ジャーナル: 衝撃と振動 16 (2009) 45–59
著者: Robin Alastair Amy、Guglielmo S. Aglietti (電子メール: [メール保護]）とガイ・リチャードソン
著者の所属: Astronautical Research Group、サウサンプトン大学、工学部、サウサンプトン、英国
Surrey Satellite Technology Limited、英国サリー州ギルフォード
著作権 2009 ヒンダウィ出版社。これはクリエイティブ コモンズ表示ライセンスに基づいて配布されるオープン アクセスの記事であり、オリジナルの著作物が適切に引用されている場合に限り、あらゆる媒体での無制限の使用、配布、複製が許可されます。
アノテーション 将来的には、すべての現代の電子機器は、衝撃や振動負荷に耐える能力を維持しながら、機能が向上することが予想されます。信頼性を予測するプロセスは、電子機器の複雑な応答と故障特性により困難であるため、現在の既存の方法は計算精度とコストとの妥協点となっています。
動的な負荷下で動作する電子機器の信頼性を確実かつ迅速に予測することは、産業界にとって非常に重要です。この記事では、電子機器の信頼性を予測する際に、結果が遅くなる問題について説明します。また、信頼性モデルは通常、多数の同様のコンポーネントの幅広い機器構成を考慮して構築されることも考慮する必要があります。この記事では、4 つのクラスの信頼性予測方法 (参照方法、テスト データ、実験データ、および故障の物理的原因のモデリング - 故障の物理学) を比較して、いずれかの方法を使用する可能性を選択します。電子機器の故障のほとんどは熱負荷によって引き起こされることに注意してくださいが、このレビューでは動作中の衝撃や振動によって引き起こされる故障に焦点を当てています。
翻訳者のメモ この記事は、このトピックに関する文献のレビューです。比較的古いものであるにもかかわらず、さまざまな方法を使用して信頼性を評価する問題への優れた入門書として役立ちます。
1. 用語
BGA ボール グリッド アレイ。
DIP デュアル インライン プロセッサ。デュアル インライン パッケージとも呼ばれます。
FE 有限要素。
PGA ピン グリッド アレイ。
PCB プリント基板。PWB (プリント配線基板) とも呼ばれます。
PLCC プラスチックリード付きチップキャリア。
PTH メッキ スルー ホール。ピン スルー ホールとも呼ばれます。
QFP クアッド フラット パック - ガル ウィングとも呼ばれます。
SMA形状記憶合金。
SMT 表面実装テクノロジー。
Примечание авторов оригинала: この記事では、「コンポーネント」という用語は、プリント基板にはんだ付けできる特定の電子デバイスを指し、「パッケージ」という用語は、集積回路の任意のコンポーネント (通常は SMT または DIP コンポーネント) を指します。 「取り付けられたコンポーネント」という用語は、結合されたプリント回路基板またはコンポーネント システムを指し、取り付けられたコンポーネントが独自の質量と剛性を持っていることを強調します。 (この記事では、クリスタルのパッケージングとその信頼性への影響については説明されていないため、以下の「パッケージ」という用語は、何らかのタイプの「ケース」として認識される場合があります。)
2 問題ステートメント
PCB にかかる衝撃や振動の負荷は、PCB 基板、コンポーネント パッケージ、コンポーネント トレース、およびはんだ接合部にストレスを引き起こします。これらの応力は、回路基板の曲げモーメントとコンポーネントの質量慣性の組み合わせによって発生します。最悪のシナリオでは、これらのストレスにより、PCB 剥離、はんだ接合部の故障、リードの故障、またはコンポーネント パッケージの故障のいずれかの故障モードが発生する可能性があります。これらの障害モードのいずれかが発生すると、デバイスの完全な障害が発生する可能性が高くなります。動作中に発生する故障モードは、パッケージングの種類、プリント基板の特性、曲げモーメントと慣性力の周波数と振幅によって異なります。電子機器の信頼性解析の進歩が遅いのは、考慮する必要がある入力要因と故障モードの組み合わせが多数あるためです。
このセクションの残りの部分では、さまざまな入力要素を同時に考慮することの難しさを説明していきます。
考慮すべき最初の複雑な要因は、各パッケージがさまざまな理由で故障する可能性があるため、最新のエレクトロニクスで利用できるパッケージの種類が多岐にわたることです。重いコンポーネントは慣性負荷の影響を受けやすくなりますが、SMT コンポーネントの応答は回路基板の曲率により大きく依存します。結果として、これらの基本的な違いにより、これらのタイプのコンポーネントの故障基準は、質量やサイズに基づいて大きく異なります。この問題は、市場で入手可能な新しいコンポーネントが絶えず出現することによってさらに悪化します。したがって、提案された信頼性予測手法が将来実用化されるためには、新しいコンポーネントに適応する必要があります。振動に対するプリント基板の応答は、コンポーネントの剛性と質量によって決まり、プリント基板の局所的な応答に影響を与えます。最も重いコンポーネントや最大のコンポーネントは、設置場所の振動に対するボードの応答を大きく変えることが知られています。 PCB の機械的特性 (ヤング率と厚さ) は、予測が難しい形で信頼性に影響を与える可能性があります。
PCB の剛性が高いと、負荷がかかった状態での PCB の全体的な応答時間が短縮される可能性がありますが、同時に、実際にはコンポーネントにかかる曲げモーメントが局所的に増加する可能性があります (さらに、熱誘発故障の観点から、実際には、より多くの負荷を指定することが望ましいです)これにより、パッケージにかかる熱応力が軽減されるため、互換性のある PCB を使用する必要があります (著者注)。局所的な曲げモーメントの周波数と振幅、およびスタックにかかる慣性荷重も、最も可能性の高い故障モードに影響します。高周波低振幅荷重は構造の疲労破壊を引き起こす可能性があり、これが破壊の主な原因となる可能性があります(低/高周期疲労、LCFは塑性変形(N_f 10^6 ) から故障 [10] - 著者の注) プリント基板上の要素の最終的な配置によって故障の原因が決まります。故障の原因は、慣性負荷によって引き起こされる個々のコンポーネントの応力によって発生する可能性があります。または局所的な曲げモーメント。最後に、人的要因や生産機能の影響を考慮する必要があり、これにより機器の故障の可能性が高まります。
非常に多くの入力要因とそれらの複雑な相互作用を考慮すると、電子機器の信頼性を予測するための効果的な方法がまだ作成されていない理由が明らかになります。この問題に関して著者が推奨した文献レビューの 26 つが IEEE [17] に掲載されています。ただし、このレビューは主に、参考文献、実験データ、故障状態のコンピュータモデリング（故障物理信頼性）から信頼性を予測する方法など、かなり広範な信頼性モデルの分類に焦点を当てており、故障については扱っていません。衝撃や振動によって引き起こされる詳細を十分に確認できます。 Foucher ら [XNUMX] は、IEEE レビューと同様の概要に従っており、熱障害に重点を置いています。これまでの PoF 手法の解析の簡潔さ、特に衝撃や振動による故障に適用された手法は、さらに検討する価値があります。 IEEE に似たレビューが AIAA によってまとめられているところですが、現時点ではレビューの範囲は不明です。
3. 信頼性予測手法の進化
1960 年代に開発された最も初期の信頼性予測手法は、現在 MIL-HDBK-217F [44] で説明されています (Mil-Hdbk-217F は、1995 年にリリースされたこの手法の最新かつ最終改訂版です - 著者の注)特定のコンポーネントで構成されるプリント基板の平均耐用年数を取得するための、電子機器の故障のデータベース。この方法は、参考文献や規範文献から信頼性を予測する方法として知られている。 Mil-Hdbk-217F はますます時代遅れになりつつありますが、参照方法は現在でも使用されています。この方法の限界と不正確さは十分に文書化されており[42,50]、物理的故障状態のコンピュータモデリング(PoF)、実験データ、フィールドテストデータというXNUMXつのクラスの代替方法の開発につながっています。
PoF 手法は、以前に収集されたデータに依存せずに分析的に信頼性を予測します。すべての PoF 手法には、Steinberg [62] で説明されている古典的な手法に共通する 54 つの特徴があります。まず、特定の振動刺激に対するプリント基板の振動応答が求められ、次に、振動暴露後の個々のコンポーネントの故障基準がテストされます。 PoF 手法における重要な進歩は、分散された (平均化された) 基板特性を使用してプリント回路基板の数学的モデルを迅速に生成することです [8.1.3]。これにより、プリント回路基板の振動応答を正確に計算するために費やされる複雑さと時間が大幅に削減されました。回路基板 (セクション 59 を参照)。 PoF 技術の最近の開発により、表面実装技術 (SMT) はんだ付けコンポーネントの故障予測が改善されました。ただし、Barkers 法 [XNUMX] を除いて、これらの新しい方法は、コンポーネントとプリント基板の非常に特殊な組み合わせにのみ適用できます。トランスや大型コンデンサなどの大型コンポーネントに利用できる方法はほとんどありません。
実験データ手法により、参考文献に基づいた信頼性予測手法で使用されるモデルの品質と機能が向上します。電子機器の信頼性を予測するための実験データに基づく最初の方法は、Honeywell, Inc. で作成された HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program) 方法を使用した 1999 年の論文で説明されました [20]。実験データを使用する方法には、参考文献や規範的な文献を使用して信頼性を予測する方法と比較して、多くの利点があります。最近、多くの同様の方法が登場しました (REMM および TRACS [17]、FIDES [16] も)。実験データの方法、および参考文献や規範文献を使用して信頼性を予測する方法では、信頼性を評価する際に基板のレイアウトとその動作環境を十分に考慮することができません。この欠陥は、設計が類似したボード、または同様の動作条件にさらされたボードからの故障データを使用することで修正できます。
実験的なデータ手法は、長期にわたるクラッシュ データを含む広範なデータベースの利用可能性に依存します。このデータベース内の各障害タイプを正しく識別し、その根本原因を特定する必要があります。この信頼性評価方法は、信頼性を評価するためにかなりの数の故障を処理できるように、同じタイプの機器を十分に大量に生産する企業に適しています。
電子部品の信頼性をテストする方法は 1970 年代半ばから使用されており、通常は加速テストと非加速テストに分けられます。基本的なアプローチは、予想される動作環境を可能な限り現実的に作成するハードウェア テストを実行することです。テストは障害が発生するまで実行され、MTBF (平均障害間隔) を予測できます。 MTBF が非常に長いと推定される場合は、加速テストによってテスト時間を短縮できます。これは、動作環境要因を増やし、既知の式を使用して加速テストでの故障率を予想される故障率に関連付けることで達成されます。手術。このテストは、研究者に最高レベルの信頼度のデータを提供するため、故障のリスクが高いコンポーネントにとって不可欠ですが、研究の反復時間が長いため、基板設計の最適化に使用するのは非現実的です。
1990 年代に出版された研究結果を簡単にレビューしてみると、この時代は実験データ、テスト データ、PoF 手法が参考書からの信頼性を予測するための時代遅れの手法に取って代わるために互いに競い合っていた時期であったことがわかります。ただし、それぞれの方法には独自の長所と短所があり、正しく使用すると貴重な結果が得られます。その結果、IEEE は最近、現在使用されているすべての信頼性予測方法をリストした規格 [26] をリリースしました。 IEEE の目標は、利用可能なすべての方法と、それぞれの方法に固有の長所と短所に関する情報をエンジニアに提供するガイドを作成することでした。 IEEE のアプローチはまだ長い進化の始まりにありますが、AIAA (アメリカ航空宇宙学会) が S-102 と呼ばれるガイドラインに従って IEEE に似ているため、独自の利点があるようです。また、各メソッドからのデータの相対的な品質も考慮されます [27]。これらのガイドは、これらの主題に関して出版された世界中の文献に流通している手法をまとめることのみを目的としています。
4. 振動による故障
過去の研究の多くは主に PCB 負荷としてのランダム振動に焦点を当てていましたが、次の研究では特に衝撃関連の故障に焦点を当てています。このような方法は PoF 方法の分類に該当し、この記事のセクション 8.1 および 8.2 で説明されているため、ここでは完全には説明しません。 Heenら[24]は、衝撃を受けたときのBGAはんだ接合部の完全性をテストするためのテストボードを作成しました。 Lau ら [36] は、面内および面外の衝撃下での PLCC、PQFP、および QFP コンポーネントの信頼性について説明しました。 Pitarresi et al. [53,55] は、衝撃負荷によるコンピュータのマザーボードの故障を調査し、衝撃負荷下での電子機器について説明した文献の優れたレビューを提供しました。 Steinberg [62] は、影響を受ける電子機器の設計と分析に関する章全体を提供し、衝撃環境を予測する方法と電子部品の性能を保証する方法の両方をカバーしています。 Sukhir [64,65] は、基板留め具に加えられる衝撃荷重に対するプリント基板の応答の線形計算における誤差について説明しました。したがって、参照データおよび実験データの方法では、衝撃に関連した機器の故障が考慮される可能性がありますが、これらの方法は「衝撃」故障を暗黙的に説明します。
5. 参考方法
マニュアルに記載されているすべての利用可能な方法のうち、振動障害を考慮する方法は、Mil-Hdbk-217 と CNET [9] の 217 つに限定します。 Mil-Hdbk-217 は、ほとんどのメーカーによって標準として受け入れられています。すべての手動および参照方法と同様に、これらは実験または実験室データからコンポーネントの信頼性を予測することを目的とした経験的アプローチに基づいています。参考文献に記載されている方法は、複雑な数学的モデリングを必要とせず、部品の種類、部品数、基板の動作条件、その他の容易にアクセスできるパラメータのみを使用するため、実装が比較的簡単です。次に、入力データがモデルに入力され、故障間隔 (MTBF) が計算されます。その利点にもかかわらず、Mil-Hdbk-12 はますます人気がなくなってきています [17,42,50,51、XNUMX、XNUMX、XNUMX、XNUMX]。その適用性に関する制限事項の不完全なリストを考えてみましょう。
- データはますます古くなり、最後に更新されたのは 1995 年であり、新しいコンポーネントには関連していません。国防基準改善委員会がこの手法を「自然消滅」させることを決定したため、モデルが改訂される可能性はありません。 26]。
- この方法では故障モードに関する情報が提供されないため、PCB レイアウトを改善または最適化することはできません。
- このモデルでは、PCB 上のコンポーネントのレイアウトを無視して、故障は設計に依存しないと想定していますが、コンポーネントのレイアウトは故障の確率に大きな影響を与えることが知られています。 [50]。
- 収集された経験データには多くの不正確さが含まれており、稼働時間や修理などの誤った記録により故障率が不自然に高い第一世代のコンポーネントからのデータが使用されており、信頼性予測結果の信頼性が低下しています[51]。
これらすべての欠点は、参照メソッドの使用を避けるべきであることを示していますが、これらのメソッドの許容範囲内で、技術仕様の多くの要件を実装する必要があります。したがって、参照メソッドは適切な場合にのみ使用する必要があります。設計の初期段階 [46]。残念ながら、この種の方法は 1995 年以来改訂されていないため、この使用にもある程度の注意が必要です。したがって、参照方法は本質的に機械的信頼性の予測に乏しいため、注意して使用する必要があります。
6. テストデータの方法
テスト データ手法は、利用可能な最も単純な信頼性予測手法です。提案されたプリント基板設計のプロトタイプは、実験台で再現された環境振動にさらされます。次に、破壊パラメータ (MTTF、衝撃スペクトル) が分析され、これは信頼性指標の計算に使用されます [26]。テストデータ方式は、そのメリットとデメリットを考慮して使用する必要があります。
テストデータ手法の主な利点は、結果の精度と信頼性が高いことです。そのため、故障のリスクが高い機器の場合は、設計プロセスの最終段階に常に振動認定テストを含める必要があります。欠点は、試験片の製作、設置、負荷に時間がかかるため、故障の可能性が高い装置の設計改善には適さないことです。反復的な製品設計プロセスでは、より高速な方法を検討する必要があります。実際の耐用年数のその後の計算に信頼できるモデルが利用できる場合、負荷暴露時間は加速試験によって短縮できます [70,71]。ただし、加速試験方法は、振動故障よりも熱故障のモデル化に適しています。これは、機器に対する熱負荷の影響をテストする方が、振動負荷の影響をテストするよりも時間がかからないためです。振動の影響は長期間経たないと製品に現れません。
その結果、電圧が低く故障までに非常に長い時間がかかるなど、酌量すべき事情がない限り、振動故障には一般に試験方法は使用されません。データ検証方法の例は、Hart [23]、Hin et al.の著作に見ることができます。 [24]、リー [37]、ラウら。 [36]、Shetty et al. [57]、Liguore および Followell [40]、Estes et al. [15]、Wang et al。 [67]、ジとチョン [30]。この方法の一般的な概要については、IEEE [26] に記載されています。
7. 実験データの手法
実験データ手法は、指定された動作条件下でテストされた同様のプリント基板からの故障データに基づいています。この方法は、同様の負荷がかかるプリント基板にのみ適用されます。実験データ手法には、電子部品の故障データベースを構築することと、提案された設計に基づいて手法を実装することという 2 つの主な側面があります。適切なデータベースを構築するには、同様の設計から収集された関連する故障データが必要です。これは、同様の機器の故障に関するデータが存在する必要があることを意味します。故障した機器も分析し、統計を適切に収集する必要があります。特定の PCB 設計が一定時間後に故障したと述べるだけでは十分ではなく、故障の場所、故障モード、および原因を特定する必要があります。過去のすべての故障データが徹底的に分析されていない限り、実験データ手法を使用できるようになるまでに長期間のデータ収集が必要になります。
この制限に対する考えられる回避策は、故障率データベースを迅速に構築する目的で高度加速ライフサイクル テスト (HALT) を実装することですが、環境パラメータを正確に再現することは困難ですが不可欠です [27]。実験データ手法を実装する第 27 段階の説明は [11,17,20,26] で読むことができます。これは、詳細な故障データがすでに存在する既存のボードを変更することでテスト対象の設計が得られた場合に、提案された設計の MTBF を予測する方法を示しています。 。実験データ手法のその他のレビューは、[XNUMX、XNUMX、XNUMX、XNUMX] でさまざまな著者によって説明されています。
8. 故障状態のコンピュータシミュレーション (PoF)
故障状態のコンピュータ モデリング技術は、応力および損傷モデルまたは PoF モデルとも呼ばれ、2 段階の信頼性予測プロセスで実装されます。第 1 段階では、プリント基板に加えられる動的負荷に対するプリント基板の応答の検索が含まれます。第 2 段階では、特定の信頼性指標を確保するためにモデルの応答が計算されます。ほとんどの文献は、応答を予測する方法と失敗基準を見つけるプロセスの両方に特化していることがよくあります。これら 2 つの方法は個別に説明すると最もよく理解できるため、このレビューではこれら 2 つの手順を個別に検討します。
応答の予測と失敗基準の検索の段階の間に、最初の段階で作成され、15,36,37,67 番目の段階で使用されたデータ セットがモデルに転送されます。応答変数は、シャーシ上の入力加速度の使用 [40、62、59、XNUMX] から、さまざまな PCB レイアウトのさまざまな振動応答を考慮してコンポーネントが経験する実際の加速度 [XNUMX] を経て、最終的に考慮するように進化しました。コンポーネントの局所的な PCB が受ける局所的な偏位 [XNUMX] または局所的な曲げモーメント [XNUMX]。
故障はプリント基板上のコンポーネントの配置によって決まるため [21,38]、局所的な振動応答を組み込んだモデルは正確である可能性が高くなります。どのパラメータ (局所的な加速度、局所的なたわみ、または曲げモーメント) が破損の決定要因となるかは、特定のケースによって異なります。
SMT コンポーネントが使用されている場合、曲率または曲げモーメントが故障の最も重要な要因となる可能性があります。重量のあるコンポーネントの場合は、通常、局所的な加速度が故障基準として使用されます。残念ながら、特定の入力データのセットにおいてどのタイプの基準が最も適切であるかを示す研究は行われていません。
分析法や FE など、臨床検査データによって裏付けられていない PoF 法を使用することは現実的ではないため、使用する PoF 法の適合性を考慮することが重要です。さらに、モデルはその適用範囲内でのみ使用することが重要ですが、残念なことに、現在のほとんどの PoF モデルの適用可能性は、非常に特殊で限定された条件での使用に制限されています。 PoF 手法に関する議論の良い例は、さまざまな著者によって説明されています [17,19,26,49、XNUMX、XNUMX、XNUMX]。
8.1.応答予測
応答予測には、構造の形状と材料特性を使用して、必要な応答変数を計算することが含まれます。このステップでは、個々のコンポーネントの応答ではなく、基礎となる PCB の全体的な応答のみを取得することが期待されます。応答予測方法には主に 8.1.4 つのタイプがあります。以下に説明する、分析的詳細 FE モデルと単純化 FE モデルです。これらの方法は、追加されたコンポーネントの剛性と質量効果を組み込むことに重点を置いていますが、PCB エッジの回転剛性を正確にモデル化する重要性を見失わないことが重要です。これはモデルの精度と密接に関係しています (これについては、「セクション1)。イチジク。 53. プリント基板の詳細モデルの例 [XNUMX]。
8.1.1.分析応答予測
Steinberg [62] は、プリント回路基板の振動応答を計算するための唯一の分析方法を提供しています。スタインバーグは、電子ユニットの共振時の振動の振幅は共振周波数の平方根の XNUMX 倍に等しいと述べています。この記述は入手できないデータに基づいており、検証できません。これにより、共振時の動的たわみを解析的に計算できるようになり、重いコンポーネントからの動的荷重やプリント基板の曲率の計算に使用できます。この方法はローカル PCB 応答を直接生成せず、Steinberg が説明したたわみベースの故障基準とのみ互換性があります。
Pitarresi et al. [53] はコンピューターのマザーボードの臨界減衰を 2% と測定したが、Steinberg の仮定を使用すると (固有振動数に基づいて) 3,5% となるため、振幅測定に基づく伝達関数分布の仮定の妥当性には疑問があります。 Hz)、これは振動に対するボードの応答を大幅に過小評価することになります。
8.1.2.詳細なFEモデル
一部の著者は、詳細な FE モデルを使用してプリント基板の振動応答を計算する方法を実証しています [30,37,53, 57,58] (図 1-3 は、より詳細なレベルの例を示しています)。このようなモデルの構築と解決に必要な時間が長すぎるため、この方法は商用製品には推奨されません (局所応答の正確な予測だけが絶対に必要でない場合を除く)。単純化されたモデルにより、適切な精度のデータがはるかに高速かつ低コストで生成されます。詳細な FE モデルの構築と解析に必要な時間は、[4-33] で公開されている JEDEC 35 バネ定数を使用することで短縮できます。これらのバネ定数は、各ワイヤの詳細な FE モデルの代わりに使用できます。さらに、部分構造法 (スーパーエレメント法とも呼ばれる) を実装すると、詳細なモデルを解くために必要な計算時間を短縮できます。詳細な FE モデルでは、応答予測と故障基準の間の境界があいまいになることが多いため、ここで参照されている研究も、故障基準を含む研究のリストに該当する可能性があることに注意してください。
8.1.3.分散型FEモデル
簡素化された FE モデルにより、モデルの作成と解析時間が短縮されます。追加されたコンポーネントの質量とその剛性は、質量と剛性が増加した空の PCB を単純にシミュレートすることで表現できます。ここでは、PCB のヤング率を局所的に増加させることによって質量と剛性の効果が組み込まれます。
イチジク。 2. モデリングプロセスを簡素化し、解析時間を短縮するために対称性を使用した QFP コンポーネントの詳細モデルの例 [36]。イチジク。 3. J リードの詳細な FE モデルの例 [6]。
剛性強化係数は、取り付けられた部材を物理的に切り出し、曲げ試験方法を適用することで計算できます[52]。ピタレーシら。 [52,54] は、プリント基板に取り付けられたコンポーネントによって追加される質量と剛性の簡素化効果を調査しました。
最初の論文では、プリント回路基板の単純化された FE モデルの 1 つのケースを検証し、実験データに照らして検証します。この論文の主な関心領域は分布特性の決定ですが、正確なモデルには高精度のねじり剛性が必要であることに注意してください。
10 番目の記事では、XNUMX つの異なる充填 PCB について説明します。各 PCB は、その構成をいくつかの異なるレベルで単純化してモデル化されています。これらのモデルを実験データと比較します。この記事は、質量剛性比とモデルの精度の間の相関関係についてのいくつかの有益な観察で締めくくられています。これらの論文は両方とも、固有振動数と MEC (モード保証基準) のみを使用して XNUMX つのモデル間の相関関係を決定します。残念ながら、固有振動数の誤差からは、局所的な加速度や曲げモーメントの誤差に関する情報は得られません。また、MKO は XNUMX つの固有モード間の全体的な相関関係を与えることしかできませんが、加速度や曲率の誤差のパーセンテージを計算するために使用することはできません。 Cifuentes [XNUMX] は、数値解析とコンピューター シミュレーションを組み合わせて、次の XNUMX つの観察を行っています。
- 正確な解析を行うには、シミュレートされたモードに少なくとも 90% の振動質量が含まれている必要があります。
- 基板の偏差がその厚さに匹敵する場合、線形解析よりも非線形解析の方が適切な場合があります。
- コンポーネントの配置における小さな誤差は、応答測定に大きな誤差を引き起こす可能性があります。
- 応答測定の精度は、剛性よりも質量の誤差の影響を受けやすくなります。
8.1.4.境界条件
PCB エッジの回転剛性係数は、計算された応答 [59] の精度に大きな影響を及ぼし、特定の構成に応じて、追加されるコンポーネントの質量と剛性よりもはるかに重要です。回転エッジの剛性をゼロ (本質的に単なるサポートされた状態) としてモデル化すると、通常は控えめな結果が得られますが、しっかりとクランプされたものとしてモデル化すると、通常は結果が過小評価されます。これは、最も剛性の高い PCB クランプ機構であっても完全にクランプされたエッジ状態を保証できないためです。 Barker と Chen [5] は、エッジの回転剛性が PCB の固有振動数にどのように影響するかを示す実験結果を使用して分析理論を検証しています。この研究の主な発見は、理論と一致して、エッジの回転剛性と固有振動数の間に強い相関関係があることです。これは、エッジの回転剛性のモデリングにおける大きな誤差が、応答予測における大きな誤差につながることも意味します。この作業は特定のケースで検討されましたが、あらゆる種類の境界条件メカニズムのモデル化に適用できます。 Lim らの実験データを使用します。 [41] は、PCB モデルで FE を使用するためにエッジの回転剛性を計算する方法の例を示しています。これは、Barker と Chen から採用された方法を使用して達成されます [5]。この研究では、固有振動数を最大化するために構造内の任意の点の最適な位置を決定する方法も示します。 Guo と Zhao による、振動応答を低減するために境界条件を変更する効果を特に考慮した研究も存在します [21]。アリエッティ [2]; Aglietti と Schwingshackl [3]、Lim ら。 [41]。
8.1.5.衝撃と振動の影響予測
ピタレーシら。 [53-55] PCB の詳細な FE モデルを使用して、3D ブロックとして表現されたコンポーネントを含む基板の衝撃および振動応答を予測します。これらのモデルは、共振時の応答の予測を改善するために、実験的に決定された一定の減衰比を使用しました。衝撃反応スペクトル (SRS) と時間掃引法を衝撃反応予測について比較しました。どちらの方法も精度と解決時間の間のトレードオフです。
8.2.拒否基準
故障基準は、PCB の応答の測定値を取得し、それを使用して故障メトリックを導き出します。故障メトリックには、平均故障間隔 (MTBF)、故障までのサイクル、故障のない動作の確率、またはその他の信頼性メトリックが含まれます (「故障メトリック」を参照)。障害メトリクスの議論については、IEEE [26]、Jensen[28] 47]、O'Connor [XNUMX])。このデータを生成するためのさまざまなアプローチは、分析的方法と経験的方法に便宜的に分類できます。経験的手法では、コンポーネントの試験片に必要な動的荷重を加えることで故障基準データを生成します。残念ながら、実際には入力データ (部品の種類、PCB の厚さ、荷重) が広範囲に及ぶため、公開されたデータは非常に特殊な場合にのみ有効であるため、直接適用できる可能性は低いです。分析方法にはそのような欠点がなく、より幅広い適用範囲があります。
8.2.1.経験的な失敗基準
前述したように、ほとんどの経験的モデルの制限は、同じ PCB 厚さ、同様のコンポーネント タイプ、および入力負荷を含む構成にのみ適用できることですが、これはありそうもないことです。ただし、利用可能な文献は次の理由で役立ちます。故障テストの実行の良い例が示され、故障メトリクスのさまざまなオプションが強調表示され、故障のメカニズムに関する貴重な情報が提供されます。 Li [37] は、272 ピン BGA および 160 ピン QFP パッケージの信頼性を予測するための経験的モデルを作成しました。導体およびパッケージ本体の疲労損傷が調査され、その実験結果は、詳細な FE モデルを使用して計算された応力ベースの損傷解析とよく一致しています (Li および Poglitsch [38,39、XNUMX] も参照)。このプロセスでは、振動入力信号の振動加速度が一定レベルになると、累積的な損傷が生じます。
Lau ら [36] は、ワイブル統計を使用して、衝撃および振動負荷の下での特定のコンポーネントの信頼性を評価しました。 Liguore と Followell [40] は、サービス サイクル全体でローカル加速度を変化させることによって、LLCC および J リード コンポーネントの故障を調査しました。シャーシ入力加速度ではなくローカル加速度が使用され、テスト結果に対する温度の影響が調査されました。この記事では、PCB の厚さがコンポーネントの信頼性に及ぼす影響に関する研究についても言及しています。
Guo と Zhao [21] は、加速度を使用した以前の研究とは対照的に、局所的なねじり曲率を負荷として使用した場合のコンポーネントの信頼性を比較しています。疲労損傷をシミュレーションし、FE モデルを実験結果と比較します。この記事では、信頼性を向上させるためのコンポーネント レイアウトの最適化についても説明します。
Ham と Lee [22] は、周期的なねじり荷重下での鉛はんだの応力を決定する問題に対するテスト データの方法を提示しています。 Estes ら [15] は、入力加速度および熱負荷が加わった場合のガルウィング コンポーネント (GOST IEC 61188-5-5-2013) の故障問題を検討しました。調査したコンポーネントは、チップ パッケージ タイプ CQFP 352、208、196、84、28、および FP 42 と 10 です。この記事は、静止地球衛星の軌道の変動による電子コンポーネントの故障に特化しています。故障間隔は、静止軌道または地球低軌道での飛行年数で表されます。ガルウィング ワイヤの破損は、はんだ接合部よりもパッケージ本体と接触する場所で発生する可能性が高いことに注意してください。
Jih と Jung [30] は、はんだ接合部の固有の製造欠陥によって引き起こされる機器の故障を考察しています。これは、PCB の非常に詳細な FE モデルを作成し、さまざまな製造上の亀裂の長さに対するパワー スペクトル密度 (PSD) を見つけることによって行われます。 Ligyore, Followell [40] および Shetty, Reinikainen [58] は、経験的な方法が特定の接続コンポーネント構成に対して最も正確で有用な故障データを生成することを示唆しています。この種の方法は、特定の入力データ (基板の厚さ、コンポーネントの種類、曲率の範囲) を設計全体を通じて一定に保つことができる場合、またはユーザーがこの種の実際のテストを実行する余裕がある場合に使用されます。
8.2.2.分析上の不合格基準
コーナージョイントのSMTモデル
SMT コーナー ピンの故障を調査しているさまざまな研究者は、これが故障の最も一般的な原因であることを示唆しています。 Sidharth と Barker による論文 [59] は、SMT コーナー リードおよびループ リード コンポーネントのひずみを決定するためのモデルを提示することで、初期の一連の論文を完成させています。提案されたモデルの誤差は、7 つの最悪のシナリオの詳細な FE モデルと比較して 4% 未満です。このモデルは、Barker と Sidharth によって以前に公開された公式 [63] に基づいており、曲げモーメントを受けた取り付け部品のたわみがモデル化されています。 Sukhir による論文 [4] は、局所的に加えられる曲げモーメントによってパッケージ端子に予想される応力を分析的に調べています。 Barker と Sidharth [63] は Sukhir [4]、Barker et al. [7] の研究に基づいており、主要な回転剛性の影響を考慮しています。最後に、Barker et al. [XNUMX] は、詳細な FE モデルを使用して、鉛の疲労寿命に対する鉛の寸法変動の影響を研究しました。
ここで、リード部品のモデルの作成を大幅に簡素化した JEDEC リードのばね定数に関する研究について言及するのが適切です [33-35]。リード接続の詳細なモデルの代わりにばね定数を使用でき、FE モデルの構築と解析に必要な時間が短縮されます。コンポーネント FE モデルでこのような定数を使用すると、局所的なリード応力を直接計算できなくなります。代わりに、リード全体の変形が与えられ、これは製品のライフサイクルに基づいた局所的なリード応力またはリード故障基準のいずれかに関連付けられるはずです。
材料疲労データ
はんだやコンポーネントに使用される材料の破損に関するほとんどのデータは主に熱破損に関連しており、疲労破損に関連するデータは比較的少数です。この分野の主な参考文献は Sandor [56] によって提供されており、はんだ合金の疲労と破損の機構に関するデータを提供しています。 Steinberg [62] は、はんだサンプルの破損について考察しています。標準的なはんだとワイヤの疲労データは、山田の論文 [69] で入手できます。
イチジク。 4. QFP コンポーネントのマニュアルによる通常の故障位置は、パッケージ本体の近くです。
この材料の特殊な特性により、はんだの剥離に関連するモデリングの失敗は困難です。この質問に対する解決策は、テストする必要があるコンポーネントによって異なります。 QFP パッケージの場合、これは通常考慮されず、信頼性は参考文献を使用して評価されることが知られています。しかし、大型の BGA および PGA コンポーネントのはんだ付けが計算される場合、リード接続はその異常な特性により、製品の故障に影響を与える可能性があります。したがって、QFP パッケージの場合、リード疲労特性が最も有用な情報となります。 BGA の場合、瞬間的な塑性変形を受けるはんだ接合部の耐久性に関する情報がより役立ちます [14]。より大きなコンポーネントについては、Steinberg [62] がはんだ接合部の引き抜き電圧データを提供しています。
重量コンポーネントの故障モデル
重量のあるコンポーネントに存在する唯一の破損モデルは、Steinberg の論文 [62] に示されています。この論文では、コンポーネントの引張強度を調査し、リード接続に適用できる最大許容応力を計算する方法の例が示されています。
8.3. PoF モデルの適用可能性に関する結論
PoF 方法に関する文献では、次の結論が得られています。
コンポーネントの故障を予測するには、ローカルでの対応が重要です。 Li、Poglitsch [38] で述べられているように、PCB の端にあるコンポーネントは、曲げの局所的な違いにより、PCB の中央にあるコンポーネントよりも故障の影響を受けにくくなります。その結果、PCB 上の異なる場所にあるコンポーネントでは、故障の確率も異なります。
SMT コンポーネントの場合、基板の局所的な曲率は加速度よりも重要な故障基準と考えられています。最近の研究 [38,57,62,67、XNUMX、XNUMX、XNUMX] では、基板の曲率が主な故障基準であることが示されています。
特定のローカル環境に関係なく、ピンの数と使用されるタイプの両方において、さまざまなタイプのパッケージは本質的に他のパッケージよりも信頼性が高くなります [15,36,38、XNUMX、XNUMX]。
温度はコンポーネントの信頼性に影響を与える可能性があります。 Liguore と Followell [40] は、疲労寿命は 0 °C ～ 65 °C の温度範囲で最も高く、-30 °C 未満および 95 °C を超える温度では顕著に減少すると述べています。 QFP コンポーネントの場合、はんだ接合部ではなく、ワイヤがパッケージに接続されている場所 (図 4 を参照) が主な障害箇所とみなされます [15,22,38、XNUMX、XNUMX]。
基板の厚さが SMT コンポーネントの疲労寿命に明確な影響を与えるのは、基板の厚さが 30 mm から 50 mm に増加すると (全体の曲率を一定に維持しながら) BGA の疲労寿命が約 0,85 ～ 1,6 分の 13 に減少することが示されているためです [63] 。コンポーネントのリードの柔軟性 (コンプライアンス) は、周辺リード コンポーネントの信頼性に大きく影響します [XNUMX]。ただし、これは非線形の関係であり、中間接続リードの信頼性が最も低くなります。
8.4.ソフトウェアによる方法
メリーランド大学の高度ライフ サイクル エンジニアリング センター (CALCE) は、プリント基板の振動および衝撃応答を計算するソフトウェアを提供しています。このソフトウェア (CALCE PWA という名前) には、FE モデルの実行プロセスを簡素化し、応答計算を振動モデルに自動的に入力するユーザー インターフェイスが備わっています。 FE 応答モデルの作成に使用される仮定はなく、使用される故障基準は Steinberg [61] から引用されています (ただし、Barkers の方法 [48] も実装される予定です)。機器の信頼性を向上させるための一般的な推奨事項を提供するために、説明されているソフトウェアは、特に熱誘起応力を同時に考慮し、最小限の専門知識を必要とするため、良好に機能しますが、モデルの故障基準の精度は実験的に検証されていません。
9. 機器の信頼性を高める方法
このセクションでは、電子機器の信頼性を向上させるプロジェクト後の修正について説明します。それらは、PCB の境界条件を変更するものと、減衰を増加させるものの 2 つのカテゴリに分類されます。
境界条件変更の主な目的は、プリント基板の動的たわみを低減することです。これは、リブを強化したり、サポートを追加したり、入力媒体の振動を低減したりすることで実現できます。補強材は、固有振動数を増加させ、それによって動的たわみを低減するため有用であり [62]、サポートを追加する場合にも同様のことが当てはまります [3]。ただし、J. H. Ong と Lim の著作に示されているように、サポートの位置も最適化することができます。 40]。残念ながら、リブとサポートは通常、レイアウトの再設計が必要となるため、これらの手法は設計サイクルの早い段階で検討するのが最善です。さらに、修正によって固有振動数が変更されて支持構造の固有振動数に一致しないように注意する必要があります。これは逆効果です。
断熱材を追加すると、機器に伝わる動的環境の影響が軽減され、製品の信頼性が向上します。これは受動的または能動的に達成できます。
受動的な方法は通常、ケーブル絶縁体の使用 [66] や形状記憶合金 (SMA) の擬似弾性特性の使用 [32] など、実装が簡単で安価です。ただし、アイソレータの設計が不十分だと、実際には応答が増加する可能性があることが知られています。
アクティブな方法は、通常は単純さと質量を犠牲にして、より広い周波数範囲にわたって優れた減衰を提供するため、通常は損傷を防ぐというよりも、非常に敏感な精密機器の精度を向上させることを目的としています。アクティブ防振には、電磁方式 [60] と圧電方式 [18,43、XNUMX] が含まれます。境界条件の変更方法とは異なり、減衰変更は電子機器のピーク共振応答を低減することを目的としていますが、実際の固有振動数はわずかしか変化しません。
防振と同様に、減衰も受動的または能動的に実現でき、前者では同様の設計の簡素化が可能ですが、後者ではより複雑で減衰が大きくなります。
受動的な方法には、たとえば、材料を接着するなどの非常に簡単な方法があり、それによってプリント回路基板の減衰が増加します[62]。より洗練された方法には、粒子減衰 [68] や広帯域動的吸収体の使用 [25] が含まれます。
能動的な振動制御は、通常、プリント回路基板の表面に接着された圧電セラミック素子の使用によって達成されます [1,45、XNUMX]。強化方法の使用はケース固有であり、他の方法と比較して慎重に検討する必要があります。信頼性の問題があることが知られていない機器にこれらの技術を適用しても、必ずしも設計のコストと重量が増加するわけではありません。ただし、承認された設計の製品がテスト中に故障した場合は、機器を再設計するよりも構造強化技術を適用する方がはるかに早くて簡単な場合があります。
10. 手法開発の機会
このセクションでは、電子機器の信頼性予測を改善する機会について詳しく説明しますが、オプトエレクトロニクス、ナノテクノロジー、およびパッケージング技術の最近の進歩により、これらの提案の適用可能性はすぐに制限される可能性があります。 4 つの主要な信頼性予測手法は、デバイス設計時には使用されていない可能性があります。このような方法をより魅力的なものにする唯一の要因は、完全に自動化された低コストの製造およびテスト技術の開発でしょう。これにより、人間の労力を最小限に抑えて、提案された設計を現在可能であるよりもはるかに速く構築およびテストできるようになるからです。
PoF 方式には改善の余地がたくさんあります。改善できる主な領域は、設計プロセス全体との統合です。電子機器の設計は反復的なプロセスであり、開発者はエレクトロニクス、製造および熱工学、構造設計の分野を専門とするエンジニアと協力する必要があります。これらの問題のいくつかに同時に自動的に対処する方法は、特に部門間のコミュニケーションの量を考慮した場合、設計の反復回数を減らし、大幅な時間を節約します。 PoF 手法のその他の改善領域は、応答予測の種類と失敗基準に分けられます。
応答予測には 2 つの可能性があります。1 つは、より高速でより詳細なモデル、もう 1 つは改良された単純化されたモデルです。ますます強力なコンピュータ プロセッサの出現により、詳細な FE モデルの解析時間は非常に短くなる可能性がありますが、同時に、最新のソフトウェアのおかげで製品の組み立て時間が短縮され、最終的に人的リソースのコストが最小限に抑えられます。簡略化された FE 手法は、詳細な FE 手法で提案されているものと同様の、FE モデルを自動的に生成するプロセスによって改善することもできます。現在、この目的のために自動ソフトウェア (CALCE PWA) が利用可能ですが、この技術は実際には十分に証明されておらず、モデリングの前提条件も不明です。
さまざまな単純化方法に固有の不確実性の計算は非常に役立ち、有用なフォールト トレランス基準を実装できるようになります。
最後に、取り付けられたコンポーネントに剛性を増加させるためのデータベースまたは方法が役立ち、これらの剛性の増加を応答モデルの精度を向上させるために使用できます。コンポーネントの故障基準の作成は、異なるメーカーの同様のコンポーネント間のわずかな違いや、新しいパッケージングタイプの開発の可能性によって決まります。故障基準を決定するための方法やデータベースは、そのような変動や変化を考慮する必要があるからです。
解決策の 1 つは、リードやパッケージの寸法などの入力パラメータに基づいて詳細な FE モデルを自動的に構築する方法/ソフトウェアを作成することです。この方法は、SMT や DIP コンポーネントなどの一般に均一な形状のコンポーネントには実行可能ですが、トランス、チョーク、カスタム コンポーネントなどの複雑で不規則なコンポーネントには実行できません。
後続の FE モデルは応力を解析し、材料破損データ (S-N 塑性曲線データ、破壊力学など) と組み合わせてコンポーネントの寿命を計算できますが、材料破損データは高品質である必要があります。 FE プロセスは、できれば可能な限り幅広い構成にわたって、実際のテスト データと関連付けられる必要があります。
このようなプロセスにかかる労力は、さまざまな PCB 厚さ、さまざまな荷重強度、および荷重方向にわたって、統計的に有意な数のテストを実行する必要がある直接実験室テストに比べて、比較的小規模です。ボードの種類。単純な臨床検査に関しては、各検査の値を向上させる方法があるかもしれません。
PCB の厚さやリードの寸法など、特定の変数の変化による応力の相対的な増加を計算する方法があれば、コンポーネントの寿命の変化を後で推定することができます。このような方法は、FE 解析または解析手法を使用して作成でき、最終的には既存の故障データから故障基準を計算するための単純な公式につながります。
最終的には、利用可能な限られたリソースで可能な限り最も正確な故障データを作成するために、FE 分析、テスト データ、分析分析、統計的手法など、利用可能なさまざまなツールをすべて組み合わせた方法が作成されることが期待されています。 PoF 法の個々の要素はすべて、プロセスに確率的手法を導入して電子材料や製造段階の変動の影響を考慮することで改善できます。これにより、結果がより現実的になり、製品の劣化（重量とコストを含む）を最小限に抑えながら、変動に対してより堅牢な装置を作成するプロセスが可能になる可能性があります。
最終的には、このような改善により、設計プロセス中に機器の信頼性をリアルタイムで評価することも可能になり、より安全なコンポーネントのオプション、レイアウト、またはその他の推奨事項を即座に提案して信頼性を向上させると同時に、電磁干渉 (EMI)、熱、産業などの他の問題にも対処できるようになります。
11。 結論
このレビューでは、電子機器の信頼性予測の複雑さを紹介し、4 種類の分析手法 (規制文献、実験データ、試験データ、PoF) の進化を追跡し、これらの種類の手法の総合と比較を行います。リファレンス手法は予備調査にのみ有用であり、実験データ手法は広範かつ正確なタイミング データが利用可能な場合にのみ有用であり、テスト データ手法は設計適格性テストには不可欠ですが、設計の最適化には不十分であることが注意されています。
PoF 手法については、研究を予測基準と失敗確率のカテゴリに分けて、以前の文献レビューよりも詳細に説明しています。 「応答予測」セクションでは、FE モデルの分散特性、境界条件モデリング、および詳細レベルに関する文献をレビューします。応答予測方法の選択は、精度と FE モデルの生成と解決にかかる時間とのトレードオフであることが示されており、境界条件の精度の重要性が改めて強調されています。 「故障基準」のセクションでは、経験的および分析的な故障基準について説明しており、SMT テクノロジについては、モデルと重量コンポーネントのレビューが提供されています。
経験的手法は信頼性テスト手法の良い例を提供しますが、非常に特殊なケースにのみ適用できます。一方、分析的手法は適用範囲がはるかに広いですが、実装がより複雑です。特殊なソフトウェアに基づく既存の故障解析方法について簡単に説明します。最後に、信頼性予測手法が進化する可能性のある方向性を考慮して、信頼性予測の将来への影響を示します。
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出所： habr.com