Áreiðanleikagreining á rafeindabúnaði sem verður fyrir höggi og titringi — yfirlit

Tímarit: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Höfundar: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (Tölvupóstur: [netvarið]), og Guy Richardson
Tengsl höfunda: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, Bretlandi
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Bretlandi

Höfundarréttur 2009 Hindawi Publishing Corporation. Þetta er opinn aðgangsgrein sem dreift er undir Creative Commons Attribution License, sem leyfir ótakmarkaða notkun, dreifingu og fjölföldun á hvaða miðli sem er, að því gefnu að rétt sé vitnað í upprunalega verkið.

Skýring. Í framtíðinni er gert ráð fyrir að allur nútíma rafeindabúnaður muni hafa vaxandi virkni en viðhalda getu til að standast högg og titringsálag. Ferlið við að spá fyrir um áreiðanleika er erfitt vegna flókinna viðbragða og bilunareiginleika rafeindabúnaðar, þannig að núverandi aðferðir eru málamiðlun milli nákvæmni útreikninga og kostnaðar.
Áreiðanleg og hröð spá um áreiðanleika rafeindabúnaðar þegar hann starfar undir kraftmiklu álagi er mjög mikilvægt fyrir iðnaðinn. Þessi grein sýnir vandamál við að spá fyrir um áreiðanleika rafeindabúnaðar sem hægir á niðurstöðum. Það ætti einnig að taka tillit til þess að áreiðanleikalíkanið er venjulega byggt með hliðsjón af fjölbreyttu úrvali búnaðarstillinga fyrir fjölda svipaðra íhluta. Fjórir flokkar af áreiðanleikaspáaðferðum (viðmiðunaraðferðir, prófunargögn, tilraunagögn og líkan af líkamlegum orsökum bilunar - eðlisfræði bilunar) eru bornir saman í þessari grein til að velja möguleika á að nota eina eða aðra aðferð. Tekið er fram að flestar bilanir í rafeindabúnaði stafa af hitaálagi, en í þessari umfjöllun er sjónum beint að bilunum af völdum höggs og titrings í rekstri.

Athugasemd þýðanda. Greinin er úttekt á bókmenntum um þetta efni. Þrátt fyrir tiltölulega háan aldur þjónar það sem frábær kynning á vandamálinu við að meta áreiðanleika með ýmsum aðferðum.

1. Hugtök

BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line örgjörvi, stundum þekktur sem Dual In-line pakki.
FE endanlegt frumefni.
PGA Pin Grid Array.
PCB Printed Circuit Board, stundum þekkt sem PWB (Printed Wiring Board).
PLCC Plast Leaded Chip Carrier.
PTH Húðað gegnum gat, stundum þekkt sem Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - einnig þekktur sem mávavængur.
SMA Shape Memory málmblöndur.
SMT yfirborðsfestingartækni.

Athugasemd frá upprunalegum höfundum: Í þessari grein vísar hugtakið "íhluti" til tiltekins rafeindabúnaðar sem hægt er að lóða við prentað hringrásarborð, hugtakið "pakki" vísar til hvers kyns íhluta samþættrar hringrásar (venjulega hvaða SMT eða DIP hluti sem er). Hugtakið „fastur íhlutur“ vísar til hvers kyns samsetts prentaðs hringrásarborðs eða íhlutakerfis, sem leggur áherslu á að tengdir íhlutir hafi sinn eigin massa og stífleika. (Ekki er fjallað um kristalumbúðir og áhrif þeirra á áreiðanleika í greininni, svo ennfremur má líta á hugtakið „pakki“ sem „tilfelli“ af einni eða annarri gerð - u.þ.b. þýðing.)

2. Yfirlýsing um vandamálið

Högg- og titringsálag sem lagt er á PCB veldur álagi á PCB undirlag, íhlutapakkningum, ummerkjum íhluta og lóðasamskeyti. Þessar streitu stafar af blöndu af beygjustundum í hringrásinni og massatregðu íhlutarins. Í versta tilfelli getur þessi álag valdið einni af eftirfarandi bilunarmátum: PCB delamination, bilun í lóðmálmi, bilun í blýi eða bilun í íhlutapakka. Ef einhver þessara bilunarhama á sér stað mun líklegast algjör bilun í tækinu fylgja í kjölfarið. Bilunarhamurinn sem upplifður er við notkun fer eftir tegund umbúða, eiginleikum prentplötunnar, svo og tíðni og amplitude beygjustunda og tregðukrafta. Hæg framfarir í áreiðanleikagreiningu rafeindabúnaðar stafar af fjölmörgum samsetningum inntaksþátta og bilunarhama sem þarf að huga að.

Í restinni af þessum kafla verður reynt að útskýra erfiðleikana við að íhuga mismunandi aðföngsþætti samtímis.

Fyrsti flókinn þátturinn sem þarf að hafa í huga er fjölbreytt úrval pakkategunda sem eru í boði í nútíma rafeindatækni, þar sem hver pakki getur mistekist af mismunandi ástæðum. Þungir íhlutir eru næmari fyrir tregðuálagi en viðbrögð SMT íhluta eru háðari sveigju hringrásarborðsins. Þar af leiðandi, vegna þessa grunnmismunar, hafa þessar tegundir íhluta að miklu leyti mismunandi bilunarviðmið byggt á massa eða stærð. Þetta vandamál er enn aukið vegna stöðugrar tilkomu nýrra íhluta sem fáanlegir eru á markaðnum. Þess vegna verða allar fyrirhugaðar áreiðanleikaspáraðferðir að laga sig að nýjum hlutum til að geta notið hagnýtrar notkunar í framtíðinni. Viðbrögð prentaðs hringrásar við titringi eru ákvörðuð af stífni og massa íhlutanna, sem hafa áhrif á staðbundin svörun prentaða hringrásarinnar. Vitað er að þyngstu eða stærstu íhlutirnir breyta verulega viðbrögðum borðsins við titringi á þeim stöðum þar sem þeir eru settir upp. PCB vélrænni eiginleikar (stuðull og þykkt Youngs) geta haft áhrif á áreiðanleika á þann hátt sem erfitt er að spá fyrir um.

Stífari PCB getur dregið úr heildarviðbragðstíma PCB undir álagi, en á sama tíma getur það í raun aukið beygjustundir sem beitt er á íhlutina staðbundið (Að auki, frá sjónarhóli varmabilunar, er í raun æskilegra að tilgreina meira samhæft PCB, þar sem þetta dregur úr hitauppstreymi sem lagst er á umbúðirnar - athugasemd höfundar). Tíðni og amplitude staðbundinna beygjustunda og tregðuálags sem lagt er á stafla hefur einnig áhrif á líklegasta bilunarhaminn. Hátíðni lágt amplitude álag getur leitt til þreytubilunar í uppbyggingu, sem getur verið aðalorsök bilunar (lítil/há hringlaga þreyta, LCF vísar til bilana sem einkennist af plastaflögun (N_f < 10^6), en HCF táknar teygjanlega aflögun bilanir , venjulega (N_f > 10^6 ) til bilunar [56] - athugasemd höfundar) Endanleg uppröðun þátta á prentplötunni mun ákvarða orsök bilunar, sem getur átt sér stað vegna álags í einstökum íhlut af völdum tregðuálags eða staðbundin beygjustund. Að lokum er nauðsynlegt að taka tillit til áhrifa mannlegra þátta og framleiðslueiginleika, sem eykur líkur á bilun í búnaði.

Þegar litið er til umtalsverðs fjölda inntaksþátta og flókins samspils þeirra kemur í ljós hvers vegna skilvirk aðferð til að spá fyrir um áreiðanleika rafeindabúnaðar hefur ekki enn verið búin til. Einn af ritdómum sem höfundar mæla með um þetta mál er kynnt í IEEE [26]. Hins vegar beinist þessi úttekt aðallega að nokkuð víðtækri flokkun áreiðanleikalíkana, svo sem aðferð við að spá fyrir um áreiðanleika úr tilvísunarritum, tilraunagögnum, tölvulíkönum á bilunaraðstæðum (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), og fjallar ekki um bilanir nægilega nákvæmar af völdum höggs og titrings. Foucher o.fl. [17] fylgja svipaðri útlínu og IEEE endurskoðunin, með verulegri áherslu á hitabilun. Fyrri stuttar greiningar á PoF aðferðum, sérstaklega þegar þær eru notaðar við högg- og titringsbilanir, verðskuldar frekari skoðun. Verið er að taka saman IEEE-líka endurskoðun hjá AIAA, en umfang endurskoðunarinnar er óþekkt á þessari stundu.

3. Þróun áreiðanleikaspáaðferða

Elstu áreiðanleikaspáaðferðinni, þróuð á sjöunda áratugnum, er nú lýst í MIL-HDBK-1960F [217] (Mil-Hdbk-44F er nýjasta og síðasta endurskoðun aðferðarinnar, gefin út árið 217 - athugasemd höfundar) Notkun Þessi aðferð notar gagnagrunnur um bilanir í rafeindabúnaði til að fá meðallíftíma prentaðs hringrásar sem samanstendur af ákveðnum íhlutum. Þessi aðferð er þekkt sem aðferð til að spá fyrir um áreiðanleika út frá tilvísun og staðlaðri bókmenntum. Þó Mil-Hdbk-1995F sé að verða sífellt gamaldags, er viðmiðunaraðferðin enn í notkun í dag. Takmarkanir og ónákvæmni þessarar aðferðar hefur verið vel skjalfest [217], sem leiðir til þróunar á þremur flokkum annarra aðferða: tölvulíkön fyrir líkamlegar bilunaraðstæður (PoF), tilraunagögn og prófunargögn á vettvangi.

PoF aðferðir spá fyrir um áreiðanleika greinandi án þess að treysta á áður safnað gögn. Allar PoF aðferðir hafa tvö sameiginleg einkenni hinnar klassísku aðferðar sem lýst er í Steinberg [62]: í fyrsta lagi er leitað eftir titringsviðbrögðum prentuðu hringrásarinnar við ákveðnu titringsáreiti, síðan eru bilunarviðmið einstakra íhluta eftir útsetningu fyrir titringi prófuð. Mikilvæg framfarir í PoF aðferðum hefur verið notkun dreifðra (meðaltals) töflueiginleika til að búa til fljótt stærðfræðilegt líkan af prentuðu hringrásarborði [54], sem hefur verulega dregið úr flækjustiginu og tímanum sem varið er í að reikna út titringssvörun prentaðs. hringrás (sjá kafla 8.1.3). Nýleg þróun í PoF tækni hefur bætt bilunarspá fyrir yfirborðsfestingartækni (SMT) lóðaða hluti; þó, að undanskildum Barkers aðferðinni [59], eiga þessar nýju aðferðir aðeins við á mjög sérstakar samsetningar íhluta og prentaðra rafrása. Það eru mjög fáar aðferðir í boði fyrir stóra íhluti eins og spenna eða stóra þétta.
Tilraunagagnaaðferðir bæta gæði og getu líkansins sem notað er í áreiðanleikaspáaðferðum sem byggja á tilvísunarritum. Fyrsta aðferðin sem byggir á tilraunagögnum til að spá fyrir um áreiðanleika rafeindabúnaðar var lýst í 1999 grein með HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program) aðferð, sem var búin til hjá Honeywell, Inc. [20]. Aðferð tilraunagagna hefur ýmsa kosti fram yfir aðferðir til að spá fyrir um áreiðanleika með því að nota tilvísunar- og staðlaðar heimildir. Nýlega hafa margar svipaðar aðferðir birst (REMM og TRACS [17], einnig FIDES [16]). Aðferð tilraunagagna, sem og aðferðin við að spá fyrir um áreiðanleika með tilvísun og staðlaðri bókmenntum, gerir okkur ekki kleift að taka á fullnægjandi hátt tillit til skipulags stjórnar og rekstrarumhverfis rekstrar hennar við mat á áreiðanleika. Þennan annmarka má leiðrétta með því að nota bilunargögn frá borðum sem eru svipaðar í hönnun eða frá borðum sem hafa orðið fyrir svipuðum rekstrarskilyrðum.

Tilraunagagnaaðferðir eru háðar því að umfangsmikill gagnagrunnur sem inniheldur hrungögn er tiltækur með tímanum. Sérhver bilunartegund í þessum gagnagrunni verður að vera rétt auðkennd og rót orsök hennar ákvörðuð. Þessi áreiðanleikamatsaðferð hentar fyrirtækjum sem framleiða sams konar búnað í nógu miklu magni þannig að hægt sé að vinna úr umtalsverðum fjölda bilana til að meta áreiðanleika.

Aðferðir til að prófa rafeindaíhluti með tilliti til áreiðanleika hafa verið í notkun síðan um miðjan áttunda áratuginn og er venjulega skipt í hröðunarpróf og próf án hröðunar. Grunnaðferðin er að framkvæma vélbúnaðarprófanir sem búa til væntanlegt rekstrarumhverfi eins raunhæft og mögulegt er. Prófanir eru gerðar þar til bilun á sér stað, sem gerir kleift að spá fyrir um MTBF (Mean Time Between Failures). Ef áætlað er að MTBF sé mjög langur, þá er hægt að stytta prófunartímann með flýtiprófun, sem er náð með því að auka rekstrarumhverfisstuðla og nota þekkta formúlu til að tengja bilanatíðni í flýtiprófinu við bilanatíðni sem búist er við í aðgerð. Þessi prófun er mikilvæg fyrir íhluti sem eru í mikilli hættu á bilun þar sem hún veitir rannsakanda hæsta stigi öryggisgagna, hins vegar væri óframkvæmanlegt að nota þau til að fínstilla borðhönnun vegna langra endurtekningartíma rannsóknarinnar.

Fljótleg yfirferð yfir verk sem birt var á tíunda áratugnum bendir til þess að þetta hafi verið tímabil þegar tilraunagögn, prófunargögn og PoF aðferðir kepptust við hvort annað um að koma í stað úreltra aðferða til að spá fyrir um áreiðanleika úr uppflettibókum. Hins vegar hefur hver aðferð sína kosti og galla og þegar hún er notuð rétt skilar hún dýrmætum árangri. Þess vegna gaf IEEE nýlega út staðal [1990] sem sýnir allar áreiðanleikaspáaðferðir sem eru í notkun í dag. Markmið IEEE var að útbúa handbók sem myndi veita verkfræðingnum upplýsingar um allar tiltækar aðferðir og kosti og galla sem felast í hverri aðferð. Þrátt fyrir að IEEE nálgunin sé enn í upphafi langrar þróunar virðist hún hafa sína eigin kosti þar sem AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) fylgir henni með leiðbeiningum sem kallast S-26, sem er svipuð IEEE en tekur einnig mið af hlutfallslegum gæðum gagna frá hverri aðferð [102]. Þessum leiðbeiningum er einungis ætlað að sameina þær aðferðir sem dreifast um heimsbókmenntir um þessi efni.

4. Bilanir af völdum titrings

Mikið af fyrri rannsóknum hefur fyrst og fremst beinst að tilviljunarkenndum titringi sem PCB álagi, en eftirfarandi rannsókn lítur sérstaklega á bilanir sem tengjast áhrifum. Slíkar aðferðir verða ekki ræddar að fullu hér þar sem þær falla undir flokkun PoF aðferða og er fjallað um þær í köflum 8.1 og 8.2 í þessari grein. Heen o.fl. [24] bjuggu til prófunartöflu til að prófa heilleika BGA lóðmálmsliða þegar þeir verða fyrir höggi. Lau o.fl. [36] lýstu áreiðanleika PLCC, PQFP og QFP íhluta við árekstur í flugvél og utan flugvélar. Pitarresi o.fl. [53,55] skoðuðu bilanir í tölvumóðurborðum vegna höggálags og veittu góða yfirferð yfir heimildir sem lýsa rafeindabúnaði undir höggálagi. Steinberg [62] veitir heilan kafla um hönnun og greiningu rafeindabúnaðar sem hefur áhrif, þar sem fjallað er um bæði hvernig á að spá fyrir um höggumhverfið og hvernig á að tryggja frammistöðu rafeindaíhluta. Sukhir [64,65] lýsti villum í línulegum útreikningum á svörun prentaðs hringrásarborðs við höggálagi sem beitt er á plötufestingar. Þannig geta viðmiðunar- og tilraunagagnaaðferðir tekið tillit til bilana í búnaði sem tengist áhrifum, en þessar aðferðir lýsa „áhrif“ bilunum óbeint.

5. Tilvísunaraðferðir

Af öllum tiltækum aðferðum sem lýst er í handbókunum, munum við takmarka okkur við aðeins tvær sem telja titringsbilun: Mil-Hdbk-217 og CNET [9]. Mil-Hdbk-217 er samþykktur sem staðall af flestum framleiðendum. Eins og allar handvirkar aðferðir og viðmiðunaraðferðir eru þær byggðar á reynsluaðferðum sem miða að því að spá fyrir um áreiðanleika íhluta út frá tilrauna- eða rannsóknargögnum. Aðferðirnar sem lýst er í tilvísunarritum eru tiltölulega einfaldar í framkvæmd, þar sem þær krefjast ekki flóknar stærðfræðilegrar líkanagerðar og nota aðeins gerðir hluta, fjölda hluta, rekstrarskilyrði borðsins og aðrar aðgengilegar breytur. Inntaksgögnin eru síðan færð inn í líkanið til að reikna út tíma milli bilana, MTBF. Þrátt fyrir kosti þess er Mil-Hdbk-217 að verða sífellt minna vinsæll [12, 17,42,50,51]. Við skulum íhuga ófullnægjandi lista yfir takmarkanir á gildi þess.

1. Gögnin eru sífellt úrelt, þar sem þau voru síðast uppfærð árið 1995 og eiga ekki við nýju hlutina, það eru engar líkur á því að líkanið verði endurskoðað þar sem varnarstaðlaráðið hefur ákveðið að láta aðferðina „deyja náttúrulegum dauða“ [ 26].
2. Aðferðin veitir ekki upplýsingar um bilunarhaminn, þannig að ekki er hægt að bæta eða fínstilla PCB útlitið.
3. Líkönin gera ráð fyrir að bilun sé óháð hönnun, hunsað útsetningu íhluta á PCB, hins vegar er vitað að íhlutaskipulag hefur mikil áhrif á bilunarlíkur. [50].
4. Safnaða reynslugögnin innihalda margar ónákvæmni, gögn eru notuð úr fyrstu kynslóðar íhlutum með óeðlilega háa bilanatíðni vegna rangra skráa yfir notkunartíma, viðgerð o.s.frv., sem dregur úr áreiðanleika áreiðanleikaspárniðurstaðna [51].

Allir þessir annmarkar benda til þess að forðast beri að nota tilvísunaraðferðir, en þó, innan marka leyfilegrar þessara aðferða, þarf að útfæra ýmsar kröfur tækniforskriftarinnar. Því ætti aðeins að nota viðmiðunaraðferðir þegar við á, þ.e. á fyrstu stigum hönnunar [46]. Því miður ætti jafnvel að fara varlega með þessa notkun, þar sem þessar tegundir aðferða hafa ekki verið endurskoðaðar síðan 1995. Þess vegna eru viðmiðunaraðferðir í eðli sínu lélegar spár um vélrænan áreiðanleika og ætti að nota þær með varúð.

6. Prófunargagnaaðferðir

Prófunargagnaaðferðir eru einföldustu áreiðanleikaspáaðferðirnar sem til eru. Frumgerð af fyrirhugaðri hönnun á prentuðu hringrásarborði verður fyrir titringi í umhverfinu sem endurskapað er á rannsóknarstofubekk. Næst eru eyðingarbreyturnar (MTTF, höggróf) greindar, síðan eru þær notaðar til að reikna út áreiðanleikavísa [26]. Nota skal prófunargagnaaðferðina með hliðsjón af kostum hennar og göllum.
Helsti kostur prófunargagnaaðferða er mikil nákvæmni og áreiðanleiki niðurstaðna, þannig að fyrir búnað með mikla hættu á bilun ætti lokastig hönnunarferlisins alltaf að innihalda titringshæfispróf. Ókosturinn er sá langi tími sem þarf til að framleiða, setja upp og hlaða prófunarhlutinn, sem gerir aðferðina óhentuga fyrir hönnunarbætur á búnaði með miklar líkur á bilun. Fyrir endurtekið vöruhönnunarferli ætti að íhuga hraðari aðferð. Hægt er að stytta hleðslutímann með því að flýta prófunum ef áreiðanleg líkön eru tiltæk fyrir síðari útreikning á raunverulegum endingartíma [70,71]. Hins vegar henta hraðprófunaraðferðir betur til að búa til hitabilanir en titringsbilanir. Þetta er vegna þess að það tekur styttri tíma að prófa áhrif varmaálags á búnað en að prófa áhrif titringsálags. Áhrif titrings geta komið fram í vörunni aðeins eftir langan tíma.

Þar af leiðandi eru prófunaraðferðir almennt ekki notaðar við titringsbilun nema fyrir hendi séu mildandi aðstæður, svo sem lágspenna sem leiðir til mjög langan tíma til bilunar. Dæmi um gagnasannprófunaraðferðir má sjá í verkum Hart [23], Hin o.fl. [24], Li [37], Lau o.fl. [36], Shetty o.fl. [57], Liguore og Followell [40], Estes o.fl. [15], Wang o.fl. [67], Jih og Jung [30]. Gott almennt yfirlit yfir aðferðina er gefið í IEEE [26].

7. Tilraunagagnaaðferðir

Tilraunagagnaaðferðin byggir á bilunargögnum frá svipuðum prentplötum sem hafa verið prófuð við tilgreindar rekstrarskilyrði. Aðferðin er aðeins rétt fyrir prentplötur sem munu upplifa svipað álag. Tilraunagagnaaðferðin hefur tvo meginþætti: að byggja upp gagnagrunn yfir bilanir í rafeindahlutum og útfæra aðferðina út frá fyrirhugaðri hönnun. Til að byggja upp viðeigandi gagnagrunn verða að vera til viðeigandi bilunargögn sem hefur verið safnað úr svipaðri hönnun; þetta þýðir að gögn um bilanir í sambærilegum búnaði verða að vera til. Einnig þarf að greina bilaðan búnað og safna tölfræði rétt, það er ekki nóg að fullyrða að tiltekin PCB hönnun hafi bilað eftir ákveðinn fjölda klukkustunda, staðsetning, bilunarhamur og orsök bilunar þarf að ákvarða. Nema öll fyrri bilunargögn hafi verið vandlega greind, þarf langan tíma í gagnasöfnun áður en hægt er að nota tilraunagagnaaðferðina.

Möguleg lausn á þessari takmörkun er að innleiða Highly Accelerated Lifecycle Testing (HALT) í þeim tilgangi að byggja fljótt upp gagnagrunn um bilanatíðni, þó að nákvæm endurgerð umhverfisbreyta sé krefjandi en lífsnauðsynleg [27]. Lýsingu á öðru stigi innleiðingar tilraunagagnaaðferðarinnar má lesa í [27], sem sýnir hvernig á að spá fyrir um MTBF fyrir fyrirhugaða hönnun ef hönnunin sem verið er að prófa er fengin með því að breyta núverandi borði þar sem ítarleg bilunargögn eru þegar til fyrir . Öðrum umsögnum um tilraunagagnaaðferðir er lýst af ýmsum höfundum í [11,17,20,26].

8. Tölvuuppgerð bilunarskilyrða (PoF)

Tölvulíkanatækni fyrir bilunaraðstæður, einnig kölluð streitu- og skaðalíkön eða PoF-líkön, eru útfærðar í tveggja þrepa áreiðanleikaspáferli. Fyrsta stigið felur í sér að leita að svörun prentuðu hringrásarinnar við kraftmiklu álagi sem lagt er á það; á öðru stigi er svörun líkansins reiknuð út til að tryggja tiltekinn áreiðanleikavísi. Flestar bókmenntir eru oft helgaðar bæði aðferðinni við að spá fyrir um svörun og ferlinu við að finna bilunarviðmið. Þessar tvær aðferðir eru best að skilja þegar þær eru lýstar sjálfstætt, þannig að þessi endurskoðun mun fjalla um þessi tvö skref sérstaklega.

Á milli stiga þess að spá fyrir um svörun og leita að bilunarviðmiðum er gagnasafnið sem búið var til í fyrsta þrepinu og notað í því seinna flutt yfir í líkanið. Viðbragðsbreytan hefur þróast frá því að nota inntakshröðunina á undirvagninum [15,36,37,67], í gegnum raunverulega hröðun sem íhluturinn upplifir til að gera grein fyrir mismunandi titringsviðbrögðum mismunandi PCB útsetninga [40], og að lokum til að íhuga staðbundin skoðunarferð [62] eða staðbundin beygjustund [59] sem PCB upplifir staðbundið við íhlutinn.

Það hefur verið tekið fram að bilun er fall af fyrirkomulagi íhluta á prentuðu hringrásarborði [21,38], þannig að líkön sem innihalda staðbundin titringssvörun eru líklegri til að vera nákvæm. Valið á því hvaða færibreytur (staðbundin hröðun, staðbundin sveigja eða beygjustund) er ákvarðandi þátturinn fyrir bilun fer eftir sérstöku tilviki.
Ef SMT íhlutir eru notaðir geta sveigju- eða beygjuþættir verið mikilvægustu þættirnir fyrir bilun; fyrir þunga íhluti er staðbundin hröðun venjulega notuð sem bilunarviðmið. Því miður hafa engar rannsóknir verið gerðar til að sýna fram á hvaða tegund viðmiða hentar best í tilteknu safni inntaksgagna.

Mikilvægt er að íhuga hæfi hvaða PoF aðferð sem er notuð, þar sem það er ekki raunhæft að nota neina PoF aðferð, greiningaraðferð eða FE, sem er ekki studd af rannsóknargögnum. Að auki er mikilvægt að nota hvaða líkan sem er innan gildissviðs þess, sem því miður takmarkar nothæfi flestra núverandi PoF líkana við mjög sérstakar og takmarkaðar aðstæður. Góðum dæmum um umfjöllun um PoF aðferðir er lýst af ýmsum höfundum [17,19,26,49].

8.1. Svarspá

Svarspá felur í sér að nota rúmfræði og efniseiginleika mannvirkis til að reikna út nauðsynlega svörunarbreytu. Gert er ráð fyrir að þetta skref fangi aðeins heildarsvörun undirliggjandi PCB en ekki svörun einstakra íhluta. Það eru þrjár megingerðir af svörunarspáaðferðum: greinandi, ítarleg FE líkön og einfölduð FE líkön, sem lýst er hér að neðan. Þessar aðferðir einbeita sér að því að fella inn stífleika og massaáhrif bættra íhluta, hins vegar er mikilvægt að missa ekki sjónar á mikilvægi þess að gera nákvæma líkan af snúningsstífleika á jaðri PCB þar sem þetta er nátengt nákvæmni líkans (þetta er rætt í kafla 8.1.4). Mynd. 1. Dæmi um ítarlegt líkan af prentplötu [53].

8.1.1. Greiningarspá um svörun

Steinberg [62] veitir eina greiningaraðferðina til að reikna út titringssvörun prentaðs hringrásarborðs. Steinberg segir að sveiflustuðull við ómun rafeininga sé jöfn tvöfaldri kvaðratrót ómunatíðnarinnar; þessi krafa er byggð á ótiltækum gögnum og er ekki hægt að sannreyna hana. Þetta gerir kleift að reikna kvikbeygjuna við ómun með greiningu, sem síðan er hægt að nota til að reikna annað hvort kraftmikið álag frá þungum íhlut eða sveigju prentuðu hringrásarinnar. Þessi aðferð framleiðir ekki beint staðbundið PCB-svörun og er aðeins samhæft við sveigjumiðaða bilun sem lýst er af Steinberg.

Réttmæti forsendunnar um dreifingu flutningsvirkni sem byggir á amplitude mælingum er vafasamt þar sem Pitarresi o.fl. [53] mældu 2% mikilvæga dempun fyrir tölvumóðurborð, en að nota forsendur Steinbergs myndi gefa 3,5% (miðað við náttúrutíðni 54 Hz), sem myndi leiða til mikils vanmats á viðbrögðum stjórnar við titringi.

8.1.2. Ítarlegar FE gerðir

Sumir höfundar sýna fram á notkun nákvæmra FE líkana til að reikna út titringssvörun prentborðs [30,37,53, 57,58] (Mynd 1-3 sýnir dæmi með auknu smáatriði), hvernig sem notkun þessara Ekki er mælt með aðferðum fyrir söluvöru (nema aðeins nákvæm spá um staðbundin svörun sé ekki algerlega nauðsynleg) þar sem tíminn sem þarf til að byggja og leysa slíkt líkan er of langur. Einfölduð líkön framleiða gögn af viðeigandi nákvæmni mun hraðar og með lægri kostnaði. Tíminn sem þarf til að smíða og leysa ítarlegt FE líkan er hægt að stytta með því að nota JEDEC 4 gormfasta sem birtir eru í [33-35], þessa gormfasta er hægt að nota í stað nákvæma FE líkansins hvers vírs. Að auki er hægt að útfæra undirbyggingaraðferðina (stundum þekkt sem ofurþáttaaðferðin) til að draga úr útreikningstímanum sem þarf til að leysa ítarleg líkön. Það skal tekið fram að ítarleg FE líkön þoka oft út mörkin á milli svarspá og bilunarviðmiða, þannig að verkið sem vísað er til hér getur einnig fallið undir lista yfir verk sem innihalda bilunarviðmið.

8.1.3. Dreifðar FE módel

Einfölduð FE líkön draga úr gerð líkana og lausnartíma. Hægt er að tákna aukinn massa íhluta og stífleika hans með því einfaldlega að líkja eftir tómu PCB með auknum massa og stífni, þar sem áhrif massa og stífleika eru felld inn með því að auka stuðull PCB Young's stífni.

Mynd. 2. Dæmi um ítarlegt líkan af QFP íhlut sem notar samhverfu til að einfalda líkanaferlið og draga úr lausnartíma [36]. Mynd. 3. Dæmi um ítarlegt FE líkan af J-blý [6].

Hægt er að reikna stífleikaaukningarstuðulinn út með því að klippa út áfasta hlutann og beita beygjuprófunaraðferðum [52]. Pitarresi o.fl. [52,54] kannaði einföldunaráhrif aukins massa og stífleika sem íhlutir festa á prentað hringrásarborð.

Fyrsta ritgerðin skoðar eitt tilvik um einfaldað FE líkan af prentuðu hringrásarborði, sannreynt gegn tilraunagögnum. Aðaláhugamál þessarar greinar er ákvörðun dreifðra eiginleika, með þeim fyrirvara að mikil nákvæmni snúningsstífni er nauðsynleg fyrir nákvæmt líkan.

Önnur greinin lítur á fimm mismunandi fyllt PCB, hvert fyrirmynd með nokkrum mismunandi stigum einföldunar á samsetningu þess. Þessi líkön eru borin saman við tilraunagögn. Þessari grein lýkur með nokkrum lærdómsríkum athugunum á fylgni milli massa-stífleikahlutfalla og nákvæmni líkans. Báðar þessar greinar nota aðeins náttúrutíðni og MECs (modal assurance criteria) til að ákvarða fylgni milli líkananna tveggja. Því miður getur skekkjan í náttúrutíðni ekki gefið neinar upplýsingar um villuna í staðbundnum hröðun eða beygjustundum og MKO getur aðeins gefið heildarfylgni milli tveggja náttúruhama, en ekki hægt að nota til að reikna út prósentuskekkju af hröðun eða sveigju. Með því að nota blöndu af tölulegri greiningu og tölvuhermi gerir Cifuentes [10] eftirfarandi fjórar athuganir.

1. Hermir stillingar verða að innihalda að minnsta kosti 90% titringsmassa fyrir nákvæma greiningu.
2. Í þeim tilvikum þar sem frávik borðsins eru sambærileg við þykkt hennar getur ólínuleg greining verið heppilegri en línuleg greining.
3. Litlar villur í staðsetningu íhluta geta valdið miklum villum í svörunarmælingum.
4. Nákvæmni svarmælinga er næmari fyrir villum í massa en stífni.

8.1.4. Landamæraskilyrði

PCB brún snúningsstífleikastuðullinn hefur veruleg áhrif á nákvæmni reiknaðrar svörunar [59], og fer eftir sértækri uppsetningu mun mikilvægara en viðbættur íhluti massi og stífleiki. Að reikna stífleika snúningsbrúnarinnar sem núll (í meginatriðum bara studd ástand) gefur venjulega íhaldssamar niðurstöður, á meðan líkangerð eins og þétt klemmd vanmetar venjulega niðurstöðurnar, þar sem jafnvel stífustu PCB klemmukerfin geta ekki tryggt að fullu klemmd brún ástand. Barker og Chen [5] staðfesta greiningarkenninguna með tilraunaniðurstöðum til að sýna hvernig stífleiki brúnsnúnings hefur áhrif á náttúrulega tíðni PCB. Meginniðurstaða þessarar vinnu er sterk fylgni milli stífleika brúnsnúnings og náttúrutíðni, í samræmi við kenningu. Þetta þýðir líka að stórar villur í líkangerð á snúningsstífni brúnar leiða til mikilla villna í svörunarspá. Þrátt fyrir að þessi vinna hafi verið skoðuð í ákveðnu tilviki, á hún við um líkan af öllum gerðum jaðarskilyrða. Með því að nota tilraunagögn frá Lim o.fl. [41] gefur dæmi um hvernig hægt er að reikna stífleika brúnsnúnings til að nota FE í PCB líkani; þetta er náð með aðferð sem er aðlöguð frá Barker og Chen [5]. Þessi vinna sýnir einnig hvernig á að ákvarða ákjósanlega staðsetningu hvers staðar í mannvirki til að hámarka náttúrutíðni. Verk sem fjalla sérstaklega um áhrif þess að breyta jaðarskilyrðum til að draga úr titringsviðbrögðum eru einnig til af Guo og Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti og Schwingshackl [3], Lim o.fl. [41].

8.1.5. Spár um högg og titring

Pitarresi o.fl. [53-55] notaðu ítarlegt FE líkan af PCB til að spá fyrir um högg- og titringsviðbrögð borðs með íhlutum táknað sem 3D blokkir. Þessi líkön notuðu tilraunaákvörðuð stöðug dempunarhlutföll til að bæta spá um svörun við ómun. Áhrifssvörunarróf (SRS) og tímasópunaraðferðir voru bornar saman til að spá fyrir um áhrifssvörun, þar sem báðar aðferðirnar skiptu máli á milli nákvæmni og lausnartíma.

8.2. Höfnunarviðmið

Bilunarviðmið taka mælikvarða á viðbrögð PCB og nota það til að draga úr bilunarmælingu, þar sem bilunarmælingin getur verið meðaltími milli bilana (MTBF), lotur til bilunar, líkur á bilunarlausri virkni eða önnur áreiðanleikamælikvarði (sjá IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] fyrir umfjöllun um bilunarmælingar). Hægt er að skipta mörgum mismunandi aðferðum við að búa til þessi gögn í greiningar- og reynsluaðferðir. Reynsluaðferðir búa til gögn um bilunarviðmið með því að hlaða prófunarsýnum af íhlutum upp í nauðsynlega kraftmikla álag. Því miður, vegna þess hve mikið úrval inntaksgagna (íhlutategunda, PCB þykkt og álag) er mögulegt í reynd, er ólíklegt að birtu gögnin eigi beint við þar sem gögnin eru aðeins gild í mjög sérstökum tilvikum. Greiningaraðferðir þjást ekki af slíkum ókostum og hafa miklu víðtækari nothæfi.

8.2.1. Reyndarbilunarviðmið

Eins og fyrr segir er takmörkun flestra reynslulíkana að þau eiga aðeins við um stillingar sem fela í sér sömu PCB þykkt, svipaðar íhlutagerðir og inntaksálag, sem er ólíklegt. Hins vegar er tiltækt rit gagnlegt af eftirfarandi ástæðum: það gefur góð dæmi um að framkvæma bilunarpróf, undirstrikar mismunandi valkosti fyrir bilunarmælingar og veitir verðmætar upplýsingar um vélrænni bilunar. Li [37] bjó til reynslulíkan til að spá fyrir um áreiðanleika 272 pinna BGA og 160 pinna QFP pakka. Þreytuskemmdir í leiðurum og í pakkahluta eru rannsökuð og tilraunaniðurstöður eru í góðu samræmi við álagstengda skaðagreiningu sem reiknað er út með ítarlegu FE líkani (sjá einnig Li og Poglitsch [38,39]). Ferlið framleiðir uppsafnaðan skaða fyrir tiltekið stig titringshröðunar á titringsinntaksmerkinu.
Lau o.fl. [36] mátu áreiðanleika tiltekinna íhluta undir högg- og titringsálagi með því að nota Weibull tölfræði. Liguore og Followell [40] skoðuðu bilanir í LLCC og J-lead íhlutum með því að breyta staðbundinni hröðun eftir þjónustulotum. Staðbundin hröðun er notuð öfugt við inntakshröðun undirvagns og áhrif hitastigs á prófunarniðurstöður voru könnuð. Í greininni er einnig vísað til rannsókna á áhrifum PCB-þykktar á áreiðanleika íhluta.

Guo og Zhao [21] bera saman áreiðanleika íhluta þegar staðbundin snúningssveigja er notuð sem álag, öfugt við fyrri rannsóknir sem notuðu hröðun. Hermt er eftir þreytuskemmdum, síðan er FE líkanið borið saman við niðurstöður tilrauna. Greinin fjallar einnig um fínstillingu útlits íhluta til að bæta áreiðanleika.

Ham og Lee [22] kynna prófunargagnaaðferð fyrir vandamálið við að ákvarða álag á blýlóðmálmi við hringlaga snúningsálag. Estes o.fl. [15] töldu bilunarvandamál mávavængsíhluta (GOST IEC 61188-5-5-2013) með beitt inntakshröðun og hitaálagi. Íhlutirnir sem rannsakaðir eru eru flísapakkagerðir CQFP 352, 208, 196, 84 og 28, auk FP 42 og 10. Greinin er helguð bilun rafeindaíhluta vegna sveiflna á braut jarðstöðva gervihnötts jarðar, tíminn milli bilana er gefið upp með tilliti til ára flugs á jarðstöðvum eða lágum brautum um jörðu. Það er tekið fram að bilun í mávvængvírum er líklegri á stöðum sem eru í snertingu við pakkann heldur en við lóðmálmur.

Jih og Jung [30] íhuga bilun í búnaði sem stafar af eðlislægum framleiðslugöllum í lóðmálmur. Þetta er gert með því að búa til mjög ítarlegt FE líkan af PCB og finna kraftlitrófsþéttleika (PSD) fyrir mismunandi lengd framleiðslusprungna. Ligyore, Followell [40] og Shetty, Reinikainen [58] benda til þess að reynsluaðferðir framleiði nákvæmustu og gagnlegustu bilunargögnin fyrir sérstakar tengdar íhlutastillingar. Þessar aðferðir eru notaðar ef hægt er að halda ákveðnum inntaksgögnum (borðþykkt, gerð íhluta, sveigjusvið) stöðugum í gegnum hönnunina eða ef notandinn hefur efni á að framkvæma raunverulegar prófanir af þessu tagi.

8.2.2. Viðmiðun við greiningarbilun

SMT gerðir af hornsamskeytum

Ýmsir vísindamenn sem skoða bilanir í SMT hornpinna benda til þess að þetta sé algengasta orsök bilunar. Blöðin eftir Sidharth og Barker [59] ljúka fyrri röð greina með því að kynna líkan til að ákvarða álag á SMT hornleiðara og lykkjuleiðarahlutum. Fyrirhugað líkan hefur skekkju sem er minna en 7% samanborið við ítarlega FE líkanið fyrir sex versta tilvik. Líkanið er byggt á formúlu sem Barker og Sidharth birt hafa áður [4], þar sem beyging á áföstum hluta sem verður fyrir beygjustund var gerð fyrirmynd. Greinin eftir Sukhir [63] skoðar greinandi spennuna sem búist er við í pakkastöðvum vegna staðbundinna beygjustunda. Barker og Sidharth [4] byggja á verkum Sukhir [63], Barker o.fl. [4], sem telur áhrif leiðandi snúningsstífleika. Að lokum notuðu Barker o.fl. [7] ítarleg FE líkön til að rannsaka áhrif víddarbreytinga í blýi á blýþreytulíf.

Hér er rétt að minnast á vinnuna við JEDEC blýfjaðrafasta, sem einfaldaði til muna gerð módela af blýíhlutum [33-35]. Hægt er að nota vorfasta í stað nákvæms líkans af blýtengingum; tíminn sem þarf til að byggja og leysa FE líkanið mun minnka í líkaninu. Notkun slíkra fasta í FE líkaninu mun koma í veg fyrir beinan útreikning á staðbundnum blýspennum. Í staðinn verður gefinn upp heildarþynning blýs, sem ætti þá að tengjast annaðhvort staðbundnu blýálagi eða viðmiðum um bilun á blýi sem byggist á líftíma vörunnar.

Upplýsingar um efnisþreytu

Flest gögn um bilun efna sem notuð eru fyrir lóðmálmur og íhluti tengjast fyrst og fremst hitabilun og tiltölulega lítil gögn eru til sem tengjast þreytubilun. Stór tilvísun á þessu sviði er veitt af Sandor [56], sem veitir gögn um vélrænni þreytu og bilunar á lóðmálmblöndur. Steinberg [62] veltir fyrir sér bilun í lóðasýnum. Þreytugögn fyrir staðlaða lóðmálmur og vír eru fáanlegar í Yamada's blaðinu [69].

Mynd. 4. Venjuleg bilunarstaða úr handbókinni fyrir QFP íhluti er nálægt pakkanum.

Bilun í líkanagerð sem tengist losun lóðmálms er krefjandi vegna óvenjulegra eiginleika þessa efnis. Lausnin á þessari spurningu fer eftir íhlutnum sem þarf að prófa. Það er vitað að fyrir QFP pakka er þetta venjulega ekki tekið með í reikninginn og áreiðanleiki er metinn með tilvísunarritum. En ef lóðun stórra BGA og PGA íhluta er reiknuð út, geta leiðartengingar, vegna óvenjulegra eiginleika þeirra, haft áhrif á bilun vörunnar. Þannig, fyrir QFP pakka, eru blýþreytueiginleikar gagnlegustu upplýsingarnar. Fyrir BGA eru upplýsingar um endingu lóðmálma sem verða fyrir tafarlausri plastaflögun gagnlegri [14]. Fyrir stærri íhluti veitir Steinberg [62] útdráttarspennugögn fyrir lóðmálmur.

Módel með bilun í þungum íhlutum

Einu bilunarlíkönin sem eru til fyrir þunga íhluti eru kynnt í ritgerð Steinbergs [62] sem skoðar togstyrk íhluta og gefur dæmi um hvernig reikna megi út hámarks leyfilegt álag sem hægt er að beita á blýtengingu.

8.3. Ályktanir um nothæfi PoF líkana

Eftirfarandi ályktanir hafa verið gerðar í bókmenntum varðandi PoF aðferðir.

Staðbundin viðbrögð eru mikilvæg til að spá fyrir um bilun íhluta. Eins og fram kemur í Li, Poglitsch [38] eru íhlutir á brúnum PCB minna viðkvæmir fyrir bilun en þeir sem eru staðsettir í miðju PCB vegna staðbundins munar á beygju. Þar af leiðandi munu íhlutir á mismunandi stöðum á PCB hafa mismunandi líkur á bilun.

Beyging staðbundinnar borðs er talin mikilvægari bilunarviðmiðun en hröðun fyrir SMT íhluti. Nýleg verk [38,57,62,67] benda til þess að sveigjanleiki borðs sé aðalbilunarviðmiðið.

Mismunandi gerðir pakka, bæði hvað varðar fjölda pinna og gerð sem notuð eru, eru í eðli sínu áreiðanlegri en aðrar, óháð sérstöku staðbundnu umhverfi [15,36,38].
Hitastig getur haft áhrif á áreiðanleika íhluta. Liguore og Followell [40] segja að þreytulífið sé hæst á hitabilinu frá 0 ◦C til 65 ◦C, með áberandi lækkun við hitastig undir -30 ◦C og yfir 95 ◦C. Fyrir QFP íhluti er staðsetningin þar sem vírinn festist við pakkann (sjá mynd 4) talinn vera aðalbilunarstaðurinn frekar en lóðmálmur [15,22,38].

Þykkt borðs hefur ákveðin áhrif á þreytulíf SMT íhluta, þar sem sýnt hefur verið fram á að BGA þreytulífið minnkar um það bil 30-50 sinnum ef borðþykktin er aukin úr 0,85 mm í 1,6 mm (samhliða stöðugri heildarbeygju) [13] . Sveigjanleiki (samræmi) íhlutaleiðsla hefur veruleg áhrif á áreiðanleika útlægra leiðsluíhluta [63], hins vegar er þetta ólínulegt samband og millitengileiðir eru minnst áreiðanlegar.

8.4. Hugbúnaðaraðferðir

Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) við háskólann í Maryland útvegar hugbúnað til að reikna út titring og höggviðbrögð prentaðra rafrása. Hugbúnaðurinn (sem heitir CALCE PWA) er með notendaviðmóti sem einfaldar ferlið við að keyra FE líkanið og setur svörunarútreikninginn sjálfkrafa inn í titringslíkanið. Engar forsendur eru notaðar til að búa til FE viðbragðslíkanið og bilunarviðmiðin sem notuð eru eru tekin úr Steinberg [61] (þó að aðferð Barkers [48] sé einnig gert ráð fyrir að verði innleidd). Til að veita almennar ráðleggingar til að bæta áreiðanleika búnaðarins, skilar hugbúnaðinum sem lýst er vel, sérstaklega þar sem hann tekur samtímis tillit til varma af völdum streitu og krefst lágmarks sérfræðiþekkingar, en nákvæmni bilunarviðmiðana í líkönunum hefur ekki verið sannreynd með tilraunum.

9. Aðferðir til að auka áreiðanleika búnaðar

Í þessum hluta verður fjallað um breytingar eftir verkefni sem bæta áreiðanleika rafeindabúnaðar. Þeir falla í tvo flokka: þá sem breyta jaðarskilyrðum PCB, og þá sem auka dempun.

Megintilgangur breytinga á landamæraskilyrðum er að draga úr kraftmikilli sveigju á prentuðu hringrásinni, þetta er hægt að ná með því að stífa rifbein, viðbótarstoðir eða draga úr titringi inntaksmiðilsins. Stífur geta verið gagnlegar þar sem þær auka náttúrutíðni og draga þannig úr kraftmikilli sveigju [62], það sama á við um að bæta við viðbótarstoðum [3], þó að einnig sé hægt að fínstilla staðsetningu stuðningsmanna, eins og sýnt er í verkum JH Ong og Lim [ 40]. Því miður krefjast rifbein og stoðir venjulega endurhönnun á útlitinu, þannig að þessar aðferðir eru best íhugaðar snemma í hönnunarferlinu. Jafnframt skal þess gætt að breytingar breyti ekki náttúrutíðnum þannig að þær passi við náttúrutíðni burðarvirkisins, þar sem slíkt væri gagnkvæmt.

Að bæta við einangrun bætir áreiðanleika vörunnar með því að draga úr áhrifum kraftmikilla umhverfisins sem flutt er yfir á búnaðinn og er hægt að ná fram annað hvort óvirkt eða virkt.
Hlutlausar aðferðir eru venjulega einfaldar og ódýrari í framkvæmd, svo sem notkun kapaleinangrunartækja [66] eða notkun gervieiginleika formminni málmblöndur (SMA) [32]. Hins vegar er vitað að illa hönnuð einangrunartæki geta í raun aukið svörunina.
Virkar aðferðir veita betri dempun á breiðari tíðnisviði, venjulega á kostnað einfaldleika og massa, þannig að þeim er yfirleitt ætlað að bæta nákvæmni mjög viðkvæmra nákvæmnistækja frekar en að koma í veg fyrir skemmdir. Virk titringseinangrun felur í sér rafsegulfræðilegar [60] og piezoelectric aðferðir [18,43]. Ólíkt aðferðum til að breyta skilyrðum á mörkum, miðar dempunarbreytingar að því að draga úr hámarkshljóðsvörun rafeindabúnaðar, en raunveruleg náttúrutíðni ætti aðeins að breytast lítillega.

Eins og með titringseinangrun, er hægt að ná dempun annað hvort óvirkt eða virkt, með svipuðum hönnunareinföldunum í því fyrra og meira flókið og dempun í því síðara.

Óvirkar aðferðir fela til dæmis í sér mjög einfaldar aðferðir eins og að binda efni og auka þar með raka á prentplötunni [62]. Fleiri flóknari aðferðir fela í sér agnardeyfingu [68] og notkun breiðbands kraftmikilla gleypa [25].

Virk titringsstýring er venjulega náð með því að nota piezoceramic þætti sem eru tengdir við yfirborð prentuðu hringrásarinnar [1,45]. Notkun herðingaraðferða er sérstök tilvik og þarf að íhuga vandlega í tengslum við aðrar aðferðir. Að beita þessum aðferðum á búnað sem ekki er vitað að hefur áreiðanleikavandamál mun ekki endilega auka kostnað og þyngd hönnunarinnar. Hins vegar, ef vara með viðurkennda hönnun mistekst við prófun, getur verið mun fljótlegra og auðveldara að beita burðarvirkjaherðingartækni en að endurhanna búnaðinn.

10. Tækifæri til að þróa aðferðir

Í þessum hluta er fjallað um tækifæri til að bæta spá um áreiðanleika rafeindabúnaðar, þó að nýlegar framfarir í ljóseindatækni, nanótækni og pökkunartækni geti brátt takmarkað nothæfi þessara tillagna. Fjórar helstu áreiðanleikaspáaðferðirnar eru hugsanlega ekki í notkun þegar tækið er hannað. Eini þátturinn sem gæti gert slíkar aðferðir meira aðlaðandi væri þróun fullkomlega sjálfvirkrar, ódýrrar framleiðslu- og prófunartækni, þar sem það myndi gera fyrirhugaðri hönnun kleift að byggja og prófa mun hraðar en nú er mögulegt, með lágmarks mannlegri fyrirhöfn.

PoF aðferðin hefur mikið pláss til að bæta. Helsta svæðið þar sem hægt er að bæta það er samþætting við heildar hönnunarferlið. Hönnun rafeindabúnaðar er endurtekið ferli sem færir framkvæmdaraðilann nær fulluninni niðurstöðu aðeins í samvinnu við verkfræðinga sem sérhæfa sig á sviði rafeindatækni, framleiðslu og varmaverkfræði og burðarvirkishönnun. Aðferð sem tekur sjálfkrafa á sumum þessara mála samtímis mun fækka hönnunarendurtekningum og spara umtalsverðan tíma, sérstaklega þegar horft er til magns samskipta milli deilda. Öðrum sviðum umbóta í PoF aðferðum verður skipt í tegundir svarspá og bilunarviðmiða.

Svarspá hefur tvær mögulegar leiðir fram á við: annað hvort hraðari, ítarlegri líkön eða endurbætt, einfölduð líkön. Með tilkomu sífellt öflugri tölvuörgjörva getur lausnartími ítarlegra FE módel orðið ansi stuttur, en á sama tíma, þökk sé nútíma hugbúnaði, minnkar samsetningartími vöru, sem á endanum lágmarkar kostnað við mannauð. Einnig er hægt að bæta einfaldaðar FE-aðferðir með ferli til að búa til FE-líkön sjálfkrafa, svipað og lagt er til fyrir nákvæmar FE-aðferðir. Sjálfvirkur hugbúnaður (CALCE PWA) er nú fáanlegur í þessu skyni, en tæknin er ekki vel sönnuð í reynd og forsendur líkanagerðar eru óþekktar.

Útreikningur á óvissu sem felst í mismunandi einföldunaraðferðum væri mjög gagnleg, sem gerir kleift að útfæra gagnlegar bilanaþolsviðmiðanir.

Að lokum, gagnasafn eða aðferð til að veita auknum stífleika til tengdra íhluta væri gagnlegur, þar sem þessar stífleikaaukningar gætu nýst til að bæta nákvæmni svarlíkana. Gerð bilunarviðmiða íhluta er háð smávægilegum breytileika milli sambærilegra íhluta frá mismunandi framleiðendum, svo og hugsanlegri þróun nýrra umbúðategunda, þar sem hvaða aðferð eða gagnagrunnur sem er til að ákvarða bilunarviðmið þarf að gera grein fyrir slíkum breytileika og breytingum.

Ein lausn væri að búa til aðferð/hugbúnað til að byggja sjálfkrafa ítarleg FE líkön byggð á inntaksbreytum eins og blý og umbúðum. Þessi aðferð kann að vera framkvæmanleg fyrir almennt einsleita íhluti eins og SMT eða DIP íhluti, en ekki fyrir flókna óreglulega íhluti eins og spennubreyta, chokes eða sérsniðna íhluti.

Síðari FE líkön er hægt að leysa fyrir álagi og sameina þau við efnisbilunargögn (S-N plastleikaferilgögn, brotafræði eða álíka) til að reikna út endingu íhluta, þó að efnisbilunargögnin verði að vera af háum gæðum. FE ferlið ætti að vera í tengslum við raunveruleg prófunargögn, helst yfir eins breitt úrval af stillingum og mögulegt er.

Fyrirhöfnin sem fylgir slíku ferli er tiltölulega lítil miðað við valið við beinar rannsóknarstofuprófanir, sem þarf að framkvæma tölfræðilega marktækan fjölda prófa á mismunandi PCB þykktum, mismunandi álagsstyrk og álagsstefnu, jafnvel með hundruð mismunandi gerða íhluta tiltækar fyrir margar tegundir af borðum. Hvað varðar einfaldar rannsóknarstofuprófanir, getur verið aðferð til að bæta gildi hvers prófs.

Ef það væri aðferð til að reikna út hlutfallslega aukningu á álagi vegna breytinga á ákveðnum breytum, svo sem PCB þykkt eða blýmál, þá væri hægt að áætla breytingu á endingu íhluta í kjölfarið. Slíka aðferð er hægt að búa til með því að nota FE greiningu eða greiningaraðferðir, sem leiðir að lokum til einfaldrar formúlu til að reikna út bilunarviðmið út frá fyrirliggjandi bilunargögnum.

Á endanum er gert ráð fyrir að búið verði til aðferð sem sameinar öll þau mismunandi verkfæri sem til eru: FE-greining, prófunargögn, greiningargreining og tölfræðilegar aðferðir til að búa til sem nákvæmust bilunargögn með takmörkuðu fjármagni sem til er. Hægt er að bæta alla einstaka þætti PoF aðferðarinnar með því að innleiða stochastic aðferðir inn í ferlið til að taka tillit til áhrifa breytileika í rafrænum efnum og framleiðslustigum. Þetta myndi gera niðurstöðurnar raunhæfari, ef til vill leiða til ferlis til að búa til búnað sem er sterkari fyrir breytileika en lágmarka niðurbrot vöru (þar á meðal þyngd og kostnaður).

Á endanum gætu slíkar endurbætur jafnvel leyft rauntíma mati á áreiðanleika búnaðar meðan á hönnunarferlinu stendur, með því að benda samstundis á öruggari íhlutavalkosti, uppsetningu eða aðrar ráðleggingar til að bæta áreiðanleika en taka á öðrum vandamálum eins og rafsegultruflunum (EMI), hitauppstreymi og iðnaðar.

11. Niðurstaða

Þessi yfirferð kynnir hversu flókið það er að spá fyrir um áreiðanleika rafeindabúnaðar, rekja þróun fjögurra tegunda greiningaraðferða (reglugerðabókmenntir, tilraunagögn, prófunargögn og PoF), sem leiðir til myndun og samanburðar á þessum tegundum aðferða. Tekið er fram að viðmiðunaraðferðir séu aðeins gagnlegar fyrir frumrannsóknir, tilraunagagnaaðferðir eru aðeins gagnlegar ef víðtæk og nákvæm tímasetningargögn eru tiltæk og prófunargagnaaðferðir eru mikilvægar fyrir hönnunarhæfnipróf en eru ófullnægjandi fyrir hagræðingu.

Fjallað er nánar um PoF aðferðir en í fyrri ritrýmum, þar sem rannsókninni er skipt í flokka spáviðmiða og líkur á bilun. Í kaflanum „Svörunarspá“ er farið yfir fræðirit um dreifða eiginleika, líkön af mörkum ástands og smáatriði í FE-líkönum. Sýnt er fram á að val á svörunarspáaðferð sé skipting á milli nákvæmni og tíma til að búa til og leysa FE líkanið, sem aftur undirstrikar mikilvægi nákvæmni jaðarskilyrðanna. Hlutinn „Bilunarviðmið“ fjallar um reynslu- og greiningarbilunarviðmið; fyrir SMT tækni eru umsagnir um líkön og þunga íhluti veittar.
Reynsluaðferðir eiga aðeins við um mjög sértæk tilvik, þó að þær gefi góð dæmi um áreiðanleikaprófunaraðferðir, en greiningaraðferðir hafa miklu meira notagildi en eru flóknari í framkvæmd. Fjallað er stuttlega um núverandi bilanagreiningaraðferðir sem byggja á sérhæfðum hugbúnaði. Að lokum eru vísbendingar um framtíð áreiðanleikaspár, með hliðsjón af áttum þar sem aðferðir áreiðanleikaspár geta þróast.

Bókmenntir[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers og S. B. Gabriel, Skilvirkt líkan af búnaðarhlaðinni spjaldi fyrir virka stýrihönnunarrannsóknir, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, A léttari girðing fyrir rafeindatækni fyrir geimnotkun, Proceeding of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti og C. Schwingshackl, Greining á girðingum og titringsvarnarbúnaði fyrir rafeindabúnað fyrir geimnotkun, Proceedings of the 6th International Conference on Dynamics and Control of Spacecraft Structures in Space, Riomaggiore, Ítalíu, (2004).
[4] D. B. Barker og Y. Chen, Modeling the vibration restraints of wedge lock card guides, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen og A. Dasgupta, Áætlanir um titringsþreyta líftíma fjögurra blýa yfirborðsfestinga, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta og M. Pecht, PWB útreikningar á líftíma lóða samskeyti undir hitauppstreymi og titringsálagi, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 1991 Proceedings (Cat. No. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta og M. Pecht, Áhrif SMC blývíddarbreytileika á blýsamhæfni og líftíma lóðmálmsliða, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker og K. Sidharth, Local PWB and component bowing of an assembly subject to a beygjumoment, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, A survey of reliability-prediction procedures for microelectronic devices, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Mat á kraftmikilli hegðun prentaðra rafrása, IEEE viðskipti á íhlutum, umbúðum og framleiðslutækni Part B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy og C. Wilkinson, Áreiðanleikamat á rafeindabúnaði fyrir loftrými, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman og A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux og A. Syed, Reliability of area array solder joints in bending, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder og J. R. Lesniak, Mechanical behaviors of 60/40 tin-lead solder lap joints, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger og Y. Saito, Áreiðanleiki flokks 2 hælflökum á blýhluta í mávavæng. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 hefti A Reliability Methodology for Electronic Systems. FIDES Group, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie og B. Meslet, A review of reliability prediction methods for electronic devices, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David og R. Pinnington, Skáldsaga með mikilli tilfærslu piezoelectric actuator for active titrings control, Smart Materials and Structures 7(1) (1998), 31 –42.
[19] W. Gericke, G. Gregoris, I. Jenkins, J. Jones, D. Lavielle, P. Lecuyer, J. Lenic, C. Neugnot, M. Sarno, E. Torres og E. Vergnault, A methodology to meta og velja viðeigandi spáaðferð fyrir áreiðanleika fyrir eee íhluti í geimforritum, European Space Agency, (Special Publication) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Áreiðanleikamat í notkun og ofanfrá-niður nálgun veitir aðra áreiðanleikaspáaðferð. Árlegur áreiðanleiki og viðhaldshæfni, málþingsmál (cat. No. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo og M. Zhao, Fatigue of SMT lóðmálmur, þ.mt snúningssveigja og fínstillingu flísar, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham og S.-B. Lee, Tilraunarannsókn á áreiðanleika rafrænna umbúða undir titringi, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Fatigue testing of a component lead in a plated through hole, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh og K. Seetharamu, Þróun á kraftmiklu prófunarborði fyrir FCBGA lóðmálmáreiðanleikamat í höggi og titringi. Málflutningur 5. Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik og V. Babitsky, Ruggedizing printed circuit boards using a wideband dynamic absorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE leiðbeiningar um val og notkun áreiðanleikaspár byggðar á ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe og T. Kinney, Þróun staðlaðra sniða fyrir áreiðanleikalíkön fyrir geimkerfi, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2003 Proceedings (Cat. No. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Electronic Component Reliability, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong og G. Lim, Einföld tækni til að hámarka grunntíðni mannvirkja, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih og W. Jung, Vibrational fatigue of yfirborðsfestingar lóðmálmsliða. ITthermfl98. Sjötta ráðstefna milli samfélagsins um varma- og varmavélræn fyrirbæri í rafeindakerfum (Vöruflokkar nr. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson og L. Gullo, Improvements in reliability assessment and prediction methodology. Árlegt málþing um áreiðanleika og viðhald. 2000 Málsmeðferð. Alþjóðlegt málþing um gæði og heiðarleika vöru (Vörunúmer 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes og B. Henderson, Pseudoelastic SMA spring elements for passive vibration isolation: part i modeling, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Samanburðarsamhæfi dæmigerðra blýhönnunar fyrir yfirborðsfesta íhluti, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Samræmismælingar fyrir yfirborðsfestingar íhluta leiða hönnun. 1990 Málsmeðferð. 40. Rafeindahluta- og tækniráðstefna (Vörunúmer 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz og L. Taylor, Samræmismælikvarðar fyrir hneigða mávavæng, kónguló-j-beygju og kónguló-væng-blýhönnun fyrir yfirborðsfestingarhluta. 1991 Málsmeðferð. 41. Ráðstefna um rafeindaíhluti og tækni (cat. No. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice og B. Shaw, Áreiðanleiki á lóðmálmi á yfirborðsfestingartæknisamsetningum með fínni halla, IEEE viðskipti á íhlutum, blendingum og framleiðslutækni 13(3) (1990), 534–544.
[37] R. Li, Aðferðafræði til að spá fyrir um þreytu rafeindahluta undir handahófi titringsálags, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li og L. Poglitsch, Þreyta á plastkúluneti og fjórum flötum plastpakkningum undir titringi í bílum. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li og L. Poglitsch, Titringsþreyta, bilunarkerfi og áreiðanleiki plastkúlukerfis og fjögurra flatra plastpakka.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore og D. Followell, Vibration fatigue of surface mount technology (smt) lóðmálmsliða. Árlegt málþing um áreiðanleika og viðhald 1995 (Cat. No. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong og J. Penny, Áhrif brún og innri punktstuðnings á prentuðu hringrásarborði undir titringi, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Hvað er athugavert við það? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze og L. Cheng, Hagkvæmnirannsókn á virkri titringseinangrun með þrumuhreyfingum, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Áreiðanleikaspá rafeindabúnaðar. Bandaríska varnarmálaráðuneytið, F útgáfa, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Könnun á nýlegum nýjungum í titringsdeyfingu og stýringu með því að nota shunted piezoelectric transducers, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris og J. Reilly, Mil-hdbk-217-uppáhalds skotmark. Árlegt málþing um áreiðanleika og viðhald. 1993 Proceedings (Cat. No. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Hagnýt áreiðanleikaverkfræði. Wiley, 1997.
[48] ​​M. Osterman og T. Stadterman, Bilanamatshugbúnaður fyrir hringrásarkortasamstæður. Árlegur áreiðanleiki og viðhaldshæfni. Málþing. 1999 Proceedings (cat. No. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht og A. Dasgupta, Eðlisfræði-af-bilun: nálgun til áreiðanlegrar vöruþróunar, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht og W.-C. Kang, A critique of mil-hdbk-217e reliability prediction methods, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht og F. R. Nash, Predicting the reliability of electronic equipment, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell og D. Smith, The smeared property technology for the FE titring analysis of printed circuit cards, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman og Y. Ling, Dynamic modeling and measurement of personal computer motherboards. 52. rafeindahluta- og tækniráðstefna 2002., (Vörunúmer 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi og A. Primavera, Samanburður á titringslíkanatækni fyrir prentuð hringrásarkort, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala og P. Geng, Mechanical shock testing and modeling of PC motherboards. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Solder Mechanics – A State of the Art Assessment. Steinefna-, málma- og efnafélagið, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola og T. Reinikainen, Fatigue of chip scale package interconnects due to cyclic bending, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty og T. Reinikainen, Þriggja og fjögurra punkta beygjuprófun fyrir rafeindapakka, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth og D. B. Barker, Vibration induced fatigue life estimation of horn leads of peripheral leaded parts, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman og G. Blackwood, Soft 6-axis active vibration isolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Gætu samhæfðar ytri leiðslur dregið úr styrk yfirborðsbúnaðar? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Ólínuleg kraftmikil svörun prentaðs hringrásarborðs við höggálagi sem beitt er á stuðningsútlínur þess, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Viðbrögð sveigjanlegrar prentaðrar töflu við reglubundnu höggálagi sem beitt er á stuðningsútlínur þess, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Titringsvernd mikilvægra hluta rafeindabúnaðar við erfiðar umhverfisaðstæður, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao og Q. Guo, Titringsþreytutilraunir SMT lóðmálmsliða, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan og W. Liao, An empirical method for particle damping design, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, A Fracture mechanics approach to soldered joint sprunga, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao og E. Elsayed, Modeling accelerated life testing based on mean rest life, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou og E. A. Elsayed, Almenn skrefstreita hröðuðu lífslíkan. Ritgerðir alþjóðlegrar ráðstefnu 2004 um viðskipti um áreiðanleika og ábyrgð rafrænna vara, 2004, 19.–25.

Heimild: www.habr.com