Journal: Schock a Vibratioun 16 (2009) 45-59
Auteuren: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-Mail: [Email geschützt]), and Guy Richardson
Места работы авторов: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, UK
Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Annotatioun. В будущем предполагается, что все современное электронное оборудование будет иметь всё возрастающую функциональность, сохраняя при этом способность выдерживать ударные и вибрационные нагрузки. Процесс прогнозирования надежности затрудняется из-за сложных характеристик откликов и отказов электронного оборудования, поэтому существующие в настоящее время методы являются компромиссом между точностью расчетов и их стоимостью.
Zuverlässeg a séier Viraussoen vun der Zouverlässegkeet vun elektroneschen Ausrüstung wann Dir ënner dynamesche Lasten funktionnéiert ass ganz wichteg fir d'Industrie. Dësen Artikel weist d'Problemer fir d'Zouverlässegkeet vun elektronescher Ausrüstung virauszesoen, déi d'Resultater verlangsamen. Et sollt och berücksichtegt ginn datt d'Zouverlässegkeetsmodell normalerweis gebaut gëtt mat enger breet Palette vun Ausrüstungskonfiguratiounen fir eng Rei ähnlech Komponenten. Véier Klassen vun Zouverlässegkeet Prévisiounsmethoden (Referenzmethoden, Testdaten, experimentell Donnéeën a Modelléierung vu kierperlechen Ursaachen vum Echec - Physik vum Echec) ginn an dësem Artikel verglach fir d'Méiglechkeet ze wielen fir eng oder aner Method ze benotzen. Et gëtt bemierkt datt déi meescht Feeler an der elektronescher Ausrüstung duerch thermesch Laascht verursaacht ginn, awer dës Iwwerpréiwung konzentréiert sech op Feeler, déi duerch Schock a Schwéngung während der Operatioun verursaacht ginn.
Iwwersetzer Notiz. Статья является обзором литературы по указанной тематитике. Несмотря на свой относительно большой возраст, служит отличным введением в проблему оценки надежности различными методами.
1. Terminologie
BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line Prozessor, heiansdo bekannt als Dual In-line Package.
FE Finite Element.
PGA Pin Grid Array.
PCB Printed Circuit Board, heiansdo bekannt als PWB (Printed Wiring Board).
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier.
PTH Plated Through Hole, sometimes known as Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack — also known as gull wing.
SMA Shape Memory Alloys.
SMT Surface Mount Technology.
Примечание авторов оригинала: В данной статье термин «компонент» относится к конкретному электронному устройству, которое может быть припаяно к печатной плате, термин «пакет» − к любому компоненту интегральной схемы (как правило, к любому компоненту SMT или DIP). Термин «прикрепленный компонент» относится к любой комбинированной печатной плате или компонентной системе, при этом подчеркивается, что у прикрепленных компонентов свои собственные масса и жесткость. (Корпусировка кристалла и ее влияние на надежность в статье не рассматриваются, поэтому далее термин «пакет» можно воспримать как «корпус» того или иного типа — прим. перев.)
2. Ausso vum Problem
Schock- a Schwéngslaascht, déi op e PCB opgesat ginn, verursaache Stress op de PCB-Substrat, Komponentverpackungen, Komponentspuren a Lötverbindungen. Dës Spannungen ginn duerch eng Kombinatioun vu Béiemomenter am Circuit Board an der Massinertia vun der Komponent verursaacht. An engem schlëmmste Fall Szenario kënnen dës Spannungen ee vun de folgenden Ausfallmodi verursaachen: PCB-Delaminatioun, Solderverbindungsfehler, Leadfehler oder Komponentpaketfehler. Wann ee vun dësen Echec Modus geschitt, komplett Echec vum Apparat wäert héchstwahrscheinlech verfollegen. Den Ausfallmodus, deen während der Operatioun erlieft gëtt, hänkt vun der Aart vun der Verpackung ab, d'Eegeschafte vum gedréckte Circuit Board, wéi och d'Frequenz an d'Amplitude vu Béiemomenter an Inertialkräften. De luesen Fortschrëtt an der elektronescher Ausrüstungsverlässegkeetsanalyse ass wéinst de ville Kombinatioune vun Inputfaktoren an Ausfallmodi déi berücksichtegt musse ginn.
В остальной части этого раздела мы попытаемся объяснить сложность одновременного рассмотрения различных входных факторов.
Первым осложняющим фактором, который следует учитывать, является большой диапазон типов пакетов, доступных в современной электронике, так как каждый пакет может иметь отказы по разным причинам. Тяжелые компоненты являются более восприимчивыми к инерционным нагрузкам, в то время как отклик компонентов SMT больше зависит от кривизны печатной платы. В результате из-за этих базовых различий такие типы компонентов имеют в значительной степени различающиеся критерии отказов, зависящих от массы или размеров. Эта проблема еще более усугубляется постоянным появлением новых компонентов, доступных на рынке. Следовательно, любой предлагаемый метод прогнозирования надежности должен адаптироваться к новым компонентам, чтобы в дальнейшем иметь какое-либо практическое применение. Отклик печатной платы на вибрацию определяется жесткостью и массой компонентов, влияющих на локальную реакцию печатной платы. Известно, что самые тяжелые или крупные компоненты значительно изменяют реакцию платы на вибрацию в местах своей установки. Механические свойства печатной платы (модуль Юнга и толщина) могут влиять на надежность сложно предсказуемым образом.
Более жесткая печатная плата может уменьшить общее время отклика печатной платы при нагрузке, но в то же время, могут фактически локально увеличиться изгибающие моменты, прикладываемые к компонентам (Кроме того, с точки зрения термически индуцированных отказов на самом деле предпочтительнее указать более совместимую печатную плату, поскольку это уменьшает тепловые напряжения, накладываемые на упаковку — прим. авт.). Частота и амплитуда локальных изгибающих моментов и инерционных нагрузок, наложенных на пакет, также влияют на наиболее вероятный режим разрушения. Высокочастотные низкоамплитудные нагрузки могут привести к усталостным разрушениям конструкции, что может явиться основной причиной отказа( низкая/высокая циклическая усталость, LCF относится к отказам, в которых преобладает пластическая деформация (N_f < 10^6 ), в то время как HCF обозначает отказы упругой деформации, обычно (N_f > 10^6 ) к отказу [56] -прим. авт.) Окончательное расположение элементов на печатной плате будет определять причину отказа, который может произойти из-за напряжения в отдельном компоненте, вызванного инерционной нагрузкой или локальными изгибающими моментами. Наконец, надо учесть влияние человеческого фактора и производственных особенностей, что увеличивает вероятность появления отказа оборудования.
Wann Dir eng bedeitend Unzuel vun Inputfaktoren an hir komplex Interaktioun berücksichtegt, gëtt et kloer firwat eng effektiv Method fir d'Zouverlässegkeet vun der elektronescher Ausrüstung virauszesoen ass nach net erstallt. Ee vun de Literaturrezensiounen, déi vun den Autoren zu dësem Thema recommandéiert sinn, gëtt an IEEE presentéiert [26]. Wéi och ëmmer, dës Iwwerpréiwung konzentréiert sech haaptsächlech op zimlech breet Klassifikatiounen vun Zouverlässegkeetsmodeller, sou wéi d'Method fir d'Zouverlässegkeet aus Referenzliteratur virauszesoen, experimentell Donnéeën, Computermodelléierung vu Feelerbedéngungen (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), an adresséiert net Feeler. a genuch Detailer verursaacht duerch Schock a Schwéngungen. Foucher et al. Déi fréier Kuerzegkeet vun der Analyse vu PoF Methoden, besonnesch wéi applizéiert op Schock- a Schwéngungsfehler, verdéngt hir weider Iwwerleeung. Eng IEEE-ähnlech Iwwerpréiwung ass amgaang vun der AIAA kompiléiert ze ginn, awer den Ëmfang vun der Iwwerpréiwung ass zu dësem Zäitpunkt onbekannt.
3. Evolutioun vun Zouverlässegkeet Prévisiounsmethoden
Déi fréierst Zouverlässegkeetsprediktiounsmethod, entwéckelt an den 1960er Joren, ass am Moment am MIL-HDBK-217F beschriwwen [44] (Mil-Hdbk-217F ass déi lescht a lescht Versioun vun der Method, verëffentlecht am Joer 1995 - Notiz vum Auteur) Benotzt Dës Method benotzt eng Datebank vun elektroneschen Ausrüstungsfehler fir den duerchschnëttleche Liewensdauer vun engem gedréckte Circuit Board aus bestëmmte Komponenten ze kréien. Dës Method ass bekannt als Method fir Zouverlässegkeet aus Referenz an normativ Literatur virauszesoen. Och wann d'Mil-Hdbk-217F ëmmer méi al ass, ass d'Referenzmethod nach haut benotzt. D'Aschränkungen an Ongenauegkeeten vun dëser Methode goufen gutt dokumentéiert [42,50], wat zu der Entwécklung vun dräi Klassen vun alternativ Methoden féiert: Computermodelléierung vu kierperleche Feelerbedéngungen (PoF), experimentell Daten a Feldtestdaten.
PoF Methoden virauszesoen Zouverlässegkeet analytesch ouni op virdrun gesammelt Donnéeën ze vertrauen. All PoF Methoden hunn zwee gemeinsam Charakteristiken vun der klassescher Method beschriwwen am Steinberg [62]: éischtens, d'Vibrationsreaktioun vum gedréckte Circuit Board op e spezifesche Schwéngungsreiz gëtt gesicht, duerno ginn d'Feelekriterien vun eenzelne Komponenten no der Schwéngungsbelaaschtung getest. E wichtege Fortschrëtt bei PoF Methoden ass d'Benotzung vu verdeelt (duerchschnëttlech) Boardeigenschaften fir séier e mathematesche Modell vun engem gedréckte Circuit Board ze generéieren [54], wat d'Komplexitéit an d'Zäit verbraucht huet fir d'Vibratiounsreaktioun vun engem gedréckte präzis ze berechnen. Circuit Verwaltungsrot (kuckt Sektioun 8.1.3). Rezent Entwécklungen an PoF Techniken hunn Feeler Prediction fir Uewerfläch Montéierung Technologie (SMT) soldered Komponente verbessert; awer, mat Ausnam vun der Barkers Method [59], dës nei Methode sinn nëmmen applicabel fir ganz spezifesch Kombinatioune vun Komponente a gedréckt Circuit Conseils. Et gi ganz wéineg Methoden verfügbar fir grouss Komponenten wéi Transformatoren oder grouss Kondensatoren.
Experimentell Datemethoden verbesseren d'Qualitéit an d'Fäegkeete vum Modell, deen an Zouverlässegkeetsprediktiounsmethoden baséiert op Referenzliteratur. Déi éischt Method baséiert op experimentellen Donnéeën fir d'Zouverlässegkeet vun elektronescher Ausrüstung virauszesoen, gouf an engem 1999 Pabeier beschriwwen mat der HIRAP (Honeywell In-Service Reliability Assessment Program) Method, déi bei Honeywell geschaf gouf, Inc. [20]. D'Method vun experimentellen Donnéeën huet eng Rei vu Virdeeler iwwer Methoden fir Zouverlässegkeet virauszesoen mat Referenz an normativ Literatur. Viru kuerzem sinn vill ähnlech Methoden opgetaucht (REMM an TRACS [17], och FIDES [16]). D'Method vun experimentellen Donnéeën, wéi och d'Method fir d'Zouverlässegkeet vun der Referenz an der normativer Literatur virauszesoen, erlaabt eis net zefriddestellend de Layout vum Board an d'Operatiounsëmfeld vu senger Operatioun bei der Bewäertung vun der Zouverlässegkeet ze berücksichtegen. Dëse Defizit kann korrigéiert ginn andeems Dir Feelerdaten aus Brieder benotzt, déi am Design ähnlech sinn, oder vu Brieder, déi ähnlech Operatiounsbedéngungen ausgesat sinn.
Experimentell Datemethoden hänkt vun der Disponibilitéit vun enger extensiv Datebank mat Crashdaten iwwer Zäit of. All Fehlertyp an dëser Datebank muss korrekt identifizéiert ginn a seng Rootursaach bestëmmt. Dës Zouverlässegkeet Bewäertungsmethod ass gëeegent fir Firmen déi déiselwecht Aart vun Ausrüstung a grousse genuch Quantitéite produzéieren, sou datt eng bedeitend Unzuel vu Feeler veraarbecht kënne ginn fir d'Zouverlässegkeet ze bewäerten.
Methoden fir d'Zouverlässegkeet vun elektronesche Komponenten ze testen sinn zënter der Mëtt vun den 1970er Joren am Gebrauch a ginn typesch a beschleunegt an net-beschleunegt Tester opgedeelt. D'Basis Approche ass d'Hardware Testrun ze maachen déi dat erwaart Betribsëmfeld sou realistesch wéi méiglech erstellt. Tester ginn duerchgefouert bis e Feeler geschitt, sou datt de MTBF (Mean Time Between Failures) virausgesot gëtt. Wann den MTBF als ganz laang geschat gëtt, da kann d'Testdauer duerch beschleunegt Tester reduzéiert ginn, wat erreecht gëtt andeems d'Betribsëmfeldfaktoren eropgeet an eng bekannt Formel benotzt fir den Ausfallquote am beschleunegten Test mat der Erwaardungsquote ze bezéien. Operatioun. Dësen Test ass vital fir Komponenten mat engem héije Risiko vum Echec well et dem Fuerscher den héchsten Niveau vu Vertrauensdaten ubitt, awer et wier onpraktesch et fir Board Design Optimiséierung ze benotzen wéinst de laangen Iteratiounszäiten vun der Studie.
Беглый обзор работ, опубликованных в 1990-х годах, позволяет предположить, что это был период, когда методы с использованием экспериментальных данных, тестовых данных и методы PоF конкурировали друг с другом, чтобы заменить устаревшие методы прогнозирования надежности по справочно-нормативной литературе. При этом каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, и при правильном использовании, дает ценные результаты. Вследствие этого, IEEE недавно выпустил стандарт [26], в котором перечислены все применяющиеся методы прогнозирования надежности на сегодняшний день. Цель IEEE состояла в том, чтобы подготовить руководство, которое обеспечило бы инженеру информацию обо всех доступных методах, а также о достоинствах и недостатках, присущих каждому методу. Хотя подход IEEE все еще находится в начале долгого пути эволюции, он, по-видимому, имеет свои собственные достоинства, поскольку AIAA (Американский институт аэронавтики и астронавтики) вслед за ним выпускает руководство, называемое S-102, которое похоже на IEEE, но также учитывает относительное качество данных от каждого метода [27]. Эти руководства предназначены только для того, чтобы свести воедино методы, которые циркулируют во всей мировой литературе, изданной по этим вопросам.
4. Отказы, произошедшие от воздействия вибрации
Большая часть из прошлых исследований главным образом была сфокусирована на случайной вибрации как нагрузке PCB, однако следующее исследование специфически рассматривает отказы, связанные с ударом. Такие методы не будут обсуждаться здесь полностью, поскольку они подпадают под классификацию методов PoF и рассматриваются в разделах 8.1 и 8.2 этой статьи. Хин и др. [24] создали тестовую плату для проверки сохранности паяных соединений BGA при воздействии ударов. Лау и др. [36] описали надежность компонентов PLCC, PQFP и QFP, находящихся под ударом вдоль плоскости и вне плоскости. Pitarresi и др. [53,55] рассмотрели отказы материнских плат компьютеров от действия ударных нагрузок и привели хороший обзор литературы, описывающей электронное оборудование при «ударном» воздействии. Штейнберг [62] приводит целую главу, посвященную проектированию и анализу электронного оборудования, подвергнутого удару, рассматривая как способы прогнозирования ударной среды, так и методы обеспечения работоспособности электронных компонентов. Сухир [64,65] описал ошибки в линейных расчетах отклика печатной платы на ударную нагрузку, приложенную к креплениям платы. Таким образом, в справочных методах и методах экспериментальных данных могут рассматриваться связанные с ударом отказы оборудования, но в этих методах «ударные» отказы описываются неявно.
5. Справочные методы
Vun all de verfügbaren Methoden, déi an den Handbuch beschriwwe ginn, wäerte mir eis op nëmmen zwee limitéieren déi Schwéngungsfehler berücksichtegen: Mil-Hdbk-217 an CNET [9]. Mil-Hdbk-217 ass als Standard vun de meescht Hiersteller ugeholl. Wéi all manuell a Referenzmethoden baséieren se op empireschen Approchen déi Zil hunn d'Komponent Zouverlässegkeet aus experimentellen oder Labordaten virauszesoen. D'Methoden, déi an der Referenzliteratur beschriwwe sinn, si relativ einfach ze implementéieren, well se keng komplex mathematesch Modellerung erfuerderen a benotzen nëmmen Zorte vun Deeler, Unzuel vun Deeler, Operatiounsbedingunge vum Board an aner liicht zougänglech Parameteren. D'Inputdaten ginn dann an de Modell agefouert fir d'Zäit tëscht Feeler, MTBF, ze berechnen. Trotz senge Virdeeler gëtt Mil-Hdbk-217 manner a manner populär [12, 17,42,50,51]. Loosst eis eng onkomplett Lëscht vu Restriktiounen iwwer seng Applikatioun betruechten.
- Данные становятся все более устаревшими, поскольку они были обновлены в последний раз в 1995 году и не имеют отношения к новым компонентам, нет никаких шансов на пересмотр модели, поскольку совет по совершенствованию стандартов обороны решил позволить методу “умереть естественной смертью” [26].
- D'Methode gëtt keng Informatioun iwwer den Echec Modus, sou datt de PCB Layout net verbessert oder optimiséiert ka ginn.
- D'Modeller dovun ausgoen, datt Echec Design onofhängeg ass, ignoréiert de Layout vun Komponente op der PCB, Ee, Komponent Layout ass bekannt e groussen Impakt op d'Wahrscheinlechkeet vun Echec ze hunn. [50] Eng.
- Собранные эмпирические данные содержат много неточностей, используются данные от компонентов первого поколения с неестественно высокой частотой отказов, обусловленной ошибочными записями времени работы, ремонта и т.д., что уменьшает достоверность результатов прогнозирования надежности [51].
All dës Defiziter weisen datt d'Benotzung vu Referenzmethoden sollt vermeit ginn, awer an de Grenze vun der Zoulässegkeet vun dëse Methoden muss eng Rei Ufuerderunge vun der technescher Spezifizéierung ëmgesat ginn. Dofir sollten Referenzmethoden nëmme benotzt ginn, wann et passend ass, d.h. an de fréie Stadien vum Design [46]. Leider sollt och dës Notzung mat e puer Vorsicht ugesi ginn, well dës Aarte vu Methoden zënter 1995 net iwwerschafft goufen. Dofir sinn Referenzmethoden inherent schlecht Prädiktoren vun der mechanescher Zouverlässegkeet a solle mat Vorsicht benotzt ginn.
6. Методы тестовых данных
Методы тестовых данных являются самыми простыми из доступных методов прогнозирования надежности. Прототип предлагаемой конструкции печатной платы подвергается вибрациям среды, воспроизведенным на лабораторном стенде. Далее производится анализ параметров разрушения (MTTF, ударный спектр), затем это используется для вычисления показателей надежности [26]. Метод тестовых данных следует использовать с учетом его преимуществ и недостатков.
Главным преимуществом методов тестовых данных является высокая точность и достоверность результатов, поэтому для оборудования с высоким риском отказов заключительный этап процесса проектирования всегда должен включать квалификационное испытание на вибропрочность. Недостатком является длительное время изготовления, установки и нагружения испытательного образца, что делает метод непригодным для конструктивных усовершенствований оборудования с высокой вероятностью отказа. Для способа итерационного процесса проектирования изделия следует рассмотреть более быстрый метод. Время воздействия нагрузок может быть сокращено с помощью ускоренных испытаний, если имеются достоверные модели для последующего расчета фактического срока службы [70,71]. Однако, методы ускоренных испытаний больше подходят для моделирования тепловых отказов, чем вибрационных отказов. Это объясняется тем, что для проверки воздействия на оборудование тепловых нагрузок требуется меньше времени, чем для проверки воздействия вибрационных нагрузок. Действие вибрации может проявиться в изделии только через длительное время.
Als Konsequenz ginn Testmethoden allgemeng net fir Schwéngungsfehler benotzt, ausser et gëtt extenuéierend Ëmstänn, sou wéi niddereg Spannungen, déi zu ganz laangen Zäiten zu Echec resultéieren. Beispiller vun Dateverifikatiounsmethoden kënnen an de Wierker vum Hart gesi ginn [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al. [57], Liguore and Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih and Jung [30]. Eng gutt allgemeng Iwwersiicht vun der Method gëtt an IEEE [26].
7. Методы экспериментальных данных
D'experimentell Datemethod baséiert op Feelerdaten vun ähnlechen gedréckte Circuitboards, déi ënner spezifizéierte Betribsbedingunge getest goufen. D'Methode ass nëmme richteg fir gedréckte Circuitboards déi ähnlech Lasten erliewen. Déi experimentell Datemethod huet zwee Haaptaspekter: d'Konstruktioun vun enger Datebank vu Feeler vun elektronesche Komponenten an d'Ëmsetzung vun der Method baséiert op dem proposéierten Design. Fir eng adequat Datebank ze bauen, muss et relevant Feelerdaten sinn, déi aus ähnlechen Design gesammelt goufen; dat heescht, datt Donnéeën iwwer Feeler vun ähnlechen Equipement muss existéieren. Feelhaft Ausrüstung muss och analyséiert ginn an d'Statistike richteg gesammelt ginn, et ass net genuch ze soen datt e bestëmmte PCB Design no enger gewësser Zuel vu Stonnen gescheitert ass, d'Plaz, d'Feelermodus an d'Ursaach vum Echec muss bestëmmt ginn. Ausser all fréier Feelerdaten grëndlech analyséiert goufen, gëtt eng laang Period vun Datesammlung erfuerderlech ier déi experimentell Datemethod benotzt ka ginn.
Возможным обходным путем для этого ограничения является реализация высокоускоренного жизненного цикла тестирования (HALT) для целей быстрого построения базы данных интенсивности отказов, хотя точное воспроизведение параметров среды является сложным, но жизненно необходимым [27]. Описание второго этапа реализации метода экспериментальных данных можно прочитать в статье [27], где показано, как предсказать MTBF для предлагаемой конструкции, если испытываемая конструкция получена модификацией существующей платы, для которой уже существуют подробные данные об отказах. Другие обзоры методов экспериментальных данных описаны различными авторами в [11,17,20,26].
8. Компьютерное моделирование условий отказа (PoF)
Методы компьютерного моделирования условий отказа, также называемые моделями напряжений и повреждений, или моделями PoF, реализуются в двухэтапном процессе прогнозирования надежности. Первый этап включает в себя поиск реакции печатной платы на динамическую нагрузку, наложенную на нее, на втором этапе производится расчет ответа модели для обеспечения заданного показателя надежности. Большая часть литературы чаще всего посвящена как методу прогнозирования ответа, так и процессу поиска критериев отказа. Эти два метода лучше всего воспринимаются при независимом описании, поэтому в настоящем обзоре эти два этапа будут рассмотрены отдельно.
Между этапами прогнозирования ответа и поисками критериев отказа в модель передается набор данных, созданный на первом этапе и используемый на втором. Переменная отклика эволюционировала от использования входного ускорения на шасси [15,36,37,67], через фактическое ускорение, испытываемое компонентом для учета различных вибрационных откликов различных макетов печатных плат [40], и наконец, к рассмотрению локального отклонения [62] или локальных изгибающих моментов [59], испытываемых печатной платой, локальной для компонента.
Было отмечено, что отказ является функцией расположения компонентов на печатной плате [21,38], поэтому модели, учитывающие локальную вибрационную реакцию, скорее всего, будут точными. Выбор того, какой параметр (локальное ускорение, локальное отклонение или изгибающий момент) является определяющим для отказа, зависит от конкретного случая.
Если используются компоненты SMT, то кривизна или изгибающие моменты могут быть наиболее существенными для отказа, для тяжелых компонентов обычно в качестве критериев отказа используются локальные ускорения. К сожалению, не было проведено ни одного исследования с целью показать, какой тип критериев является наиболее подходящим в том или ином наборе входных данных.
Важно учитывать пригодность любого используемого метода PoF, так как нецелесообразно использовать любой метод PoF, аналитический либо в виде FE (конечноэлементного метода), который не был бы подтвержден данными лабораторных испытаний. Кроме того, важно использовать любую модель только в пределах ее применимости, что, к сожалению, ограничивает область применимости большинство современных моделей PoF только использованием в очень специфических и ограниченных условиях. Хорошие примеры обсуждения методов PoF описываются различными авторами [17,19,26,49].
8.1. Äntwert Prediction
Прогнозирование отклика связано с использованием геометрии и свойств материала конструкции для вычисления требуемой переменной отклика. Ожидается, что на этом этапе будет получен только общий отклик базовой печатной платы, а не отклик отдельных компонентов. Существуют три основных типа метода прогнозирования отклика: аналитические, подробные модели FE и упрощенные модели FE, описанные ниже. Эти методы сосредоточены на включении эффектов жесткости и массы добавленных компонентов, однако важно не упускать из виду важность точного моделирования вращательной жесткости на краю печатной платы, поскольку это тесно связано с точностью модели (это обсуждается в разделе 8.1.4). Фиг. 1. Пример детальной модели печатной платы [53].
8.1.1. Аналитическое предсказание отклика
Steinberg [62] bitt déi eenzeg analytesch Method fir d'Vibrationsreaktioun vun engem gedréckte Circuit Board ze berechnen. De Steinberg seet datt d'Amplitude vun der Schwéngung bei der Resonanz vun enger elektronescher Eenheet zweemol d'Quadratwurz vun der Resonanzfrequenz ass; dës Ausso baséiert op net verfügbaren Donnéeën a kann net verifizéiert ginn. Dëst erlaabt d'dynamesch Oflehnung bei der Resonanz analytesch berechent ze ginn, déi dann benotzt ka ginn fir entweder déi dynamesch Belaaschtung vun engem schwéiere Bestanddeel oder d'Krümmung vum gedréckte Circuit Board ze berechnen. Dës Method produzéiert net direkt lokal PCB Äntwert an ass nëmme kompatibel mat der deflection-baséiert Echec Critèren beschriwwen vum Steinberg.
Обоснованность предположения о распределении передаточной функции на основании измерения амплитуд является сомнительной, поскольку Питарреси и др. [53] измерили критическое затухание в 2% для материнской платы компьютера, в то время как использование предположения Штейнберга дало бы 3,5% (на основе собственной частоты 54 Гц), что привело бы к большой недооценке отклика платы на вибрацию.
8.1.2. Детальные модели FE
E puer Autoren weisen d'Benotzung vun detailléierte FE Modeller fir d'Vibratiounsreaktioun vun engem gedréckte Circuit Board ze berechnen [30,37,53, 57,58] (Figure 1-3 weist Beispiller mat engem erhéichten Detailniveau), awer d'Benotzung vun dësen Methoden sinn net fir e kommerziellen Produkt recommandéiert (ausser nëmmen eng korrekt Prognose vun der lokaler Äntwert ass net absolut néideg) well d'Zäit déi néideg ass fir sou e Modell ze bauen an ze léisen exzessiv ass. Vereinfacht Modeller produzéieren Daten vu passender Genauegkeet vill méi séier a mat méi niddrege Käschten. D'Zäit déi néideg ass fir en detailléierte FE Modell ze bauen an ze léisen kann reduzéiert ginn andeems Dir d'JEDEC 4 Fréijoerskonstanten benotzt, déi an [33-35] publizéiert ginn, kënnen dës Fréijoerskonstanten amplaz vum detailléierte FE Modell vun all Drot benotzt ginn. Zousätzlech kann d'Ënnerstrukturmethod (heiansdo als Superelementmethod bekannt) implementéiert ginn fir d'Berechnungszäit ze reduzéieren déi néideg ass fir detailléiert Modeller ze léisen. Et sollt bemierkt ginn datt detailléiert FE Modeller dacks d'Linnen tëscht Äntwertsprevisioun an Echec Critèrë verschwannen, sou datt d'Aarbecht déi hei referenzéiert ass och ënner der Lëscht vu Wierker falen, déi Versoen Critèren enthalen.
8.1.3. Распределенные модели FE
Упрощенные FE модели уменьшают время создания и решения модели. Добавленная компонентная масса и ее жесткость могут быть представлены простым моделированием пустой печатной платы с увеличенной массой и жесткостью, где эффекты массы и жесткости включаются локальным увеличением модуля Юнга печатной платы.
Фиг. 2. Пример детальной модели компонента QFP, использующего симметрию для упрощения процесса моделирования и сокращения времени решения [36]. Фиг. 3. Пример детальной FE-модели J-свинца [6].
Коэффициент увеличения жесткости может быть рассчитан путем физического вырезания присоединенного элемента и применения методов испытания на изгиб [52]. Pitarresi и соавт. [52,54] рассмотрели эффект упрощения добавленной массы и жесткости, обеспечиваемой компонентами, прикрепленными к печатной плате.
В первой работе рассматривается единичный случай упрощенной FE-модели печатной платы, проверенной на основе экспериментальных данных. Основная область интереса этой статьи заключается в определении распределенных свойств, с тем замечанием, что для точной модели требуется высокая точность жесткости при кручении.
Во второй статье рассматриваются пять различных заполненных печатных плат, каждая из которых моделируется несколькими различными уровнями упрощения ее состава. Эти модели сравниваются с экспериментальными данными. В заключение этой статьи приводятся некоторые поучительные наблюдения корреляции между отношениями массы и жесткости и точностью модели. Обе эти статьи используют только собственные частоты и MКО (модальные критерии обеспечения) для определения корреляции между двумя моделями. К сожалению, ошибка в собственной частоте не может дать никакой информации об ошибке в локальных ускорениях или изгибающих моментах, также MКО может дать только общую корреляцию между двумя собственными формами, но не может быть использована для процентного вычисления ошибки ускорения или кривизны. Используя комбинацию численного анализа и компьютерного моделирования, Cifuentes [10] делает следующие четыре наблюдения.
- Simuléiert Modi mussen op d'mannst 90% vibréierend Mass fir eng korrekt Analyse enthalen.
- В случае, когда отклонения платы сопоставимы с ее толщиной, нелинейный анализ может быть более подходящим, чем линейный.
- Kleng Feeler an der Komponentplacement kënne grouss Feeler bei der Äntwertmiessung verursaachen.
- Точность измерения отклика более чувствительна к ошибкам в массе, чем жесткость.
8.1.4. Grenz Konditiounen
De PCB Randrotatiounssteifheitskoeffizient huet e wesentlechen Impakt op d'Genauegkeet vun der berechent Äntwert [59], an ofhängeg vun der spezifescher Konfiguratioun ass vill méi grouss wéi déi zousätzlech Komponentmass a Steifheit. D'Modellering vun der Rotatiounskantsteifheet als Null (wesentlech just e ënnerstëtzten Zoustand) produzéiert normalerweis konservativ Resultater, während d'Modellering als enk ageklemmt normalerweis d'Resultater ënnerschat, well souguer déi steifste PCB-Spannmechanismus net e voll ageklemmten Randbedéngung garantéieren. Barker a Chen [5] validéieren d'analytesch Theorie mat experimentellen Resultater fir ze weisen wéi d'Randrotatiounssteifheet d'natierlech Frequenz vun engem PCB beaflosst. D'Haaptfunktioun vun dëser Aarbecht ass déi staark Korrelatioun tëscht Randrotatiounssteifheet an natierleche Frequenzen, konsequent mat der Theorie. Dëst bedeit och datt grouss Feeler an der Modelléierung vun der Randrotatiounssteifheet zu grousse Feeler an der Äntwertsprognose féieren. Och wann dës Aarbecht an engem bestëmmte Fall berücksichtegt gouf, ass et applicabel fir all Zorte vu Grenzbedéngungsmechanismen ze modelléieren. Benotzt experimentell Daten aus Lim et al. [41] gëtt e Beispill wéi d'Randrotatiounssteifheet berechent ka ginn fir FE an engem PCB-Modell ze benotzen; dëst gëtt erreecht mat enger Method adaptéiert vu Barker a Chen [5]. Dëst Wierk weist och wéi een déi optimal Plaz vun all Punkt an enger Struktur bestëmmen fir natierlech Frequenzen ze maximéieren. Wierker déi speziell den Effet vun der Ännerung vun de Grenzbedéngungen berücksichtegen fir d'Vibratiounsreaktioun ze reduzéieren existéieren och vu Guo an Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti and Schwingshackl [3], Lim et al. [41] Eng.
8.1.5. Schock- a Schwéngungsimpact Prognosen
Pitarresi и соавт. [53-55] используют детальную FE-модель PCB для того, чтобы предсказать реакцию на удар и вибрацию для платы с компонентами, представленными в виде 3D — блоков. Эти модели использовали экспериментально определенные постоянные коэффициенты демпфирования для улучшения прогноза отклика при резонансе. Для прогнозирования реакции на удар были сопоставлены спектр ударной реакции (SRS) и методы временной прогонки, причем оба метода являются компромиссом между точностью и временем решения.
8.2. Критерии отказа
Feeler Critèren huelen eng Moossnam vun der PCB Äntwert a benotzen se fir eng Feeler Metrik ofzeleeën, wou d'Feeler Metrik mëttlerer Zäit tëscht Feeler (MTBF), Zyklen zum Echec, Wahrscheinlechkeet vun engem Feelerfräien Operatioun oder all aner Zouverlässegkeet Metrik ka sinn (kuckt) IEEE [26]; Jensen [28] 47]; O'Connor [XNUMX] fir eng Diskussioun iwwer Echec Metriken). Déi vill verschidde Approche fir dës Donnéeën ze generéieren kënne bequem an analytesch an empiresch Methoden opgedeelt ginn. Empiresch Methoden generéieren Echec Critère Daten andeems Testexemplare vu Komponenten op déi erfuerderlech dynamesch Belaaschtung gelueden ginn. Leider, wéinst der breet Palette vun Inputdaten (Komponententypen, PCB-Dicken a Lasten) déi an der Praxis méiglech sinn, sinn déi publizéiert Donnéeën onwahrscheinlech direkt applicabel well d'Donnéeën nëmmen a ganz spezielle Fäll gëlteg sinn. Analytesch Methoden leiden net vun esou Nodeeler an hunn vill méi breet Uwendung.
8.2.1. Эмпирические критерии отказа
Wéi virdru scho gesot, ass eng Begrenzung vun de meescht empiresche Modeller datt se nëmme fir Konfiguratiounen applicabel sinn, déi déiselwecht PCB-Dicke, ähnlech Komponententypen an Inputbelaaschtung involvéieren, wat onwahrscheinlech ass. Wéi och ëmmer, déi verfügbar Literatur ass nëtzlech aus de folgende Grënn: et bitt gutt Beispiller fir Ausféierung vun Echec Tester, beliicht verschidden Optiounen fir Feeler Metriken, a liwwert wäertvoll Informatioun iwwer d'Mechanik vum Echec. Li [37] huet en empiresche Modell erstallt fir d'Zouverlässegkeet vun 272-Pin BGA an 160-Pin QFP Packagen virauszesoen. Middegkeet Schued an den Dirigenten an am Package Kierper gëtt ënnersicht, an d'experimentell Resultater sinn am gudden Accord mat Stress-baséiert Schued Analyse berechent mat engem detailléierte FE Modell (kuckt och Li an Poglitsch [38,39]). De Prozess produzéiert kumulative Schued fir e bestëmmten Niveau vun der Schwéngungsbeschleunegung vum Schwéngungsinputsignal.
Лау и др. [36] оценили надежность конкретных компонентов при ударной и вибрационной нагрузке, используя статистику Вейбулла. Liguore и Followell [40] рассмотрели отказы LLCC и J-свинцовых компонентов, изменяя локальное ускорение в циклах эксплуатации. Локальное ускорение используется в отличие от входного ускорения шасси, кроме этого, было исследовано влияние температуры на результаты испытаний. В статье также делается ссылка на исследование влияния толщины печатной платы на надежность компонентов.
Guo an Zhao [21] vergläichen d'Zouverlässegkeet vu Komponenten wann lokal Torsiounskrümmung als Laascht benotzt gëtt, am Géigesaz zu fréiere Studien déi Beschleunigung benotzt hunn. Middegkeet Schued gëtt simuléiert, da gëtt de FE Modell mat experimentellen Resultater verglach. Den Artikel diskutéiert och d'Optimiséierung vum Komponent Layout fir d'Zouverlässegkeet ze verbesseren.
Ham a Lee [22] presentéieren eng Testdatenmethod fir de Problem vun der Bestëmmung vun der Leadsolderspannung ënner zyklescher Torsiounsbelaaschtung. Estes et al.. [15] considéréiert den Echec Problem vun gullwing Komponente (GOST IEC 61188-5-5-2013) mat ugewandt Input Beschleunegung an thermesch Laascht. D'Komponente studéiert sinn Chip Package Typen CQFP 352, 208, 196, 84 an 28, souwéi FP 42 an 10. Den Artikel ass dem Ausfall vun elektronesche Komponenten duerch Schwankungen an der Ëmlafbunn vun engem geostationären Äerdsatellit gewidmet, d'Zäit. tëscht Feeler gëtt a punkto Jore vum Fluch op geostationären oder niddereg Äerdbunnen uginn. Et gëtt bemierkt datt Echec vun gullwing Dréit ofgepëtzt ass méi wahrscheinlech op Plazen a Kontakt mat der Pak Kierper wéi op der solder gemeinsame.
Джих и Юнг [30] рассматривают отказы оборудования, вызванные врожденными производственными дефектами в паяном соединении. Это делается путем создания очень подробной FE модели печатной платы и нахождения спектральной плотности мощности (PSD) для различных длин производственных трещин. В работах Ligyore, Followell [40] и Shetty, Reinikainen [58] предполагается, что эмпирические методы создают наиболее точные и полезные данные об отказах для конкретных конфигураций присоединенных компонентов. Такого рода методы используются, если определенные входные данные (толщина платы, тип компонента, диапазон кривизны) могут быть приняты постоянными на все время проектирования, или если пользователь может позволить себе выполнить реальные тесты такого рода.
8.2.2. Analytesch Echec Critère
SMT Modeller vun Corner Gelenker
Различные исследователи, рассматривающие отказы угловых выводов SMT, предполагают, что это наиболее распространенная причина отказа. Статьи Сидхарта, Баркера [59] завершают более раннюю серию работ, представляя модель для определения деформации угловых выводов SMT и контурных свинцовых компонентов. Предложенная модель имеет погрешность менее 7% по сравнению с детализированной FE моделью для шести наихудших сценариев. Модель основана на формуле, опубликованной ранее Баркером и Сидхартом [4], где моделировался прогиб присоединенной детали, подверженной изгибающему моменту. В статье Сухира [63] аналитически рассматриваются напряжения, ожидаемые в пакетных выводах, обусловленные локально приложенными изгибающими моментами. Баркер и Сидхарт [4] опираются на работу Сухира [63], Баркера и др. [4], в которой рассматривается влияние ведущей вращательной жесткости. Наконец, Баркер и др. [7] использовали детальные FE модели для изучения влияния размерных вариаций свинца на усталостную долговечность свинца.
Et ass ubruecht hei d'Aarbecht op JEDEC Bläi Fréijoerskonstanten ze ernimmen, déi d'Schafung vu Modeller vu Bläikomponenten staark vereinfacht hunn [33-35]. Fréijoerskonstanten kënnen amplaz vun engem detailléierte Modell vu Leadverbindungen benotzt ginn; D'Zäit déi néideg ass fir de FE Modell ze bauen an ze léisen gëtt am Modell reduzéiert. D'Benotzung vun esou Konstanten am Komponent FE Modell verhënnert direkt Berechnung vun lokal Leedung Spannungen. Amplaz gëtt de globale Bläi-Belaaschtung uginn, wat dann entweder mat lokalen Bleibelastungen oder Bleifehlerkriterien baséiert op dem Liewenszyklus vum Produkt bezunn ass.
Данные по усталости материала
Déi meescht Donnéeën iwwer den Echec vu Materialien, déi fir Solder a Komponenten benotzt ginn, bezéien sech haaptsächlech op thermesche Versoen, a relativ wéineg Daten existéieren am Zesummenhang mat Müdegkeetsfehler. Eng grouss Referenz an dësem Beräich gëtt vum Sandor [56] geliwwert, deen Daten iwwer d'Mechanik vun der Ermüdung an der Echec vun de Solderlegierungen ubitt. Steinberg [62] betruecht den Echec vun solder Echantillon. Middegkeet Daten fir Standard solders an Dréit ofgepëtzt sinn am Yamada d'Pabeier sinn [69].
Фиг. 4. Обычное положение отказа из руководства для компонентов QFP, близко к телу пакета.
Modelléierungsfehler verbonne mat Lötdebonding ass Erausfuerderung wéinst den ongewéinlechen Eegeschafte vun dësem Material. D'Léisung fir dës Fro hänkt vun der Komponent of, déi getest muss ginn. Et ass bekannt datt fir QFP Packagen dëst normalerweis net berücksichtegt gëtt, an Zouverlässegkeet gëtt mat Referenzliteratur bewäert. Awer wann d'Lötung vu grousse BGA- a PGA-Komponenten berechent gëtt, da kënne Leadverbindungen, wéinst hiren ongewéinlechen Eegeschaften, den Ausfall vum Produkt beaflossen. Also, fir QFP Packagen, sinn Bläi Middegkeet Eegeschafte déi nëtzlechst Informatioun. Fir BGA ass d'Informatioun iwwer d'Haltbarkeet vun de solder Gelenker, déi direkt plastescher Deformatioun ënnerworf sinn, méi nëtzlech [14]. Fir gréisser Komponente, Steinberg [62] stellt solder gemeinsame auszeschalten Spannungsdaten.
Schwéier Komponent Feeler Modeller
Déi eenzeg Echec Modeller datt fir schwéier Komponente existéieren, sinn an engem Pabeier vun Steinberg presentéiert [62], déi d'Trensile Kraaft vun Komponente ënnersicht a gëtt e Beispill vun wéi de maximal zulässlech Stress ze berechnen, datt op eng Féierung Verbindung applizéiert ginn.
8.3. Выводы о применимости моделей PoF
Déi folgend Conclusiounen goufen an der Literatur iwwer PoF Methoden gemaach.
Локальный отклик имеет решающее значение для прогнозирования отказа компонентов. Как отмечается в Li, Poglitsch [38], компоненты на краях печатной платы менее подвержены отказу, чем те, которые расположены в центре PCB из-за локальных различий в изгибе. Следовательно, компоненты в разных местах на печатной плате будут иметь разные вероятности отказа.
Локальная кривизна платы считается более важным критерием отказа, чем ускорение для компонентов SMT. В последних работах [38,57,62,67] указывается, что кривизна платы является основным критерием отказа.
Различные типы пакетов, как по количеству выводов, так и по используемому типу, по своей сути являются более надежными, чем другие, независимо от конкретной локальной среды [15,36,38].
Temperatur kann d'Zouverlässegkeet vun Komponente Afloss. Liguore a Followell [40] soen datt d'Müdegkeetsliewen am Temperaturberäich vun 0 ◦C bis 65 ◦C héchst ass, mat enger merkbarer Ofsenkung bei Temperaturen ënner -30 ◦C an iwwer 95 ◦C. Fir QFP Komponente gëtt de Standort wou den Drot un de Package befestegt (kuckt Fig. 4) als primär Feelerplaz ugesinn anstatt d'Lötverbindung [15,22,38].
Толщина платы оказывает определенное влияние на усталостную долговечность компонентов SMT, так как усталостная долговечность BGA, как было показано, уменьшается примерно в 30-50 раз, если толщина платы увеличивается с 0,85 мм до 1,6 мм (при сохранении постоянной общей кривизны) [13]. Гибкость (податливость) компонентных выводов заметно влияет на надежность периферийных свинцовых компонентов [63], однако это нелинейная зависимость, и выводы промежуточного соединения элементов наименее надежны.
8.4. Software Methoden
Den Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) vun der University of Maryland bitt Software fir d'Vibratioun an d'Schockreaktioun vu gedréckte Circuitboards ze berechnen. D'Software (genannt CALCE PWA) huet eng User-Interface déi de Prozess vum FE-Modell vereinfacht an automatesch d'Äntwertberechnung an de Schwéngungsmodell agitt. Et gi keng Viraussetzungen déi benotzt gi fir de FE-Reaktiounsmodell ze kreéieren, an d'Feelekriterien déi benotzt gi sinn aus Steinberg geholl [61] (obwuel d'Barkers Method [48] och erwaart gëtt ëmgesat ze ginn). Fir allgemeng Empfehlungen fir d'Zouverlässegkeet vun der Ausrüstung ze verbesseren, funktionnéiert déi beschriwwe Software gutt, besonnesch well se gläichzäiteg thermesch induzéiert Spannungen berücksichtegt a minimal spezialiséiert Wëssen erfuerdert, awer d'Genauegkeet vun den Ausfällekriterien an de Modeller ass net experimentell verifizéiert.
9. Methoden fir d'Zouverlässegkeet vun der Ausrüstung ze erhéijen
Dës Sektioun wäert Post-Projet Modifikatioune diskutéieren, déi d'Zouverlässegkeet vun elektronescher Ausrüstung verbesseren. Si falen an zwou Kategorien: déi, déi d'Grenzkonditioune vum PCB änneren, an déi, déi d'Dämpfung erhéijen.
Основной целью модификаций граничных условий является уменьшение динамического отклонения печатной платы, это может быть достигнуто за счет ребер жесткости, дополнительных опор или уменьшения вибрации входной среды. Ребра жесткости могут быть полезны, так как они повышают собственные частоты, тем самым уменьшая динамическое отклонение [62], то же самое относится к добавлению дополнительных опор [3], хотя расположение опор также может быть оптимизировано, как показано в работах J. H. Ong и Lim [40]. К сожалению, ребра и опоры обычно требуют перепроектирования схемы компоновки, поэтому эти методы лучше всего рассматривать в начале цикла проектирования. Кроме того, следует позаботиться о том, чтобы модификации не изменяли собственные частоты так, чтобы они совпадали с собственными частотами несущей конструкции, поскольку это было бы контрпродуктивно.
Добавление изоляции позволяет улучшить надежность изделия, уменьшая влияние динамической среды, передаваемой оборудованию, и может быть достигнуто либо пассивно, либо активно.
Passiv Methoden sinn normalerweis einfach a méi bëlleg ze realiséieren, wéi zum Beispill d'Benotzung vu Kabelisolatoren [66] oder d'Benotzung vu pseudoelastesche Eegeschafte vu Form Memory Legierungen (SMA) [32]. Wéi och ëmmer, et ass bekannt datt schlecht entworf Isolatoren d'Äntwert tatsächlech erhéijen.
Aktiv Methode bidden eng besser Dämpfung iwwer e méi breet Frequenzbereich, normalerweis op Käschte vun der Einfachheet a Mass, sou datt se normalerweis geduecht sinn d'Genauegkeet vu ganz sensiblen Präzisiounsinstrumenter ze verbesseren anstatt Schued ze verhënneren. Aktiv Schwéngungsisolatioun enthält elektromagnetesch [60] a piezoelektresch Methoden [18,43]. Am Géigesaz zu Grenzbedéngungsmodifikatiounsmethoden zielt d'Dämpfungsmodifikatioun d'Spëtzeresonanzreaktioun vun elektronescher Ausrüstung ze reduzéieren, während déi tatsächlech natierlech Frequenzen nëmme liicht änneren.
Как и в случае виброизоляции, демпфирование может осуществляться как пассивным, так и активным способом, с аналогичными упрощением конструкции в первом случае и более высокой сложностью и демпфированием во втором.
Passiv Methoden enthalen zum Beispill ganz einfach Methoden wéi Bindungsmaterial, wouduerch d'Dämpfung vum gedréckte Circuit Board erhéicht gëtt [62]. Méi sophistikéiert Methoden enthalen Partikeldämpfung [68] an d'Benotzung vun breetband dynamesche Absorberen [25].
Aktiv Schwéngungssteuerung gëtt normalerweis erreecht duerch d'Benotzung vu piezokeramesche Elementer, déi un d'Uewerfläch vum gedréckte Circuit Board gebonnen sinn [1,45]. D'Benotzung vun Härtmethoden ass Fallspezifesch a muss suergfälteg a Relatioun mat anere Methoden berücksichtegt ginn. Dës Techniken op Ausrüstung uwenden, déi net bekannt ass datt se Zouverlässegkeetsprobleemer hunn, wäerten net onbedéngt d'Käschte an d'Gewiicht vum Design erhéijen. Wéi och ëmmer, wann e Produkt mat engem approuvéierten Design fällt wärend dem Test, kann et vill méi séier a méi einfach sinn eng strukturell Härtungstechnik z'applizéieren wéi d'Ausrüstung nei ze designen.
10. Возможности развития методов
Dës Sektioun detailléiert Méiglechkeeten fir d'Zouverlässegkeetsprognose vun elektronescher Ausrüstung ze verbesseren, obwuel rezent Fortschrëtter an der Optoelektronik, Nanotechnologie a Verpackungstechnologien d'Uwendbarkeet vun dëse Virschléi limitéiere kënnen. Déi véier Haaptzouverlässegkeetsprediktiounsmethoden kënnen net am Moment vum Apparatdesign benotzt ginn. Deen eenzege Faktor, deen esou Methoden méi attraktiv maache kéint, wier d'Entwécklung vu vollautomatiséierten, bëllegen Fabrikatiouns- an Testtechnologien, well dëst et erlaabt de proposéierten Design vill méi séier wéi aktuell méiglech ze bauen an ze testen, mat minimalem mënschlechen Effort.
Метод PoF имеет много возможностей для улучшения. Основная область, в которой он может быть улучшен, заключается в интеграции с общим процессом проектирования. Проектирование электронного оборудования − итерационный процесс, который приближает разработчика к готовому результату только совместно с инженерами, специализирующимися в области электроники, производства и теплотехники, проектирования конструкций. Метод, который автоматически решает некоторые из этих вопросов одновременно, позволит сократить количество итераций проектирования и сэкономить значительное количество времени, особенно при рассмотрении объема межведомственного взаимодействия. Другие области совершенствования методов PoF будут разделены на виды прогнозирования отклика и критериев отказа.
Äntwert Prognose huet zwee méiglech Weeër no vir: entweder méi séier, méi detailléiert Modeller, oder verbessert, vereinfacht Modeller. Mat dem Advent vun ëmmer méi mächtege Computerprozessoren kann d'Léisungszäit fir detailléiert FE Modeller zimlech kuerz ginn, a gläichzäiteg, dank moderner Software, ass d'Produktversammlungszäit reduzéiert, wat schlussendlech d'Käschte vun de mënschleche Ressourcen miniméiert. Vereinfacht FE Methoden kënnen och verbessert ginn duerch e Prozess fir automatesch FE Modeller ze generéieren, ähnlech wéi déi fir detailléiert FE Methoden proposéiert ginn. Automatesch Software (CALCE PWA) ass de Moment fir dësen Zweck verfügbar, awer d'Technologie ass net gutt an der Praxis bewisen an d'Modellerungsviraussetzungen sinn onbekannt.
D'Berechnung vun der Onsécherheet, déi an de verschiddene Vereinfachungsmethoden inherent ass, wier ganz nëtzlech, sou datt nëtzlech Feelertoleranzkriterien ëmgesat kënne ginn.
Наконец, была бы полезна база данных или метод для придания повышенной жесткости присоединенным компонентам, где эти повышения жесткости можно было бы использовать для повышения точности моделей отклика. Создание критериев отказа компонентов зависит от незначительной вариации аналогичных компонентов различных производителей, а также от возможной разработки новых типов упаковки, поскольку любой метод или база данных для определения критериев отказа должны учитывать такую изменчивость и изменения.
Одним из решений было бы создание метода/программного обеспечения для автоматического построения детальных FE моделей на основе входных параметров, таких как размеры свинца и упаковки. Такой метод может быть осуществим для компонентов в целом одинаковой формы, таких как компоненты SMT или DIP, но не для сложных нерегулярных компонентов, таких как трансформаторы, дроссели или нестандартные компоненты.
Последующие FE модели могут быть решены для напряжений и объединены с данными о разрушении материала (данные кривой пластичностиS-N, механика разрушения или аналогичные) для расчета срока службы компонентов, хотя данные о разрушении материала должны быть высокого качества. Процесс FE должен быть соотнесен с реальными тестовыми данными, предпочтительно в максимально широком диапазоне конфигураций.
Den Effort, deen an esou engem Prozess involvéiert ass, ass relativ kleng am Verglach mat der Alternativ vun direkten Labo Tester, déi eng statistesch bedeitend Unzuel vun Tester iwwer ënnerschiddlech PCB Dicken, variéierend Belaaschtungsintensitéiten a Laaschtrichtungen musse maachen, och mat Honnerte vu verschiddene Komponententypen verfügbar fir Multiple. Zorte vu Brieder. Am Sënn vun einfache Labo Tester, kann et eng Method ginn fir de Wäert vun all Test ze verbesseren.
Если бы существовал метод расчета относительного увеличения напряжений из-за изменения некоторых переменных, например, толщины печатной платы или размеров свинца, то впоследствии можно было бы оценить изменение срока службы компонентов. Такой метод может быть создан с помощью FE анализа или аналитических методов, что в конечном итоге приведет к простой формуле для расчета критериев отказа из существующих данных об отказе.
Schlussendlech gëtt et erwaart datt eng Method erstallt gëtt déi all déi verschidde verfügbar Tools kombinéiert: FE Analyse, Testdaten, analytesch Analyse a statistesch Methoden fir déi genaust Feelerdaten méiglech ze kreéieren mat de limitéierten verfügbare Ressourcen. All eenzel Elementer vun der PoF Method kënne verbessert ginn andeems stochastesch Methoden an de Prozess agefouert ginn fir d'Effekter vun der Variabilitéit an elektronesche Materialien a Fabrikatiounsstadien ze berücksichtegen. Dëst géif d'Resultater méi realistesch maachen, vläicht féiert zu engem Prozess fir Ausrüstung ze kreéieren déi méi robust ass fir d'Verännerlechkeet wärend d'Produktdegradatioun miniméiert (Gewiicht a Käschten abegraff).
В конечном счете такие усовершенствования могут даже позволить в режиме реального времени оценивать надежность оборудования в процессе проектирования, мгновенно предлагая более безопасные варианты компонентов, компоновки или давая другие рекомендации по повышению надежности, одновременно включая другие вопросы, например такие, как электромагнитные помехи (ЭМИ), тепловые и производственные.
11. Konklusioun
Данный обзор знакомит со сложностями прогнозирования надежности электронного оборудования, прослеживает эволюцию четырех типов методов анализа (по нормативно-справочной литературе, экспериментальным данным, тестовым данным и PoF), приводя к обобщению и сравнению этих типов методов. Методы по нормативно-справочной литературе, как отмечается, полезны только для предварительных исследований, методы по экспериментальным данным полезны только в том случае, если имеются обширные и точные временные данные, а методы тестовых данных жизненно важны для квалификационных испытаний при проектировании, но недостаточны для оптимизации конструкции.
PoF Methoden ginn méi detailléiert diskutéiert wéi an de fréiere Literaturrezensiounen, d'Fuerschung an d'Kategorien vu Prognosekriterien a Wahrscheinlechkeet vum Versoen opgedeelt. Sektioun "Äntwert Prediction" iwwerpréift d'Literatur iwwer verdeelt Eegeschaften, Grenzbedéngungsmodelléierung, an Detailniveauen an FE Modeller. D'Wiel vun der Äntwertprediktiounsmethod gëtt gewisen als en Ofwiesselung tëscht Genauegkeet an Zäit fir de FE Modell ze generéieren an ze léisen, erëm d'Wichtegkeet vun der Genauegkeet vun de Grenzbedéngungen ze betount. D'Sektioun "Feeler Critère" diskutéiert empiresch an analytesch Ausfall Critèren; fir SMT Technologie, Bewäertunge vu Modeller a schwéier Komponente ginn zur Verfügung gestallt.
Эмпирические методы применимы только в очень специфических случаях, хотя они дают хорошие примеры методов проверки надежности, тогда как аналитические методы имеют гораздо более широкий диапазон применимости, но более сложны в реализации. Приводится краткое обсуждение существующих методов анализа отказов на основании специального программного обеспечения. Наконец, приводятся выводы о будущем прогнозирования надежности, рассматривающие направления, в которых могут развиваться методы прогнозирования надежности.
Literatur[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers a S. B. Gabriel, En effiziente Modell vun enger Ausrüstung gelueden Panel fir aktive Kontrolldesignstudien, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2]G.S. Aglietti, A lighter enclosure for electronics for space applications, Proceeding of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G.S. Aglietti and C. Schwingshackl, Analysis of enclosures and anti vibration devices for electronic equipment for space applications, Proceedings of the 6th International Conference on Dynamics and Control of Spacecraft Structures in Space, Riomaggiore, Italy, (2004).
[4] D.B. Barker and Y. Chen, Modeling the vibration restraints of wedge lock card guides, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D.B. Barker, Y. Chen and A. Dasgupta, Estimating the vibration fatigue life of quad leaded surface mount components, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta a M. Pecht, PWB solder Joint Liewen Berechnungen ënner thermesch a Schwéngung Belaaschtung, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 1991 Proceedings (Cat. No. 91CH2966-0), 451-459.
[7] D.B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta and M. Pecht, Effect of SMC lead dimensional variabilities on lead compliance and solder joint fatigue life, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D.B. Barker and K. Sidharth, Local PWB and component bowing of an assembly subjected to a bending moment, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, A survey of reliability-prediction procedures for microelectronic devices, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] A.O. Cifuentes, Estimating the dynamic behavior of printed circuit boards, 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 and C. Wilkinson, Reliability assessment of aerospace electronic equipment, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260.
[12] M.J. Cushing, D.E. Mortin, T.J. Stadterman and A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux an A. Syed, Zouverlässegkeet vun Beräich Array solder Gelenker an béien, SMTA International Proceedings vum Technesch Programm (2000), 313-324.
[14] N.F. Enke, T.J. Kilinski, S.A. Schroeder and J.R. Lesniak, Mechanical behaviors of 60/40 tin-lead solder lap joints, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger an Y. Saito, Zouverlässegkeet vun Klass 2 Heel Filet schéissen op gull Wing leaded Komponente. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517-6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 Ausgab A Reliability Methodology for Electronic Systems. FIDES Group, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie a B. Meslet, A review of reliability prediction methods for electronic devices, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155-1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David a R. Pinnington, E Roman High-Displacement piezoelectric actuator for active vibration control, Smart Materials and Structures 7(1) (1998), 31 -42.
[19] W. Gericke, G. Gregoris, I. Jenkins, J. Jones, D. Lavielle, P. Lecuyer, J. Lenic, C. Neugnot, M. Sarno, E. Torres and E. Vergnault, A methodology to bewäerten a wielt eng gëeegent Zouverlässegkeet Prévisiounsmethod fir eee Komponente an Weltraum Uwendungen, European Space Agency, (Special Publikatioun) ESA SP (507) (2002), 73-80.
[20] L. Gullo, In-service reliability assessment and top-down approach provides alternative reliability prediction method. Annual Reliability and Maintainability, Symposium Proceedings (Cat. No.99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo and M. Zhao, Fatigue of SMT solder joint including torsional curvature and chip location optimization, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham and S.-B. Lee, Experimental study for reliability of electronic packaging under vibration, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Middegkeet Testen vun engem Komponent Virsprong an engem plated duerch Lach, IEEE Proceedings vun der National Aerospace an Electronics Konferenz (1988), 1154-1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh a K. Seetharamu, Entwécklung vun engem dynamesche Test Verwaltungsrot fir FCBGA solder gemeinsame Zouverlässegkeet Bewäertung am Schock & Vibration. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik and V. Babitsky, Ruggedizing printed circuit boards using a wideband dynamic absorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE Guide fir d'Auswiel an d'Benotzung vun Zouverlässegkeetsprognosen baséiert op ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe and T. Kinney, Development of standard formats for space systems reliability models, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2003 Proceedings (Cat. No.03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Electronic Component Reliability, Wiley, 1995.
[29] J.H. Ong and G. Lim, A simple technique for maximising the fundamental frequency of structures, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih a W. Jung, Schwéngungsmüdegkeet vun Surface Mount Solder Gelenker. Ithermfl98. Sechste Intersociety Konferenz iwwer thermesch an thermesch Phänomener an elektronesche Systemer (Cat. Nr. 98CH36208), 1998, 246-250.
[31] B. Johnson a L. Gullo, Verbesserungen an der Zouverlässegkeet Bewäertung a Viraussetzungsmethodologie. Alljährlechen Zouverlässegkeet an Ënnerhalt Symposium. 2000 Prozesser. Internationale Symposium iwwer Produktqualitéit an Integritéit (Cat. Nr. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes a B. Henderson, Pseudoelastic SMA Fréijoerselementer fir passiv Schwéngungsisolatioun: Deel ech Modelléierung, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15 (6) (2004), 415-441 .
[33] R. Kotlowitz, Comparative Konformitéit vun representativ Lead Designs fir Uewerfläch-montéiert Komponente, IEEE Transaktiounen op Komponente, Hybriden, an Fabrikatioun Technology 12 (4) (1989), 431-448.
[34] R. Kotlowitz, Compliance Metriken fir Uewerfläch Montéierung Komponent Lead Design. 1990 Prozesser. 40. Elektronesch Komponenten an Technology Konferenz (Cat. Nr. 90CH2893-6), 1990, 1054-1063.
[35] R. Kotlowitz and L. Taylor, Compliance metrics for the inclined gull-wing, spider j-bend, and spider gull-wing lead designs for surface mount components. 1991 Proceedings. 41st Electronic Components and Technology Conference (Cat. No. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice a B. Shaw, Solder gemeinsame Zouverlässegkeet vu Feinpitch Surface Mount Technologie Versammlungen, IEEE Transaktiounen op Komponenten, Hybriden a Fabrikatiounstechnologie 13(3) (1990), 534–544.
[37] R. Li, A methodology for fatigue prediction of electronic components under random vibration load, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li and L. Poglitsch, Fatigue of plastic ball grid array and plastic quad flat packages under automobile vibration. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li and L. Poglitsch, Vibration fatigue, failure mechanism and reliability of plastic ball grid array and plastic quad flat packages.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore and D. Followell, Vibration fatigue of surface mount technology (smt) solder joints. Annual Reliability and Maintainability Symposium 1995 Proceedings (Cat. No. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong and J. Penny, Effect of edge and internal point support of a printed circuit board under vibration, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Wat ass falsch mat deem? IEEE Transaktiounen iwwer Zouverlässegkeet 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze and L. Cheng, A feasibility study of active vibration isolation using thunder actuators, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Zouverlässegkeet Prediction vun elektronesch Ausrüstung. US Department of Defense, F Editioun, 1995.
[46] S.R. Moheimani, A survey of recent innovations in vibration damping and control using shunted piezoelectric transducers, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris an J. Reilly, Mil-hdbk-217-a Léifsten Zil. Alljährlechen Zouverlässegkeet an Ënnerhalt Symposium. 1993 Proceedings (Cat. No. 93CH3257-3), (1993), 503-509.
P. O’Connor, Practical reliability engineering. Wiley, 1997.
[48] M. Osterman and T. Stadterman, Failure Assessment Software for Circuit Card Assemblées. Jährlech Zouverlässegkeet an Ënnerhalt. Symposium. 1999 Proceedings (Cat. No. 99CH36283), 1999, 269-276.
[49] M. Pecht and A. Dasgupta, Physics-of-failure: an approach to reliable product development, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht and W.-C. Kang, A critique of mil-hdbk-217e reliability prediction methods, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht and F. R. Nash, Predicting the reliability of electronic equipment, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell an D. Smith, Déi verschmiert Eegeschafte Technik fir d'FE Schwéngung Analyse vun gedréckte Circuit Kaarten, ASME Journal vun Electronic Packaging 113 (1991), 250-257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman and Y. Ling, Dynamic modeling and measurement of personal computer motherboards. 52nd Electronic Components and Technology Conference 2002., (Cat. No. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi an A. Primavera, Verglach vu Schwéngungsmodelléierungstechnike fir gedréckte Circuitkaarten, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378-383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala a P. Geng, Mechanesch Schock Testen a Modeller vu PC Motherboards. 2004 Proceedings, 54. Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047-1054.
[56] BI Sandor, Solder Mechanics - A State of the Art Assessment. Minerals, Metals and Materials Society, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola an T. Reinikainen, Fatigue of chip scale package interconnects due to cyclic bending, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty an T. Reinikainen, Dräi- a véier-Punkt béien Testen fir elektronesch Packages, ASME Journal vun Electronic Packaging 125 (4) (2003), 556-561.
[59] K. Sidharth and D.B. Barker, Vibration induced fatigue life estimation of corner leads of peripheral leaded components, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman and G. Blackwood, Soft 6- axis active vibration isolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Could compliant external leads reduce the strength of a surface-mounted device? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Nonlinear dynamic response of a printed circuit board to shock loads applied to its support contour, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Response of a flexible printed circuit board to periodic shock loads applied to its support contour, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Vibratiounsschutz vu kriteschen Komponenten vun elektronescher Ausrüstung an härten Ëmweltbedéngungen, Journal of Sound and Vibration 259 (1) (2003), 161-175.
[67] H. Wang, M. Zhao a Q. Guo.
[68] Z.W. Xu, K. Chan and W. Liao, An empirical method for particle damping design, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, A Fraktur Mechanik Approche zu soldered gemeinsame Rëss, IEEE Transaktiounen op Komponente, Hybriden, an Fabrikatioun Technology 12 (1) (1989), 99-104.
[70] W. Zhao and E. Elsayed, Modelling accelerated life testing based on mean residual life, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou an E. A. Elsayed, Generaliséierter Schrëtt Stress beschleunegt Liewensmodell. Proceedings vun der 2004 International Conference on the Business of Electronic Product Reliability and Liability, 2004, 19–25.
Source: will.com