Analyse de fiabilité des équipements électroniques soumis à des chocs et des vibrations : un aperçu

Revue : Chocs et vibrations 16 (2009) 45-59
Auteurs : Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail : [email protected]), et Guy Richardson
Affiliations des auteurs : Astronautical Research Group, Université de Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, Royaume-Uni
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Royaume-Uni

Copyright 2009 Société d'édition Hindawi. Il s'agit d'un article en libre accès distribué sous la licence Creative Commons Attribution, qui permet une utilisation, une distribution et une reproduction sans restriction sur n'importe quel support, à condition que l'œuvre originale soit correctement citée.

Annotation. À l’avenir, on s’attend à ce que tous les équipements électroniques modernes aient des fonctionnalités croissantes tout en conservant leur capacité à résister aux chocs et aux vibrations. Le processus de prévision de la fiabilité est difficile en raison des caractéristiques complexes de réponse et de défaillance des équipements électroniques. Les méthodes actuellement existantes constituent donc un compromis entre la précision des calculs et le coût.
Une prévision fiable et rapide de la fiabilité des équipements électroniques lorsqu’ils fonctionnent sous des charges dynamiques est très importante pour l’industrie. Cet article montre des problèmes de prédiction de la fiabilité des équipements électroniques qui ralentissent les résultats. Il convient également de tenir compte du fait que le modèle de fiabilité est généralement construit en tenant compte d'un large éventail de configurations d'équipement pour un certain nombre de composants similaires. Quatre classes de méthodes de prédiction de fiabilité (méthodes de référence, données d'essais, données expérimentales et modélisation des causes physiques de défaillance - physique de la défaillance) sont comparées dans cet article pour sélectionner la possibilité d'utiliser l'une ou l'autre méthode. Il est à noter que la plupart des pannes des équipements électroniques sont causées par des charges thermiques, mais cette étude se concentre sur les pannes causées par les chocs et les vibrations pendant le fonctionnement.

Note du traducteur. L’article est une revue de la littérature sur ce sujet. Malgré son âge relativement ancien, il constitue une excellente introduction au problème de l’évaluation de la fiabilité à l’aide de diverses méthodes.

1. Terminologie

Réseau de grilles à billes BGA.
Processeur DIP Dual In-line, parfois appelé Dual In-line Package.
Éléments finis FE.
Tableau de grille de broches PGA.
Carte de circuit imprimé PCB, parfois appelée PWB (Printed Wiring Board).
Support de puces au plomb en plastique PLCC.
Trou traversant plaqué PTH, parfois connu sous le nom de trou traversant Pin.
QFP Quad Flat Pack - également connu sous le nom d'aile de mouette.
Alliages à mémoire de forme SMA.
Technologie de montage en surface CMS.

Note des auteurs originaux : Dans cet article, le terme « composant » fait référence à un dispositif électronique spécifique pouvant être soudé sur une carte de circuit imprimé, le terme « package » fait référence à tout composant d'un circuit intégré (généralement n'importe quel composant SMT ou DIP). Le terme « composant attaché » fait référence à toute carte de circuit imprimé ou système de composants combinés, soulignant que les composants attachés ont leur propre masse et rigidité. (L'emballage cristallin et son impact sur la fiabilité ne sont pas abordés dans l'article, donc dans ce qui suit, le terme « emballage » peut être perçu comme un « étui » d'un type ou d'un autre - traduction approximative.)

2. Énoncé du problème

Les charges de chocs et de vibrations imposées à un PCB provoquent des contraintes sur le substrat du PCB, les boîtiers de composants, les traces de composants et les joints de soudure. Ces contraintes sont causées par une combinaison de moments de flexion dans le circuit imprimé et de l'inertie de masse du composant. Dans le pire des cas, ces contraintes peuvent provoquer l'un des modes de défaillance suivants : délaminage du PCB, défaillance du joint de soudure, défaillance du fil ou défaillance du boîtier de composants. Si l’un de ces modes de défaillance se produit, une défaillance complète de l’appareil s’ensuivra très probablement. Le mode de défaillance rencontré pendant le fonctionnement dépend du type d'emballage, des propriétés du circuit imprimé, ainsi que de la fréquence et de l'amplitude des moments de flexion et des forces d'inertie. La lenteur des progrès dans l’analyse de la fiabilité des équipements électroniques est due aux nombreuses combinaisons de facteurs d’entrée et de modes de défaillance qui doivent être prises en compte.

Le reste de cette section tentera d’expliquer la difficulté de considérer simultanément différents facteurs d’entrée.

Le premier facteur de complication à prendre en compte est le large éventail de types de boîtiers disponibles dans l’électronique moderne, car chaque boîtier peut échouer pour différentes raisons. Les composants lourds sont plus sensibles aux charges d'inertie, tandis que la réponse des composants SMT dépend davantage de la courbure du circuit imprimé. En conséquence, en raison de ces différences fondamentales, ces types de composants ont des critères de défaillance très différents en fonction de la masse ou de la taille. Ce problème est encore exacerbé par l’émergence constante de nouveaux composants disponibles sur le marché. Par conséquent, toute méthode de prédiction de fiabilité proposée doit s’adapter aux nouveaux composants afin d’avoir une application pratique dans le futur. La réponse d'un circuit imprimé aux vibrations est déterminée par la rigidité et la masse des composants, qui influencent la réponse locale du circuit imprimé. Il est connu que les composants les plus lourds ou les plus gros modifient considérablement la réponse de la carte aux vibrations aux endroits où ils sont installés. Les propriétés mécaniques des PCB (module d'Young et épaisseur) peuvent affecter la fiabilité d'une manière difficile à prévoir.

Un PCB plus rigide peut réduire le temps de réponse global du PCB sous charge, mais en même temps, il peut en fait augmenter localement les moments de flexion appliqués aux composants (de plus, du point de vue des défaillances induites thermiquement, il est en fait préférable de spécifier un PCB plus rigide). PCB compatible, puisque cela réduit les contraintes thermiques imposées au packaging - ndlr). La fréquence et l'amplitude des moments de flexion locaux et des charges d'inertie imposées sur la pile influencent également le mode de défaillance le plus probable. Les charges à haute fréquence et de faible amplitude peuvent conduire à une rupture par fatigue de la structure, qui peut être la principale cause de rupture (fatigue cyclique faible/élevée, LCF fait référence à des ruptures dominées par la déformation plastique (N_f < 10^6), tandis que HCF désigne une déformation élastique. pannes, généralement (N_f > 10^6 ) à panne [56] - note de l'auteur) La disposition finale des éléments sur la carte de circuit imprimé déterminera la cause de la panne, qui peut survenir en raison de contraintes dans un composant individuel causées par des charges d'inertie ou des moments de flexion locaux. Enfin, il est nécessaire de prendre en compte l'influence des facteurs humains et des caractéristiques de production, qui augmentent le risque de panne des équipements.

Lorsque l'on considère un nombre important de facteurs d'entrée et leur interaction complexe, il devient clair pourquoi une méthode efficace pour prédire la fiabilité des équipements électroniques n'a pas encore été créée. Une des revues de littérature recommandées par les auteurs sur cette question est présentée dans IEEE [26]. Cependant, cette revue se concentre principalement sur des classifications assez larges de modèles de fiabilité, telles que la méthode de prédiction de la fiabilité à partir de la littérature de référence, des données expérimentales, de la modélisation informatique des conditions de défaillance (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), et n'aborde pas les défaillances. avec suffisamment de détails provoqués par les chocs et les vibrations. Foucher et al.[17] suivent un schéma similaire à celui de l'étude de l'IEEE, avec un accent significatif sur les défaillances thermiques. La brièveté précédente de l’analyse des méthodes PoF, en particulier lorsqu’elles sont appliquées aux ruptures par choc et vibration, mérite un examen plus approfondi. Une étude de type IEEE est en cours d'élaboration par l'AIAA, mais la portée de cette étude est inconnue pour le moment.

3. Evolution des méthodes de prédiction de fiabilité

La première méthode de prédiction de fiabilité, développée dans les années 1960, est actuellement décrite dans MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F est la dernière et dernière révision de la méthode, publiée en 1995 - note de l'auteur). une base de données des pannes d'équipements électroniques pour obtenir la durée de vie moyenne d'un circuit imprimé constitué de certains composants. Cette méthode est connue comme méthode de prédiction de la fiabilité à partir de la littérature de référence et normative. Bien que le Mil-Hdbk-217F soit de plus en plus obsolète, la méthode de référence est toujours utilisée aujourd'hui. Les limites et les imprécisions de cette méthode ont été bien documentées [42,50], conduisant au développement de trois classes de méthodes alternatives : la modélisation informatique des conditions de défaillance physique (PoF), les données expérimentales et les données d'essais sur le terrain.

Les méthodes PoF prédisent la fiabilité de manière analytique sans s'appuyer sur les données précédemment collectées. Toutes les méthodes PoF ont deux caractéristiques communes de la méthode classique décrite dans Steinberg [62] : premièrement, la réponse vibratoire de la carte de circuit imprimé à un stimulus vibratoire spécifique est recherchée, puis les critères de défaillance des composants individuels après exposition aux vibrations sont testés. Une avancée importante dans les méthodes PoF a été l'utilisation des propriétés distribuées (moyennes) des cartes pour générer rapidement un modèle mathématique d'une carte de circuit imprimé [54], ce qui a considérablement réduit la complexité et le temps consacré au calcul précis de la réponse vibratoire d'un circuit imprimé. circuit imprimé (voir section 8.1.3). Les développements récents dans les techniques PoF ont amélioré la prévision des défaillances pour les composants soudés par technologie de montage en surface (SMT) ; cependant, à l'exception de la méthode Barkers [59], ces nouvelles méthodes ne sont applicables qu'à des combinaisons très spécifiques de composants et de cartes de circuits imprimés. Il existe très peu de méthodes disponibles pour les gros composants tels que les transformateurs ou les gros condensateurs.
Les méthodes de données expérimentales améliorent la qualité et les capacités du modèle utilisé dans les méthodes de prédiction de la fiabilité basées sur la littérature de référence. La première méthode basée sur des données expérimentales pour prédire la fiabilité des équipements électroniques a été décrite dans un article de 1999 utilisant la méthode HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), créée chez Honeywell, Inc. [20]. La méthode des données expérimentales présente un certain nombre d'avantages par rapport aux méthodes de prédiction de la fiabilité utilisant la littérature de référence et normative. Récemment, de nombreuses méthodes similaires sont apparues (REMM et TRACS [17], également FIDES [16]). La méthode des données expérimentales, ainsi que la méthode de prédiction de la fiabilité à l'aide de la littérature de référence et normative, ne permettent pas de prendre en compte de manière satisfaisante la disposition de la carte et l'environnement de fonctionnement de son fonctionnement dans l'évaluation de la fiabilité. Cette lacune peut être corrigée en utilisant les données de défaillance de cartes de conception similaire ou de cartes ayant été exposées à des conditions de fonctionnement similaires.

Les méthodes expérimentales de données dépendent de la disponibilité d’une base de données étendue contenant des données sur les accidents au fil du temps. Chaque type de panne dans cette base de données doit être correctement identifié et sa cause profonde déterminée. Cette méthode d'évaluation de la fiabilité convient aux entreprises qui produisent le même type d'équipement en quantités suffisamment importantes pour qu'un nombre important de pannes puisse être traité pour évaluer la fiabilité.

Les méthodes de test de fiabilité des composants électroniques sont utilisées depuis le milieu des années 1970 et sont généralement divisées en tests accélérés et non accélérés. L'approche de base consiste à effectuer des tests matériels qui créent l'environnement d'exploitation attendu de la manière la plus réaliste possible. Les tests sont effectués jusqu'à l'apparition d'une panne, permettant de prédire le MTBF (Mean Time Between Failures). Si le MTBF est estimé très long, la durée du test peut être réduite par des tests accélérés, obtenus en augmentant les facteurs d'environnement d'exploitation et en utilisant une formule connue pour relier le taux de défaillance du test accéléré au taux de défaillance attendu dans opération. Ces tests sont essentiels pour les composants présentant un risque élevé de défaillance, car ils fournissent au chercheur le plus haut niveau de confiance. Toutefois, il serait peu pratique de les utiliser pour optimiser la conception des cartes en raison des longs temps d'itération de l'étude.

Un examen rapide des travaux publiés dans les années 1990 suggère qu’il s’agissait d’une période où les données expérimentales, les données de test et les méthodes PoF se faisaient concurrence pour remplacer les méthodes obsolètes permettant de prédire la fiabilité à partir d’ouvrages de référence. Cependant, chaque méthode présente ses propres avantages et inconvénients et, lorsqu’elle est utilisée correctement, elle produit des résultats précieux. En conséquence, l’IEEE a récemment publié une norme [26] qui répertorie toutes les méthodes de prédiction de fiabilité utilisées aujourd’hui. L'objectif de l'IEEE était de préparer un guide qui fournirait à l'ingénieur des informations sur toutes les méthodes disponibles ainsi que sur les avantages et les inconvénients inhérents à chaque méthode. Bien que l'approche IEEE soit encore au début d'une longue évolution, elle semble avoir ses propres mérites, puisque l'AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) la suit avec une ligne directrice appelée S-102, qui est similaire à l'IEEE mais prend également en compte la qualité relative des données de chaque méthode [27]. Ces guides ont uniquement pour but de rassembler les méthodes qui circulent dans la littérature mondiale publiée sur ces sujets.

4. Pannes causées par les vibrations

Une grande partie des recherches antérieures se sont principalement concentrées sur les vibrations aléatoires en tant que charge sur les PCB, mais l'étude suivante s'intéresse spécifiquement aux défaillances liées aux impacts. De telles méthodes ne seront pas discutées en détail ici car elles relèvent de la classification des méthodes PoF et sont abordées dans les sections 8.1 et 8.2 de cet article. Heen et ses collègues [24] ont créé une carte de test pour tester l'intégrité des joints de soudure BGA lorsqu'ils sont soumis à un choc. Lau et al.[36] ont décrit la fiabilité des composants PLCC, PQFP et QFP sous des impacts dans le plan et hors du plan. Pitarresi et al.[53,55] ont étudié les pannes de cartes mères d'ordinateurs dues à des charges de choc et ont fourni une bonne revue de la littérature décrivant les équipements électroniques soumis à des charges de choc. Steinberg [62] propose un chapitre entier sur la conception et l’analyse des équipements électroniques impactés, couvrant à la fois la manière de prédire l’environnement de choc et la manière de garantir les performances des composants électroniques. Sukhir [64,65] a décrit des erreurs dans les calculs linéaires de la réponse d'une carte de circuit imprimé à une charge d'impact appliquée aux fixations de la carte. Ainsi, les méthodes de données de référence et expérimentales peuvent prendre en compte les défaillances d’équipement liées à l’impact, mais ces méthodes décrivent implicitement les défaillances « d’impact ».

5. Méthodes de référence

Parmi toutes les méthodes disponibles décrites dans les manuels, nous nous limiterons à deux seulement qui prennent en compte la défaillance due aux vibrations : Mil-Hdbk-217 et CNET [9]. Le Mil-Hdbk-217 est accepté comme norme par la plupart des fabricants. Comme toutes les méthodes manuelles et de référence, elles reposent sur des approches empiriques visant à prédire la fiabilité des composants à partir de données expérimentales ou de laboratoire. Les méthodes décrites dans la littérature de référence sont relativement simples à mettre en œuvre, car elles ne nécessitent pas de modélisation mathématique complexe et utilisent uniquement les types de pièces, le nombre de pièces, les conditions de fonctionnement de la carte et d'autres paramètres facilement accessibles. Les données d'entrée sont ensuite entrées dans le modèle pour calculer le temps entre les pannes, MTBF. Malgré ses avantages, le Mil-Hdbk-217 devient de moins en moins populaire [12, 17,42,50,51]. Considérons une liste incomplète de restrictions sur son applicabilité.

1. Les données sont de plus en plus obsolètes, ayant été mises à jour pour la dernière fois en 1995 et non pertinentes pour les nouveaux composants, il n'y a aucune chance que le modèle soit révisé puisque le Conseil d'amélioration des normes de défense a décidé de laisser la méthode « mourir de mort naturelle » [ 26].
2. La méthode ne fournit pas d'informations sur le mode de défaillance, la disposition du PCB ne peut donc pas être améliorée ou optimisée.
3. Les modèles supposent que la défaillance est indépendante de la conception, ignorant la disposition des composants sur le PCB. Cependant, on sait que la disposition des composants a un impact important sur la probabilité de défaillance. [50].
4. Les données empiriques collectées contiennent de nombreuses inexactitudes, les données sont utilisées à partir de composants de première génération avec un taux de défaillance anormalement élevé en raison d'enregistrements erronés du temps de fonctionnement, des réparations, etc., ce qui réduit la fiabilité des résultats de prévision de la fiabilité [51].

Toutes ces lacunes indiquent que l'utilisation de méthodes de référence doit être évitée, cependant, dans les limites de l'admissibilité de ces méthodes, un certain nombre d'exigences de la spécification technique doivent être mises en œuvre. Par conséquent, les méthodes de référence ne doivent être utilisées que lorsque cela est approprié, c'est-à-dire dès les premières étapes de la conception [46]. Malheureusement, même cette utilisation doit être abordée avec une certaine prudence, puisque ces types de méthodes n’ont pas été révisés depuis 1995. Par conséquent, les méthodes de référence sont par nature de mauvais prédicteurs de la fiabilité mécanique et doivent être utilisées avec prudence.

6. Méthodes de données de test

Les méthodes de données de test sont les méthodes de prédiction de fiabilité les plus simples disponibles. Un prototype de la conception de carte de circuit imprimé proposée est soumis à des vibrations environnementales reproduites sur un banc de laboratoire. Ensuite, les paramètres de destruction (MTTF, spectre de choc) sont analysés, puis utilisés pour calculer des indicateurs de fiabilité [26]. La méthode des données d'essai doit être utilisée en tenant compte de ses avantages et de ses inconvénients.
Le principal avantage des méthodes de données de test est la grande précision et la fiabilité des résultats. Ainsi, pour les équipements présentant un risque de défaillance élevé, l'étape finale du processus de conception doit toujours inclure des tests de qualification en vibration. L'inconvénient est le temps nécessaire à la fabrication, à l'installation et au chargement de l'éprouvette, ce qui rend la méthode inadaptée à l'amélioration de la conception d'équipements présentant une forte probabilité de défaillance. Pour un processus de conception de produit itératif, une méthode plus rapide doit être envisagée. Le temps d'exposition à la charge peut être réduit par des tests accélérés si des modèles fiables sont disponibles pour le calcul ultérieur de la durée de vie réelle [70,71]. Cependant, les méthodes d’essais accélérés sont plus adaptées à la modélisation des défaillances thermiques que des défaillances vibratoires. En effet, il faut moins de temps pour tester les effets des charges thermiques sur les équipements que pour tester les effets des charges vibratoires. L'effet des vibrations ne peut apparaître dans le produit qu'après une longue période.

Par conséquent, les méthodes d’essai ne sont généralement pas utilisées pour les défaillances dues aux vibrations, sauf circonstances atténuantes, telles que de faibles tensions entraînant des délais de défaillance très longs. Des exemples de méthodes de vérification des données peuvent être vus dans les travaux de Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al.[57], Liguore et Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih et Jung [30]. Un bon aperçu général de la méthode est donné dans IEEE [26].

7. Méthodes de données expérimentales

La méthode des données expérimentales est basée sur les données de défaillance de cartes de circuits imprimés similaires qui ont été testées dans des conditions de fonctionnement spécifiées. La méthode n'est correcte que pour les cartes de circuits imprimés qui subiront des charges similaires. La méthode des données expérimentales comporte deux aspects principaux : la construction d'une base de données des pannes de composants électroniques et la mise en œuvre de la méthode basée sur la conception proposée. Pour créer une base de données appropriée, des données de défaillance pertinentes doivent avoir été collectées à partir de conceptions similaires ; cela signifie que des données sur les pannes d'équipements similaires doivent exister. Les équipements défectueux doivent également être analysés et les statistiques collectées correctement. Il ne suffit pas d'indiquer qu'une conception de PCB donnée est tombée en panne après un certain nombre d'heures, il faut déterminer l'emplacement, le mode de panne et la cause de la panne. À moins que toutes les données de défaillance précédentes n'aient été analysées de manière approfondie, une longue période de collecte de données sera nécessaire avant de pouvoir utiliser la méthode des données expérimentales.

Une solution possible à cette limitation consiste à mettre en œuvre des tests de cycle de vie hautement accélérés (HALT) dans le but de créer rapidement une base de données sur les taux de défaillance, bien que la reproduction précise des paramètres environnementaux soit difficile mais vitale [27]. Une description de la deuxième étape de mise en œuvre de la méthode des données expérimentales peut être lue dans [27], qui montre comment prédire le MTBF pour une conception proposée si la conception testée est obtenue en modifiant une carte existante pour laquelle des données de défaillance détaillées existent déjà. . D'autres revues de méthodes de données expérimentales sont décrites par divers auteurs dans [11,17,20,26].

8. Simulation informatique des conditions de défaillance (PoF)

Les techniques de modélisation informatique des conditions de défaillance, également appelées modèles de contraintes et de dommages ou modèles PoF, sont mises en œuvre dans un processus de prédiction de fiabilité en deux étapes. La première étape consiste à rechercher la réponse du circuit imprimé à une charge dynamique qui lui est imposée ; dans la deuxième étape, la réponse du modèle est calculée pour garantir un indicateur de fiabilité donné. La majeure partie de la littérature est souvent consacrée à la fois à la méthode de prévision de la réponse et au processus de recherche de critères d'échec. Ces deux méthodes étant mieux comprises lorsqu’elles sont décrites indépendamment, cette revue examinera ces deux étapes séparément.

Entre les étapes de prédiction de la réponse et de recherche des critères de défaillance, l'ensemble de données créé lors de la première étape et utilisé lors de la seconde est transféré au modèle. La variable de réponse a évolué depuis l'utilisation de l'accélération d'entrée sur le châssis [15,36,37,67], en passant par l'accélération réelle subie par le composant pour tenir compte des différentes réponses vibratoires des différentes configurations de PCB [40], et enfin vers la prise en compte excursion locale [62] ou moments de flexion locaux [59] subis par le PCB localement par rapport au composant.

Il a été noté que la défaillance est fonction de la disposition des composants sur une carte de circuit imprimé [21,38, XNUMX], de sorte que les modèles qui intègrent une réponse aux vibrations locales sont plus susceptibles d'être précis. Le choix du paramètre (accélération locale, flèche locale ou moment fléchissant) qui est le facteur déterminant de la rupture dépend du cas spécifique.
Si des composants SMT sont utilisés, les moments de courbure ou de flexion peuvent être les facteurs de rupture les plus importants ; pour les composants lourds, les accélérations locales sont généralement utilisées comme critères de rupture. Malheureusement, aucune recherche n’a été menée pour montrer quel type de critères est le plus approprié dans un ensemble donné de données d’entrée.

Il est important de considérer la pertinence de toute méthode PoF utilisée, car il n’est pas pratique d’utiliser une méthode PoF, analytique ou FE, qui n’est pas étayée par des données d’essais en laboratoire. De plus, il est important d’utiliser n’importe quel modèle uniquement dans le cadre de son applicabilité, ce qui limite malheureusement l’applicabilité de la plupart des modèles PoF actuels à une utilisation dans des conditions très spécifiques et limitées. De bons exemples de discussion sur les méthodes PoF sont décrits par divers auteurs [17,19,26,49, XNUMX, XNUMX, XNUMX].

8.1. Prédiction de réponse

La prédiction de la réponse implique l'utilisation de la géométrie et des propriétés matérielles d'une structure pour calculer la variable de réponse requise. Cette étape devrait capturer uniquement la réponse globale du PCB sous-jacent et non la réponse des composants individuels. Il existe trois principaux types de méthodes de prédiction de réponse : les modèles FE analytiques et détaillés et les modèles FE simplifiés, décrits ci-dessous. Ces méthodes se concentrent sur l'intégration de la rigidité et des effets de masse des composants ajoutés. Cependant, il est important de ne pas perdre de vue l'importance de modéliser avec précision la rigidité en rotation au bord du PCB, car elle est étroitement liée à la précision du modèle (ceci est discuté dans paragraphe 8.1.4). Figue. 1. Exemple de modèle détaillé d'un circuit imprimé [53].

8.1.1. Prédiction de la réponse analytique

Steinberg [62] fournit la seule méthode analytique pour calculer la réponse vibratoire d'une carte de circuit imprimé. Steinberg affirme que l'amplitude d'oscillation à la résonance d'une unité électronique est égale à deux fois la racine carrée de la fréquence de résonance ; cette déclaration est basée sur des données non disponibles et ne peut pas être vérifiée. Cela permet de calculer analytiquement la déflexion dynamique à la résonance, qui peut ensuite être utilisée pour calculer soit la charge dynamique d'un composant lourd, soit la courbure de la carte de circuit imprimé. Cette méthode ne produit pas directement de réponse locale du PCB et n'est compatible qu'avec les critères de défaillance basés sur la déflexion décrits par Steinberg.

La validité de l'hypothèse de répartition des fonctions de transfert basée sur des mesures d'amplitude est discutable puisque Pitarresi et al. [53] ont mesuré une atténuation critique de 2 % pour une carte mère d'ordinateur, alors qu'en utilisant l'hypothèse de Steinberg donnerait 3,5 % (sur la base de la fréquence propre 54 Hz), ce qui conduirait à une large sous-estimation de la réponse de la carte aux vibrations.

8.1.2. Modèles FE détaillés

Certains auteurs démontrent l'utilisation de modèles FE détaillés pour calculer la réponse vibratoire d'une carte de circuit imprimé [30,37,53, 57,58, 1, 3, 4] (la figure 33-35 montre des exemples avec un niveau de détail accru), mais l'utilisation de ces modèles Ces méthodes ne sont pas recommandées pour un produit commercial (à moins qu’une prédiction précise de la réponse locale ne soit pas absolument nécessaire) car le temps requis pour construire et résoudre un tel modèle est excessif. Les modèles simplifiés produisent des données d’une précision appropriée beaucoup plus rapidement et à moindre coût. Le temps requis pour construire et résoudre un modèle FE détaillé peut être réduit en utilisant les constantes de ressort JEDEC XNUMX publiées dans [XNUMX-XNUMX], ces constantes de ressort peuvent être utilisées à la place du modèle FE détaillé de chaque fil. De plus, la méthode des sous-structures (parfois appelée méthode des superéléments) peut être mise en œuvre pour réduire le temps de calcul nécessaire à la résolution de modèles détaillés. Il convient de noter que les modèles FE détaillés brouillent souvent les frontières entre la prédiction de réponse et les critères de défaillance, de sorte que les travaux référencés ici peuvent également relever de la liste des travaux contenant des critères de défaillance.

8.1.3. Modèles FE distribués

Les modèles FE simplifiés réduisent la création de modèles et le temps de résolution. La masse du composant ajouté et sa rigidité peuvent être représentées en simulant simplement un PCB vide avec une masse et une rigidité accrues, où les effets de masse et de rigidité sont incorporés en augmentant localement le module d'Young du PCB.

Figue. 2. Exemple de modèle détaillé d'un composant QFP utilisant la symétrie pour simplifier le processus de modélisation et réduire le temps de solution [36]. Figue. 3. Exemple d'un modèle FE détaillé de J-lead [6].

Le facteur d'amélioration de la rigidité peut être calculé en découpant physiquement l'élément attaché et en appliquant des méthodes d'essai de flexion [52]. Pitarresi et coll. [52,54] ont examiné l'effet de simplification de la masse et de la rigidité supplémentaires fournies par les composants fixés à une carte de circuit imprimé.

Le premier article examine un cas unique d'un modèle FE simplifié d'une carte de circuit imprimé, vérifié par rapport à des données expérimentales. Le principal domaine d'intérêt de cet article est la détermination des propriétés distribuées, avec la mise en garde qu'une grande précision de la rigidité en torsion est requise pour un modèle précis.

Le deuxième article examine cinq PCB remplis différents, chacun modélisé avec plusieurs niveaux différents de simplification de sa composition. Ces modèles sont comparés à des données expérimentales. Cet article se termine par quelques observations instructives sur la corrélation entre les rapports masse-rigidité et la précision du modèle. Ces deux articles utilisent uniquement les fréquences naturelles et les MEC (critères d'assurance modale) pour déterminer la corrélation entre les deux modèles. Malheureusement, l'erreur de fréquence propre ne peut fournir aucune information sur l'erreur d'accélérations locales ou de moments de flexion, et MKO ne peut donner que la corrélation globale entre deux modes naturels, mais ne peut pas être utilisée pour calculer le pourcentage d'erreur d'accélération ou de courbure. En combinant analyse numérique et simulation informatique, Cifuentes [10] fait les quatre observations suivantes.

1. Les modes simulés doivent contenir au moins 90 % de masse vibrante pour une analyse précise.
2. Dans les cas où les écarts du panneau sont comparables à son épaisseur, une analyse non linéaire peut être plus appropriée qu'une analyse linéaire.
3. De petites erreurs dans le placement des composants peuvent entraîner de grandes erreurs dans les mesures de réponse.
4. La précision de la mesure de la réponse est plus sensible aux erreurs de masse qu’à la rigidité.

8.1.4. Conditions aux frontières

Le coefficient de rigidité en rotation des bords du PCB a un impact significatif sur la précision de la réponse calculée [59] et, en fonction de la configuration spécifique, il est bien plus important que la masse et la rigidité ajoutées du composant. La modélisation de la rigidité du bord en rotation comme nulle (essentiellement juste une condition de support) produit généralement des résultats conservateurs, tandis que la modélisation avec un serrage serré sous-estime généralement les résultats, car même les mécanismes de serrage de PCB les plus rigides ne peuvent pas garantir une condition de bord complètement serré. Barker et Chen [5] valident la théorie analytique avec des résultats expérimentaux pour montrer comment la rigidité en rotation des bords affecte la fréquence naturelle d'un PCB. La principale conclusion de ce travail est la forte corrélation entre la rigidité en rotation des bords et les fréquences propres, conformément à la théorie. Cela signifie également que de grandes erreurs dans la modélisation de la rigidité en rotation des bords entraîneront de grandes erreurs dans la prédiction de la réponse. Bien que ce travail ait été considéré dans un cas particulier, il est applicable à la modélisation de tous types de mécanismes de conditions aux limites. En utilisant les données expérimentales de Lim et al. [41] fournit un exemple de la façon dont la rigidité en rotation des bords peut être calculée pour utiliser FE dans un modèle PCB ; ceci est réalisé en utilisant une méthode adaptée de Barker et Chen [5]. Ce travail montre également comment déterminer l'emplacement optimal de n'importe quel point d'une structure pour maximiser les fréquences naturelles. Des travaux qui considèrent spécifiquement l'effet de la modification des conditions aux limites pour réduire la réponse vibratoire existent également par Guo et Zhao [21] ; Aglietti [2]; Aglietti et Schwingshackl [3], Lim et al. [41].

8.1.5. Prédictions des impacts des chocs et des vibrations

Pitarresi et coll. [53-55] utilisent un modèle FE détaillé d'un PCB pour prédire la réponse aux chocs et aux vibrations d'une carte avec des composants représentés sous forme de blocs 3D. Ces modèles utilisaient des taux d'amortissement constants déterminés expérimentalement pour améliorer la prédiction de la réponse à la résonance. Le spectre de réponse à l'impact (SRS) et les méthodes de balayage temporel ont été comparés pour la prédiction de la réponse à l'impact, les deux méthodes étant un compromis entre la précision et le temps de solution.

8.2. Critères de rejet

Les critères de défaillance prennent une mesure de la réponse du PCB et l'utilisent pour dériver une métrique de défaillance, où la métrique de défaillance peut être le temps moyen entre les pannes (MTBF), les cycles jusqu'à défaillance, la probabilité de fonctionnement sans panne ou toute autre métrique de fiabilité (voir IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] pour une discussion sur les mesures de défaillance). Les nombreuses approches différentes pour générer ces données peuvent être commodément divisées en méthodes analytiques et empiriques. Les méthodes empiriques génèrent des données sur les critères de défaillance en chargeant des éprouvettes de composants à la charge dynamique requise. Malheureusement, en raison du large éventail de données d'entrée (types de composants, épaisseurs de PCB et charges) possibles dans la pratique, il est peu probable que les données publiées soient directement applicables, car elles ne sont valables que dans des cas très particuliers. Les méthodes analytiques ne souffrent pas de tels inconvénients et ont une applicabilité beaucoup plus large.

8.2.1. Critères d'échec empiriques

Comme indiqué précédemment, une limitation de la plupart des modèles empiriques est qu'ils ne sont applicables qu'à des configurations impliquant la même épaisseur de PCB, des types de composants similaires et une charge d'entrée, ce qui est peu probable. Cependant, la littérature disponible est utile pour les raisons suivantes : elle fournit de bons exemples de tests de défaillance, met en évidence différentes options pour les mesures de défaillance et fournit des informations précieuses sur les mécanismes de défaillance. Li [37] a créé un modèle empirique pour prédire la fiabilité des boîtiers BGA à 272 broches et QFP à 160 broches. Les dommages causés par la fatigue dans les conducteurs et dans le corps du boîtier sont étudiés et les résultats expérimentaux sont en bon accord avec l'analyse des dommages basée sur les contraintes calculée à l'aide d'un modèle FE détaillé (voir également Li et Poglitsch [38,39]). Le processus produit des dommages cumulatifs pour un niveau donné d'accélération vibratoire du signal d'entrée de vibration.
Lau et ses collègues [36] ont évalué la fiabilité de composants spécifiques soumis à des charges de choc et de vibration à l'aide des statistiques de Weibull. Liguore et Followell [40] ont examiné les défaillances des composants LLCC et J-lead en faisant varier l'accélération locale au cours des cycles de service. L'accélération locale est utilisée par opposition à l'accélération d'entrée du châssis, et l'effet de la température sur les résultats des tests a été étudié. L'article fait également référence à des recherches sur l'effet de l'épaisseur des PCB sur la fiabilité des composants.

Guo et Zhao [21] comparent la fiabilité des composants lorsque la courbure de torsion locale est utilisée comme charge, contrairement aux études précédentes qui utilisaient l'accélération. Les dommages dus à la fatigue sont simulés, puis le modèle FE est comparé aux résultats expérimentaux. L'article traite également de l'optimisation de la disposition des composants pour améliorer la fiabilité.

Ham et Lee [22] présentent une méthode de données d'essai pour le problème de la détermination des contraintes de soudure au plomb sous chargement de torsion cyclique. Estes et ses collègues [15] ont examiné le problème de défaillance des composants papillon (GOST CEI 61188-5-5-2013) avec une accélération d'entrée et une charge thermique appliquées. Les composants étudiés sont les types de boîtiers de puces CQFP 352, 208, 196, 84 et 28, ainsi que les FP 42 et 10. L'article est consacré à la défaillance de composants électroniques due aux fluctuations de l'orbite d'un satellite terrestre géostationnaire, le temps entre les pannes est exprimé en années de vol sur des orbites géostationnaires ou terrestres basses. Il est à noter que la défaillance des fils papillon est plus probable aux endroits en contact avec le corps du boîtier qu'au niveau du joint de soudure.

Jih et Jung [30] considèrent les pannes d'équipement causées par des défauts de fabrication inhérents au joint de soudure. Cela se fait en créant un modèle FE très détaillé du PCB et en trouvant la densité spectrale de puissance (PSD) pour différentes longueurs de fissures de fabrication. Ligyore, Followell [40] et Shetty, Reinikainen [58] suggèrent que les méthodes empiriques produisent les données de défaillance les plus précises et les plus utiles pour des configurations spécifiques de composants connectés. Ces types de méthodes sont utilisés si certaines données d'entrée (épaisseur de la carte, type de composant, plage de courbure) peuvent rester constantes tout au long de la conception, ou si l'utilisateur peut se permettre d'effectuer des tests réels de ce type.

8.2.2. Critère d'échec analytique

Modèles SMT de joints d'angle

Divers chercheurs examinant les défaillances des broches d'angle SMT suggèrent qu'il s'agit de la cause de défaillance la plus courante. Les articles de Sidharth et Barker [59] complètent une série d'articles antérieurs en présentant un modèle pour déterminer la déformation des fils d'angle SMT et des composants des fils de boucle. Le modèle proposé présente une erreur inférieure à 7 % par rapport au modèle FE détaillé pour les six pires scénarios. Le modèle est basé sur une formule précédemment publiée par Barker et Sidharth [4], où la flèche d'une pièce attachée soumise à un moment de flexion a été modélisée. L'article de Sukhir [63] examine analytiquement les contraintes attendues dans les terminaux de colis en raison des moments de flexion appliqués localement. Barker et Sidharth [4] s'appuient sur les travaux de Sukhir [63], Barker et al. [4], qui considèrent l'influence de la rigidité rotationnelle principale. Enfin, Barker et al.[7] ont utilisé des modèles FE détaillés pour étudier l'effet des variations dimensionnelles du plomb sur la durée de vie en fatigue du plomb.

Il convient de mentionner ici les travaux sur les constantes des ressorts en plomb JEDEC, qui ont grandement simplifié la création de modèles de composants en plomb [33-35]. Les constantes de ressort peuvent être utilisées à la place d'un modèle détaillé de connexions de connexion ; le temps requis pour construire et résoudre le modèle FE sera réduit dans le modèle. L'utilisation de telles constantes dans le modèle FE des composants empêchera le calcul direct des contraintes de plomb locales. Au lieu de cela, la contrainte globale du plomb sera indiquée, qui devra ensuite être liée soit aux contraintes locales du plomb, soit aux critères de défaillance du plomb basés sur le cycle de vie du produit.

Données sur la fatigue des matériaux

La plupart des données sur la rupture des matériaux utilisés pour les soudures et les composants sont principalement liées à la rupture thermique, et il existe relativement peu de données concernant la rupture par fatigue. Une référence majeure dans ce domaine est fournie par Sandor [56], qui fournit des données sur la mécanique de la fatigue et de la rupture des alliages de soudure. Steinberg [62] considère la défaillance des échantillons de soudure. Les données de fatigue pour les soudures et les fils standards sont disponibles dans l'article de Yamada [69].

Figue. 4. La position de défaillance habituelle indiquée dans le manuel des composants QFP est proche du corps du package.

La modélisation des échecs associés au décollement des soudures est un défi en raison des propriétés inhabituelles de ce matériau. La solution à cette question dépend du composant à tester. On sait que pour les packages QFP, cela n'est généralement pas pris en compte et la fiabilité est évaluée à l'aide de la littérature de référence. Mais si la soudure de gros composants BGA et PGA est calculée, les connexions de câbles, en raison de leurs propriétés inhabituelles, peuvent affecter la défaillance du produit. Ainsi, pour les packages QFP, les propriétés de fatigue du plomb sont les informations les plus utiles. Pour le BGA, les informations sur la durabilité des joints de soudure soumis à une déformation plastique instantanée sont plus utiles [14]. Pour les composants plus grands, Steinberg [62] fournit des données sur la tension d'arrachement des joints de soudure.

Modèles de défaillance de composants lourds

Les seuls modèles de rupture qui existent pour les composants lourds sont présentés dans un article de Steinberg [62], qui examine la résistance à la traction des composants et donne un exemple de la façon de calculer la contrainte maximale admissible pouvant être appliquée à une connexion en plomb.

8.3. Conclusions sur l'applicabilité des modèles PoF

Les conclusions suivantes ont été tirées dans la littérature concernant les méthodes PoF.

La réponse locale est essentielle pour prédire la défaillance des composants. Comme indiqué dans Li et Poglitsch [38], les composants situés aux bords d'un PCB sont moins susceptibles de tomber en panne que ceux situés au centre du PCB en raison de différences locales de flexion. Par conséquent, les composants situés à différents endroits du PCB auront des probabilités de défaillance différentes.

La courbure locale de la carte est considérée comme un critère de défaillance plus important que l'accélération pour les composants SMT. Des travaux récents [38,57,62,67] indiquent que la courbure des planches est le principal critère de rupture.

Différents types de packages, tant en termes de nombre de broches que de type utilisé, sont intrinsèquement plus fiables que d'autres, quel que soit l'environnement local spécifique [15,36,38].
La température peut affecter la fiabilité des composants. Liguore et Followell [40] affirment que la durée de vie en fatigue est la plus élevée dans la plage de températures allant de 0 ◦C à 65 ◦C, avec une diminution notable aux températures inférieures à -30 ◦C et supérieures à 95 ◦C. Pour les composants QFP, l'emplacement où le fil se fixe au boîtier (voir Fig. 4) est considéré comme l'emplacement principal du défaut plutôt que le joint de soudure [15,22,38, XNUMX, XNUMX].

L'épaisseur du panneau a un impact certain sur la durée de vie des composants SMT, car il a été démontré que la durée de vie du BGA diminue d'environ 30 à 50 fois si l'épaisseur du panneau passe de 0,85 mm à 1,6 mm (tout en maintenant une courbure globale constante) [13] . La flexibilité (conformité) des composants des câbles affecte de manière significative la fiabilité des composants des câbles périphériques [63], cependant, il s'agit d'une relation non linéaire et les câbles de connexion intermédiaires sont les moins fiables.

8.4. Méthodes logicielles

Le Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) de l'Université du Maryland fournit un logiciel permettant de calculer la réponse aux vibrations et aux chocs des cartes de circuits imprimés. Le logiciel (nommé CALCE PWA) dispose d'une interface utilisateur qui simplifie le processus d'exécution du modèle FE et entre automatiquement le calcul de réponse dans le modèle de vibration. Aucune hypothèse n'est utilisée pour créer le modèle de réponse FE, et les critères de défaillance utilisés sont tirés de Steinberg [61] (bien que la méthode de Barkers [48] devrait également être implémentée). Pour fournir des recommandations générales pour améliorer la fiabilité des équipements, le logiciel décrit fonctionne bien, d'autant plus qu'il prend simultanément en compte les contraintes induites thermiquement et nécessite des connaissances spécialisées minimales, mais l'exactitude des critères de défaillance dans les modèles n'a pas été vérifiée expérimentalement.

9. Méthodes pour augmenter la fiabilité des équipements

Cette section discutera des modifications post-projet qui améliorent la fiabilité des équipements électroniques. Ils se répartissent en deux catégories : ceux qui modifient les conditions aux limites du PCB et ceux qui augmentent l'amortissement.

L'objectif principal des modifications des conditions limites est de réduire la déviation dynamique de la carte de circuit imprimé, ce qui peut être réalisé grâce à des nervures de renforcement, des supports supplémentaires ou à une réduction des vibrations du support d'entrée. Les raidisseurs peuvent être utiles car ils augmentent les fréquences propres, réduisant ainsi la déflexion dynamique [62], il en va de même pour l'ajout de supports supplémentaires [3], bien que l'emplacement des supports puisse également être optimisé, comme le montrent les travaux de JH Ong et Lim [ 40]. Malheureusement, les nervures et les supports nécessitent généralement une refonte de la disposition. Il est donc préférable d'envisager ces techniques dès le début du cycle de conception. De plus, il convient de veiller à ce que les modifications ne modifient pas les fréquences propres pour les faire correspondre aux fréquences propres de la structure porteuse, car cela serait contre-productif.

L'ajout d'une isolation améliore la fiabilité du produit en réduisant l'impact de l'environnement dynamique transféré à l'équipement et peut être réalisé de manière passive ou active.
Les méthodes passives sont généralement simples et moins coûteuses à mettre en œuvre, comme l'utilisation d'isolants de câbles [66] ou l'utilisation des propriétés pseudoélastiques des alliages à mémoire de forme (SMA) [32]. Cependant, il est connu que des isolateurs mal conçus peuvent en réalité augmenter la réponse.
Les méthodes actives offrent un meilleur amortissement sur une plage de fréquences plus large, généralement au détriment de la simplicité et de la masse. Elles sont donc généralement destinées à améliorer la précision des instruments de précision très sensibles plutôt qu'à prévenir les dommages. L'isolation active des vibrations comprend des méthodes électromagnétiques [60] et piézoélectriques [18,43]. Contrairement aux méthodes de modification des conditions limites, la modification de l’amortissement vise à réduire la réponse de résonance maximale des équipements électroniques, alors que les fréquences naturelles réelles ne devraient changer que légèrement.

Comme pour l’isolation des vibrations, l’amortissement peut être obtenu de manière passive ou active, avec des simplifications de conception similaires dans le premier cas et une plus grande complexité et un amortissement plus important dans le second.

Les méthodes passives incluent, par exemple, des méthodes très simples telles que l'utilisation d'un matériau de liaison, augmentant ainsi l'amortissement du circuit imprimé [62]. Des méthodes plus sophistiquées incluent l'amortissement des particules [68] et l'utilisation d'absorbeurs dynamiques à large bande [25].

Le contrôle actif des vibrations est généralement obtenu grâce à l'utilisation d'éléments piézocéramiques liés à la surface du circuit imprimé [1,45]. L’utilisation de méthodes de durcissement est spécifique à chaque cas et doit être soigneusement étudiée par rapport à d’autres méthodes. L’application de ces techniques à des équipements qui ne présentent pas de problèmes de fiabilité n’augmentera pas nécessairement le coût et le poids de la conception. Cependant, si un produit dont la conception est approuvée échoue lors des tests, il peut être beaucoup plus rapide et plus facile d'appliquer une technique de durcissement structurel que de reconcevoir l'équipement.

10. Possibilités de développement de méthodes

Cette section détaille les opportunités d'amélioration de la prévision de la fiabilité des équipements électroniques, bien que les progrès récents dans les domaines de l'optoélectronique, de la nanotechnologie et des technologies d'emballage pourraient bientôt limiter l'applicabilité de ces propositions. Les quatre principales méthodes de prévision de la fiabilité peuvent ne pas être utilisées au moment de la conception du dispositif. Le seul facteur qui pourrait rendre de telles méthodes plus attrayantes serait le développement de technologies de fabrication et de test entièrement automatisées et peu coûteuses, car cela permettrait de construire et de tester la conception proposée beaucoup plus rapidement qu'actuellement, avec un minimum d'effort humain.

La méthode PoF peut encore être améliorée. Le principal domaine dans lequel il peut être amélioré est l’intégration avec le processus de conception global. La conception d'équipements électroniques est un processus itératif qui rapproche le développeur du résultat final uniquement en collaboration avec des ingénieurs spécialisés dans le domaine de l'électronique, de la fabrication et de l'ingénierie thermique, ainsi que de la conception structurelle. Une méthode qui répond automatiquement et simultanément à certains de ces problèmes réduira le nombre d’itérations de conception et permettra de gagner beaucoup de temps, en particulier si l’on considère la quantité de communication interministérielle. D'autres domaines d'amélioration des méthodes PoF seront divisés en types de prédiction de réponse et en critères d'échec.

La prédiction de la réponse a deux voies possibles : soit des modèles plus rapides et plus détaillés, soit des modèles améliorés et simplifiés. Avec l'avènement de processeurs informatiques de plus en plus puissants, le temps de résolution des modèles FE détaillés peut devenir assez court, tandis qu'en même temps, grâce à des logiciels modernes, le temps d'assemblage des produits est réduit, ce qui minimise finalement le coût des ressources humaines. Les méthodes FE simplifiées peuvent également être améliorées par un processus de génération automatique de modèles FE, similaires à ceux proposés pour les méthodes FE détaillées. Un logiciel automatique (CALCE PWA) est actuellement disponible à cet effet, mais la technologie n'a pas encore fait ses preuves en pratique et les hypothèses de modélisation retenues sont inconnues.

Le calcul de l'incertitude inhérente aux différentes méthodes de simplification serait très utile, permettant de mettre en œuvre des critères utiles de tolérance aux pannes.

Enfin, une base de données ou une méthode permettant de conférer une rigidité accrue aux composants attachés serait utile, dans laquelle ces augmentations de rigidité pourraient être utilisées pour améliorer la précision des modèles de réponse. La création de critères de défaillance des composants dépend de la légère variation entre des composants similaires provenant de différents fabricants, ainsi que du développement éventuel de nouveaux types d'emballage, puisque toute méthode ou base de données permettant de déterminer les critères de défaillance doit tenir compte de cette variabilité et de ces changements.

Une solution serait de créer une méthode/un logiciel pour construire automatiquement des modèles FE détaillés basés sur des paramètres d'entrée tels que les dimensions du plomb et de l'emballage. Cette méthode peut être réalisable pour des composants de forme généralement uniforme tels que les composants SMT ou DIP, mais pas pour des composants irréguliers complexes tels que des transformateurs, des selfs ou des composants personnalisés.

Les modèles FE ultérieurs peuvent être résolus pour les contraintes et combinés avec des données de rupture de matériau (données de courbe de plasticité S-N, mécanique de rupture ou similaire) pour calculer la durée de vie des composants, bien que les données de rupture de matériau doivent être de haute qualité. Le processus FE doit être corrélé avec des données de test réelles, de préférence sur une gamme de configurations aussi large que possible.

L'effort impliqué dans un tel processus est relativement faible par rapport à l'alternative des tests directs en laboratoire, qui doivent effectuer un nombre statistiquement significatif de tests sur différentes épaisseurs de PCB, différentes intensités et directions de charge, même avec des centaines de types de composants différents disponibles pour plusieurs types de planches. En termes de tests simples en laboratoire, il peut exister une méthode pour améliorer la valeur de chaque test.

S'il existait une méthode permettant de calculer l'augmentation relative des contraintes due aux changements de certaines variables, telles que l'épaisseur du PCB ou les dimensions du plomb, alors le changement dans la durée de vie des composants pourrait ensuite être estimé. Une telle méthode peut être créée à l’aide d’analyses FE ou de méthodes analytiques, conduisant finalement à une formule simple pour calculer les critères de défaillance à partir des données de défaillance existantes.

À terme, il est prévu de créer une méthode combinant tous les différents outils disponibles : analyse FE, données de test, analyse analytique et méthodes statistiques pour créer les données de défaillance les plus précises possibles avec les ressources limitées disponibles. Tous les éléments individuels de la méthode PoF peuvent être améliorés en introduisant des méthodes stochastiques dans le processus pour prendre en compte les effets de la variabilité des matériaux électroniques et des étapes de fabrication. Cela rendrait les résultats plus réalistes, conduisant peut-être à un processus de création d'équipements plus robustes à la variabilité tout en minimisant la dégradation du produit (y compris le poids et le coût).

En fin de compte, de telles améliorations pourraient même permettre une évaluation en temps réel de la fiabilité des équipements pendant le processus de conception, suggérant instantanément des options de composants, des configurations ou d'autres recommandations plus sûres pour améliorer la fiabilité tout en résolvant d'autres problèmes tels que les interférences électromagnétiques (EMI), thermiques et industrielles.

11. Заключение

Cette revue introduit les complexités de la prévision de la fiabilité des équipements électroniques, en retraçant l'évolution de quatre types de méthodes d'analyse (littérature réglementaire, données expérimentales, données de test et PoF), conduisant à une synthèse et une comparaison de ces types de méthodes. Il est noté que les méthodes de référence ne sont utiles que pour les études préliminaires, que les méthodes de données expérimentales ne sont utiles que si des données temporelles détaillées et précises sont disponibles, et que les méthodes de données de test sont essentielles pour les tests de qualification de conception mais insuffisantes pour l'optimisation des conceptions.

Les méthodes PoF sont discutées plus en détail que dans les revues de littérature précédentes, divisant la recherche en catégories de critères de prédiction et de probabilité d'échec. La section « Prédiction de la réponse » passe en revue la littérature sur les propriétés distribuées, la modélisation des conditions aux limites et les niveaux de détail dans les modèles FE. Le choix de la méthode de prédiction de réponse s'avère être un compromis entre la précision et le temps nécessaire pour générer et résoudre le modèle FE, soulignant encore une fois l'importance de la précision des conditions aux limites. La section « Critères de défaillance » traite des critères de défaillance empiriques et analytiques ; pour la technologie SMT, des revues de modèles et de composants lourds sont fournies.
Les méthodes empiriques ne sont applicables qu’à des cas très spécifiques, bien qu’elles fournissent de bons exemples de méthodes de tests de fiabilité, tandis que les méthodes analytiques ont un champ d’applicabilité beaucoup plus large mais sont plus complexes à mettre en œuvre. Une brève discussion des méthodes existantes d'analyse des défaillances basées sur des logiciels spécialisés est fournie. Enfin, des implications pour l'avenir de la prédiction de la fiabilité sont fournies, en considérant les directions dans lesquelles les méthodes de prédiction de la fiabilité pourraient évoluer.

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Source: habr.com