sisendparameetritel, nagu plii ja pakendi mõõtmed. See meetod võib olla teostatav üldiselt ühtlase kujuga komponentide jaoks, nagu SMT- või DIP-komponendid, kuid mitte keerukate ebakorrapäraste komponentide puhul, nagu trafod, drosselid või kohandatud komponendid.
Järgnevaid FE mudeleid saab lahendada pingete jaoks ja kombineerida materjali purunemise andmetega (S-N plastilisuskõvera andmed, purunemismehaanika vms), et arvutada komponentide eluiga, kuigi materjali purunemise andmed peavad olema kvaliteetsed. FE-protsess peaks olema korrelatsioonis tegelike katseandmetega, eelistatavalt võimalikult paljudes konfiguratsioonides.
Sellise protsessiga kaasnevad jõupingutused on suhteliselt väikesed, võrreldes alternatiivse otsese laboratoorse testimisega, mis peab läbi viima statistiliselt olulise arvu teste erinevate PCB paksuste, erineva koormuse intensiivsuse ja koormuse suundadega, isegi kui on saadaval sadu erinevaid komponente. plaatide tüübid. Lihtsa laboratoorse testimise osas võib iga testi väärtust parandada.
Kui oleks olemas meetod teatud muutujate, näiteks PCB paksuse või plii mõõtmete muutustest tingitud pinge suhtelise suurenemise arvutamiseks, saaks komponendi eluea muutust hiljem hinnata. Sellise meetodi saab luua FE analüüsi või analüütiliste meetodite abil, mille tulemuseks on lihtne valem rikkekriteeriumide arvutamiseks olemasolevate rikete andmete põhjal.
Lõppkokkuvõttes loodetakse luua meetod, mis ühendab kõik erinevad saadaolevad tööriistad: FE analüüs, katseandmed, analüütiline analüüs ja statistilised meetodid, et luua piiratud ressurssidega võimalikult täpsed rikkeandmed. Kõiki PoF-meetodi üksikuid elemente saab täiustada, lisades protsessi stohhastilisi meetodeid, et võtta arvesse elektrooniliste materjalide ja tootmisetappide varieeruvuse mõju. See muudaks tulemused realistlikumaks, mis võib viia seadmete loomise protsessini, mis on muutlikkuse suhtes vastupidavamad, minimeerides samal ajal toote lagunemist (sealhulgas kaal ja maksumus).
Lõppkokkuvõttes võivad sellised täiustused isegi võimaldada seadmete töökindluse reaalajas hindamist projekteerimisprotsessi ajal, pakkudes koheselt ohutumaid komponentide valikuid, paigutusi või muid soovitusi töökindluse parandamiseks, käsitledes samal ajal muid probleeme, nagu elektromagnetilised häired (EMI), termilised ja tööstuslikud.
11. Järeldus
See ülevaade tutvustab elektroonikaseadmete töökindluse ennustamise keerukust, jälgides nelja tüüpi analüüsimeetodite (regulatiivne kirjandus, katseandmed, katseandmed ja PoF) arengut, mis viib seda tüüpi meetodite sünteesi ja võrdlemiseni. Märgitakse, et võrdlusmeetodid on kasulikud ainult eeluuringute jaoks, eksperimentaalsed andmemeetodid on kasulikud ainult siis, kui on olemas ulatuslikud ja täpsed ajastusandmed, ning katseandmete meetodid on disaini kvalifikatsiooni testimiseks üliolulised, kuid optimeerimiseks ebapiisavad.
PoF meetodeid käsitletakse üksikasjalikumalt kui varasemates kirjandusülevaadetes, jagades uuringud prognoosikriteeriumide ja ebaõnnestumise tõenäosuse kategooriatesse. Jaotises "Reageerimisennustus" antakse ülevaade hajutatud omaduste, piirtingimuste modelleerimise ja FE-mudelite üksikasjalikkuse tasemete kohta. Näidatakse, et vastuse ennustamise meetodi valik on kompromiss täpsuse ja FE mudeli genereerimiseks ja lahendamiseks kuluva aja vahel, rõhutades taas piirtingimuste täpsuse tähtsust. Jaotises “Rikkekriteeriumid” käsitletakse empiirilisi ja analüütilisi rikkekriteeriume, SMT-tehnoloogia puhul on esitatud mudelite ja raskete komponentide ülevaated.
Empiirilised meetodid on rakendatavad ainult väga spetsiifilistel juhtudel, kuigi need pakuvad häid näiteid usaldusväärsuse testimise meetodite kohta, samas kui analüütilistel meetoditel on palju laiem rakendusala, kuid neid on keerulisem rakendada. Esitatakse lühike arutelu olemasolevate rikete analüüsimeetodite kohta, mis põhinevad spetsiaalsel tarkvaral. Lõpuks on esitatud mõju usaldusväärsuse prognoosimise tulevikule, võttes arvesse suundi, milles usaldusväärsuse prognoosimismeetodid võivad areneda.
Kirjandus[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers ja S. B. Gabriel, An equity model of an equipment loaded panel for active control design studies, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, A lighter enclosure for electronics for space applications, Proceeding of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti ja C. Schwingshackl, Analysis of Enclosures and anti vibration devices for electronic equipment for space applications, Proceedings of the 6th International Conference on Dynamics and Control of Spacecraft Structures in Space, Riomaggiore, Itaalia, (2004).
[4] D. B. Barker ja 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 ja A. Dasgupta, Estimating the vibration fatigue life of Quad pliikattega pindkinnituskomponentide eluiga, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta ja M. Pecht, PWB-joodise eluea arvutused termilise ja vibratsioonilise koormuse all, iga-aastane töökindluse ja hooldatavuse sümpoosion, 1991. aasta toimetised (kat. nr 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta ja M. Pecht, Effect of SMC plii dimensioonide varieeruvus plii vastavusele ja jooteühenduse väsimuse kestusele, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker ja K. Sidharth, Paindemomendile alluva koostu Local PWB ja komponentide painutamine, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, Uuring mikroelektroonikaseadmete töökindluse prognoosimise protseduuridest, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Trükkplaatide dünaamilise käitumise hindamine, IEEE tehingud komponentide, pakendite ja tootmistehnoloogiaga B osa: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy ja 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 ja A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux ja A. Syed, Reliability of area array joodiste painutamisel, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder ja 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 ja Y. Saito, 2. klassi kannafileede usaldusväärsus kajakate tiibade pliisisaldusega komponentidel. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 väljaanded Elektrooniliste süsteemide töökindluse metoodika. Grupp FIDES, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie ja B. Meslet, Elektroonikaseadmete töökindluse prognoosimismeetodite ülevaade, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David ja R. Pinnington, Uudne suure nihkega piesoelektriline ajam aktiivse vibratsiooni juhtimiseks, 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 ja E. Vergnault, Metodology to hinnata ja valida kosmoserakendustes kasutatavate eee komponentide jaoks sobiv töökindluse prognoosimismeetod, Euroopa Kosmoseagentuur, (eriväljaanne) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Kasutusel oleva töökindluse hindamine ja ülalt-alla lähenemine pakub alternatiivset töökindluse prognoosimismeetodit. Aastane töökindlus ja hooldatavus, sümpoosioni toimingud (kat. nr 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo ja M. Zhao, SMT jooteühenduse väsimus, sealhulgas väändekõveruse ja kiibi asukoha optimeerimine, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Sink ja S.-B. Lee, Eksperimentaalne uuring elektroonikapakendite töökindluse kohta vibratsiooni all, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Komponendi juhtme väsimustestimine kaetud läbiva auguga, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh ja K. Seetharamu, Dünaamilise katseplaadi väljatöötamine FCBGA jooteühenduse töökindluse hindamiseks põrutus- ja vibratsioonis. 5. elektroonikapakendite tehnoloogia konverentsi (EPTC 2003) materjalid, 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik ja V. Babitsky, Trükkplaatide tugevdamine lairiba dünaamilise neelduriga, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE juhend usaldusväärsuse prognooside valimiseks ja kasutamiseks, mis põhinevad standardil ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe ja T. Kinney, Kosmosesüsteemide töökindlusmudelite standardvormingute väljatöötamine, iga-aastane töökindluse ja hooldatavuse sümpoosion, 2003. aasta toimetised (Kat. nr 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Electronic Component Reliability, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong ja G. Lim, Lihtne meetod struktuuride põhisageduse maksimeerimiseks, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih ja W. Jung, Pinnapealsete jooteühenduste vibratsiooniline väsimus. ITthermfl98. Kuues ühiskondadevaheline konverents elektrooniliste süsteemide termilistest ja termomehaanilistest nähtustest (kat. nr 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson ja L. Gullo, Usaldusväärsuse hindamise ja prognoosimise metoodika täiustamine. Iga-aastane töökindluse ja hoolduse sümpoosion. 2000 Toimetised. Rahvusvaheline tootekvaliteedi ja terviklikkuse sümpoosion (kat. nr 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes ja B. Henderson, Pseudoelastsed SMA vedruelemendid passiivse vibratsiooniisolatsiooni jaoks: osa i modelleerimine, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Pinnale paigaldatavate komponentide tüüpiliste juhtkonstruktsioonide võrdlev vastavus, IEEE Transactions on Components, Hybrids ja Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Nõuetele vastavuse mõõdikud pindpaigalduskomponentide juhtmestiku projekteerimiseks. 1990 Toimetised. 40. elektroonikakomponentide ja tehnoloogia konverents (kat. nr 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz ja L. Taylor, Kaldkajaka tiiva, ämbliku j-painde ja ämblikukajaka tiiva juhtkonstruktsioonide vastavusmõõdikud pinnale paigaldatavate komponentide jaoks. 1991 Toimetised. 41. elektroonikakomponentide ja tehnoloogia konverents (kat. nr 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice ja B. Shaw, Solder joint reliability of fine pitch surface mount technology assemblies, IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology 13(3) (1990), 534–544.
[37] R. Li, A Metoodika elektroonikakomponentide väsimuse prognoosimiseks juhusliku vibratsioonikoormuse all, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li ja L. Poglitsch, Plastikust kuulvõrestiku ja plastikust nelinurksete pakendite väsimus autode vibratsiooni all. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li ja L. Poglitsch, Vibratsiooniväsimus, tõrkemehhanism ja plastikust kuulvõrestiku ja plastikust neljatasandiliste pakendite töökindlus.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore ja D. Followell, Vibration fatigue of Surface mount Technology (smt) jooteühendused. Annual Reliability and Maintainability Symposium 1995 Proceedings (Kat. nr 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong ja J. Penny, Vibratsiooni all oleva trükkplaadi serva- ja sisepunktitoe mõju, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Mis sellel viga on? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze ja L. Cheng, Aktiivse vibratsiooniisolatsiooni teostatavusuuring äikeseajamite abil, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Elektrooniliste seadmete töökindluse prognoosimine. USA kaitseministeerium, F väljaanne, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Uuring viimaste uuenduste kohta vibratsiooni summutamise ja juhtimise vallas, kasutades šunteeritud piesoelektrilisi muundureid, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris ja J. Reilly, Mil-hdbk-217 – lemmiksihtmärk. Iga-aastane töökindluse ja hoolduse sümpoosion. 1993 Proceedings (kat. nr 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktiline töökindluse tehnika. Wiley, 1997.
[48] M. Osterman ja T. Stadterman, Rikke hindamise tarkvara vooluringkaartide koostutele. Iga-aastane töökindlus ja hooldatavus. Sümpoosion. 1999 Proceedings (kat. nr 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht ja A. Dasgupta, Physics-of-Fure: an approach to usaldusväärne tootearendus, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Kat. nr 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht ja W.-C. Kang, Mil-hdbk-217e usaldusväärsuse ennustamismeetodite kriitika, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht ja 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 ja D. Smith, The smeared property method 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 ja Y. Ling, Personaalarvutite emaplaatide dünaamiline modelleerimine ja mõõtmine. 52. elektroonikakomponentide ja tehnoloogia konverents 2002., (kat. nr 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi ja A. Primavera, Trükikaartide vibratsiooni modelleerimise tehnikate võrdlus, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala ja P. Geng, Mehaaniline põrutustestimine ja personaalarvutite emaplaatide modelleerimine. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Solder Mechanics – A State of the Art Assesssment. Mineraalide, metallide ja materjalide ühing, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola ja 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 ja T. Reinikainen, Elektrooniliste pakendite kolme- ja neljapunktiline painutustest, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth ja D. B. Barker, Perifeersete pliikomponentide nurgajuhtmete vibratsioonist põhjustatud väsimuse eluea hinnang, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman ja G. Blackwood, Pehme 6-teljeline aktiivvibratsiooniisolaator, 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, Kas nõuetele vastavad välisjuhtmed võivad vähendada pinnale paigaldatava seadme tugevust? 1988 38. elektroonikakomponentide konverentsi materjalid (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Trükkplaadi mittelineaarne dünaamiline reaktsioon selle tugikontuurile rakendatud löökkoormustele, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Painduva trükkplaadi reaktsioon selle tugikontuurile rakendatud perioodilistele löökkoormustele, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Elektroonikaseadmete kriitiliste komponentide vibratsioonikaitse karmides keskkonnatingimustes, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao ja Q. Guo, Vibration fatigue experiments of SMT jootmisliit, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan ja W. Liao, An Empirical method for particle damping design, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, A fracture mechanics approach to soldered joint cracking, IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao ja E. Elsayed, Modeling Accelerated Life Testing based on medium residual life, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou ja E. A. Elsayed, Generalized step stress accelerated life model. 2004. aasta rahvusvahelise elektroonilise toote usaldusväärsuse ja vastutuse ärikonverentsi materjalid, 2004, 19–25.
Allikas: www.habr.com