Časopis: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Autori: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [e-pošta zaštićena]), i Guya Richardsona
Pripadnici autora: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, UK
Autorska prava 2009 Hindawi Publishing Corporation. Ovo je članak s otvorenim pristupom koji se distribuira pod licencom Creative Commons Attribution License, koja dopušta neograničenu upotrebu, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, pod uvjetom da je izvorni rad ispravno citiran.
Sažetak. U budućnosti se očekuje da će sva suvremena elektronička oprema imati sve veću funkcionalnost uz zadržavanje sposobnosti da izdrži udarna i vibracijska opterećenja. Proces predviđanja pouzdanosti je težak zbog složenog odziva i karakteristika kvara elektroničke opreme, tako da su trenutno postojeće metode kompromis između točnosti izračuna i cijene.
Pouzdano i brzo predviđanje pouzdanosti elektroničke opreme pri radu pod dinamičkim opterećenjima vrlo je važno za industriju. Ovaj članak prikazuje probleme u predviđanju pouzdanosti elektroničke opreme koji usporavaju rezultate. Također treba uzeti u obzir da se model pouzdanosti obično gradi uzimajući u obzir širok raspon konfiguracija opreme za brojne slične komponente. U ovom se članku uspoređuju četiri klase metoda predviđanja pouzdanosti (referentne metode, podaci ispitivanja, eksperimentalni podaci i modeliranje fizičkih uzroka kvara - fizika kvara) kako bi se odabrala mogućnost korištenja jedne ili druge metode. Napominje se da je većina kvarova u elektroničkoj opremi uzrokovana toplinskim opterećenjima, no ovaj se pregled usredotočuje na kvarove uzrokovane udarcima i vibracijama tijekom rada.
Napomena prevoditelja. Članak je pregled literature o ovoj temi. Unatoč relativnoj starosti, služi kao izvrstan uvod u problematiku procjene pouzdanosti različitim metodama.
1. Terminologija
BGA loptasta mreža.
DIP Dual In-line procesor, ponekad poznat kao Dual In-line paket.
FE konačni element.
PGA Pin Grid Array.
PCB tiskana pločica, ponekad poznata i kao PWB (printed Wiring Board).
PLCC nosač čipova s plastičnim olovom.
Prolazna rupa presvučena PTH-om, ponekad poznata kao prolazna rupa iglom.
QFP Quad Flat Pack - poznat i kao gull wing.
SMA legure s memorijom oblika.
SMT tehnologija površinske montaže.
Napomena izvornih autora: U ovom se članku izraz "komponenta" odnosi na određeni elektronički uređaj koji se može zalemiti na tiskanu ploču, a izraz "paket" odnosi se na bilo koju komponentu integriranog kruga (obično bilo koju SMT ili DIP komponentu). Izraz "priložena komponenta" odnosi se na bilo koju kombiniranu tiskanu ploču ili sustav komponenti, naglašavajući da priključene komponente imaju vlastitu masu i krutost. (Kristalno pakiranje i njegov utjecaj na pouzdanost se ne raspravlja u članku, tako da se dalje pojam “paket” može percipirati kao “kutija” ove ili one vrste - pribl. prijevod.)
2. Izjava problema
Opterećenja od udara i vibracija na PCB-u uzrokuju stres na podlozi PCB-a, paketima komponenti, tragovima komponenti i lemljenim spojevima. Ta su naprezanja uzrokovana kombinacijom momenata savijanja u tiskanoj ploči i inercije mase komponente. U najgorem slučaju, ova opterećenja mogu uzrokovati jedan od sljedećih načina kvara: raslojavanje PCB-a, kvar lemljenog spoja, kvar elektroda ili kvar paketa komponenti. Ako se dogodi bilo koji od ovih načina kvara, najvjerojatnije će uslijediti potpuni kvar uređaja. Način kvara tijekom rada ovisi o vrsti pakiranja, svojstvima tiskane pločice, kao i učestalosti i amplitudi momenata savijanja i inercijskih sila. Spor napredak u analizi pouzdanosti elektroničke opreme posljedica je brojnih kombinacija ulaznih faktora i načina kvarova koje je potrebno razmotriti.
Ostatak ovog odjeljka pokušat će objasniti poteškoće istovremenog razmatranja različitih ulaznih faktora.
Prvi komplicirajući čimbenik koji treba uzeti u obzir je širok raspon vrsta paketa dostupnih u modernoj elektronici, jer svaki paket može pokvariti iz različitih razloga. Teške komponente su osjetljivije na inercijska opterećenja, dok odziv SMT komponenti više ovisi o zakrivljenosti tiskane ploče. Kao rezultat toga, zbog ovih osnovnih razlika, ove vrste komponenti imaju uvelike različite kriterije kvara na temelju mase ili veličine. Ovaj problem dodatno pogoršava stalna pojava novih komponenti dostupnih na tržištu. Stoga se svaka predložena metoda predviđanja pouzdanosti mora prilagoditi novim komponentama kako bi imala bilo kakvu praktičnu primjenu u budućnosti. Odziv tiskane pločice na vibracije određen je krutošću i masom komponenti, koje utječu na lokalni odziv tiskane pločice. Poznato je da najteže ili najveće komponente značajno mijenjaju odgovor ploče na vibracije na mjestima gdje su ugrađene. Mehanička svojstva PCB-a (Youngov modul i debljina) mogu utjecati na pouzdanost na načine koje je teško predvidjeti.
Tvrđi PCB može smanjiti ukupno vrijeme odziva PCB-a pod opterećenjem, ali u isto vrijeme, može zapravo lokalno povećati momente savijanja primijenjene na komponente (Dodatno, iz perspektive toplinski induciranog kvara, zapravo je bolje specificirati više kompatibilan PCB, budući da se time smanjuju toplinska naprezanja pakiranja - napomena autora). Učestalost i amplituda lokalnih momenata savijanja i inercijskih opterećenja nametnutih dimnjaku također utječu na najvjerojatniji način kvara. Opterećenja visoke frekvencije niske amplitude mogu dovesti do sloma konstrukcije uslijed zamora, što može biti glavni uzrok sloma (nisko/visoki ciklički zamor, LCF se odnosi na slome u kojima dominira plastična deformacija (N_f < 10^6), dok HCF označava elastičnu deformaciju kvarovi , obično (N_f > 10^6 ) do kvara [56] - napomena autora) Konačni raspored elemenata na tiskanoj ploči odredit će uzrok kvara, koji može nastati zbog naprezanja u pojedinoj komponenti izazvanog inercijskim opterećenjem ili lokalni momenti savijanja. Konačno, potrebno je uzeti u obzir utjecaj ljudskih čimbenika i značajki proizvodnje, što povećava vjerojatnost kvara opreme.
Kada se uzme u obzir značajan broj ulaznih čimbenika i njihova složena interakcija, postaje jasno zašto još uvijek nije stvorena učinkovita metoda za predviđanje pouzdanosti elektroničke opreme. Jedan od pregleda literature koji autori preporučuju o ovom pitanju predstavljen je u IEEE [26]. Međutim, ovaj se pregled uglavnom fokusira na prilično široke klasifikacije modela pouzdanosti, kao što je metoda predviđanja pouzdanosti iz referentne literature, eksperimentalnih podataka, računalno modeliranje uvjeta kvara (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), i ne bavi se kvarovima dovoljno detaljan uzrokovan udarom i vibracijama. Foucher i dr. [17] slijede sličnu shemu IEEE pregledu, sa značajnim naglaskom na toplinske kvarove. Prethodna sažetost analize PoF metoda, posebno u primjeni na kvarove uslijed udara i vibracija, zaslužuje njihovo daljnje razmatranje. AIAA sastavlja recenziju sličnu IEEE-u, ali je opseg recenzije u ovom trenutku nepoznat.
3. Evolucija metoda predviđanja pouzdanosti
Najranija metoda predviđanja pouzdanosti, razvijena 1960-ih, trenutno je opisana u MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F je najnovija i konačna revizija metode, objavljena 1995. - bilješka autora) Korištenje Ova metoda koristi baza podataka kvarova elektroničke opreme kako bi se dobio prosječni vijek trajanja tiskane pločice koja se sastoji od određenih komponenti. Ova metoda je poznata kao metoda za predviđanje pouzdanosti iz referentne i normativne literature. Iako Mil-Hdbk-217F sve više zastarijeva, referentna metoda je još uvijek u uporabi. Ograničenja i netočnosti ove metode dobro su dokumentirane [42,50], što je dovelo do razvoja tri klase alternativnih metoda: računalno modeliranje uvjeta fizičkog kvara (PoF), eksperimentalni podaci i podaci terenskih ispitivanja.
PoF metode predviđaju pouzdanost analitički bez oslanjanja na prethodno prikupljene podatke. Sve PoF metode imaju dvije zajedničke karakteristike klasične metode opisane u Steinbergu [62]: prvo se traži vibracijski odgovor tiskane pločice na određeni vibracijski podražaj, zatim se testiraju kriteriji kvara pojedinačnih komponenti nakon izlaganja vibracijama. Važan napredak u PoF metodama bila je upotreba raspodijeljenih (prosječnih) svojstava pločice za brzo generiranje matematičkog modela tiskane pločice [54], što je značajno smanjilo složenost i vrijeme potrošeno na točan izračun odziva na vibracije tiskane ploče. tiskanu ploču (vidi odjeljak 8.1.3). Nedavni razvoj u PoF tehnikama poboljšao je predviđanje kvarova za lemljene komponente tehnologijom površinske montaže (SMT); međutim, s izuzetkom Barkersove metode [59], ove nove metode primjenjive su samo na vrlo specifične kombinacije komponenti i tiskanih pločica. Postoji vrlo malo dostupnih metoda za velike komponente kao što su transformatori ili veliki kondenzatori.
Metode eksperimentalnih podataka poboljšavaju kvalitetu i mogućnosti modela koji se koristi u metodama predviđanja pouzdanosti na temelju referentne literature. Prva metoda koja se temelji na eksperimentalnim podacima za predviđanje pouzdanosti elektroničke opreme opisana je u radu iz 1999. godine koristeći HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program) metodu, koja je izrađena u Honeywellu, Inc. [20]. Metoda eksperimentalnih podataka ima niz prednosti u odnosu na metode predviđanja pouzdanosti korištenjem referentne i normativne literature. Nedavno su se pojavile mnoge slične metode (REMM i TRACS [17], također FIDES [16]). Metoda eksperimentalnih podataka, kao i metoda predviđanja pouzdanosti korištenjem referentne i normativne literature, ne dopuštaju da se pri ocjeni pouzdanosti na zadovoljavajući način uzme u obzir izgled ploče i radna okolina njezina rada. Taj se nedostatak može ispraviti korištenjem podataka o kvarovima s ploča koje su slične po dizajnu ili s ploča koje su bile izložene sličnim uvjetima rada.
Metode eksperimentalnih podataka ovise o dostupnosti opsežne baze podataka koja sadrži podatke o padovima tijekom vremena. Svaki tip kvara u ovoj bazi podataka mora biti ispravno identificiran i njegov glavni uzrok mora biti utvrđen. Ova metoda procjene pouzdanosti prikladna je za tvrtke koje proizvode istu vrstu opreme u dovoljno velikim količinama tako da se značajan broj kvarova može obraditi za procjenu pouzdanosti.
Metode za ispitivanje pouzdanosti elektroničkih komponenti u upotrebi su od sredine 1970-ih i obično se dijele na ubrzane i neubrzane testove. Osnovni pristup je provođenje testnih pokreta hardvera koji stvaraju očekivano radno okruženje što je realističnije moguće. Testovi se provode sve dok se ne dogodi kvar, što omogućuje predviđanje MTBF-a (srednje vrijeme između kvarova). Ako se procijeni da je MTBF vrlo dug, tada se trajanje testa može smanjiti ubrzanim testiranjem, što se postiže povećanjem čimbenika radnog okruženja i upotrebom poznate formule za povezivanje stope kvarova u ubrzanom testu s očekivanom stopom kvarova u operacija. Ovo testiranje je od vitalnog značaja za komponente s visokim rizikom od kvara jer istraživaču pruža podatke s najvišom razinom pouzdanosti, međutim, bilo bi nepraktično koristiti ga za optimizaciju dizajna ploče zbog dugog vremena ponavljanja studije.
Brzi pregled radova objavljenih 1990-ih sugerira da je to bilo razdoblje u kojem su se eksperimentalni podaci, podaci ispitivanja i PoF metode međusobno natjecali kako bi zamijenili zastarjele metode za predviđanje pouzdanosti iz referentnih knjiga. Međutim, svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke, a kada se pravilno koristi, daje vrijedne rezultate. Kao posljedica toga, IEEE je nedavno objavio standard [26] koji navodi sve metode predviđanja pouzdanosti koje se danas koriste. Cilj IEEE-a bio je pripremiti vodič koji bi inženjeru pružio informacije o svim dostupnim metodama te prednostima i nedostacima svojstvenim svakoj metodi. Iako je IEEE pristup još uvijek na početku duge evolucije, čini se da ima svoje prednosti, jer ga AIAA (Američki institut za aeronautiku i astronautiku) slijedi sa smjernicom pod nazivom S-102, koja je slična IEEE-u, ali također uzima u obzir relativnu kvalitetu podataka iz svake metode [27]. Ovi vodiči namijenjeni su samo okupljanju metoda koje kruže svjetskom literaturom objavljenom o ovim temama.
4. Kvarovi uzrokovani vibracijama
Velik dio prošlih istraživanja prvenstveno je bio usredotočen na nasumične vibracije kao PCB opterećenje, ali sljedeća studija posebno se bavi kvarovima povezanim s udarcima. Ovdje se neće u potpunosti raspravljati o takvim metodama budući da potpadaju pod klasifikaciju PoF metoda i o njima se govori u odjeljcima 8.1 i 8.2 ovog članka. Heen i dr. [24] izradili su ispitnu ploču za testiranje integriteta BGA lemljenih spojeva kada su izloženi udaru. Lau i dr. [36] opisali su pouzdanost komponenti PLCC, PQFP i QFP pri udarima u ravnini i izvan ravnine. Pitarresi i dr. [53,55] promatrali su kvarove matičnih ploča računala uslijed udarnih opterećenja i dali dobar pregled literature koja opisuje elektroničku opremu pod udarnim opterećenjima. Steinberg [62] daje cijelo poglavlje o dizajnu i analizi elektroničke opreme pod udarom, pokrivajući kako predvidjeti šok okruženje i kako osigurati performanse elektroničkih komponenti. Sukhir [64,65] opisao je pogreške u linearnim izračunima odziva tiskane pločice na udarno opterećenje primijenjeno na spojne elemente ploče. Stoga metode referentnih i eksperimentalnih podataka mogu uzeti u obzir kvarove opreme povezane s udarom, ali te metode implicitno opisuju kvarove "udara".
5. Referentne metode
Od svih dostupnih metoda opisanih u priručnicima, ograničit ćemo se na samo dvije koje razmatraju kvar vibracija: Mil-Hdbk-217 i CNET [9]. Većina proizvođača prihvaća Mil-Hdbk-217 kao standard. Kao i sve ručne i referentne metode, one se temelje na empirijskim pristupima kojima je cilj predvidjeti pouzdanost komponenti iz eksperimentalnih ili laboratorijskih podataka. Metode opisane u referentnoj literaturi relativno su jednostavne za implementaciju, budući da ne zahtijevaju složeno matematičko modeliranje i koriste samo vrste dijelova, broj dijelova, uvjete rada ploče i druge lako dostupne parametre. Ulazni podaci se zatim unose u model za izračunavanje vremena između kvarova, MTBF. Unatoč svojim prednostima, Mil-Hdbk-217 postaje sve manje popularan [12, 17,42,50,51]. Razmotrimo nepotpuni popis ograničenja njegove primjenjivosti.
- Podaci su sve više zastarjeli, posljednji su put ažurirani 1995. i nisu relevantni za nove komponente, nema šanse da se model revidira budući da je Odbor za poboljšanje obrambenih standarda odlučio dopustiti da metoda "umre prirodnom smrću" [ 26].
- Metoda ne daje informacije o načinu kvara, tako da se izgled PCB-a ne može poboljšati ili optimizirati.
- Modeli pretpostavljaju da je kvar neovisan o dizajnu, zanemarujući raspored komponenti na PCB-u, međutim poznato je da raspored komponenti ima veliki utjecaj na vjerojatnost kvara. [50].
- Prikupljeni empirijski podaci sadrže mnoge netočnosti, koriste se podaci iz komponenata prve generacije s neprirodno visokom stopom kvarova zbog pogrešnih zapisa vremena rada, popravka itd., što smanjuje pouzdanost rezultata predviđanja pouzdanosti [51].
Svi ovi nedostaci upućuju na to da treba izbjegavati korištenje referentnih metoda, međutim, u granicama prihvatljivosti ovih metoda potrebno je ispuniti niz zahtjeva tehničke specifikacije. Stoga bi se referentne metode trebale koristiti samo kada je to prikladno, tj. u ranim fazama projektiranja [46]. Nažalost, čak i ovoj uporabi treba pristupiti s određenim oprezom, budući da ove vrste metoda nisu revidirane od 1995. godine. Stoga su referentne metode same po sebi loši prediktori mehaničke pouzdanosti i treba ih koristiti s oprezom.
6. Metode ispitivanja podataka
Metode testnih podataka su najjednostavnije dostupne metode predviđanja pouzdanosti. Prototip predloženog dizajna tiskane pločice podvrgnut je vibracijama okoline reproduciranim na laboratorijskom stolu. Zatim se analiziraju parametri razaranja (MTTF, spektar udara), a zatim se to koristi za izračunavanje pokazatelja pouzdanosti [26]. Metodu podataka o ispitivanju treba koristiti uzimajući u obzir njezine prednosti i nedostatke.
Glavna prednost metoda ispitivanja podataka je visoka točnost i pouzdanost rezultata, tako da za opremu s visokim rizikom kvara, završna faza procesa projektiranja uvijek treba uključivati ispitivanje kvalifikacije vibracija. Nedostatak je dugo vrijeme potrebno za izradu, ugradnju i učitavanje ispitnog komada, što metodu čini neprikladnom za poboljšanja dizajna opreme s velikom vjerojatnošću kvara. Za iterativni proces dizajna proizvoda treba razmotriti bržu metodu. Vrijeme izloženosti opterećenju može se smanjiti ubrzanim testiranjem ako su dostupni pouzdani modeli za naknadno izračunavanje stvarnog životnog vijeka [70,71]. Međutim, metode ubrzanog ispitivanja prikladnije su za modeliranje toplinskih kvarova nego kvarova uslijed vibracija. To je zato što je potrebno manje vremena za ispitivanje učinaka toplinskih opterećenja na opremu nego za ispitivanje učinaka vibracijskih opterećenja. Učinak vibracija može se pojaviti u proizvodu tek nakon dužeg vremena.
Kao posljedica toga, metode ispitivanja općenito se ne koriste za kvarove uslijed vibracija osim ako ne postoje olakotne okolnosti, kao što su niski naponi koji rezultiraju vrlo dugim vremenima do kvara. Primjeri metoda provjere podataka mogu se vidjeti u radovima Harta [23], Hin i sur. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty i dr. [57], Liguore i Followell [40], Estes i sur. [15], Wang et al. [67], Jih i Jung [30]. Dobar opći pregled metode dan je u IEEE [26].
7. Metode eksperimentalnih podataka
Metoda eksperimentalnih podataka temelji se na podacima o kvarovima sličnih tiskanih ploča koje su testirane u određenim radnim uvjetima. Metoda je ispravna samo za tiskane ploče koje će doživjeti slična opterećenja. Metoda eksperimentalnih podataka ima dva glavna aspekta: izradu baze podataka o kvarovima elektroničkih komponenti i implementaciju metode temeljene na predloženom dizajnu. Da bi se izgradila odgovarajuća baza podataka, moraju postojati relevantni podaci o kvarovima koji su prikupljeni iz sličnih dizajna; to znači da moraju postojati podaci o kvarovima slične opreme. Neispravna oprema se također mora analizirati i pravilno prikupiti statistički podaci, nije dovoljno navesti da je dani PCB dizajn otkazao nakon određenog broja sati, mora se utvrditi mjesto, način kvara i uzrok kvara. Osim ako svi prethodni podaci o kvarovima nisu bili temeljito analizirani, bit će potrebno dugo razdoblje prikupljanja podataka prije nego što se može koristiti metoda eksperimentalnih podataka.
Moguće rješenje za ovo ograničenje je implementacija visoko ubrzanog testiranja životnog ciklusa (HALT) u svrhu brze izgradnje baze podataka o stopi kvarova, iako je točna reprodukcija parametara okoliša izazovna, ali vitalna [27]. Opis druge faze implementacije metode eksperimentalnih podataka može se pročitati u [27], koji pokazuje kako predvidjeti MTBF za predloženi dizajn ako je dizajn koji se testira dobiven modificiranjem postojeće ploče za koju već postoje detaljni podaci o kvarovima . Drugi pregledi metoda eksperimentalnih podataka opisani su od strane različitih autora u [11,17,20,26].
8. Računalna simulacija uvjeta kvara (PoF)
Tehnike računalnog modeliranja za uvjete kvara, koje se nazivaju i modeli naprezanja i oštećenja ili PoF modeli, implementiraju se u procesu predviđanja pouzdanosti u dva koraka. Prva faza uključuje traženje odgovora tiskane pločice na dinamičko opterećenje koje joj je nametnuto; u drugoj fazi izračunava se odziv modela kako bi se osigurao zadani pokazatelj pouzdanosti. Većina literature često je posvećena i metodi predviđanja odgovora i procesu pronalaženja kriterija neuspjeha. Ove dvije metode najbolje se razumiju kada se opisuju neovisno, tako da će ovaj pregled ova dva koraka razmotriti odvojeno.
Između faza predviđanja odgovora i traženja kriterija neuspjeha, skup podataka stvoren u prvoj fazi i korišten u drugoj fazi prenosi se u model. Varijabla odziva razvila se od korištenja ulaznog ubrzanja na šasiji [15,36,37,67], preko stvarnog ubrzanja koje je komponenta iskusila da bi se uzeli u obzir različiti vibracijski odgovori različitih izgleda PCB-a [40], i konačno do razmatranja lokalna ekskurzija [62] ili lokalni momenti savijanja [59] koje PCB doživljava lokalno u odnosu na komponentu.
Primijećeno je da je kvar funkcija rasporeda komponenti na tiskanoj pločici [21,38], tako da je vjerojatnije da će modeli koji uključuju lokalni odgovor na vibracije biti točniji. Odabir parametra (lokalno ubrzanje, lokalni otklon ili moment savijanja) je odlučujući faktor za slom ovisi o konkretnom slučaju.
Ako se koriste SMT komponente, zakrivljenost ili momenti savijanja mogu biti najznačajniji čimbenici kvara; za teške komponente, lokalna ubrzanja obično se koriste kao kriterij kvara. Nažalost, nije provedeno istraživanje koje bi pokazalo koja je vrsta kriterija najprikladnija u određenom skupu ulaznih podataka.
Važno je razmotriti prikladnost bilo koje korištene PoF metode jer nije praktično koristiti bilo koju PoF metodu, analitičku ili FE, koja nije potkrijepljena podacima laboratorijskih ispitivanja. Osim toga, važno je koristiti bilo koji model samo u okviru njegove primjenjivosti, što nažalost ograničava primjenjivost većine aktualnih PoF modela za korištenje u vrlo specifičnim i ograničenim uvjetima. Razni autori opisuju dobre primjere rasprave o PoF metodama [17,19,26,49].
8.1. Predviđanje odgovora
Predviđanje odziva uključuje korištenje geometrije i svojstava materijala strukture za izračunavanje potrebne varijable odziva. Očekuje se da će ovaj korak uhvatiti samo cjelokupni odgovor osnovnog PCB-a, a ne odgovor pojedinačnih komponenti. Postoje tri glavne vrste metoda predviđanja odziva: analitički, detaljni FE modeli i pojednostavljeni FE modeli, opisani u nastavku. Ove su metode usredotočene na uključivanje krutosti i učinaka mase dodanih komponenti, no važno je ne izgubiti iz vida važnost točnog modeliranja rotacijske krutosti na rubu PCB-a jer je to usko povezano s preciznošću modela (o tome se govori u Odjeljak 8.1.4). sl. 1. Primjer detaljnog modela tiskane pločice [53].
8.1.1. Analitičko predviđanje odgovora
Steinberg [62] daje jedinu analitičku metodu za izračunavanje vibracijskog odgovora tiskane pločice. Steinberg tvrdi da je amplituda osciliranja pri rezonanciji elektroničke jedinice jednaka dvostrukom kvadratnom korijenu rezonantne frekvencije; ova se izjava temelji na nedostupnim podacima i ne može se provjeriti. To omogućuje analitički proračun dinamičkog otklona pri rezonanciji, koji se zatim može koristiti za izračun ili dinamičkog opterećenja od teške komponente ili zakrivljenosti tiskane pločice. Ova metoda ne proizvodi izravno lokalni odziv PCB-a i kompatibilna je samo s kriterijima kvara temeljenim na otklonu koje je opisao Steinberg.
Valjanost pretpostavke distribucije prijenosne funkcije na temelju mjerenja amplitude upitna je budući da su Pitarresi i dr. [53] izmjerili kritično prigušenje od 2% za matičnu ploču računala, dok bi korištenje Steinbergove pretpostavke dalo 3,5% (na temelju prirodne frekvencije 54 Hz), što bi dovelo do velikog podcjenjivanja odgovora ploče na vibracije.
8.1.2. Detaljni FE modeli
Neki autori demonstriraju korištenje detaljnih FE modela za izračun vibracijskog odziva tiskane pločice [30,37,53, 57,58] (Slika 1-3 prikazuje primjere s povećanom razinom detalja), međutim uporaba ovih Metode se ne preporučuju za komercijalne proizvode (osim ako samo točno predviđanje lokalnog odgovora nije apsolutno neophodno) budući da je vrijeme potrebno za izradu i rješavanje takvog modela pretjerano dugo. Pojednostavljeni modeli proizvode podatke odgovarajuće točnosti puno brže i po nižoj cijeni. Vrijeme potrebno za izradu i rješavanje detaljnog FE modela može se smanjiti korištenjem JEDEC 4 konstanti opruge objavljenih u [33-35], te se konstante opruge mogu koristiti umjesto detaljnog FE modela svake žice. Nadalje, metoda podstrukture (ponekad poznata kao metoda superelemenata) može se implementirati kako bi se smanjilo vrijeme izračuna potrebno za rješavanje detaljnih modela. Treba napomenuti da detaljni FE modeli često zamagljuju granice između predviđanja odziva i kriterija neuspjeha, tako da rad na koji se ovdje upućuje također može potpasti pod popis radova koji sadrže kriterije neuspjeha.
8.1.3. Distribuirani FE modeli
Pojednostavljeni FE modeli smanjuju vrijeme izrade modela i rješenja. Dodana masa komponente i njezina krutost mogu se predstaviti jednostavnom simulacijom praznog PCB-a s povećanom masom i krutošću, gdje su učinci mase i krutosti ugrađeni lokalnim povećanjem Youngovog modula PCB-a.
sl. 2. Primjer detaljnog modela QFP komponente koja koristi simetriju za pojednostavljenje procesa modeliranja i smanjenje vremena rješavanja [36]. sl. 3. Primjer detaljnog FE modela J-lead [6].
Faktor povećanja krutosti može se izračunati fizičkim izrezivanjem pričvršćenog elementa i primjenom metoda ispitivanja savijanjem [52]. Pitarresi i sur. [52,54] ispitali su učinak pojednostavljenja dodane mase i krutosti koje osiguravaju komponente pričvršćene na tiskanu pločicu.
Prvi rad ispituje jedan slučaj pojednostavljenog FE modela tiskane pločice, verificiran eksperimentalnim podacima. Glavno područje interesa ovog rada je određivanje raspodijeljenih svojstava, uz napomenu da je za točan model potrebna velika točnost torzijske krutosti.
Drugi članak razmatra pet različitih punjenih PCB-a, svaki modeliran s nekoliko različitih razina pojednostavljenja svog sastava. Ti se modeli uspoređuju s eksperimentalnim podacima. Ovaj članak završava nekim poučnim opažanjima o korelaciji između omjera mase i krutosti i točnosti modela. Oba ova dokumenta koriste samo prirodne frekvencije i MEC (modalne kriterije osiguranja) za određivanje korelacije između dva modela. Nažalost, pogreška u prirodnoj frekvenciji ne može dati nikakve informacije o pogrešci u lokalnim ubrzanjima ili momentima savijanja, a MKO može dati samo ukupnu korelaciju između dva prirodna načina, ali se ne može koristiti za izračunavanje postotka pogreške ubrzanja ili zakrivljenosti. Koristeći kombinaciju numeričke analize i računalne simulacije, Cifuentes [10] daje sljedeća četiri opažanja.
- Simulirani načini rada moraju sadržavati najmanje 90% vibrirajuće mase za točnu analizu.
- U slučajevima kada su odstupanja ploče usporediva s njezinom debljinom, nelinearna analiza može biti prikladnija od linearne analize.
- Male pogreške u postavljanju komponenti mogu uzrokovati velike pogreške u mjerenjima odziva.
- Točnost mjerenja odziva osjetljivija je na pogreške u masi nego u krutosti.
8.1.4. Granični uvjeti
Koeficijent krutosti ruba PCB-a ima značajan utjecaj na točnost izračunatog odziva [59], a ovisno o specifičnoj konfiguraciji od puno je veće važnosti od dodane mase i krutosti komponente. Modeliranje rotacijske krutosti ruba kao nulte (u suštini samo podržano stanje) obično daje konzervativne rezultate, dok modeliranje kao čvrsto stegnutog obično podcjenjuje rezultate, budući da čak ni najtvrđi stezni mehanizmi PCB-a ne mogu osigurati stanje potpuno stegnutog ruba. Barker i Chen [5] potvrđuju analitičku teoriju s eksperimentalnim rezultatima kako bi pokazali kako rotacijska krutost rubova utječe na prirodnu frekvenciju PCB-a. Glavni nalaz ovog rada je jaka korelacija između krutosti rotacije ruba i vlastitih frekvencija, u skladu s teorijom. To također znači da će velike pogreške u modeliranju rubne rotacijske krutosti dovesti do velikih pogrešaka u predviđanju odziva. Iako je ovaj rad razmatran u konkretnom slučaju, primjenjiv je na modeliranje svih vrsta mehanizama rubnih stanja. Koristeći eksperimentalne podatke iz Lim et al. [41] daje primjer kako se rotaciona krutost ruba može izračunati za korištenje FE u PCB modelu; to se postiže uporabom metode koju su prilagodili Barker i Chen [5]. Ovaj rad također pokazuje kako odrediti optimalnu lokaciju bilo koje točke u strukturi da bi se maksimizirale prirodne frekvencije. Radovi koji posebno razmatraju učinak modificiranja rubnih uvjeta za smanjenje odziva na vibracije također postoje od Guoa i Zhaoa [21]; Aglietti [2]; Aglietti i Schwingshackl [3], Lim i sur. [41].
8.1.5. Predviđanje utjecaja udara i vibracija
Pitarresi i sur. [53-55] koriste detaljan FE model PCB-a za predviđanje reakcije na udarce i vibracije ploče s komponentama predstavljenim kao 3D blokovi. Ovi modeli koristili su eksperimentalno određene konstantne omjere prigušenja kako bi poboljšali predviđanje odziva pri rezonanciji. Spektar odziva na udar (SRS) i metode mjerenja vremena uspoređene su za predviđanje odziva na udar, pri čemu su obje metode kompromis između točnosti i vremena rješenja.
8.2. Kriteriji odbijanja
Kriteriji kvara mjere odgovor PCB-a i koriste ga za izvođenje metrike kvara, pri čemu metrika kvara može biti srednje vrijeme između kvarova (MTBF), ciklusi do kvara, vjerojatnost rada bez kvara ili bilo koja druga metrika pouzdanosti (vidi IEEE [26]; Jensen [28] 47]; O'Connor [XNUMX] za raspravu o metrici neuspjeha). Mnogi različiti pristupi generiranju ovih podataka mogu se zgodno podijeliti na analitičke i empirijske metode. Empirijske metode generiraju podatke o kriterijima kvara opterećivanjem ispitnih uzoraka komponenata na zahtijevano dinamičko opterećenje. Nažalost, zbog širokog raspona ulaznih podataka (vrste komponenti, debljina PCB-a i opterećenja) koji su mogući u praksi, objavljeni podaci vjerojatno neće biti izravno primjenjivi jer su podaci valjani samo u vrlo posebnim slučajevima. Analitičke metode nemaju takve nedostatke i imaju mnogo širu primjenjivost.
8.2.1. Empirijski kriteriji neuspjeha
Kao što je ranije navedeno, ograničenje većine empirijskih modela je da su primjenjivi samo na konfiguracije koje uključuju istu debljinu PCB-a, slične tipove komponenti i ulazno opterećenje, što je malo vjerojatno. Međutim, dostupna literatura je korisna iz sljedećih razloga: pruža dobre primjere izvođenja testova kvarova, ističe različite opcije za metriku kvara i pruža vrijedne informacije u vezi s mehanikom kvara. Li [37] je stvorio empirijski model za predviđanje pouzdanosti 272-pinskih BGA i 160-pinskih QFP paketa. Istražuje se oštećenje od zamora vodiča i tijela paketa, a eksperimentalni rezultati dobro se slažu s analizom oštećenja temeljenom na naprezanju izračunatom korištenjem detaljnog FE modela (vidi također Li i Poglitsch [38,39]). Proces proizvodi kumulativnu štetu za danu razinu ubrzanja vibracije ulaznog signala vibracije.
Lau i suradnici [36] procijenili su pouzdanost specifičnih komponenti pod udarnim i vibracijskim opterećenjem koristeći Weibullovu statistiku. Liguore i Followell [40] ispitali su kvarove komponenti LLCC i J-lead mijenjanjem lokalnog ubrzanja kroz servisne cikluse. Lokalno ubrzanje koristi se za razliku od ulaznog ubrzanja šasije, a istražen je i učinak temperature na rezultate testa. Članak se također poziva na istraživanje utjecaja debljine PCB-a na pouzdanost komponenti.
Guo i Zhao [21] uspoređuju pouzdanost komponenti kada se kao opterećenje koristi lokalna torzijska zakrivljenost, za razliku od prethodnih studija koje su koristile ubrzanje. Simulira se oštećenje uslijed zamora, zatim se FE model uspoređuje s eksperimentalnim rezultatima. U članku se također raspravlja o optimizaciji rasporeda komponenti radi poboljšanja pouzdanosti.
Ham i Lee [22] predstavljaju metodu testnih podataka za problem određivanja naprezanja olovnog lema pod cikličkim torzijskim opterećenjem. Estes i dr. [15] razmatrali su problem kvara komponenti Gullwing (GOST IEC 61188-5-5-2013) s primijenjenim ulaznim ubrzanjem i toplinskim opterećenjem. Komponente koje se proučavaju su tipovi paketa čipova CQFP 352, 208, 196, 84 i 28, kao i FP 42 i 10. Članak je posvećen kvaru elektroničkih komponenti zbog fluktuacija u orbiti geostacionarnog satelita Zemlje, vremenu između kvarova dano je u smislu godina leta na geostacionarnim ili niskim Zemljinim orbitama. Primijećeno je da je kvar žica gullwing vjerojatniji na mjestima u kontaktu s tijelom paketa nego na lemljenom spoju.
Jih i Jung [30] razmatraju kvarove opreme uzrokovane inherentnim proizvodnim greškama u lemljenom spoju. To se postiže izradom vrlo detaljnog FE modela PCB-a i pronalaženjem spektralne gustoće snage (PSD) za različite duljine proizvodnih pukotina. Ligyore, Followell [40] i Shetty, Reinikainen [58] sugeriraju da empirijske metode daju najtočnije i najkorisnije podatke o kvarovima za specifične konfiguracije povezanih komponenti. Ove vrste metoda koriste se ako se određeni ulazni podaci (debljina ploče, vrsta komponente, raspon zakrivljenosti) mogu održavati konstantnima tijekom cijelog dizajna ili ako si korisnik može priuštiti izvođenje stvarnih testova ove vrste.
8.2.2. Analitički kriterij neuspjeha
SMT modeli kutnih spojeva
Različiti istraživači koji proučavaju kvarove SMT kutnih zatika sugeriraju da je to najčešći uzrok kvara. Radovi Sidhartha i Barkera [59] nadopunjuju raniju seriju radova predstavljanjem modela za određivanje deformacije SMT kutnih izvoda i komponenti vodiča s petljom. Predloženi model ima pogrešku manju od 7% u usporedbi s detaljnim FE modelom za šest najgorih scenarija. Model se temelji na formuli koju su prethodno objavili Barker i Sidharth [4], gdje je modeliran progib spojenog dijela koji je izložen momentu savijanja. Rad Sukhira [63] analitički ispituje očekivana naprezanja u stezaljkama paketa zbog lokalno primijenjenih momenata savijanja. Barker i Sidharth [4] nadovezuju se na rad Sukhira [63], Barkera i dr. [4], koji razmatra utjecaj vodeće rotacijske krutosti. Konačno, Barker i suradnici [7] koristili su detaljne FE modele za proučavanje učinka dimenzijskih varijacija u olovu na vijek trajanja od zamora olova.
Ovdje je prikladno spomenuti rad na JEDEC konstantama olovnih opruga, koje su uvelike pojednostavile izradu modela olovnih komponenti [33-35]. Opružne konstante mogu se koristiti umjesto detaljnog modela spojeva vodova; vrijeme potrebno za izradu i rješavanje FE modela bit će smanjeno u modelu. Korištenje takvih konstanti u komponentnom FE modelu spriječit će izravan izračun lokalnih vodećih naprezanja. Umjesto toga, bit će dano ukupno naprezanje olova, koje bi zatim trebalo povezati ili s lokalnim naprezanjima olova ili s kriterijima kvara olova na temelju životnog ciklusa proizvoda.
Podaci o zamoru materijala
Većina podataka o kvaru materijala korištenih za lemove i komponente prvenstveno se odnosi na toplinski kvar, a relativno malo podataka postoji vezano uz kvar uslijed zamora. Glavnu referencu u ovom području daje Sandor [56], koji daje podatke o mehanici zamora i loma legura za lemljenje. Steinberg [62] razmatra kvar uzoraka lema. Podaci o zamoru standardnih lemova i žica dostupni su u Yamadinom radu [69].
sl. 4. Uobičajeni položaj kvara iz priručnika za QFP komponente je blizu tijela paketa.
Modeliranje kvarova povezanih s odvajanjem lema je izazovno zbog neobičnih svojstava ovog materijala. Rješenje ovog pitanja ovisi o komponenti koju je potrebno ispitati. Poznato je da se za QFP pakete to obično ne uzima u obzir, a pouzdanost se procjenjuje pomoću referentne literature. Ali ako se računa lemljenje velikih BGA i PGA komponenti, tada provodne veze, zbog svojih neobičnih svojstava, mogu utjecati na kvar proizvoda. Stoga su za QFP pakete najkorisnija informacija svojstva zamora olova. Za BGA su korisniji podaci o trajnosti lemljenih spojeva podvrgnutih trenutnoj plastičnoj deformaciji [14]. Za veće komponente, Steinberg [62] daje podatke o naponu izvlačenja lemljenih spojeva.
Modeli kvarova teških komponenti
Jedini modeli kvarova koji postoje za teške komponente predstavljeni su u Steinbergovom radu [62], koji ispituje vlačnu čvrstoću komponenti i daje primjer kako izračunati maksimalno dopušteno naprezanje koje se može primijeniti na vodeći spoj
8.3. Zaključci o primjenjivosti PoF modela
Sljedeći su zaključci doneseni u literaturi o PoF metodama.
Lokalni odgovor je kritičan za predviđanje kvara komponente. Kao što je navedeno u Li, Poglitsch [38], komponente na rubovima PCB-a manje su osjetljive na kvar od onih smještenih u središtu PCB-a zbog lokalnih razlika u savijanju. Posljedično, komponente na različitim mjestima na PCB-u imat će različite vjerojatnosti kvara.
Zakrivljenost lokalne ploče smatra se važnijim kriterijem kvara od ubrzanja za SMT komponente. Nedavni radovi [38,57,62,67] pokazuju da je zakrivljenost ploče glavni kriterij kvara.
Različite vrste paketa, kako u broju pinova tako iu vrsti koja se koristi, inherentno su pouzdanije od drugih, bez obzira na specifično lokalno okruženje [15,36,38].
Temperatura može utjecati na pouzdanost komponenti. Liguore i Followell [40] navode da je vijek trajanja od zamora najveći u rasponu temperatura od 0 ◦C do 65 ◦C, s primjetnim smanjenjem na temperaturama ispod -30 ◦C i iznad 95 ◦C. Za QFP komponente, mjesto gdje se žica pričvršćuje na paket (vidi sliku 4) smatra se primarnim mjestom kvara, a ne lemljenim spojem [15,22,38].
Debljina ploče ima određeni utjecaj na vijek trajanja SMT komponenti od zamora, budući da se pokazalo da se vijek trajanja BGA od zamora smanjuje za otprilike 30-50 puta ako se debljina ploče poveća s 0,85 mm na 1,6 mm (uz održavanje konstantne ukupne zakrivljenosti) [13] . Fleksibilnost (sukladnost) komponentnih izvoda značajno utječe na pouzdanost komponenti perifernih elektroda [63], međutim, to je nelinearan odnos, a međuspojni vodiči su najmanje pouzdani.
8.4. Softverske metode
Centar za napredni inženjering životnog ciklusa (CALCE) na Sveučilištu Maryland nudi softver za izračunavanje odziva tiskanih ploča na vibracije i udarce. Softver (nazvan CALCE PWA) ima korisničko sučelje koje pojednostavljuje proces pokretanja FE modela i automatski unosi izračun odziva u model vibracija. Nema pretpostavki korištenih za izradu FE modela odziva, a korišteni kriteriji kvara preuzeti su iz Steinberga [61] (iako se također očekuje implementacija Barkersove metode [48]). Kako bi se pružile općenite preporuke za poboljšanje pouzdanosti opreme, opisani softver ima dobre rezultate, pogotovo jer istovremeno uzima u obzir toplinski inducirana naprezanja i zahtijeva minimalno stručno znanje, ali točnost kriterija kvara u modelima nije eksperimentalno potvrđena.
9. Metode povećanja pouzdanosti opreme
U ovom odjeljku raspravljat će se o izmjenama nakon projekta koje poboljšavaju pouzdanost elektroničke opreme. Oni spadaju u dvije kategorije: oni koji mijenjaju rubne uvjete PCB-a i oni koji povećavaju prigušenje.
Glavna svrha izmjena rubnih uvjeta je smanjenje dinamičkog otklona tiskane pločice, što se može postići rebrima za ukrućenje, dodatnim nosačima ili smanjenjem vibracija ulaznog medija. Rebra za ukrućenje mogu biti korisna jer povećavaju vlastite frekvencije, čime se smanjuje dinamički otklon [62], isto vrijedi i za dodavanje dodatnih oslonaca [3], iako se položaj oslonaca također može optimizirati, kao što je prikazano u radovima JH Onga i Lima [ 40]. Nažalost, rebra i nosači obično zahtijevaju redizajn rasporeda, tako da je ove tehnike najbolje razmotriti rano u ciklusu projektiranja. Osim toga, potrebno je paziti da se modifikacijama ne mijenjaju prirodne frekvencije tako da odgovaraju prirodnim frekvencijama nosive strukture, jer bi to bilo kontraproduktivno.
Dodavanje izolacije poboljšava pouzdanost proizvoda smanjenjem utjecaja dinamičkog okruženja koje se prenosi na opremu i može se postići pasivno ili aktivno.
Pasivne metode su obično jednostavne i jeftinije za implementaciju, kao što je korištenje kabelskih izolatora [66] ili korištenje pseudoelastičnih svojstava legura s memorijom oblika (SMA) [32]. Međutim, poznato je da loše projektirani izolatori zapravo mogu povećati odziv.
Aktivne metode omogućuju bolje prigušivanje u širem frekvencijskom rasponu, obično nauštrb jednostavnosti i mase, tako da su obično namijenjene poboljšanju točnosti vrlo osjetljivih preciznih instrumenata, a ne sprječavanju oštećenja. Aktivna vibracijska izolacija uključuje elektromagnetske [60] i piezoelektrične metode [18,43]. Za razliku od metoda modifikacije graničnih uvjeta, modifikacija prigušenja ima za cilj smanjiti vršni rezonantni odziv elektroničke opreme, dok bi se stvarne prirodne frekvencije trebale samo neznatno promijeniti.
Kao i kod izolacije vibracija, prigušivanje se može postići pasivno ili aktivno, sa sličnim pojednostavnjenjima dizajna u prvom i većom složenošću i prigušivanjem u drugom.
Pasivne metode uključuju, na primjer, vrlo jednostavne metode kao što je spajanje materijala, čime se povećava prigušenje tiskane pločice [62]. Sofisticiranije metode uključuju prigušivanje česticama [68] i korištenje širokopojasnih dinamičkih apsorbera [25].
Aktivna kontrola vibracija obično se postiže upotrebom piezokeramičkih elemenata zalijepljenih na površinu tiskane pločice [1,45]. Korištenje metoda otvrdnjavanja specifičan je slučaj i mora se pažljivo razmotriti u odnosu na druge metode. Primjena ovih tehnika na opremu za koju nije poznato da ima problema s pouzdanošću neće nužno povećati cijenu i težinu dizajna. Međutim, ako proizvod s odobrenim dizajnom ne uspije tijekom testiranja, može biti mnogo brže i lakše primijeniti tehniku strukturalnog očvršćivanja nego redizajnirati opremu.
10. Mogućnosti razvoja metoda
Ovaj odjeljak detaljno opisuje mogućnosti poboljšanja predviđanja pouzdanosti elektroničke opreme, iako bi nedavni napredak u optoelektronici, nanotehnologiji i tehnologijama pakiranja mogao uskoro ograničiti primjenjivost ovih prijedloga. Četiri glavne metode predviđanja pouzdanosti možda neće biti u upotrebi u vrijeme projektiranja uređaja. Jedini čimbenik koji bi takve metode mogao učiniti privlačnijim bio bi razvoj potpuno automatizirane, jeftine tehnologije proizvodnje i testiranja, budući da bi to omogućilo da se predloženi dizajn izradi i testira mnogo brže nego što je to trenutno moguće, uz minimalan ljudski napor.
PoF metoda ima puno prostora za poboljšanje. Glavno područje gdje se može poboljšati je integracija s cjelokupnim procesom dizajna. Projektiranje elektroničke opreme je iterativni proces koji razvojnog inženjera približava konačnom rezultatu samo u suradnji s inženjerima specijaliziranim u području elektronike, proizvodnje i toplinske tehnike te projektiranja konstrukcija. Metoda koja automatski rješava neke od ovih problema istovremeno će smanjiti broj ponavljanja dizajna i uštedjeti značajnu količinu vremena, posebno kada se uzme u obzir količina komunikacije između odjela. Ostala područja poboljšanja u PoF metodama bit će podijeljena na vrste predviđanja odgovora i kriterije neuspjeha.
Predviđanje odgovora ima dva moguća puta naprijed: ili brže, detaljnije modele ili poboljšane, pojednostavljene modele. Dolaskom sve snažnijih računalnih procesora, vrijeme rješavanja detaljnih FE modela može postati prilično kratko, dok se istovremeno, zahvaljujući modernom softveru, smanjuje vrijeme sklapanja proizvoda, što u konačnici minimizira troškove ljudskih resursa. Pojednostavljene FE metode također se mogu poboljšati postupkom za automatsko generiranje FE modela, sličnim onima predloženim za detaljne FE metode. Automatski softver (CALCE PWA) trenutno je dostupan za ovu svrhu, ali tehnologija nije dobro dokazana u praksi i pretpostavke modeliranja su nepoznate.
Izračun nesigurnosti svojstven različitim metodama pojednostavljenja bio bi vrlo koristan, omogućujući implementaciju korisnih kriterija tolerancije grešaka.
Konačno, bila bi korisna baza podataka ili metoda za povećanje krutosti pričvršćenih komponenti, gdje bi se ta povećanja krutosti mogla koristiti za poboljšanje točnosti modela odgovora. Stvaranje kriterija kvara komponente ovisi o maloj varijaciji između sličnih komponenti različitih proizvođača, kao io mogućem razvoju novih vrsta pakiranja, budući da svaka metoda ili baza podataka za određivanje kriterija kvara mora uzeti u obzir takve varijabilnosti i promjene.
Jedno bi rješenje bilo stvoriti metodu/softver za automatsku izradu detaljnih FE modela na temelju ulaznih parametara kao što su dimenzije olova i pakiranja. Ova metoda može biti izvediva za općenito jednoliko oblikovane komponente kao što su SMT ili DIP komponente, ali ne i za složene nepravilne komponente kao što su transformatori, prigušnice ili nestandardne komponente.
Naknadni FE modeli mogu se riješiti za naprezanja i kombinirati s podacima o lomu materijala (podaci o S-N krivulji plastičnosti, mehanici loma ili slično) za izračun vijeka trajanja komponente, iako podaci o lomu materijala moraju biti visoke kvalitete. FE proces trebao bi biti u korelaciji sa stvarnim testnim podacima, po mogućnosti u što većem rasponu konfiguracija.
Napor uključen u takav proces relativno je mali u usporedbi s alternativom izravnog laboratorijskog testiranja, koje mora izvesti statistički značajan broj testova na različitim debljinama PCB-a, različitim intenzitetima opterećenja i smjerovima opterećenja, čak i sa stotinama različitih tipova komponenti dostupnih za više vrste ploča. U smislu jednostavnog laboratorijskog testiranja, možda postoji metoda za poboljšanje vrijednosti svakog testa.
Kad bi postojala metoda za izračunavanje relativnog povećanja naprezanja zbog promjena u određenim varijablama, kao što su debljina PCB-a ili dimenzije žice, tada bi se naknadno mogla procijeniti promjena u životnom vijeku komponente. Takva se metoda može stvoriti korištenjem FE analize ili analitičkih metoda, što u konačnici dovodi do jednostavne formule za izračunavanje kriterija kvara iz postojećih podataka o kvaru.
U konačnici se očekuje da će se izraditi metoda koja kombinira sve različite dostupne alate: FE analizu, testne podatke, analitičku analizu i statističke metode za stvaranje najpreciznijih mogućih podataka o kvarovima s ograničenim dostupnim resursima. Svi pojedinačni elementi PoF metode mogu se poboljšati uvođenjem stohastičkih metoda u proces kako bi se uzeli u obzir učinci varijabilnosti u elektroničkim materijalima i fazama proizvodnje. To bi rezultate učinilo realističnijima, što bi možda dovelo do procesa za stvaranje opreme koja je otpornija na varijabilnost, a istovremeno minimizira degradaciju proizvoda (uključujući težinu i cijenu).
U konačnici, takva bi poboljšanja mogla čak omogućiti procjenu pouzdanosti opreme u stvarnom vremenu tijekom procesa projektiranja, trenutno predlažući sigurnije opcije komponenti, rasporede ili druge preporuke za poboljšanje pouzdanosti uz rješavanje drugih problema kao što su elektromagnetske smetnje (EMI), toplinske i industrijske.
11. zaključak
Ovaj pregled uvodi složenost predviđanja pouzdanosti elektroničke opreme, prateći evoluciju četiri vrste metoda analize (regulatorna literatura, eksperimentalni podaci, podaci ispitivanja i PoF), što dovodi do sinteze i usporedbe ovih vrsta metoda. Navedeno je da su referentne metode korisne samo za preliminarne studije, metode eksperimentalnih podataka korisne su samo ako su dostupni opsežni i točni vremenski podaci, a metode testnih podataka vitalne su za testiranje kvalifikacije dizajna, ali nedovoljne za optimizaciju.
O metodama PoF raspravlja se detaljnije nego u prijašnjim pregledima literature, dijeleći istraživanje u kategorije kriterija predviđanja i vjerojatnosti neuspjeha. Odjeljak "Predviđanje odziva" daje pregled literature o distribuiranim svojstvima, modeliranju rubnih uvjeta i razinama detalja u FE modelima. Pokazalo se da je izbor metode predviđanja odziva kompromis između točnosti i vremena za generiranje i rješavanje FE modela, ponovno naglašavajući važnost točnosti rubnih uvjeta. Odjeljak "Kriteriji kvara" govori o empirijskim i analitičkim kriterijima kvara; za SMT tehnologiju daju se pregledi modela i teških komponenti.
Empirijske metode primjenjive su samo na vrlo specifične slučajeve, iako daju dobre primjere metoda ispitivanja pouzdanosti, dok analitičke metode imaju mnogo širi raspon primjenjivosti, ali su složenije za implementaciju. Daje se kratka rasprava o postojećim metodama analize kvarova na temelju specijaliziranog softvera. Konačno, dane su implikacije za budućnost predviđanja pouzdanosti, uzimajući u obzir smjerove u kojima se metode predviđanja pouzdanosti mogu razvijati.
Književnost[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers i S. B. Gabriel, Učinkovit model ploče s opremom za studije projektiranja aktivne kontrole, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, Lakše kućište za elektroniku za svemirske primjene, Zbornik radova Instituta inženjera strojarstva 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti i C. Schwingshackl, Analiza kućišta i antivibracijskih uređaja za elektroničku opremu za svemirske primjene, Zbornik radova 6. međunarodne konferencije o dinamici i upravljanju strukturama svemirskih letjelica u svemiru, Riomaggiore, Italija, (2004.).
[4] D. B. Barker i Y. Chen, Modeliranje ograničenja vibracija klinastih vodilica kartica, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189-194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen i A. Dasgupta, Procjena vijeka trajanja od vibracija četverovodnih komponenti za površinsku montažu, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195-200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta i M. Pecht, PWB izračun vijeka trajanja lemljenih spojeva pod toplinskim i vibracijskim opterećenjem, Godišnji simpozij o pouzdanosti i održivosti, 1991. Zbornik radova (Kat. br. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta i M. Pecht, Učinak varijabilnosti dimenzija olova SMC na usklađenost olova i vijek trajanja lemljenog spoja od zamora, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker i K. Sidharth, Lokalni PWB i izvijanje komponente sklopa podložnog momentu savijanja, Američko društvo inženjera strojarstva (rad) (1993.), 1–7.
[9] J. Bowles, Pregled postupaka predviđanja pouzdanosti za mikroelektroničke uređaje, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2-12.
[10] AO Cifuentes, Procjena dinamičkog ponašanja tiskanih ploča, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology Part B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69-75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy i C. Wilkinson, Procjena pouzdanosti zrakoplovne elektroničke opreme, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman i A. Malhotra, Usporedba pristupa procjeni pouzdanosti elektronike, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux i A. Syed, Reliability of area array lemljeni spojevi pri savijanju, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder i J. R. Lesniak, Mehanička ponašanja preklopnih spojeva za lemljenje kositra i olova 60/40, Zbornik radova – Konferencija elektroničkih komponenti 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger i Y. Saito, Pouzdanost zaobljenika pete klase 2 na komponentama s olovom na galebovim krilima. Aerospace Conference, Zbornik radova 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 izdanje Metodologija pouzdanosti za elektroničke sustave. Grupacija FIDES, 2004. (enciklopedijska natuknica).
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie i B. Meslet, Pregled metoda predviđanja pouzdanosti elektroničkih uređaja, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155-1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David i R. Pinnington, Novi piezoelektrični aktuator velikog pomaka za aktivnu kontrolu vibracija, 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 i E. Vergnault, A methodology to procijeniti i odabrati prikladnu metodu predviđanja pouzdanosti za eee komponente u svemirskim aplikacijama, Europska svemirska agencija, (posebna publikacija) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Procjena pouzdanosti u radu i pristup odozgo prema dolje pruža alternativnu metodu predviđanja pouzdanosti. Godišnja pouzdanost i održivost, zbornik radova simpozija (kat. br. 99CH36283), 1999., 365–377.
[21] Q. Guo i M. Zhao, Zamor SMT lemljenog spoja uključujući torzijsku zakrivljenost i optimizaciju položaja čipa, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7-8) (2005), 887-895.
[22] S.-J. Ham i S.-B. Lee, Eksperimentalna studija za pouzdanost elektroničkog pakiranja pod vibracijama, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Ispitivanje zamora komponente olova u pločastom prolaznom otvoru, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154-1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh i K. Seetharamu, Razvoj dinamičke ispitne ploče za FCBGA procjenu pouzdanosti lemljenih spojeva u udarima i vibracijama. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik i V. Babitsky, Ruggedizing tiskanih ploča pomoću širokopojasnog dinamičkog apsorbera, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195-210.
[26] IEEE, IEEE vodič za odabir i korištenje predviđanja pouzdanosti na temelju IEEE 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe i T. Kinney, Razvoj standardnih formata za modele pouzdanosti svemirskih sustava, Godišnji simpozij o pouzdanosti i održivosti, 2003. Zbornik radova (Kat. br. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Pouzdanost elektroničkih komponenti, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong i G. Lim, Jednostavna tehnika za maksimiziranje osnovne frekvencije struktura, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341-349.
[30] E. Jih i W. Jung, Vibracijski zamor površinski montiranih lemljenih spojeva. ITermfl98. Šesta međudruštvena konferencija o toplinskim i termomehaničkim fenomenima u elektroničkim sustavima (kat. br. 98CH36208), 1998., 246–250.
[31] B. Johnson i L. Gullo, Poboljšanja u metodologiji procjene pouzdanosti i predviđanja. Godišnji simpozij o pouzdanosti i održivosti. 2000 Zbornik radova. Međunarodni simpozij o kvaliteti i integritetu proizvoda (kat. br. 00CH37055), 2000., -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes i B. Henderson, Pseudoelastični SMA opružni elementi za pasivnu izolaciju vibracija: prvi dio modeliranja, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Usporedna usklađenost reprezentativnih vodećih dizajna za površinski montirane komponente, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431-448.
[34] R. Kotlowitz, Mjerne vrijednosti sukladnosti za konstrukciju vodilja komponente za površinsku montažu. 1990 Zbornik radova. 40. konferencija o elektroničkim komponentama i tehnologiji (kat. br. 90CH2893-6), 1990., 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz i L. Taylor, Mjerne vrijednosti usklađenosti za nagnuto galebovo krilo, paukov j-zavoj i paukovo galebovo krilo dizajne vodova za komponente za površinsku montažu. 1991 Zbornik radova. 41. konferencija o elektroničkim komponentama i tehnologiji (kat. br. 91CH2989-2), 1991., 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice i 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, Metodologija za predviđanje zamora elektroničkih komponenti pod nasumičnim vibracijskim opterećenjem, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394-400.
[38] R. Li i L. Poglitsch, Zamor plastične kuglične mreže i plastičnih četverostrukih ravnih paketa pod automobilskim vibracijama. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li i L. Poglitsch, Vibracijski zamor, mehanizam kvara i pouzdanost plastične kuglaste rešetke i plastičnih četverostrukih ravnih paketa.
[40] Zbornik radova 2001. HD Međunarodna konferencija o međusobnom povezivanju visoke gustoće i pakiranju sustava (SPIE Vol. 4428), 2001., 223–228.
[41] S. Liguore i D. Followell, Vibracijski zamor lemljenih spojeva tehnologije površinske montaže (smt). Godišnji simpozij o pouzdanosti i održivosti 1995. Zbornik radova (kat. br. 95CH35743), 1995., -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong i J. Penny, Učinak oslonca ruba i unutarnje točke tiskane pločice pod vibracijama, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Što nije u redu s tim? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze i L. Cheng, Studija izvedivosti aktivne vibracijske izolacije korištenjem grmljavinskih pokretača, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Predviđanje pouzdanosti elektroničke opreme. Ministarstvo obrane SAD-a, F izdanje, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Pregled nedavnih inovacija u prigušivanju vibracija i upravljanju korištenjem šuntiranih piezoelektričnih pretvarača, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris i J. Reilly, Mil-hdbk-217-omiljena meta. Godišnji simpozij o pouzdanosti i održivosti. 1993 Zbornik radova (Kat. br. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktični inženjering pouzdanosti. Wiley, 1997.
[48] M. Osterman i T. Stadterman, Softver za procjenu kvarova sklopova sklopovskih kartica. Godišnja pouzdanost i mogućnost održavanja. Simpozij. 1999. Zbornik radova (kat. br. 99CH36283), 1999., 269–276.
[49] M. Pecht i A. Dasgupta, Physics-of-failure: pristup pouzdanom razvoju proizvoda, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht i W.-C. Kang, Kritika metoda predviđanja pouzdanosti mil-hdbk-217e, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht i F. R. Nash, Predviđanje pouzdanosti elektroničke opreme, Zbornik radova IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell i D. Smith, Tehnika razmaženih svojstava za analizu FE vibracija kartica s tiskanim krugom, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250-257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman i Y. Ling, Dinamičko modeliranje i mjerenje matičnih ploča osobnih računala. 52nd Electronic Components and Technology Conference 2002., (Cat. No. 02CH37345)(-), 2002., 597–603.
[54] J. Pitarresi i A. Primavera, Usporedba tehnika modeliranja vibracija za tiskane kartice, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378-383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala i P. Geng, Testiranje mehaničkih udara i modeliranje PC matičnih ploča. 2004. Zbornik radova, 54. konferencija o elektroničkim komponentama i tehnologiji (IEEE kat. br. 04CH37546) 1 (2004.), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Mehanika lemljenja – Procjena stanja tehnike. Društvo za minerale, metale i materijale, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola i T. Reinikainen, Zamor interkonekata paketa chip scale zbog cikličkog savijanja, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty i T. Reinikainen, Ispitivanje savijanja u tri i četiri točke za elektroničke pakete, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556-561.
[59] K. Sidharth i D. B. Barker, Vibration induced fatigue life estimation of kutni vodovi perifernih olovnih komponenti, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244-249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman i G. Blackwood, Meki 6-osni aktivni vibracijski izolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412-416.
[61] D. Steinberg, Analiza vibracija za elektroničku opremu, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Analiza vibracija za elektroničku opremu, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Mogu li usklađeni vanjski vodovi smanjiti snagu površinski montiranog uređaja? 1988. Zbornik radova 38. konferencije o elektroničkim komponentama (88CH2600-5), 1988., 1–6.
[64] E. Suhir, Nelinearni dinamički odgovor tiskane pločice na udarna opterećenja primijenjena na konturu potpore, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368-377.
[65] E. Suhir, Odziv tiskane pločice sa fleksibilnim krugom na periodična udarna opterećenja primijenjena na njenu potpornu konturu, Američko društvo inženjera strojarstva (rad) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Zaštita od vibracija kritičnih komponenti elektroničke opreme u teškim uvjetima okoline, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao i Q. Guo, Eksperimenti vibracijskog zamora SMT lemljenog spoja, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143-1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan i W. Liao, Empirijska metoda za dizajn prigušenja čestica, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, Pristup mehanike loma pucanju lemljenih spojeva, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99-104.
[70] W. Zhao i E. Elsayed, Modeliranje ubrzanog testiranja životnog vijeka na temelju srednjeg preostalog životnog vijeka, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689-696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou i E. A. Elsayed, Generalizirani životni model ubrzanog stresa koraka. Zbornik radova Međunarodne konferencije o poslovanju pouzdanosti i odgovornosti elektroničkih proizvoda 2004., 2004., 19–25.
Izvor: www.habr.com