Analisi dell'affidabilità di apparecchiature elettroniche soggette a urti e vibrazioni: una panoramica

Diario: Shock e vibrazioni 16 (2009) 45–59
Autori: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [email protected]) e Guy Richardson
Affiliazioni degli autori: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Regno Unito

Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Questo è un articolo ad accesso aperto distribuito sotto la licenza Creative Commons Attribution, che consente l'uso, la distribuzione e la riproduzione senza restrizioni con qualsiasi mezzo, a condizione che l'opera originale sia citata correttamente.

Astratta. In futuro, si prevede che tutte le moderne apparecchiature elettroniche avranno funzionalità crescenti pur mantenendo la capacità di resistere a carichi di urti e vibrazioni. Il processo di previsione dell’affidabilità è difficile a causa delle complesse caratteristiche di risposta e di guasto delle apparecchiature elettroniche, quindi i metodi attualmente esistenti rappresentano un compromesso tra accuratezza del calcolo e costo.
Una previsione affidabile e rapida dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche quando funzionano sotto carichi dinamici è molto importante per l'industria. Questo articolo mostra problemi nel prevedere l'affidabilità delle apparecchiature elettroniche che rallentano i risultati. Va inoltre tenuto presente che il modello di affidabilità viene solitamente costruito tenendo conto di un'ampia gamma di configurazioni di apparecchiature per un numero di componenti simili. In questo articolo vengono confrontate quattro classi di metodi di previsione dell'affidabilità (metodi di riferimento, dati di prova, dati sperimentali e modellazione delle cause fisiche di guasto - fisica del guasto) per selezionare la possibilità di utilizzare l'uno o l'altro metodo. Si noti che la maggior parte dei guasti nelle apparecchiature elettroniche sono causati da carichi termici, ma questa analisi si concentra sui guasti causati da urti e vibrazioni durante il funzionamento.

Nota del traduttore. L’articolo è una revisione della letteratura su questo argomento. Nonostante la sua età relativamente avanzata, costituisce un'eccellente introduzione al problema della valutazione dell'affidabilità utilizzando vari metodi.

1. Terminologia

Matrice di griglie di sfere BGA.
Processore DIP Dual In-line, talvolta noto come pacchetto Dual In-line.
FE Elemento finito.
Matrice della griglia dei pin PGA.
Scheda a circuito stampato PCB, talvolta nota come PWB (Printed Wiring Board).
Portatrucioli con piombo in plastica PLCC.
Foro passante placcato PTH, talvolta noto come foro passante.
QFP Quad Flat Pack - noto anche come ala di gabbiano.
Leghe a memoria di forma SMA.
Tecnologia a montaggio superficiale SMT.

Nota degli autori originali: In questo articolo, il termine "componente" si riferisce ad uno specifico dispositivo elettronico che può essere saldato su un circuito stampato, il termine "pacchetto" si riferisce a qualsiasi componente di un circuito integrato (tipicamente qualsiasi componente SMT o DIP). Il termine "componente collegato" si riferisce a qualsiasi circuito stampato combinato o sistema di componenti, sottolineando che i componenti collegati hanno una propria massa e rigidità. (L'imballaggio di cristallo e il suo impatto sull'affidabilità non sono discussi nell'articolo, quindi in quanto segue il termine "pacchetto" può essere percepito come un "caso" di un tipo o dell'altro - trad. approssimativa)

2. Dichiarazione del problema

I carichi di urti e vibrazioni imposti su un PCB causano stress sul substrato del PCB, sui pacchetti dei componenti, sulle tracce dei componenti e sui giunti di saldatura. Queste sollecitazioni sono causate da una combinazione di momenti flettenti nel circuito e dall'inerzia di massa del componente. Nello scenario peggiore, queste sollecitazioni possono causare una delle seguenti modalità di guasto: delaminazione del PCB, guasto del giunto di saldatura, guasto del cavo o guasto del pacchetto dei componenti. Se si verifica una di queste modalità di guasto, molto probabilmente seguirà il guasto completo del dispositivo. La modalità di guasto riscontrata durante il funzionamento dipende dal tipo di imballaggio, dalle proprietà del circuito stampato, nonché dalla frequenza e dall'ampiezza dei momenti flettenti e delle forze d'inerzia. I lenti progressi nell'analisi dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche sono dovuti alle numerose combinazioni di fattori di input e modalità di guasto che devono essere considerate.

Il resto di questa sezione cercherà di spiegare la difficoltà di considerare simultaneamente diversi fattori di input.

Il primo fattore complicante da considerare è l'ampia gamma di tipi di pacchetti disponibili nell'elettronica moderna, poiché ciascun pacchetto potrebbe guastarsi per motivi diversi. I componenti pesanti sono più suscettibili ai carichi inerziali, mentre la risposta dei componenti SMT dipende maggiormente dalla curvatura del circuito. Di conseguenza, a causa di queste differenze fondamentali, questi tipi di componenti presentano criteri di guasto ampiamente diversi in base alla massa o alle dimensioni. Questo problema è ulteriormente aggravato dalla costante comparsa di nuovi componenti disponibili sul mercato. Pertanto, qualsiasi metodo di previsione dell’affidabilità proposto deve adattarsi a nuovi componenti per avere un’applicazione pratica in futuro. La risposta di un circuito stampato alle vibrazioni è determinata dalla rigidità e dalla massa dei componenti, che influenzano la risposta locale del circuito stampato. È noto che i componenti più pesanti o di grandi dimensioni modificano notevolmente la risposta della scheda alle vibrazioni nei luoghi in cui vengono installati. Le proprietà meccaniche del PCB (modulo di Young e spessore) possono influenzare l'affidabilità in modi difficili da prevedere.

Un PCB più rigido può ridurre il tempo di risposta complessivo del PCB sotto carico, ma allo stesso tempo può effettivamente aumentare localmente i momenti flettenti applicati ai componenti (inoltre, dal punto di vista del guasto indotto termicamente, è in realtà preferibile specificare un valore più PCB compatibile, poiché ciò riduce gli stress termici imposti all'imballaggio - nota dell'autore). Anche la frequenza e l’ampiezza dei momenti flettenti locali e dei carichi inerziali imposti al camino influenzano la modalità di rottura più probabile. Carichi ad alta frequenza e bassa ampiezza possono portare al cedimento per fatica della struttura, che può essere la principale causa di cedimento (fatica ciclica bassa/alta, LCF si riferisce a rotture dominate dalla deformazione plastica (N_f < 10^6), mentre HCF denota deformazione elastica guasti , solitamente (N_f > 10^6 ) a guasto [56] - nota dell'autore) La disposizione finale degli elementi sul circuito stampato determinerà la causa del guasto, che può verificarsi a causa dello stress in un singolo componente causato da carichi inerziali o momenti flettenti locali. Infine, è necessario tenere conto dell'influenza dei fattori umani e delle caratteristiche della produzione, che aumentano la probabilità di guasto delle apparecchiature.

Se si considera un numero significativo di fattori di input e la loro complessa interazione, diventa chiaro il motivo per cui non è stato ancora creato un metodo efficace per prevedere l'affidabilità delle apparecchiature elettroniche. Una delle revisioni della letteratura raccomandate dagli autori su questo tema è presentata in IEEE [26]. Tuttavia, questa revisione si concentra principalmente su classificazioni abbastanza ampie di modelli di affidabilità, come il metodo di previsione dell'affidabilità dalla letteratura di riferimento, dati sperimentali, modellazione computerizzata delle condizioni di guasto (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), e non affronta i guasti in modo sufficientemente dettagliato causato da urti e vibrazioni. Foucher e colleghi [17] seguono uno schema simile alla revisione IEEE, con un'enfasi significativa sui guasti termici. La precedente brevità dell’analisi dei metodi PoF, soprattutto se applicati ai guasti da urti e vibrazioni, merita un’ulteriore considerazione. Una revisione simile all'IEEE è in fase di compilazione da parte dell'AIAA, ma la portata della revisione è sconosciuta al momento.

3. Evoluzione dei metodi di previsione dell'affidabilità

Il primo metodo di previsione dell'affidabilità, sviluppato negli anni '1960, è attualmente descritto in MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F è l'ultima e definitiva revisione del metodo, pubblicata nel 1995 - nota dell'autore). Utilizzo Questo metodo utilizza un database di guasti alle apparecchiature elettroniche per ottenere la durata media di un circuito stampato costituito da determinati componenti. Questo metodo è noto come metodo per prevedere l'affidabilità dalla letteratura di riferimento e normativa. Sebbene Mil-Hdbk-217F stia diventando sempre più obsoleto, il metodo di riferimento è ancora in uso oggi. I limiti e le imprecisioni di questo metodo sono stati ben documentati [42,50], portando allo sviluppo di tre classi di metodi alternativi: modellazione computerizzata delle condizioni di guasto fisico (PoF), dati sperimentali e dati di test sul campo.

I metodi PoF prevedono l'affidabilità analiticamente senza fare affidamento sui dati raccolti in precedenza. Tutti i metodi PoF hanno due caratteristiche comuni al metodo classico descritto in Steinberg [62]: innanzitutto viene ricercata la risposta alle vibrazioni del circuito stampato a uno stimolo vibrazionale specifico, quindi vengono testati i criteri di guasto dei singoli componenti dopo l'esposizione alle vibrazioni. Un importante progresso nei metodi PoF è stato l'uso delle proprietà distribuite (media) della scheda per generare rapidamente un modello matematico di un circuito stampato [54], che ha ridotto significativamente la complessità e il tempo impiegato per calcolare accuratamente la risposta alle vibrazioni di un circuito stampato. scheda elettronica (vedere Sezione 8.1.3). I recenti sviluppi nelle tecniche PoF hanno migliorato la previsione dei guasti per i componenti saldati con tecnologia a montaggio superficiale (SMT); tuttavia, ad eccezione del metodo Barkers [59], questi nuovi metodi sono applicabili solo a combinazioni molto specifiche di componenti e circuiti stampati. Esistono pochissimi metodi disponibili per componenti di grandi dimensioni come trasformatori o condensatori di grandi dimensioni.
I metodi dei dati sperimentali migliorano la qualità e le capacità del modello utilizzato nei metodi di previsione dell'affidabilità basati sulla letteratura di riferimento. Il primo metodo basato su dati sperimentali per prevedere l'affidabilità delle apparecchiature elettroniche è stato descritto in un articolo del 1999 utilizzando il metodo HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), creato presso Honeywell, Inc. [20]. Il metodo dei dati sperimentali presenta una serie di vantaggi rispetto ai metodi per prevedere l'affidabilità utilizzando la letteratura di riferimento e normativa. Recentemente sono apparsi molti metodi simili (REMM e TRACS [17], anche FIDES [16]). Il metodo dei dati sperimentali, così come il metodo di previsione dell'affidabilità utilizzando la letteratura di riferimento e normativa, non ci consente di tenere conto in modo soddisfacente della disposizione del consiglio e dell'ambiente operativo del suo funzionamento nella valutazione dell'affidabilità. Questa carenza può essere corretta utilizzando i dati sui guasti provenienti da schede simili nella progettazione o da schede che sono state esposte a condizioni operative simili.

I metodi di dati sperimentali dipendono dalla disponibilità di un ampio database contenente i dati sugli incidenti nel tempo. È necessario identificare correttamente ciascun tipo di errore in questo database e determinarne la causa principale. Questo metodo di valutazione dell'affidabilità è adatto per le aziende che producono lo stesso tipo di apparecchiature in quantità sufficientemente grandi da poter elaborare un numero significativo di guasti per valutare l'affidabilità.

I metodi per testare l'affidabilità dei componenti elettronici sono in uso dalla metà degli anni '1970 e sono generalmente suddivisi in test accelerati e non accelerati. L'approccio di base consiste nel condurre test hardware che creino l'ambiente operativo previsto nel modo più realistico possibile. I test vengono eseguiti fino al verificarsi di un guasto, consentendo di prevedere l'MTBF (Mean Time Between Failures). Se si stima che l'MTBF sia molto lungo, la durata del test può essere ridotta mediante test accelerati, ottenuti aumentando i fattori dell'ambiente operativo e utilizzando una formula nota per correlare il tasso di fallimento nel test accelerato al tasso di fallimento previsto in operazione. Questo test è vitale per i componenti ad alto rischio di guasto in quanto fornisce al ricercatore il massimo livello di dati di confidenza, tuttavia sarebbe poco pratico utilizzarlo per l'ottimizzazione della progettazione della scheda a causa dei lunghi tempi di iterazione dello studio.

Una rapida rassegna del lavoro pubblicato negli anni ’1990 suggerisce che questo era un periodo in cui dati sperimentali, dati di test e metodi PoF competevano tra loro per sostituire metodi obsoleti per prevedere l’affidabilità dai libri di riferimento. Tuttavia, ciascun metodo presenta vantaggi e svantaggi e, se utilizzato correttamente, produce risultati preziosi. Di conseguenza, l'IEEE ha recentemente pubblicato uno standard [26] che elenca tutti i metodi di previsione dell'affidabilità oggi in uso. L'obiettivo dell'IEEE era quello di preparare una guida che fornisse all'ingegnere informazioni su tutti i metodi disponibili e sui vantaggi e svantaggi inerenti a ciascun metodo. Sebbene l’approccio IEEE sia ancora all’inizio di una lunga evoluzione, sembra avere i suoi meriti, in quanto l’AIAA (Istituto Americano di Aeronautica e Astronautica) lo segue con una linea guida chiamata S-102, che è simile all’IEEE ma tiene conto anche della qualità relativa dei dati di ciascun metodo [27]. Queste guide hanno il solo scopo di raccogliere i metodi che circolano nella letteratura mondiale pubblicata su questi argomenti.

4. Guasti causati da vibrazioni

Gran parte della ricerca passata si è concentrata principalmente sulle vibrazioni casuali come carico del PCB, ma lo studio seguente esamina specificamente i guasti legati agli urti. Tali metodi non verranno discussi in modo completo in questa sede poiché rientrano nella classificazione dei metodi PoF e sono discussi nelle sezioni 8.1 e 8.2 di questo articolo. Heen e colleghi [24] hanno creato una scheda di test per testare l'integrità dei giunti di saldatura BGA quando sottoposti a shock. Lau et al. [36] hanno descritto l'affidabilità dei componenti PLCC, PQFP e QFP sotto impatti nel piano e fuori dal piano. Pitarresi e colleghi [53,55] hanno esaminato i guasti delle schede madri dei computer dovuti a carichi d'urto e hanno fornito una buona revisione della letteratura che descrive le apparecchiature elettroniche sotto carichi d'urto. Steinberg [62] fornisce un intero capitolo sulla progettazione e l'analisi delle apparecchiature elettroniche interessate, coprendo sia come prevedere l'ambiente di shock sia come garantire le prestazioni dei componenti elettronici. Sukhir [64,65] ha descritto errori nei calcoli lineari della risposta di un circuito stampato ad un carico di impatto applicato ai dispositivi di fissaggio della scheda. Pertanto, i metodi dei dati di riferimento e sperimentali possono prendere in considerazione i guasti delle apparecchiature legati all’impatto, ma questi metodi descrivono implicitamente i guasti da “impatto”.

5. Metodi di riferimento

Di tutti i metodi disponibili descritti nei manuali, ci limiteremo a solo due che considerano il cedimento per vibrazione: Mil-Hdbk-217 e CNET [9]. Mil-Hdbk-217 è accettato come standard dalla maggior parte dei produttori. Come tutti i metodi manuali e di riferimento, si basano su approcci empirici che mirano a prevedere l'affidabilità dei componenti da dati sperimentali o di laboratorio. I metodi descritti nella letteratura di riferimento sono relativamente semplici da implementare, poiché non richiedono complesse modellazioni matematiche e utilizzano solo tipologie di parti, numero di parti, condizioni operative della scheda e altri parametri facilmente accessibili. I dati di input vengono quindi inseriti nel modello per calcolare il tempo tra i guasti, MTBF. Nonostante i suoi vantaggi, Mil-Hdbk-217 sta diventando sempre meno popolare [12, 17,42,50,51]. Consideriamo un elenco incompleto di restrizioni sulla sua applicabilità.

1. I dati sono sempre più obsoleti, essendo stati aggiornati l'ultima volta nel 1995 e non rilevanti per i nuovi componenti, non c'è alcuna possibilità che il modello venga rivisto poiché il Defense Standards Improvement Board ha deciso di lasciare che il metodo "morisca di morte naturale" [ 26].
2. Il metodo non fornisce informazioni sulla modalità di guasto, quindi il layout del PCB non può essere migliorato o ottimizzato.
3. I modelli presuppongono che il guasto sia indipendente dalla progettazione, ignorando la disposizione dei componenti sul PCB, tuttavia, è noto che la disposizione dei componenti ha un grande impatto sulla probabilità di guasto. [50].
4. I dati empirici raccolti contengono molte imprecisioni, i dati vengono utilizzati da componenti di prima generazione con un tasso di guasto innaturalmente elevato a causa di registrazioni errate di tempo di funzionamento, riparazione, ecc., che riducono l'affidabilità dei risultati di previsione dell'affidabilità [51].

Tutte queste carenze indicano che l'uso di metodi di riferimento dovrebbe essere evitato, tuttavia, entro i limiti dell'ammissibilità di questi metodi, è necessario implementare una serie di requisiti della specifica tecnica. Pertanto, i metodi di riferimento dovrebbero essere utilizzati solo quando appropriato, ad es. nelle prime fasi della progettazione [46]. Sfortunatamente, anche questo utilizzo dovrebbe essere affrontato con una certa cautela, poiché questi tipi di metodi non sono stati rivisti dal 1995. Pertanto, i metodi di riferimento sono intrinsecamente scarsi predittori dell’affidabilità meccanica e dovrebbero essere usati con cautela.

6. Metodi dei dati di prova

I metodi dei dati di test sono i metodi di previsione dell'affidabilità più semplici disponibili. Un prototipo del progetto di circuito stampato proposto è sottoposto a vibrazioni ambientali riprodotte su un banco di laboratorio. Successivamente, vengono analizzati i parametri di distruzione (MTTF, spettro d'urto), quindi questi vengono utilizzati per calcolare gli indicatori di affidabilità [26]. Il metodo dei dati di prova dovrebbe essere utilizzato tenendo conto dei suoi vantaggi e svantaggi.
Il vantaggio principale dei metodi dei dati di prova è l'elevata precisione e affidabilità dei risultati, quindi per le apparecchiature ad alto rischio di guasto, la fase finale del processo di progettazione dovrebbe sempre includere test di qualificazione delle vibrazioni. Lo svantaggio è il lungo tempo necessario per produrre, installare e caricare il provino, il che rende il metodo inadatto per il miglioramento della progettazione di apparecchiature con un'elevata probabilità di guasto. Per un processo di progettazione del prodotto iterativo, è necessario prendere in considerazione un metodo più rapido. Il tempo di esposizione al carico può essere ridotto mediante test accelerati se sono disponibili modelli affidabili per il successivo calcolo della vita utile effettiva [70,71]. Tuttavia, i metodi di prova accelerati sono più adatti per modellare i guasti termici rispetto ai guasti dovuti alle vibrazioni. Questo perché è necessario meno tempo per testare gli effetti dei carichi termici sulle apparecchiature rispetto a testare gli effetti dei carichi vibrazionali. L'effetto della vibrazione può manifestarsi nel prodotto solo dopo molto tempo.

Di conseguenza, i metodi di prova generalmente non vengono utilizzati per i guasti dovuti alle vibrazioni, a meno che non vi siano circostanze attenuanti, come basse tensioni che comportano tempi di guasto molto lunghi. Esempi di metodi di verifica dei dati possono essere visti nei lavori di Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al.[57], Liguore e Followell [40], Estes et al. [15],Wang et al. [67], Jih e Jung [30]. Una buona panoramica generale del metodo è fornita in IEEE [26].

7. Metodi dei dati sperimentali

Il metodo dei dati sperimentali si basa sui dati di guasto di circuiti stampati simili che sono stati testati in condizioni operative specificate. Il metodo è corretto solo per i circuiti stampati che subiranno carichi simili. Il metodo dei dati sperimentali ha due aspetti principali: costruire un database di guasti dei componenti elettronici e implementare il metodo sulla base del progetto proposto. Per costruire un database appropriato, devono essere presenti dati rilevanti sui guasti raccolti da progetti simili; ciò significa che devono esistere dati sui guasti di apparecchiature simili. Anche le apparecchiature difettose devono essere analizzate e le statistiche raccolte correttamente; non è sufficiente affermare che un determinato progetto PCB si è guastato dopo un certo numero di ore, è necessario determinare la posizione, la modalità di guasto e la causa del guasto. A meno che tutti i dati relativi ai guasti precedenti non siano stati analizzati approfonditamente, sarà necessario un lungo periodo di raccolta dei dati prima di poter utilizzare il metodo dei dati sperimentali.

Una possibile soluzione a questa limitazione è implementare il test HALT (Highly Accelerated Lifecycle Testing) allo scopo di creare rapidamente un database sui tassi di guasto, sebbene riprodurre accuratamente i parametri ambientali sia impegnativo ma vitale [27]. Una descrizione della seconda fase di implementazione del metodo dei dati sperimentali può essere letta in [27], che mostra come prevedere l'MTBF per un progetto proposto se il progetto in prova è ottenuto modificando una scheda esistente per la quale esistono già dati dettagliati di guasto . Altre revisioni di metodi di dati sperimentali sono descritte da vari autori in [11,17,20,26].

8. Simulazione al computer delle condizioni di guasto (PoF)

Le tecniche di modellazione computerizzata per le condizioni di guasto, chiamate anche modelli di stress e danno o modelli PoF, sono implementate in un processo di previsione dell'affidabilità in due fasi. Nella prima fase si ricerca la risposta del circuito stampato ad un carico dinamico imposto su di esso; nella seconda fase si calcola la risposta del modello per garantire un determinato indicatore di affidabilità. La maggior parte della letteratura è spesso dedicata sia al metodo di previsione della risposta sia al processo di individuazione dei criteri di fallimento. Questi due metodi si comprendono meglio se descritti in modo indipendente, quindi questa recensione prenderà in considerazione questi due passaggi separatamente.

Tra le fasi di previsione della risposta e di ricerca dei criteri di fallimento, il set di dati creato nella prima fase e utilizzato nella seconda viene trasferito al modello. La variabile di risposta si è evoluta dall'utilizzo dell'accelerazione in ingresso sul telaio [15,36,37,67], attraverso l'accelerazione effettiva sperimentata dal componente per tenere conto delle diverse risposte vibrazionali dei diversi layout PCB [40], e infine considerando escursione locale [62] o momenti flettenti locali [59] sperimentati dal PCB localmente al componente.

È stato notato che il guasto è una funzione della disposizione dei componenti su un circuito stampato [21,38], quindi i modelli che incorporano la risposta alle vibrazioni locali hanno maggiori probabilità di essere accurati. La scelta di quale parametro (accelerazione locale, deflessione locale o momento flettente) sia il fattore determinante per la rottura dipende dal caso specifico.
Se vengono utilizzati componenti SMT, la curvatura o i momenti flettenti possono essere i fattori più significativi di rottura; per i componenti pesanti, le accelerazioni locali vengono solitamente utilizzate come criteri di rottura. Sfortunatamente, non è stata condotta alcuna ricerca per dimostrare quale tipo di criteri sia più appropriato in un dato insieme di dati di input.

È importante considerare l'idoneità di qualsiasi metodo PoF utilizzato, poiché non è pratico utilizzare alcun metodo PoF, analitico o FE, che non sia supportato dai dati dei test di laboratorio. Inoltre, è importante utilizzare qualsiasi modello solo nell'ambito della sua applicabilità, il che purtroppo limita l'applicabilità della maggior parte dei modelli PoF attuali da utilizzare in condizioni molto specifiche e limitate. Buoni esempi di discussione dei metodi PoF sono descritti da vari autori [17,19,26,49].

8.1. Previsione della risposta

La previsione della risposta implica l'utilizzo della geometria e delle proprietà del materiale di una struttura per calcolare la variabile di risposta richiesta. Si prevede che questo passaggio catturi solo la risposta complessiva del PCB sottostante e non la risposta dei singoli componenti. Esistono tre tipi principali di metodi di previsione della risposta: modelli FE analitici e dettagliati e modelli FE semplificati, descritti di seguito. Questi metodi si concentrano sull'incorporazione della rigidità e degli effetti di massa dei componenti aggiunti, tuttavia è importante non perdere di vista l'importanza di modellare accuratamente la rigidità rotazionale sul bordo del PCB poiché questa è strettamente correlata alla precisione del modello (questo è discusso in Sezione 8.1.4). Fico. 1. Esempio di modello dettagliato di un circuito stampato [53].

8.1.1. Previsione della risposta analitica

Steinberg [62] fornisce l'unico metodo analitico per calcolare la risposta alle vibrazioni di un circuito stampato. Steinberg afferma che l'ampiezza di oscillazione in risonanza di un'unità elettronica è pari a due volte la radice quadrata della frequenza di risonanza; questa affermazione si basa su dati non disponibili e non può essere verificata. Ciò consente di calcolare analiticamente la deflessione dinamica alla risonanza, che può quindi essere utilizzata per calcolare il carico dinamico di un componente pesante o la curvatura del circuito stampato. Questo metodo non produce direttamente la risposta locale del PCB ed è compatibile solo con i criteri di cedimento basati sulla deflessione descritti da Steinberg.

La validità dell'ipotesi della distribuzione della funzione di trasferimento basata sulle misurazioni dell'ampiezza è discutibile poiché Pitarresi e colleghi [53] hanno misurato un'attenuazione critica del 2% per la scheda madre di un computer, mentre utilizzando l'ipotesi di Steinberg si otterrebbe un valore del 3,5% (basato sulla frequenza naturale 54). Hz), il che porterebbe a sottostimare notevolmente la risposta della scheda alle vibrazioni.

8.1.2. Modelli FE dettagliati

Alcuni autori dimostrano l'uso di modelli FE dettagliati per calcolare la risposta alle vibrazioni di un circuito stampato [30,37,53, 57,58] (La Figura 1-3 mostra esempi con un maggiore livello di dettaglio), tuttavia l'uso di questi metodi non sono raccomandati per un prodotto commerciale (a meno che non sia assolutamente necessaria solo una previsione accurata della risposta locale) poiché il tempo richiesto per costruire e risolvere un tale modello è eccessivo. I modelli semplificati producono dati con la precisione adeguata molto più velocemente e a costi inferiori. Il tempo necessario per costruire e risolvere un modello FE dettagliato può essere ridotto utilizzando le costanti elastiche JEDEC 4 pubblicate in [33-35]; queste costanti elastiche possono essere utilizzate al posto del modello FE dettagliato di ciascun filo. Inoltre, il metodo della sottostruttura (a volte noto come metodo dei superelementi) può essere implementato per ridurre il tempo di calcolo richiesto per risolvere modelli dettagliati. Va notato che i modelli FE dettagliati spesso confondono il confine tra la previsione della risposta e i criteri di fallimento, quindi il lavoro a cui si fa riferimento qui potrebbe anche rientrare nell’elenco dei lavori contenenti criteri di fallimento.

8.1.3. Modelli FE distribuiti

I modelli FE semplificati riducono i tempi di creazione del modello e di soluzione. La massa del componente aggiunto e la sua rigidità possono essere rappresentate semplicemente simulando un PCB vuoto con massa e rigidità aumentate, dove gli effetti di massa e rigidità vengono incorporati aumentando localmente il modulo di Young del PCB.

Fico. 2. Esempio di un modello dettagliato di un componente QFP che utilizza la simmetria per semplificare il processo di modellazione e ridurre i tempi di soluzione [36]. Fico. 3. Esempio di un modello FE dettagliato di J-lead [6].

Il fattore di miglioramento della rigidezza può essere calcolato tagliando fisicamente l'elemento attaccato e applicando metodi di prova di flessione [52]. Pitarresi et al. [52,54] hanno esaminato l'effetto di semplificazione della massa aggiuntiva e della rigidità fornite dai componenti collegati a un circuito stampato.

Il primo articolo esamina un singolo caso di modello FE semplificato di un circuito stampato, verificato rispetto a dati sperimentali. L'area di interesse principale di questo articolo è la determinazione delle proprietà distribuite, con l'avvertenza che per un modello accurato è richiesta un'elevata precisione della rigidezza torsionale.

Il secondo articolo esamina cinque diversi PCB riempiti, ciascuno modellato con diversi livelli di semplificazione della sua composizione. Questi modelli vengono confrontati con i dati sperimentali. Questo articolo si conclude con alcune osservazioni istruttive sulla correlazione tra i rapporti massa-rigidezza e l'accuratezza del modello. Entrambi questi documenti utilizzano solo frequenze naturali e MEC (criteri di garanzia modale) per determinare la correlazione tra i due modelli. Sfortunatamente, l’errore nella frequenza naturale non può fornire alcuna informazione sull’errore nelle accelerazioni locali o nei momenti flettenti, e MKO può solo fornire la correlazione complessiva tra due modi naturali, ma non può essere utilizzato per calcolare l’errore percentuale di accelerazione o curvatura. Utilizzando una combinazione di analisi numerica e simulazione al computer, Cifuentes [10] fa le seguenti quattro osservazioni.

1. Le modalità simulate devono contenere almeno il 90% della massa vibrante per un'analisi accurata.
2. Nei casi in cui le deviazioni della tavola sono paragonabili al suo spessore, l'analisi non lineare può essere più appropriata dell'analisi lineare.
3. Piccoli errori nel posizionamento dei componenti possono causare grandi errori nelle misurazioni della risposta.
4. La precisione della misurazione della risposta è più sensibile agli errori di massa rispetto alla rigidità.

8.1.4. Condizioni di confine

Il coefficiente di rigidità della rotazione del bordo del PCB ha un impatto significativo sulla precisione della risposta calcolata [59] e, a seconda della configurazione specifica, è di grande importanza rispetto alla massa e alla rigidità del componente aggiunto. Modellare la rigidità rotazionale del bordo come zero (essenzialmente solo una condizione supportata) di solito produce risultati conservativi, mentre modellare come strettamente bloccato di solito sottostima i risultati, poiché anche i meccanismi di bloccaggio del PCB più rigidi non possono garantire una condizione del bordo completamente bloccato. Barker e Chen [5] convalidano la teoria analitica con risultati sperimentali per mostrare come la rigidità rotazionale del bordo influisce sulla frequenza naturale di un PCB. La scoperta principale di questo lavoro è la forte correlazione tra la rigidità della rotazione del bordo e le frequenze naturali, coerente con la teoria. Ciò significa anche che grandi errori nella modellazione della rigidezza rotazionale del bordo porteranno a grandi errori nella previsione della risposta. Sebbene questo lavoro sia stato considerato in un caso particolare, è applicabile alla modellazione di tutti i tipi di meccanismi di condizioni al contorno. Utilizzando i dati sperimentali di Lim et al. [41] fornisce un esempio di come la rigidezza rotazionale del bordo può essere calcolata per utilizzare FE in un modello PCB; ciò si ottiene utilizzando un metodo adattato da Barker e Chen [5]. Questo lavoro mostra anche come determinare la posizione ottimale di qualsiasi punto in una struttura per massimizzare le frequenze naturali. Esistono anche lavori che considerano specificamente l'effetto della modifica delle condizioni al contorno per ridurre la risposta alle vibrazioni da parte di Guo e Zhao [21]; Aglietti[2]; Aglietti e Schwingshackl [3], Lim et al. [41].

8.1.5. Previsioni sull'impatto di urti e vibrazioni

Pitarresi et al. [53-55] utilizzano un modello FE dettagliato di un PCB per prevedere la risposta agli urti e alle vibrazioni di una scheda con componenti rappresentati come blocchi 3D. Questi modelli utilizzavano rapporti di smorzamento costanti determinati sperimentalmente per migliorare la previsione della risposta alla risonanza. Lo spettro di risposta all'impatto (SRS) e i metodi di scansione temporale sono stati confrontati per la previsione della risposta all'impatto, essendo entrambi i metodi un compromesso tra accuratezza e tempo di soluzione.

8.2. Criteri di rifiuto

I criteri di guasto misurano la risposta del PCB e la utilizzano per ricavare una metrica di guasto, dove la metrica di guasto può essere il tempo medio tra guasti (MTBF), i cicli di guasto, la probabilità di funzionamento senza guasti o qualsiasi altra metrica di affidabilità (vedere IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] per una discussione sulla metrica dei guasti). I numerosi approcci diversi per generare questi dati possono essere opportunamente suddivisi in metodi analitici ed empirici. I metodi empirici generano dati sui criteri di cedimento caricando i provini dei componenti al carico dinamico richiesto. Sfortunatamente, a causa dell'ampia gamma di dati di input (tipi di componenti, spessori e carichi dei PCB) possibili nella pratica, è improbabile che i dati pubblicati siano direttamente applicabili poiché i dati sono validi solo in casi molto speciali. I metodi analitici non soffrono di tali svantaggi e hanno un’applicabilità molto più ampia.

8.2.1. Criteri di fallimento empirici

Come affermato in precedenza, una limitazione della maggior parte dei modelli empirici è che sono applicabili solo a configurazioni che coinvolgono lo stesso spessore del PCB, tipi di componenti simili e carico di ingresso, il che è improbabile. Tuttavia, la letteratura disponibile è utile per i seguenti motivi: fornisce buoni esempi di esecuzione di test di fallimento, evidenzia diverse opzioni per la metrica del fallimento e fornisce preziose informazioni sulla meccanica del fallimento. Li [37] ha creato un modello empirico per prevedere l'affidabilità dei pacchetti BGA a 272 pin e QFP a 160 pin. Viene studiato il danno da fatica nei conduttori e nel corpo del pacco, e i risultati sperimentali sono in buon accordo con l'analisi del danno basata sullo stress calcolata utilizzando un modello FE dettagliato (vedi anche Li e Poglitsch [38,39]). Il processo produce danni cumulativi per un dato livello di accelerazione della vibrazione del segnale di ingresso della vibrazione.
Lau e colleghi [36] hanno valutato l'affidabilità di componenti specifici sottoposti a carichi di urti e vibrazioni utilizzando le statistiche di Weibull. Liguore e Followell [40] hanno esaminato i guasti dei componenti LLCC e J-lead variando l'accelerazione locale attraverso i cicli di servizio. L'accelerazione locale viene utilizzata in contrapposizione all'accelerazione in ingresso del telaio ed è stato studiato l'effetto della temperatura sui risultati dei test. L'articolo fa anche riferimento alla ricerca sull'effetto dello spessore del PCB sull'affidabilità dei componenti.

Guo e Zhao [21] confrontano l'affidabilità dei componenti quando la curvatura torsionale locale viene utilizzata come carico, in contrasto con studi precedenti che utilizzavano l'accelerazione. Viene simulato il danno da fatica, quindi il modello FE viene confrontato con i risultati sperimentali. L'articolo illustra inoltre l'ottimizzazione del layout dei componenti per migliorare l'affidabilità.

Ham e Lee [22] presentano un metodo basato su dati di prova per il problema della determinazione delle sollecitazioni delle saldature al piombo sotto carico torsionale ciclico. Estes e altri [15] hanno considerato il problema del cedimento dei componenti ad ala di gabbiano (GOST IEC 61188-5-5-2013) con accelerazione di ingresso applicata e carico termico. I componenti studiati sono i tipi di chip package CQFP 352, 208, 196, 84 e 28, nonché FP 42 e 10. L'articolo è dedicato al guasto dei componenti elettronici dovuto alle fluttuazioni nell'orbita di un satellite terrestre geostazionario, il tempo tra i guasti è espresso in termini di anni di volo su orbite geostazionarie o terrestri basse. Si noti che il cedimento dei fili ad ala di gabbiano è più probabile nelle posizioni a contatto con il corpo del contenitore che in corrispondenza del giunto di saldatura.

Jih e Jung [30] considerano i guasti delle apparecchiature causati da difetti di fabbricazione intrinseci nel giunto di saldatura. Questo viene fatto creando un modello FE molto dettagliato del PCB e trovando la densità spettrale di potenza (PSD) per diverse lunghezze di fessura di produzione. Ligyore, Followell [40] e Shetty, Reinikainen [58] suggeriscono che i metodi empirici producono i dati di guasto più accurati e utili per specifiche configurazioni di componenti collegati. Questi tipi di metodi vengono utilizzati se determinati dati di input (spessore della scheda, tipo di componente, intervallo di curvatura) possono essere mantenuti costanti durante tutta la progettazione o se l'utente può permettersi di eseguire test reali di questo tipo.

8.2.2. Criterio di fallimento analitico

Modelli SMT di giunti angolari

Vari ricercatori che esaminano i guasti dei perni angolari SMT suggeriscono che questa è la causa più comune di guasto. Gli articoli di Sidharth e Barker [59] completano una serie di articoli precedenti presentando un modello per determinare la deformazione dei conduttori d'angolo SMT e dei componenti dei conduttori del circuito. Il modello proposto presenta un errore inferiore al 7% rispetto al modello FE dettagliato per sei scenari peggiori. Il modello si basa su una formula precedentemente pubblicata da Barker e Sidharth [4], in cui è stata modellata la deflessione di una parte attaccata soggetta a un momento flettente. L'articolo di Sukhir [63] esamina analiticamente le sollecitazioni attese nei terminali dei pacchi a causa dei momenti flettenti applicati localmente. Barker e Sidharth [4] si basano sul lavoro di Sukhir [63], Barker e altri [4], che considera l'influenza della rigidezza rotazionale principale. Infine, Barker e colleghi [7] hanno utilizzato modelli FE dettagliati per studiare l'effetto delle variazioni dimensionali del piombo sulla durata a fatica del piombo.

È opportuno menzionare qui il lavoro sulle costanti delle molle di piombo JEDEC, che ha notevolmente semplificato la creazione di modelli di componenti di piombo [33-35]. È possibile utilizzare le costanti della molla invece di un modello dettagliato delle connessioni dei conduttori; il tempo necessario per costruire e risolvere il modello FE sarà ridotto nel modello. L'uso di tali costanti nel modello FE del componente impedirà il calcolo diretto delle tensioni locali del piombo. Verrà invece fornita la deformazione complessiva del piombo, che dovrebbe poi essere correlata alle sollecitazioni locali del piombo o ai criteri di cedimento del piombo in base al ciclo di vita del prodotto.

Dati sulla fatica dei materiali

La maggior parte dei dati sul cedimento dei materiali utilizzati per saldature e componenti è principalmente correlata al cedimento termico, mentre esistono relativamente pochi dati relativi al cedimento per fatica. Un riferimento importante in quest'area è fornito da Sandor [56], che fornisce dati sulla meccanica della fatica e della rottura delle leghe di saldatura. Steinberg [62] considera il cedimento dei campioni di saldatura. I dati sulla fatica per saldature e fili standard sono disponibili nel documento di Yamada [69].

Fico. 4. La consueta posizione di guasto descritta nel manuale per i componenti QFP è vicina al corpo del pacchetto.

I fallimenti di modellazione associati al distacco della saldatura sono impegnativi a causa delle proprietà insolite di questo materiale. La soluzione a questa domanda dipende dal componente che deve essere testato. È noto che per i pacchetti QFP questo di solito non viene preso in considerazione e l'affidabilità viene valutata utilizzando la letteratura di riferimento. Ma se si calcola la saldatura di componenti BGA e PGA di grandi dimensioni, i collegamenti dei cavi, a causa delle loro proprietà insolite, possono influire sul guasto del prodotto. Pertanto, per le rocche QFP, le proprietà di fatica del piombo rappresentano l'informazione più utile. Per BGA, sono più utili le informazioni sulla durabilità dei giunti di saldatura soggetti a deformazione plastica istantanea [14]. Per componenti più grandi, Steinberg [62] fornisce dati sulla tensione di estrazione del giunto saldato.

Modelli di guasto di componenti pesanti

Gli unici modelli di rottura esistenti per i componenti pesanti sono presentati in un articolo di Steinberg [62], che esamina la resistenza alla trazione dei componenti e fornisce un esempio di come calcolare la sollecitazione massima consentita che può essere applicata a una connessione di piombo.

8.3. Conclusioni sull'applicabilità dei modelli PoF

In letteratura sono state tratte le seguenti conclusioni riguardo ai metodi PoF.

La risposta locale è fondamentale per prevedere il guasto dei componenti. Come notato in Li, Poglitsch [38], i componenti ai bordi di un PCB sono meno soggetti a guasti rispetto a quelli situati al centro del PCB a causa delle differenze locali nella flessione. Di conseguenza, i componenti in posizioni diverse sul PCB avranno probabilità diverse di guasto.

La curvatura locale della scheda è considerata un criterio di guasto più importante dell'accelerazione per i componenti SMT. Lavori recenti [38,57,62,67] indicano che la curvatura del pannello è il principale criterio di rottura.

Diversi tipi di pacchetti, sia nel numero di pin che nel tipo utilizzato, sono intrinsecamente più affidabili di altri, indipendentemente dall'ambiente locale specifico [15,36,38].
La temperatura può influire sull'affidabilità dei componenti. Liguore e Followell [40] affermano che la vita a fatica è massima nell'intervallo di temperature compreso tra 0 ◦C e 65 ◦C, con una notevole diminuzione a temperature inferiori a -30 ◦C e superiori a 95 ◦C. Per i componenti QFP, la posizione in cui il filo si collega al pacchetto (vedere Fig. 4) è considerata la posizione del guasto principale piuttosto che il giunto di saldatura [15,22,38].

Lo spessore della scheda ha un impatto decisivo sulla durata a fatica dei componenti SMT, poiché è stato dimostrato che la durata a fatica BGA diminuisce di circa 30-50 volte se lo spessore della scheda viene aumentato da 0,85 mm a 1,6 mm (pur mantenendo una curvatura complessiva costante) [13] . La flessibilità (conformità) dei cavi dei componenti influisce in modo significativo sull'affidabilità dei componenti periferici dei cavi [63], tuttavia, questa è una relazione non lineare e i cavi di connessione intermedi sono i meno affidabili.

8.4. Metodi software

Il Centro per l'ingegneria avanzata del ciclo di vita (CALCE) dell'Università del Maryland fornisce software per il calcolo della risposta alle vibrazioni e agli urti dei circuiti stampati. Il software (denominato CALCE PWA) dispone di un'interfaccia utente che semplifica il processo di esecuzione del modello FE e inserisce automaticamente il calcolo della risposta nel modello di vibrazione. Non vengono utilizzate ipotesi per creare il modello di risposta FE e i criteri di fallimento utilizzati sono presi da Steinberg [61] (sebbene si prevede che venga implementato anche il metodo di Barkers [48]). Per fornire raccomandazioni generali per migliorare l'affidabilità delle apparecchiature, il software descritto funziona bene, soprattutto perché tiene contemporaneamente conto delle sollecitazioni indotte termicamente e richiede conoscenze specialistiche minime, ma l'accuratezza dei criteri di guasto nei modelli non è stata verificata sperimentalmente.

9. Metodi per aumentare l'affidabilità delle apparecchiature

In questa sezione verranno discusse le modifiche post-progetto che migliorano l'affidabilità delle apparecchiature elettroniche. Si dividono in due categorie: quelli che modificano le condizioni al contorno del PCB e quelli che aumentano lo smorzamento.

Lo scopo principale delle modifiche delle condizioni al contorno è ridurre la deflessione dinamica del circuito stampato, ciò può essere ottenuto attraverso nervature di irrigidimento, supporti aggiuntivi o riducendo le vibrazioni del mezzo di input. Gli irrigidimenti possono essere utili poiché aumentano le frequenze naturali, riducendo così la deflessione dinamica [62], lo stesso vale per l'aggiunta di supporti aggiuntivi [3], sebbene anche la posizione dei supporti possa essere ottimizzata, come mostrato nei lavori di JH Ong e Lim [ 40]. Sfortunatamente, nervature e supporti richiedono solitamente una riprogettazione del layout, quindi è meglio considerare queste tecniche nelle prime fasi del ciclo di progettazione. Inoltre, è necessario prestare attenzione per garantire che le modifiche non cambino le frequenze naturali per adattarle alle frequenze naturali della struttura di supporto, poiché ciò sarebbe controproducente.

L'aggiunta dell'isolamento migliora l'affidabilità del prodotto riducendo l'impatto dell'ambiente dinamico trasferito all'apparecchiatura e può essere ottenuto sia passivamente che attivamente.
I metodi passivi sono solitamente semplici ed economici da implementare, come l’uso di isolanti per cavi [66] o l’uso delle proprietà pseudoelastiche delle leghe a memoria di forma (SMA) [32]. Tuttavia, è noto che gli isolatori mal progettati possono effettivamente aumentare la risposta.
I metodi attivi forniscono un migliore smorzamento su una gamma di frequenze più ampia, solitamente a scapito della semplicità e della massa, quindi sono generalmente destinati a migliorare l'accuratezza di strumenti di precisione molto sensibili piuttosto che a prevenire danni. L'isolamento attivo delle vibrazioni comprende metodi elettromagnetici [60] e piezoelettrici [18,43]. A differenza dei metodi di modifica delle condizioni al contorno, la modifica dello smorzamento mira a ridurre la risposta di risonanza di picco delle apparecchiature elettroniche, mentre le frequenze naturali effettive dovrebbero cambiare solo leggermente.

Come per l'isolamento delle vibrazioni, lo smorzamento può essere ottenuto sia passivamente che attivamente, con simili semplificazioni progettuali nel primo e maggiore complessità e smorzamento nel secondo.

I metodi passivi includono, ad esempio, metodi molto semplici come l'incollaggio del materiale, che aumenta così lo smorzamento del circuito stampato [62]. Metodi più sofisticati includono lo smorzamento delle particelle [68] e l'uso di assorbitori dinamici a banda larga [25].

Il controllo attivo delle vibrazioni viene solitamente ottenuto attraverso l'uso di elementi piezoceramici incollati alla superficie del circuito stampato [1,45]. L'uso di metodi di indurimento dipende dal caso specifico e deve essere attentamente considerato in relazione ad altri metodi. L'applicazione di queste tecniche ad apparecchiature che non presentano problemi di affidabilità non aumenterà necessariamente il costo e il peso del progetto. Tuttavia, se un prodotto con un progetto approvato fallisce durante i test, potrebbe essere molto più rapido e semplice applicare una tecnica di rafforzamento strutturale piuttosto che riprogettare l'apparecchiatura.

10. Opportunità per lo sviluppo di metodi

Questa sezione descrive in dettaglio le opportunità per migliorare la previsione dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche, sebbene i recenti progressi nell'optoelettronica, nelle nanotecnologie e nelle tecnologie di imballaggio potrebbero presto limitare l'applicabilità di queste proposte. I quattro principali metodi di previsione dell'affidabilità potrebbero non essere in uso al momento della progettazione del dispositivo. L’unico fattore che potrebbe rendere tali metodi più attraenti sarebbe lo sviluppo di tecnologie di produzione e test completamente automatizzate e a basso costo, poiché ciò consentirebbe di costruire e testare il progetto proposto molto più velocemente di quanto attualmente possibile, con il minimo sforzo umano.

Il metodo PoF ha molto margine di miglioramento. L'area principale in cui può essere migliorata è l'integrazione con il processo di progettazione complessivo. La progettazione di apparecchiature elettroniche è un processo iterativo che avvicina lo sviluppatore al risultato finale solo in collaborazione con ingegneri specializzati nel campo dell'elettronica, dell'ingegneria manifatturiera e termica e della progettazione strutturale. Un metodo che affronta automaticamente alcuni di questi problemi contemporaneamente ridurrà il numero di iterazioni di progettazione e farà risparmiare notevoli quantità di tempo, soprattutto se si considera la quantità di comunicazioni interdipartimentali. Altre aree di miglioramento nei metodi PoF saranno suddivise in tipi di previsione della risposta e criteri di fallimento.

La previsione della risposta ha due possibili percorsi: modelli più rapidi e dettagliati oppure modelli migliorati e semplificati. Con l'avvento di processori per computer sempre più potenti, il tempo di soluzione per modelli FE dettagliati può diventare piuttosto breve, mentre allo stesso tempo, grazie ai moderni software, si riduce il tempo di assemblaggio del prodotto, riducendo al minimo il costo delle risorse umane. I metodi FE semplificati possono anche essere migliorati mediante un processo per la generazione automatica di modelli FE, simili a quelli proposti per i metodi FE dettagliati. A questo scopo è attualmente disponibile un software automatico (CALCE PWA), ma la tecnologia non è ben collaudata nella pratica e le ipotesi di modellazione formulate sono sconosciute.

Sarebbe molto utile il calcolo dell’incertezza inerente ai diversi metodi di semplificazione, poiché consentirebbe di implementare utili criteri di tolleranza agli errori.

Infine, sarebbe utile un database o un metodo per impartire una maggiore rigidità ai componenti collegati, dove questi aumenti di rigidità potrebbero essere utilizzati per migliorare la precisione dei modelli di risposta. La creazione di criteri di guasto dei componenti dipende dalla leggera variazione tra componenti simili di diversi produttori, nonché dal possibile sviluppo di nuovi tipi di imballaggi, poiché qualsiasi metodo o database per determinare i criteri di guasto deve tenere conto di tale variabilità e cambiamenti.

Una soluzione potrebbe essere quella di creare un metodo/software per costruire automaticamente modelli FE dettagliati basati su parametri di input come dimensioni del piombo e dell'imballaggio. Questo metodo può essere fattibile per componenti generalmente di forma uniforme come componenti SMT o DIP, ma non per componenti irregolari complessi come trasformatori, induttanze o componenti personalizzati.

I successivi modelli FE possono essere risolti per le sollecitazioni e combinati con i dati di cedimento del materiale (dati della curva di plasticità S-N, meccanica della frattura o simili) per calcolare la durata del componente, sebbene i dati di cedimento del materiale debbano essere di alta qualità. Il processo FE dovrebbe essere correlato con dati di test reali, preferibilmente su una gamma quanto più ampia possibile di configurazioni.

Lo sforzo richiesto da un tale processo è relativamente piccolo rispetto all'alternativa dei test diretti di laboratorio, che devono eseguire un numero statisticamente significativo di test su diversi spessori di PCB, intensità di carico e direzioni di carico variabili, anche con centinaia di tipi di componenti diversi disponibili per molteplici tipologie di tavole. In termini di semplici test di laboratorio, potrebbe esserci un metodo per migliorare il valore di ciascun test.

Se esistesse un metodo per calcolare l'aumento relativo dello stress dovuto ai cambiamenti di alcune variabili, come lo spessore del PCB o le dimensioni dei conduttori, allora si potrebbe successivamente stimare il cambiamento nella vita dei componenti. Tale metodo può essere creato utilizzando l'analisi FE o metodi analitici, portando infine a una semplice formula per calcolare i criteri di fallimento dai dati di fallimento esistenti.

In definitiva, si prevede che verrà creato un metodo che combini tutti i diversi strumenti disponibili: analisi FE, dati di prova, analisi analitiche e metodi statistici per creare dati sui guasti più accurati possibili con le limitate risorse disponibili. Tutti i singoli elementi del metodo PoF possono essere migliorati introducendo metodi stocastici nel processo per tenere conto degli effetti della variabilità nei materiali elettronici e nelle fasi di produzione. Ciò renderebbe i risultati più realistici, portando forse a un processo per la creazione di apparecchiature più resistenti alla variabilità, riducendo al minimo il degrado del prodotto (inclusi peso e costi).

In definitiva, tali miglioramenti potrebbero anche consentire una valutazione in tempo reale dell’affidabilità delle apparecchiature durante il processo di progettazione, suggerendo istantaneamente opzioni di componenti, layout o altre raccomandazioni più sicure per migliorare l’affidabilità affrontando al contempo altri problemi come l’interferenza elettromagnetica (EMI), termica e industriale.

11. Заключение

Questa recensione introduce le complessità della previsione dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche, tracciando l'evoluzione di quattro tipi di metodi di analisi (letteratura normativa, dati sperimentali, dati di test e PoF), portando a una sintesi e a un confronto di questi tipi di metodi. È noto che i metodi di riferimento sono utili solo per studi preliminari, i metodi dei dati sperimentali sono utili solo se sono disponibili dati temporali estesi e accurati e i metodi dei dati di prova sono vitali per i test di qualificazione della progettazione ma insufficienti per l'ottimizzazione dei progetti.

I metodi PoF sono discussi in modo più dettagliato rispetto alle precedenti revisioni della letteratura, dividendo la ricerca in categorie di criteri di previsione e probabilità di fallimento. La sezione “Previsione della risposta” esamina la letteratura sulle proprietà distribuite, sulla modellazione delle condizioni al contorno e sui livelli di dettaglio nei modelli FE. La scelta del metodo di previsione della risposta si è rivelata un compromesso tra accuratezza e tempo per generare e risolvere il modello FE, sottolineando ancora una volta l'importanza dell'accuratezza delle condizioni al contorno. La sezione “Criteri di fallimento” discute i criteri di fallimento empirici e analitici; per la tecnologia SMT vengono fornite revisioni di modelli e componenti pesanti.
I metodi empirici sono applicabili solo a casi molto specifici, sebbene forniscano buoni esempi di metodi di verifica dell’affidabilità, mentre i metodi analitici hanno una gamma molto più ampia di applicabilità ma sono più complessi da implementare. Viene fornita una breve discussione dei metodi di analisi dei guasti esistenti basati su software specializzato. Infine, vengono fornite le implicazioni per il futuro della previsione dell'affidabilità, considerando le direzioni in cui i metodi di previsione dell'affidabilità potrebbero evolversi.

Letteratura[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers e S. B. Gabriel, Un modello efficiente di un pannello caricato da un'apparecchiatura per studi di progettazione del controllo attivo, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, Un involucro più leggero per l'elettronica per applicazioni spaziali, Atti dell'Istituto degli Ingegneri Meccanici 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti e C. Schwingshackl, Analisi di involucri e dispositivi antivibranti per apparecchiature elettroniche per applicazioni spaziali, Atti della 6a Conferenza internazionale sulla dinamica e il controllo delle strutture di veicoli spaziali nello spazio, Riomaggiore, Italia, (2004).
[4] D. B. Barker e Y. Chen, Modellazione dei vincoli di vibrazione delle guide delle schede con chiusura a cuneo, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen e A. Dasgupta, Stima della durata a fatica delle vibrazioni dei componenti a montaggio superficiale con quattro conduttori, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta e M. Pecht, Calcoli della durata dei giunti di saldatura PWB sotto carico termico e vibrazionale, Simposio annuale sull'affidabilità e la manutenibilità, Atti del 1991 (Cat. N. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta e M. Pecht, Effetto delle variabilità dimensionali dei conduttori SMC sulla conformità dei conduttori e sulla durata a fatica dei giunti di saldatura, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker e K. Sidharth, PWB locale e incurvamento dei componenti di un assieme soggetto a un momento flettente, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, Un'indagine sulle procedure di previsione dell'affidabilità per dispositivi microelettronici, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Stima del comportamento dinamico dei circuiti stampati, 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 e C. Wilkinson, Valutazione dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche aerospaziali, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman e A. Malhotra, Confronto degli approcci di valutazione dell'affidabilità dell'elettronica, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux e A. Syed, Affidabilità dei giunti di saldatura ad array di aree in flessione, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder e J. R. Lesniak, Comportamenti meccanici dei giunti di saldatura stagno-piombo 60/40, Atti – Conferenza sui componenti elettronici 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger e Y. Saito, Affidabilità dei filetti del tallone di classe 2 sui componenti piombati dell'ala di gabbiano. Conferenza aerospaziale, Atti 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, Guida FIDES 2004, pubblicazione di una metodologia di affidabilità per i sistemi elettronici. Gruppo FIDES, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie e B. Meslet, Una revisione dei metodi di previsione dell'affidabilità per dispositivi elettronici, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David e R. Pinnington, Un nuovo attuatore piezoelettrico ad alto spostamento per il controllo attivo delle vibrazioni, 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 e E. Vergnault, Una metodologia per valutare e selezionare un metodo di previsione dell'affidabilità adeguato per i componenti eee nelle applicazioni spaziali, Agenzia spaziale europea, (pubblicazione speciale) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, La valutazione dell'affidabilità in servizio e l'approccio top-down forniscono un metodo alternativo di previsione dell'affidabilità. Affidabilità e manutenibilità annuali, Atti del simposio (Cat. N. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo e M. Zhao, Fatica del giunto di saldatura SMT inclusa la curvatura torsionale e l'ottimizzazione della posizione del chip, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham e S.-B. Lee, Studio sperimentale sull'affidabilità dell'imballaggio elettronico sotto vibrazione, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Prove di fatica di un componente conduttore in un foro passante placcato, Atti IEEE della National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, KS Beh e K. Seetharamu, Sviluppo di una scheda di test dinamico per la valutazione dell'affidabilità del giunto di saldatura FCBGA in caso di urti e vibrazioni. Atti della quinta conferenza sulla tecnologia dell'imballaggio elettronico (EPTC 5), 2003, 2003–256
[25] V. Ho, A. Veprik e V. Babitsky, Robustezza dei circuiti stampati utilizzando un assorbitore dinamico a banda larga, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, guida IEEE per la selezione e l'utilizzo delle previsioni di affidabilità basate su IEEE 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe e T. Kinney, Sviluppo di formati standard per modelli di affidabilità dei sistemi spaziali, Simposio annuale sull'affidabilità e la manutenibilità, Atti del 2003 (Cat. N. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Affidabilità dei componenti elettronici, Wiley, 1995.
[29] JH Ong e G. Lim, Una tecnica semplice per massimizzare la frequenza fondamentale delle strutture, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih e W. Jung, Fatica vibrazionale dei giunti di saldatura a montaggio superficiale. IThermfl98. Sesta conferenza intersocietaria sui fenomeni termici e termomeccanici nei sistemi elettronici (cat. n. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson e L. Gullo, Miglioramenti nella metodologia di valutazione e previsione dell'affidabilità. Simposio annuale sull'affidabilità e la manutenibilità. Atti del 2000. Simposio internazionale sulla qualità e l'integrità dei prodotti (n. cat. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes e B. Henderson, Elementi elastici SMA pseudoelastici per l'isolamento passivo delle vibrazioni: modellazione della parte i, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Conformità comparativa di progetti rappresentativi di cavi per componenti montati in superficie, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Metriche di conformità per la progettazione di conduttori di componenti a montaggio superficiale. Atti del 1990. 40a conferenza sui componenti elettronici e sulla tecnologia (cat. n. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz e L. Taylor, Metriche di conformità per i progetti di conduttori ad ala di gabbiano inclinata, curvatura a J e ragno ad ala di gabbiano per componenti a montaggio superficiale. Atti del 1991. 41a conferenza sui componenti elettronici e sulla tecnologia (cat. n. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice e B. Shaw, Affidabilità dei giunti di saldatura degli assiemi tecnologici a montaggio superficiale a passo fine, Transazioni IEEE su componenti, ibridi e tecnologia di produzione 13(3) (1990), 534–544.
[37] R. Li, Una metodologia per la previsione della fatica dei componenti elettronici sottoposti a carico di vibrazioni casuali, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li e L. Poglitsch, Fatica della griglia di sfere in plastica e dei pacchetti quadrangolari in plastica sottoposti a vibrazioni automobilistiche. SMTA International, Atti del programma tecnico (2001), 324–329.
[39] R. Li e L. Poglitsch, Fatica da vibrazione, meccanismo di guasto e affidabilità della matrice di griglie di sfere in plastica e dei pacchetti quad-flat in plastica.
[40] Atti della conferenza internazionale HD del 2001 sull'interconnessione e l'imballaggio dei sistemi ad alta densità (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore e D. Followell, Fatica da vibrazione dei giunti di saldatura con tecnologia a montaggio superficiale (smt). Atti del simposio annuale sull'affidabilità e la manutenibilità del 1995 (Cat. N. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong e J. Penny, Effetto del supporto del bordo e del punto interno di un circuito stampato sotto vibrazione, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Cosa c'è che non va? Transazioni IEEE sull'affidabilità 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze e L. Cheng, Uno studio di fattibilità sull'isolamento attivo delle vibrazioni utilizzando attuatori del tuono, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Previsione dell'affidabilità delle apparecchiature elettroniche. Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, edizione F, 1995.
[46] SR Moheimani, Un'indagine sulle recenti innovazioni nello smorzamento e nel controllo delle vibrazioni utilizzando trasduttori piezoelettrici shuntati, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris e J. Reilly, Mil-hdbk-217-un bersaglio preferito. Simposio annuale sull'affidabilità e la manutenibilità. Atti del 1993 (Cat. N. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Ingegneria pratica dell'affidabilità. Wiley, 1997.
[48] ​​​​M. Osterman e T. Stadterman, Software di valutazione dei guasti per assemblaggi di schede di circuito. Affidabilità e manutenibilità annuali. Simposio. Atti del 1999 (Cat. N. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht e A. Dasgupta, Fisica del guasto: un approccio allo sviluppo di prodotti affidabili, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht e W.-C. Kang, Una critica dei metodi di previsione dell'affidabilità mil-hdbk-217e, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht e F. R. Nash, Predire l'affidabilità delle apparecchiature elettroniche, Atti dell'IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell e D. Smith, La tecnica delle proprietà sbavate per l'analisi delle vibrazioni FE delle schede a circuiti stampati, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman e Y. Ling, Modellazione dinamica e misurazione di schede madri di personal computer. 52a conferenza sui componenti elettronici e sulla tecnologia del 2002., (N. cat. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi e A. Primavera, Confronto delle tecniche di modellazione delle vibrazioni per schede a circuiti stampati, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala e P. Geng, Test di shock meccanico e modellazione di schede madri per PC. Atti 2004, 54a conferenza sui componenti elettronici e sulla tecnologia (IEEE Cat. N. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Meccanica della saldatura: una valutazione dello stato dell'arte. La Società dei Minerali, dei Metalli e dei Materiali, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola e T. Reinikainen, Fatica delle interconnessioni del pacchetto scala chip a causa della flessione ciclica, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty e T. Reinikainen, Prove di piegatura a tre e quattro punti per pacchetti elettronici, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth e D. B. Barker, Stima della durata a fatica indotta dalle vibrazioni dei conduttori angolari dei componenti conduttori periferici, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman e G. Blackwood, Isolatore di vibrazioni attivo a 6 assi morbido, Atti dell'American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Analisi delle vibrazioni per apparecchiature elettroniche, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Analisi delle vibrazioni per apparecchiature elettroniche, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, I conduttori esterni conformi potrebbero ridurre la resistenza di un dispositivo montato su superficie? Atti della 1988a conferenza sui componenti elettronici del 38 (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Risposta dinamica non lineare di un circuito stampato ai carichi d'urto applicati al suo contorno di supporto, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Risposta di un circuito stampato flessibile ai carichi d'urto periodici applicati al suo contorno di supporto, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Protezione dalle vibrazioni dei componenti critici delle apparecchiature elettroniche in condizioni ambientali difficili, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao e Q. Guo, Esperimenti di fatica da vibrazione del giunto di saldatura SMT, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] ZW Xu, K. Chan e W. Liao, Un metodo empirico per la progettazione dello smorzamento delle particelle, Shock and Vibration 11 (5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, Un approccio meccanico alla frattura al cracking dei giunti saldati, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao e E. Elsayed, Modellazione di test di vita accelerati basati sulla vita residua media, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou e E. A. Elsayed, Modello di vita accelerato dallo stress da passo generalizzato. Atti della conferenza internazionale del 2004 sul business dell'affidabilità e responsabilità dei prodotti elettronici, 2004, 19–25.

Fonte: habr.com