Pålitelighetsanalyse av elektronisk utstyr utsatt for støt og vibrasjoner – en oversikt

Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Forfattere: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-post: [e-postbeskyttet]), og Guy Richardson
Forfatteres tilknytning: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, Storbritannia
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Storbritannia

Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Dette er en åpen artikkel distribuert under Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i et hvilket som helst medium, forutsatt at originalverket er korrekt sitert.

Abstrakt. I fremtiden forventes det at alt moderne elektronisk utstyr vil ha økende funksjonalitet samtidig som det opprettholder evnen til å tåle støt- og vibrasjonsbelastninger. Prosessen med å forutsi pålitelighet er vanskelig på grunn av de komplekse respons- og feilkarakteristikkene til elektronisk utstyr, så for tiden er eksisterende metoder et kompromiss mellom beregningsnøyaktighet og kostnad.
Pålitelig og rask prediksjon av påliteligheten til elektronisk utstyr ved drift under dynamiske belastninger er svært viktig for industrien. Denne artikkelen viser problemer med å forutsi påliteligheten til elektronisk utstyr som bremser resultatene. Det bør også tas i betraktning at pålitelighetsmodellen vanligvis bygges under hensyntagen til et bredt spekter av utstyrskonfigurasjoner for en rekke lignende komponenter. Fire klasser av pålitelighetsprediksjonsmetoder (referansemetoder, testdata, eksperimentelle data og modellering av fysiske årsaker til feil - fysikk av feil) sammenlignes i denne artikkelen for å velge muligheten for å bruke en eller annen metode. Det bemerkes at de fleste feil i elektronisk utstyr er forårsaket av termiske belastninger, men denne gjennomgangen fokuserer på feil forårsaket av støt og vibrasjoner under drift.

Oversetterens notat. Artikkelen er en gjennomgang av litteraturen om dette emnet. Til tross for sin relativt høye alder, fungerer den som en utmerket introduksjon til problemet med å vurdere pålitelighet ved hjelp av ulike metoder.

1. Terminologi

BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line-prosessor, noen ganger kjent som Dual In-line Package.
FE Finite Element.
PGA Pin Grid Array.
PCB Printed Circuit Board, noen ganger kjent som et PWB (Printed Wiring Board).
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier.
PTH Plated Through Hole, noen ganger kjent som Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - også kjent som måkevinge.
SMA Shape Memory legeringer.
SMT overflatemonteringsteknologi.

Merknad fra originale forfattere: I denne artikkelen refererer begrepet "komponent" til en spesifikk elektronisk enhet som kan loddes til et trykt kretskort; begrepet "pakke" refererer til enhver komponent i en integrert krets (vanligvis enhver SMT- eller DIP-komponent). Begrepet "festet komponent" refererer til ethvert kombinert kretskort eller komponentsystem, og understreker at de vedlagte komponentene har sin egen masse og stivhet. (Krystallemballasje og dens innvirkning på påliteligheten diskuteres ikke i artikkelen, så i det følgende kan begrepet "pakke" oppfattes som et "case" av en eller annen type - ca. overs.)

2. Redegjørelse av problemet

Støt- og vibrasjonsbelastninger påført et PCB forårsaker stress på PCB-substratet, komponentpakker, komponentspor og loddeskjøter. Disse spenningene er forårsaket av en kombinasjon av bøyemomenter i kretskortet og massetregheten til komponenten. I verste fall kan disse påkjenningene forårsake en av følgende feilmoduser: PCB-delaminering, loddeforbindelsesfeil, ledningsfeil eller komponentpakkefeil. Hvis noen av disse feilmodusene oppstår, vil det mest sannsynlig følge fullstendig feil på enheten. Feilmodusen som oppleves under drift avhenger av typen emballasje, egenskapene til det trykte kretskortet, samt frekvensen og amplituden til bøyemomenter og treghetskrefter. Langsom fremgang i elektronisk utstyrs pålitelighetsanalyse skyldes de mange kombinasjonene av innsatsfaktorer og feilmoduser som må vurderes.

Resten av denne delen vil prøve å forklare vanskeligheten med å vurdere ulike innsatsfaktorer samtidig.

Den første kompliserende faktoren å vurdere er det store utvalget av pakketyper tilgjengelig i moderne elektronikk, ettersom hver pakke kan mislykkes av forskjellige årsaker. Tunge komponenter er mer utsatt for treghetsbelastninger, mens responsen til SMT-komponenter er mer avhengig av krumningen til kretskortet. Som et resultat, på grunn av disse grunnleggende forskjellene, har disse typer komponenter stort sett forskjellige feilkriterier basert på masse eller størrelse. Dette problemet forverres ytterligere av den stadige fremveksten av nye komponenter tilgjengelig på markedet. Derfor må enhver foreslått pålitelighetsprediksjonsmetode tilpasse seg nye komponenter for å ha noen praktisk anvendelse i fremtiden. Responsen til et kretskort på vibrasjon bestemmes av stivheten og massen til komponentene, som påvirker den lokale responsen til kretskortet. Det er kjent at de tyngste eller største komponentene endrer brettets reaksjon på vibrasjoner betydelig på de stedene de er installert. PCB-mekaniske egenskaper (Youngs modul og tykkelse) kan påvirke påliteligheten på måter som er vanskelig å forutsi.

Et stivere PCB kan redusere den totale responstiden til PCB under belastning, men kan samtidig faktisk lokalt øke bøyemomentene som påføres komponentene (i tillegg, fra et termisk indusert feilperspektiv, er det faktisk å foretrekke å spesifisere en mer kompatibel PCB, siden dette reduserer de termiske spenningene som påføres emballasjen - forfatterens notat). Frekvensen og amplituden til lokale bøyemomenter og treghetsbelastninger pålagt stabelen påvirker også den mest sannsynlige feilmodusen. Høyfrekvente lavamplitudebelastninger kan føre til utmattingssvikt i strukturen, som kan være hovedårsaken til feil (lav/høy syklisk utmatting, LCF refererer til feil dominert av plastisk deformasjon (N_f 10^6 ) til feil [10] - forfatterens notat) Det endelige arrangementet av elementer på det trykte kretskortet vil bestemme årsaken til feilen, som kan oppstå på grunn av stress i en individuell komponent forårsaket av treghetsbelastninger eller lokale bøyemomenter. Til slutt er det nødvendig å ta hensyn til påvirkningen av menneskelige faktorer og produksjonsfunksjoner, noe som øker sannsynligheten for utstyrssvikt.

Når man vurderer et betydelig antall innsatsfaktorer og deres komplekse interaksjon, blir det klart hvorfor en effektiv metode for å forutsi påliteligheten til elektronisk utstyr ennå ikke er opprettet. En av litteraturgjennomgangene anbefalt av forfatterne om dette problemet er presentert i IEEE [26]. Denne gjennomgangen fokuserer imidlertid hovedsakelig på ganske brede klassifiseringer av pålitelighetsmodeller, slik som metoden for å forutsi pålitelighet fra referanselitteratur, eksperimentelle data, datamodellering av feiltilstander (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), og tar ikke for seg feil. i tilstrekkelig detalj forårsaket av støt og vibrasjoner. Foucher et al. [17] følger en lignende oversikt som IEEE-gjennomgangen, med betydelig vekt på termiske feil. Den tidligere kortfattede analysen av PoF-metoder, spesielt brukt på støt- og vibrasjonsfeil, fortjener deres videre vurdering. En IEEE-lignende anmeldelse er i ferd med å bli kompilert av AIAA, men omfanget av anmeldelsen er foreløpig ukjent.

3. Evolusjon av pålitelighetsprediksjonsmetoder

Den tidligste pålitelighetsprediksjonsmetoden, utviklet på 1960-tallet, er for tiden beskrevet i MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F er den siste og siste revisjonen av metoden, utgitt i 1995 - forfatterens notat) Bruke Denne metoden bruker en database med feil på elektronisk utstyr for å oppnå gjennomsnittlig levetid for et trykt kretskort som består av visse komponenter. Denne metoden er kjent som en metode for å forutsi reliabilitet fra referanse- og normativ litteratur. Selv om Mil-Hdbk-217F blir stadig mer utdatert, er referansemetoden fortsatt i bruk i dag. Begrensningene og unøyaktighetene ved denne metoden er godt dokumentert [42,50], noe som fører til utviklingen av tre klasser av alternative metoder: datamodellering av fysiske feilforhold (PoF), eksperimentelle data og felttestdata.

PoF-metoder forutsier pålitelighet analytisk uten å stole på tidligere innsamlede data. Alle PoF-metoder har to felles kjennetegn ved den klassiske metoden beskrevet i Steinberg [62]: først søkes vibrasjonsresponsen til det trykte kretskortet til en spesifikk vibrasjonsstimulus, deretter testes feilkriteriene til individuelle komponenter etter vibrasjonseksponering. Et viktig fremskritt innen PoF-metoder har vært bruken av distribuerte (gjennomsnittlige) kortegenskaper for raskt å generere en matematisk modell av et trykt kretskort [54], som har redusert kompleksiteten og tiden brukt på nøyaktig beregning av vibrasjonsresponsen til et trykt kretskort betydelig. kretskort (se avsnitt 8.1.3). Nylig utvikling innen PoF-teknikker har forbedret feilprediksjon for loddede komponenter med overflatemonteringsteknologi (SMT); imidlertid, med unntak av Barkers-metoden [59], er disse nye metodene kun anvendelige på svært spesifikke kombinasjoner av komponenter og trykte kretskort. Det er svært få metoder tilgjengelig for store komponenter som transformatorer eller store kondensatorer.
Eksperimentelle datametoder forbedrer kvaliteten og evnene til modellen som brukes i pålitelighetsprediksjonsmetoder basert på referanselitteratur. Den første metoden basert på eksperimentelle data for å forutsi påliteligheten til elektronisk utstyr ble beskrevet i en artikkel fra 1999 ved bruk av HIRAP-metoden (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), som ble opprettet hos Honeywell, Inc. [20]. Metoden med eksperimentelle data har en rekke fordeler fremfor metoder for å forutsi reliabilitet ved bruk av referanse- og normativ litteratur. Nylig har det dukket opp mange lignende metoder (REMM og TRACS [17], også FIDES [16]). Metoden for eksperimentelle data, så vel som metoden for å forutsi pålitelighet ved bruk av referanse og normativ litteratur, tillater oss ikke tilfredsstillende å ta hensyn til styrets utforming og driftsmiljøet for driften ved vurdering av pålitelighet. Denne mangelen kan rettes opp ved å bruke feildata fra tavler som er lik i design, eller fra tavler som har vært utsatt for lignende driftsforhold.

Eksperimentelle datametoder avhenger av tilgjengeligheten til en omfattende database som inneholder krasjdata over tid. Hver feiltype i denne databasen må identifiseres korrekt og dens rotårsak bestemmes. Denne pålitelighetsvurderingsmetoden passer for bedrifter som produserer samme type utstyr i store nok mengder slik at et betydelig antall feil kan behandles for å vurdere påliteligheten.

Metoder for å teste elektroniske komponenter for pålitelighet har vært i bruk siden midten av 1970-tallet og er typisk delt inn i akselererte og ikke-akselererte tester. Den grunnleggende tilnærmingen er å gjennomføre testkjøringer av maskinvare som skaper det forventede driftsmiljøet så realistisk som mulig. Tester utføres til en feil oppstår, slik at MTBF (Mean Time Between Failures) kan forutsies. Hvis MTBF er estimert til å være veldig lang, kan testvarigheten reduseres ved akselerert testing, som oppnås ved å øke driftsmiljøfaktorene og bruke en kjent formel for å relatere feilraten i den akselererte testen til feilraten som forventes i operasjon. Denne testingen er avgjørende for komponenter med høy risiko for svikt, da den gir forskeren det høyeste nivået av konfidensdata, men det ville være upraktisk å bruke det til brettdesignoptimalisering på grunn av studiens lange iterasjonstider.

En rask gjennomgang av arbeid publisert på 1990-tallet antyder at dette var en periode da eksperimentelle data, testdata og PoF-metoder konkurrerte med hverandre for å erstatte utdaterte metoder for å forutsi pålitelighet fra oppslagsverk. Hver metode har imidlertid sine egne fordeler og ulemper, og når den brukes riktig, gir den verdifulle resultater. Som en konsekvens har IEEE nylig utgitt en standard [26] som viser alle pålitelighetsprediksjonsmetodene som er i bruk i dag. IEEEs mål var å utarbeide en veiledning som skulle gi ingeniøren informasjon om alle tilgjengelige metoder og fordelene og ulempene som ligger i hver metode. Selv om IEEE-tilnærmingen fortsatt er i begynnelsen av en lang utvikling, ser den ut til å ha sine egne fordeler, ettersom AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) følger den med en retningslinje kalt S-102, som ligner på IEEE, men tar også hensyn til den relative kvaliteten på data fra hver metode [27]. Disse veiledningene er kun ment å samle metodene som sirkulerer over hele verdens litteratur publisert om disse emnene.

4. Feil forårsaket av vibrasjoner

Mye av tidligere forskning har først og fremst fokusert på tilfeldig vibrasjon som en PCB-belastning, men den følgende studien ser spesifikt på støtrelaterte feil. Slike metoder vil ikke bli diskutert fullstendig her da de faller inn under klassifiseringen av PoF-metoder og er diskutert i avsnitt 8.1 og 8.2 i denne artikkelen. Heen et al. [24] laget et testbrett for å teste integriteten til BGA-loddeforbindelser når de ble utsatt for støt. Lau et al. [36] beskrev påliteligheten til PLCC-, PQFP- og QFP-komponenter under påvirkninger i planet og utenfor planet. Pitarresi et al. [53,55] så på feil på datamaskinens hovedkort på grunn av sjokkbelastninger og ga en god gjennomgang av litteraturen som beskriver elektronisk utstyr under sjokkbelastning. Steinberg [62] gir et helt kapittel om design og analyse av påvirket elektronisk utstyr, som dekker både hvordan man kan forutsi sjokkmiljøet og hvordan man sikrer ytelsen til elektroniske komponenter. Sukhir [64,65] beskrev feil i lineære beregninger av responsen til et trykt kretskort på en støtbelastning påført brettfester. Referanse- og eksperimentelle datametoder kan derfor vurdere innvirkningsrelaterte utstyrsfeil, men disse metodene beskriver "påvirkningsfeil" implisitt.

5. Referansemetoder

Av alle tilgjengelige metoder beskrevet i håndbøkene, vil vi begrense oss til kun to som vurderer vibrasjonsfeil: Mil-Hdbk-217 og CNET [9]. Mil-Hdbk-217 er akseptert som standard av de fleste produsenter. Som alle manuelle og referansemetoder er de basert på empiriske tilnærminger som tar sikte på å forutsi komponentpålitelighet fra eksperimentelle eller laboratoriedata. Metodene beskrevet i referanselitteraturen er relativt enkle å implementere, siden de ikke krever komplisert matematisk modellering og kun bruker typer deler, antall deler, driftsforhold for brettet og andre lett tilgjengelige parametere. Inndataene legges så inn i modellen for å beregne tiden mellom feil, MTBF. Til tross for fordelene, blir Mil-Hdbk-217 mindre og mindre populær [12, 17,42,50,51, XNUMX, XNUMX, XNUMX]. La oss vurdere en ufullstendig liste over restriksjoner på dens anvendelighet.

1. Dataene blir stadig mer utdaterte, etter å ha blitt sist oppdatert i 1995 og ikke relevante for de nye komponentene, er det ingen sjanse for at modellen blir revidert ettersom Defence Standards Improvement Board har besluttet å la metoden "dø en naturlig død" [ 26].
2. Metoden gir ikke informasjon om feilmodus, så PCB-oppsettet kan ikke forbedres eller optimaliseres.
3. Modellene antar at feil er designuavhengig, og ignorerer utformingen av komponentene på kretskortet, men komponentoppsett er kjent for å ha stor innvirkning på sannsynligheten for feil. [50].
4. De innsamlede empiriske dataene inneholder mange unøyaktigheter, data brukes fra førstegenerasjonskomponenter med en unaturlig høy feilrate på grunn av feilregistrering av driftstid, reparasjon osv., noe som reduserer påliteligheten til pålitelighetsprediksjonsresultatene [51].

Alle disse manglene indikerer at bruk av referansemetoder bør unngås, men innenfor grensene for tillatelighet av disse metodene, må en rekke krav i den tekniske spesifikasjonen implementeres. Derfor bør referansemetoder kun brukes når det er hensiktsmessig, dvs. i de tidlige stadiene av design [46]. Dessverre bør selv denne bruken behandles med en viss forsiktighet, siden denne typen metoder ikke har blitt revidert siden 1995. Derfor er referansemetoder iboende dårlige prediktorer for mekanisk pålitelighet og bør brukes med forsiktighet.

6. Test datametoder

Testdatametoder er de enkleste pålitelighetsprediksjonsmetodene som er tilgjengelige. En prototype av det foreslåtte kretskortdesignet utsettes for miljøvibrasjoner gjengitt på en laboratoriebenk. Deretter analyseres destruksjonsparametrene (MTTF, sjokkspektrum), deretter brukes dette til å beregne pålitelighetsindikatorer [26]. Testdatametoden bør brukes under hensyntagen til dens fordeler og ulemper.
Den største fordelen med testdatametoder er den høye nøyaktigheten og påliteligheten til resultatene, så for utstyr med høy risiko for feil, bør den siste fasen av designprosessen alltid inkludere vibrasjonskvalifikasjonstesting. Ulempen er den lange tiden som kreves for å produsere, installere og laste prøvestykket, noe som gjør metoden uegnet for designforbedringer av utstyr med høy sannsynlighet for feil. For en iterativ produktdesignprosess bør en raskere metode vurderes. Lasteksponeringstiden kan reduseres ved akselerert testing dersom pålitelige modeller er tilgjengelige for etterfølgende beregning av faktisk levetid [70,71]. Akselererte testmetoder er imidlertid mer egnet for modellering av termiske feil enn vibrasjonsfeil. Dette er fordi det tar kortere tid å teste effekten av termiske belastninger på utstyr enn å teste effekten av vibrasjonsbelastninger. Effekten av vibrasjoner kan vises i produktet først etter lang tid.

Som en konsekvens blir testmetoder generelt ikke brukt for vibrasjonsfeil med mindre det er formildende omstendigheter, for eksempel lave spenninger som resulterer i svært lang tid til feil. Eksempler på dataverifiseringsmetoder kan sees i arbeidene til Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al. [57], Liguore og Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih og Jung [30]. En god generell oversikt over metoden er gitt i IEEE [26].

7. Eksperimentelle datametoder

Den eksperimentelle datametoden er basert på feildata fra lignende kretskort som er testet under spesifiserte driftsforhold. Metoden er kun riktig for kretskort som vil oppleve lignende belastninger. Den eksperimentelle datametoden har to hovedaspekter: konstruksjonen av en database over feil på elektroniske komponenter og implementeringen av metoden basert på det foreslåtte designet. For å bygge en hensiktsmessig database må det være relevante feildata som er samlet inn fra lignende design; dette betyr at data om feil på lignende utstyr må eksistere. Defekt utstyr må også analyseres og statistikk samles inn på riktig måte, det er ikke nok å si at en gitt PCB-design sviktet etter et visst antall timer, plassering, feilmodus og årsak til feilen må fastslås. Med mindre alle tidligere feildata er grundig analysert, vil det kreves en lang periode med datainnsamling før den eksperimentelle datametoden kan brukes.

En mulig løsning for denne begrensningen er å implementere Highly Accelerated Lifecycle Testing (HALT) med det formål å raskt bygge en feilfrekvensdatabase, selv om nøyaktig gjengivelse av miljøparametere er utfordrende, men viktig [27]. En beskrivelse av det andre trinnet av implementering av den eksperimentelle datametoden kan leses i [27], som viser hvordan man kan forutsi MTBF for et foreslått design hvis designet som testes er oppnådd ved å modifisere et eksisterende kort som det allerede finnes detaljerte feildata for . Andre anmeldelser av eksperimentelle datametoder er beskrevet av forskjellige forfattere i [11,17,20,26].

8. Datasimulering av feiltilstander (PoF)

Datamodelleringsteknikker for feiltilstander, også kalt stress- og skademodeller eller PoF-modeller, implementeres i en to-trinns pålitelighetsprediksjonsprosess. Det første trinnet inkluderer å søke etter responsen til det trykte kretskortet på en dynamisk belastning som påføres det; på det andre trinnet beregnes modellens respons for å sikre en gitt pålitelighetsindikator. Det meste av litteraturen er ofte viet både metoden for å forutsi respons og prosessen med å finne feilkriterier. Disse to metodene forstås best når de beskrives uavhengig av hverandre, så denne gjennomgangen vil vurdere disse to trinnene separat.

Mellom stadiene med å forutsi responsen og søke etter feilkriterier, overføres datasettet som ble opprettet i det første trinnet og brukt i det andre, til modellen. Responsvariabelen har utviklet seg fra å bruke inngangsakselerasjonen på chassiset [15,36,37,67], gjennom den faktiske akselerasjonen som komponenten opplever for å ta hensyn til de forskjellige vibrasjonsresponsene til forskjellige PCB-oppsett [40], og til slutt til å vurdere lokal ekskursjon [62] eller lokale bøyemomenter [59] opplevd av PCB lokalt for komponenten.

Det har blitt lagt merke til at feil er en funksjon av arrangementet av komponenter på et trykt kretskort [21,38], så modeller som har lokal vibrasjonsrespons er mer sannsynlig å være nøyaktige. Valget av hvilken parameter (lokal akselerasjon, lokal avbøyning eller bøyemoment) som er den avgjørende faktoren for feil, avhenger av det spesifikke tilfellet.
Hvis SMT-komponenter brukes, kan krumnings- eller bøyemomenter være de viktigste faktorene for svikt; for tunge komponenter brukes lokale akselerasjoner typisk som bruddkriterier. Dessverre er det ikke utført forskning som viser hvilken type kriterier som er mest hensiktsmessig i et gitt sett med inndata.

Det er viktig å vurdere egnetheten til enhver PoF-metode som brukes, siden det ikke er praktisk å bruke noen PoF-metode, analytisk eller FE, som ikke støttes av laboratorietestdata. I tillegg er det viktig å bruke en hvilken som helst modell kun innenfor rammen av dens anvendelighet, noe som dessverre begrenser anvendeligheten til de fleste aktuelle PoF-modeller for bruk under svært spesifikke og begrensede forhold. Gode ​​eksempler på diskusjon av PoF-metoder er beskrevet av ulike forfattere [17,19,26,49].

8.1. Responsprediksjon

Responsprediksjon innebærer å bruke geometrien og materialegenskapene til en struktur for å beregne den nødvendige responsvariabelen. Dette trinnet forventes å fange bare den generelle responsen til den underliggende PCB-en og ikke responsen til individuelle komponenter. Det er tre hovedtyper av responsprediksjonsmetode: analytiske, detaljerte FE-modeller og forenklede FE-modeller, beskrevet nedenfor. Disse metodene fokuserer på å inkorporere stivheten og masseeffektene av tilsatte komponenter, men det er viktig å ikke miste av syne viktigheten av nøyaktig modellering av rotasjonsstivheten ved kanten av PCB, da dette er nært knyttet til modellnøyaktighet (dette er diskutert i avsnitt 8.1.4). Fig. 1. Eksempel på en detaljert modell av et trykt kretskort [53].

8.1.1. Analytisk responsprediksjon

Steinberg [62] gir den eneste analytiske metoden for å beregne vibrasjonsresponsen til et trykt kretskort. Steinberg sier at amplituden til oscillasjonen ved resonans til en elektronisk enhet er lik to ganger kvadratroten av resonansfrekvensen; denne uttalelsen er basert på utilgjengelige data og kan ikke bekreftes. Dette gjør at den dynamiske avbøyningen ved resonans kan beregnes analytisk, som deretter kan brukes til å beregne enten den dynamiske belastningen fra en tung komponent eller krumningen til det trykte kretskortet. Denne metoden gir ikke direkte lokal PCB-respons og er kun kompatibel med de avbøyningsbaserte feilkriteriene beskrevet av Steinberg.

Gyldigheten av antakelsen om overføringsfunksjonsfordeling basert på amplitudemålinger er tvilsom siden Pitarresi et al. [53] målte en kritisk dempning på 2 % for et datamaskin hovedkort, mens bruk av Steinbergs antakelse ville gitt 3,5 % (basert på egenfrekvensen 54) Hz), noe som ville føre til en stor undervurdering av brettets respons på vibrasjoner.

8.1.2. Detaljerte FE-modeller

Noen forfattere demonstrerer bruken av detaljerte FE-modeller for å beregne vibrasjonsresponsen til et trykt kretskort [30,37,53, 57,58] (Figur 1-3 viser eksempler med økt detaljnivå), men bruken av disse Metoder anbefales ikke for et kommersielt produkt (med mindre bare nøyaktig prediksjon av den lokale responsen ikke er absolutt nødvendig) siden tiden som kreves for å bygge og løse en slik modell er overdreven. Forenklede modeller produserer data med passende nøyaktighet mye raskere og til lavere kostnad. Tiden som kreves for å bygge og løse en detaljert FE-modell kan reduseres ved å bruke JEDEC 4-fjærkonstantene publisert i [33-35], disse fjærkonstantene kan brukes i stedet for den detaljerte FE-modellen for hver ledning. I tillegg kan understrukturmetoden (noen ganger kjent som superelementmetoden) implementeres for å redusere beregningstiden som kreves for å løse detaljerte modeller. Det skal bemerkes at detaljerte FE-modeller ofte visker ut grensene mellom responsprediksjon og feilkriterier, så arbeidet som refereres her kan også falle inn under listen over arbeider som inneholder feilkriterier.

8.1.3. Distribuerte FE-modeller

Forenklede FE-modeller reduserer modelloppretting og løsningstid. Den tilførte komponentmassen og dens stivhet kan representeres ved ganske enkelt å simulere et tomt PCB med økt masse og stivhet, der effektene av masse og stivhet er inkorporert ved å lokalt øke PCBs Youngs modul.

Fig. 2. Eksempel på en detaljert modell av en QFP-komponent som bruker symmetri for å forenkle modelleringsprosessen og redusere løsningstiden [36]. Fig. 3. Eksempel på en detaljert FE-modell av J-lead [6].

Stivhetsforbedringsfaktoren kan beregnes ved fysisk å kutte ut det festede elementet og bruke bøyetestmetoder [52]. Pitarresi et al. [52,54] undersøkte forenklingseffekten av ekstra masse og stivhet gitt av komponenter festet til et trykt kretskort.

Den første artikkelen undersøker et enkelt tilfelle av en forenklet FE-modell av et trykt kretskort, verifisert mot eksperimentelle data. Hovedinteresseområdet til denne artikkelen er bestemmelsen av distribuerte egenskaper, med forbehold om at høy nøyaktighet av torsjonsstivhet kreves for en nøyaktig modell.

Den andre artikkelen ser på fem forskjellige fylte PCB, hver modellert med flere forskjellige nivåer av forenkling av sammensetningen. Disse modellene sammenlignes med eksperimentelle data. Denne artikkelen avsluttes med noen lærerike observasjoner av sammenhengen mellom masse-stivhetsforhold og modellnøyaktighet. Begge disse papirene bruker kun naturlige frekvenser og MEC-er (modal assurance criteria) for å bestemme korrelasjonen mellom de to modellene. Dessverre kan ikke feilen i egenfrekvensen gi noen informasjon om feilen i lokale akselerasjoner eller bøyemomenter, og MKO kan kun gi den totale korrelasjonen mellom to naturlige moduser, men kan ikke brukes til å beregne den prosentvise feilen for akselerasjon eller krumning. Ved å bruke en kombinasjon av numerisk analyse og datasimulering gjør Cifuentes [10] følgende fire observasjoner.

1. Simulerte moduser må inneholde minst 90 % vibrerende masse for nøyaktig analyse.
2. I tilfeller hvor platens avvik er sammenlignbare med tykkelsen, kan ikke-lineær analyse være mer hensiktsmessig enn lineær analyse.
3. Små feil i komponentplassering kan forårsake store feil i responsmålinger.
4. Responsmålenøyaktighet er mer følsom for feil i masse enn stivhet.

8.1.4. Grenseforhold

PCB-kantrotasjonsstivhetskoeffisienten har en betydelig innvirkning på nøyaktigheten av den beregnede responsen [59], og avhengig av den spesifikke konfigurasjonen er den av mye større betydning enn den tilførte komponentmassen og stivheten. Modellering av rotasjonskantstivheten som null (i hovedsak bare en støttet tilstand) gir vanligvis konservative resultater, mens modellering som tett fastklemt vanligvis undervurderer resultatene, siden selv de stiveste PCB-klemmemekanismene ikke kan sikre en fullstendig fastklemt kanttilstand. Barker og Chen [5] validerer den analytiske teorien med eksperimentelle resultater for å vise hvordan kantrotasjonsstivhet påvirker den naturlige frekvensen til et PCB. Hovedfunnet i dette arbeidet er den sterke korrelasjonen mellom kantrotasjonsstivhet og naturlige frekvenser, i samsvar med teori. Dette betyr også at store feil i modelleringen av kantrotasjonsstivhet vil føre til store feil i responsprediksjon. Selv om dette arbeidet ble vurdert i et spesielt tilfelle, er det anvendelig for modellering av alle typer grensebetingelsesmekanismer. Ved å bruke eksperimentelle data fra Lim et al. [41] gir et eksempel på hvordan kantrotasjonsstivheten kan beregnes for å bruke FE i en PCB-modell; dette oppnås ved hjelp av en metode tilpasset fra Barker og Chen [5]. Dette arbeidet viser også hvordan man kan bestemme den optimale plasseringen av ethvert punkt i en struktur for å maksimere naturlige frekvenser. Verk som spesifikt vurderer effekten av å modifisere grensebetingelser for å redusere vibrasjonsrespons, finnes også av Guo og Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti og Schwingshackl [3], Lim et al. [41].

8.1.5. Forutsigelser om støt og vibrasjoner

Pitarresi et al. [53-55] bruker en detaljert FE-modell av et PCB for å forutsi støt- og vibrasjonsresponsen til et kort med komponenter representert som 3D-blokker. Disse modellene brukte eksperimentelt bestemte konstante dempingsforhold for å forbedre prediksjonen av respons ved resonans. Effektresponsspektrum (SRS) og tidssveipende metoder ble sammenlignet for effektresponsprediksjon, med begge metodene som en avveining mellom nøyaktighet og løsningstid.

8.2. Avslagskriterier

Feilkriterier tar et mål på PCB-ens respons og bruker den til å utlede en feilmåling, der feilmålingen kan være gjennomsnittlig tid mellom feil (MTBF), sykluser til feil, sannsynlighet for feilfri drift eller annen pålitelighetsmåling (se IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] for en diskusjon av feilmålinger). De mange forskjellige tilnærmingene til å generere disse dataene kan enkelt deles inn i analytiske og empiriske metoder. Empiriske metoder genererer feilkriteriedata ved å laste testprøver av komponenter til den nødvendige dynamiske belastningen. På grunn av det store spekteret av inngangsdata (komponenttyper, PCB-tykkelser og belastninger) som er mulig i praksis, er det dessverre lite sannsynlig at de publiserte dataene er direkte anvendelige siden dataene kun er gyldige i helt spesielle tilfeller. Analysemetoder lider ikke av slike ulemper og har mye bredere anvendelighet.

8.2.1. Empiriske feilkriterier

Som nevnt tidligere, er en begrensning for de fleste empiriske modeller at de kun kan brukes på konfigurasjoner som involverer samme PCB-tykkelse, lignende komponenttyper og inngangsbelastning, noe som er usannsynlig. Den tilgjengelige litteraturen er imidlertid nyttig av følgende grunner: den gir gode eksempler på utførelse av feiltester, fremhever ulike alternativer for feilmålinger og gir verdifull informasjon om feilmekanikken. Li [37] laget en empirisk modell for å forutsi påliteligheten til 272-pinners BGA- og 160-pinners QFP-pakker. Utmattelsesskader i lederne og i pakkekroppen undersøkes, og forsøksresultatene stemmer godt overens med spenningsbasert skadeanalyse beregnet ved hjelp av en detaljert FE-modell (se også Li og Poglitsch [38,39]). Prosessen produserer kumulativ skade for et gitt nivå av vibrasjonsakselerasjon av vibrasjonsinngangssignalet.
Lau et al. [36] vurderte påliteligheten til spesifikke komponenter under støt- og vibrasjonsbelastning ved hjelp av Weibull-statistikk. Liguore og Followell [40] undersøkte feil i LLCC- og J-lead-komponenter ved å variere den lokale akselerasjonen på tvers av tjenestesykluser. Lokal akselerasjon brukes i motsetning til chassisinngangsakselerasjon, og effekten av temperatur på testresultater ble undersøkt. Artikkelen viser også til forskning på effekten av PCB-tykkelse på komponentens pålitelighet.

Guo og Zhao [21] sammenligner påliteligheten til komponenter når lokal torsjonskurvatur brukes som belastning, i motsetning til tidligere studier som brukte akselerasjon. Tretthetsskader simuleres, deretter sammenlignes FE-modellen med eksperimentelle resultater. Artikkelen diskuterer også optimalisering av komponentoppsett for å forbedre påliteligheten.

Ham og Lee [22] presenterer en testdatametode for problemet med å bestemme blyloddepåkjenninger under syklisk torsjonsbelastning. Estes et al. [15] vurderte feilproblemet til måkevingekomponenter (GOST IEC 61188-5-5-2013) med påført inngangsakselerasjon og termisk belastning. Komponentene som er studert er brikkepakketyper CQFP 352, 208, 196, 84 og 28, samt FP 42 og 10. Artikkelen er viet svikt i elektroniske komponenter på grunn av svingninger i banen til en geostasjonær jordsatellitt, tiden mellom feil er gitt i form av år med flyging på geostasjonære eller lave jordbaner. Det bemerkes at svikt i måkevingetråder er mer sannsynlig på steder i kontakt med pakkelegemet enn ved loddeforbindelsen.

Jih og Jung [30] vurderer utstyrsfeil forårsaket av iboende produksjonsfeil i loddeforbindelsen. Dette gjøres ved å lage en svært detaljert FE-modell av PCB og finne kraftspektraltettheten (PSD) for ulike produksjonssprekkelengder. Ligyore, Followell [40] og Shetty, Reinikainen [58] foreslår at empiriske metoder produserer de mest nøyaktige og nyttige feildataene for spesifikke tilkoblede komponentkonfigurasjoner. Slike metoder brukes hvis visse inngangsdata (korttykkelse, komponenttype, krumningsområde) kan holdes konstant gjennom hele designet, eller hvis brukeren har råd til å utføre reelle tester av denne typen.

8.2.2. Kriterium for analytisk svikt

SMT-modeller av hjørneskjøter

Ulike forskere som ser på feil på SMT-hjørnestifter antyder at dette er den vanligste årsaken til feil. Artiklene av Sidharth og Barker [59] fullfører en tidligere serie med artikler ved å presentere en modell for å bestemme tøyningen til SMT-hjørneledninger og løkkeledningskomponenter. Den foreslåtte modellen har en feil på mindre enn 7 % sammenlignet med den detaljerte FE-modellen for seks verste scenarioer. Modellen er basert på en formel tidligere publisert av Barker og Sidharth [4], hvor avbøyningen av en festet del utsatt for et bøyemoment ble modellert. Artikkelen av Sukhir [63] undersøker analytisk spenningene som forventes i pakketerminaler på grunn av lokalt påførte bøyemomenter. Barker og Sidharth [4] bygger på arbeidet til Sukhir [63], Barker et al. [4], som vurderer påvirkningen av ledende rotasjonsstivhet. Til slutt brukte Barker et al. [7] detaljerte FE-modeller for å studere effekten av dimensjonsvariasjoner i bly på blytretthetslevetiden.

Det er på sin plass å nevne her arbeidet med JEDEC blyfjærkonstanter, som i stor grad forenklet opprettelsen av modeller av blykomponenter [33-35]. Fjærkonstanter kan brukes i stedet for en detaljert modell av ledningsforbindelser; tiden som kreves for å bygge og løse FE-modellen vil reduseres i modellen. Bruk av slike konstanter i komponent FE-modellen vil forhindre direkte beregning av lokale blyspenninger. I stedet vil den totale blybelastningen bli gitt, som da bør relateres til enten lokale blyspenninger eller blybruddkriterier basert på produktets livssyklus.

Materialtretthetsdata

De fleste data om svikt i materialer brukt til loddemetaller og komponenter er primært relatert til termisk svikt, og det finnes relativt lite data relatert til utmattingssvikt. En viktig referanse på dette området er gitt av Sandor [56], som gir data om mekanikken til utmattelse og svikt i loddelegeringer. Steinberg [62] vurderer svikt i loddeprøver. Utmattingsdata for standard loddemetall og ledninger er tilgjengelig i Yamadas papir [69].

Fig. 4. Den vanlige feilposisjonen fra håndboken for QFP-komponenter er nær pakkekroppen.

Modelleringsfeil knyttet til loddebinding er utfordrende på grunn av de uvanlige egenskapene til dette materialet. Løsningen på dette spørsmålet avhenger av komponenten som må testes. Det er kjent at for QFP-pakker er dette vanligvis ikke tatt i betraktning, og reliabilitet vurderes ved hjelp av referanselitteratur. Men hvis lodding av store BGA- og PGA-komponenter beregnes, kan ledningsforbindelser, på grunn av deres uvanlige egenskaper, påvirke produktets feil. Derfor, for QFP-pakker, er blytretthetsegenskaper den mest nyttige informasjonen. For BGA er informasjon om holdbarheten til loddeforbindelser utsatt for øyeblikkelig plastisk deformasjon mer nyttig [14]. For større komponenter gir Steinberg [62] spenningsdata for loddeleddsuttrekk.

Modeller med sviktende tunge komponenter

De eneste feilmodellene som finnes for tunge komponenter er presentert i en artikkel av Steinberg [62], som undersøker strekkfastheten til komponenter og gir et eksempel på hvordan man beregner den maksimalt tillatte spenningen som kan påføres en ledningsforbindelse

8.3. Konklusjoner om anvendeligheten av PoF-modeller

Følgende konklusjoner er gjort i litteraturen angående PoF-metoder.

Lokal respons er avgjørende for å forutsi komponentfeil. Som nevnt i Li, Poglitsch [38], er komponenter ved kantene av et PCB mindre utsatt for feil enn de som er plassert i midten av PCB på grunn av lokale forskjeller i bøyning. Følgelig vil komponenter på forskjellige steder på kretskortet ha ulik sannsynlighet for feil.

Lokal kortkurvatur anses som et viktigere feilkriterium enn akselerasjon for SMT-komponenter. Nyere arbeider [38,57,62,67] indikerer at kortets krumning er hovedfeilkriteriet.

Ulike typer pakker, både i antall pinner og typen som brukes, er iboende mer pålitelige enn andre, uavhengig av det spesifikke lokale miljøet [15,36,38].
Temperatur kan påvirke påliteligheten til komponentene. Liguore og Followell [40] oppgir at utmattelseslevetiden er høyest i temperaturområdet fra 0 ◦C til 65 ◦C, med en merkbar nedgang ved temperaturer under -30 ◦C og over 95 ◦C. For QFP-komponenter anses stedet der ledningen festes til pakken (se fig. 4) som det primære feilstedet i stedet for loddeforbindelsen [15,22,38].

Platetykkelse har en klar innvirkning på utmattelseslevetiden til SMT-komponenter, ettersom BGA-utmattingslevetiden har vist seg å reduseres med omtrent 30-50 ganger hvis platetykkelsen økes fra 0,85 mm til 1,6 mm (samtidig som den opprettholder konstant total krumning) [13] . Fleksibiliteten (compliance) til komponentledninger påvirker i betydelig grad påliteligheten til perifere ledningskomponenter [63], men dette er et ikke-lineært forhold, og mellomliggende tilkoblingsledninger er minst pålitelige.

8.4. Programvare metoder

Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) ved University of Maryland tilbyr programvare for å beregne vibrasjons- og støtresponsen til trykte kretskort. Programvaren (kalt CALCE PWA) har et brukergrensesnitt som forenkler prosessen med å kjøre FE-modellen og automatisk legger inn responsberegningen i vibrasjonsmodellen. Det er ingen forutsetninger brukt for å lage FE-responsmodellen, og feilkriteriene som er brukt er hentet fra Steinberg [61] (selv om Barkers metode [48] også forventes implementert). For å gi generelle anbefalinger for å forbedre utstyrets pålitelighet, fungerer den beskrevne programvaren godt, spesielt siden den samtidig tar hensyn til termisk induserte spenninger og krever minimalt med spesialkunnskap, men nøyaktigheten av feilkriteriene i modellene er ikke verifisert eksperimentelt.

9. Metoder for å øke utstyrets pålitelighet

Denne delen vil diskutere modifikasjoner etter prosjektet som forbedrer påliteligheten til elektronisk utstyr. De faller inn i to kategorier: de som endrer grensebetingelsene til PCB, og de som øker demping.

Hovedformålet med grensetilstandmodifikasjoner er å redusere den dynamiske avbøyningen av det trykte kretskortet, dette kan oppnås gjennom avstivning av ribber, tilleggsstøtter eller redusere vibrasjon av inngangsmediet. Stivere kan være nyttige da de øker egenfrekvensene, og reduserer dermed dynamisk avbøyning [62], det samme gjelder for å legge til ekstra støtter [3], selv om plasseringen av støtter også kan optimaliseres, som vist i arbeidene til J. H. Ong og Lim [ 40]. Dessverre krever ribber og støtter vanligvis en redesign av layouten, så disse teknikkene vurderes best tidlig i designsyklusen. I tillegg bør man sørge for at modifikasjoner ikke endrer de naturlige frekvensene slik at de samsvarer med de naturlige frekvensene til støttekonstruksjonen, da dette ville være kontraproduktivt.

Å legge til isolasjon forbedrer produktets pålitelighet ved å redusere virkningen av det dynamiske miljøet som overføres til utstyret og kan oppnås enten passivt eller aktivt.
Passive metoder er vanligvis enkle og billigere å implementere, som bruk av kabelisolatorer [66] eller bruk av pseudoelastiske egenskaper til formminnelegeringer (SMA) [32]. Imidlertid er det kjent at dårlig utformede isolatorer faktisk kan øke responsen.
Aktive metoder gir bedre demping over et bredere frekvensområde, vanligvis på bekostning av enkelhet og masse, så de er vanligvis ment å forbedre nøyaktigheten til svært følsomme presisjonsinstrumenter i stedet for å forhindre skade. Aktiv vibrasjonsisolering inkluderer elektromagnetiske [60] og piezoelektriske metoder [18,43]. I motsetning til grensetilstandmodifikasjonsmetoder, tar dempingsmodifikasjon som mål å redusere toppresonansresponsen til elektronisk utstyr, mens de faktiske naturlige frekvensene bare bør endres litt.

Som med vibrasjonsisolering, kan demping oppnås enten passivt eller aktivt, med lignende designforenklinger i førstnevnte og større kompleksitet og demping i sistnevnte.

Passive metoder inkluderer for eksempel svært enkle metoder som liming av materiale, og øker dermed dempingen av kretskortet [62]. Mer sofistikerte metoder inkluderer partikkeldemping [68] og bruk av bredbånds dynamiske absorbere [25].

Aktiv vibrasjonskontroll oppnås vanligvis ved bruk av piezokeramiske elementer festet til overflaten av kretskortet [1,45]. Bruken av herdemetoder er saksspesifikk og må vurderes nøye i forhold til andre metoder. Å bruke disse teknikkene på utstyr som ikke er kjent for å ha pålitelighetsproblemer, vil ikke nødvendigvis øke kostnadene og vekten av designet. Men hvis et produkt med godkjent design feiler under testing, kan det være mye raskere og enklere å bruke en strukturell herdeteknikk enn å redesigne utstyret.

10. Muligheter for å utvikle metoder

Denne delen beskriver muligheter for å forbedre pålitelighetsprediksjon av elektronisk utstyr, selv om nyere fremskritt innen optoelektronikk, nanoteknologi og emballasjeteknologier snart kan begrense anvendeligheten av disse forslagene. De fire hovedmetodene for pålitelighetsprediksjon er kanskje ikke i bruk på tidspunktet for enhetsdesign. Den eneste faktoren som kan gjøre slike metoder mer attraktive vil være utviklingen av helautomatiserte, rimelige produksjons- og testteknologier, da dette vil gjøre det mulig å bygge og teste det foreslåtte designet mye raskere enn det er mulig i dag, med minimal menneskelig innsats.

PoF-metoden har mye rom for forbedring. Hovedområdet hvor det kan forbedres er integrasjon med den generelle designprosessen. Elektronisk utstyrsdesign er en iterativ prosess som bringer utvikleren nærmere det ferdige resultatet kun i samarbeid med ingeniører som spesialiserer seg innen elektronikk, produksjon og termisk konstruksjon, og konstruksjonsdesign. En metode som automatisk adresserer noen av disse problemene samtidig vil redusere antall designgjentakelser og spare betydelige mengder tid, spesielt når man vurderer mengden interavdelingskommunikasjon. Andre forbedringsområder i PoF-metoder vil bli delt inn i typer responsprediksjon og feilkriterier.

Responsprediksjon har to mulige veier fremover: enten raskere, mer detaljerte modeller, eller forbedrede, forenklede modeller. Med fremveksten av stadig kraftigere dataprosessorer kan løsningstiden for detaljerte FE-modeller bli ganske kort, samtidig som, takket være moderne programvare, reduseres produktmonteringstiden, noe som til slutt minimerer kostnadene for menneskelige ressurser. Forenklede FE-metoder kan også forbedres ved en prosess for automatisk generering av FE-modeller, tilsvarende de som er foreslått for detaljerte FE-metoder. Automatisk programvare (CALCE PWA) er for tiden tilgjengelig for dette formålet, men teknologien er ikke godt utprøvd i praksis og modelleringsantakelsene som er gjort er ukjente.

Beregning av usikkerheten som ligger i ulike forenklingsmetoder vil være svært nyttig, slik at nyttige feiltoleransekriterier kan implementeres.

Til slutt vil en database eller metode for å gi økt stivhet til festede komponenter være nyttig, der disse stivhetsøkningene kan brukes til å forbedre nøyaktigheten til responsmodeller. Opprettelsen av komponentfeilkriterier er avhengig av den lille variasjonen mellom like komponenter fra forskjellige produsenter, samt mulig utvikling av nye emballasjetyper, siden enhver metode eller database for å bestemme feilkriterier må ta hensyn til slike variasjoner og endringer.

En løsning vil være å lage en metode/programvare for automatisk å bygge detaljerte FE-modeller basert på inputparametere som bly og emballasjedimensjoner. Denne metoden kan være gjennomførbar for generelt jevnt formede komponenter som SMT- eller DIP-komponenter, men ikke for komplekse uregelmessige komponenter som transformatorer, choker eller tilpassede komponenter.

Påfølgende FE-modeller kan løses for spenninger og kombineres med materialbrudddata (S-N plastisitetskurvedata, bruddmekanikk eller lignende) for å beregne komponentlevetid, selv om materialbrudddataene må være av høy kvalitet. FE-prosessen bør korreleres med reelle testdata, helst over et så bredt spekter av konfigurasjoner som mulig.

Innsatsen involvert i en slik prosess er relativt liten sammenlignet med alternativet med direkte laboratorietesting, som må utføre et statistisk signifikant antall tester på tvers av varierende PCB-tykkelser, varierende belastningsintensiteter og belastningsretninger, selv med hundrevis av forskjellige komponenttyper tilgjengelig for flere typer brett. Når det gjelder enkel laboratorietesting, kan det være en metode for å forbedre verdien av hver test.

Hvis det fantes en metode for å beregne den relative spenningsøkningen på grunn av endringer i visse variabler, for eksempel PCB-tykkelse eller blydimensjoner, kan endringen i komponentlevetid etterpå estimeres. En slik metode kan lages ved hjelp av FE-analyse eller analytiske metoder, som til slutt fører til en enkel formel for å beregne feilkriterier fra eksisterende feildata.

Til syvende og sist forventes det at det skal lages en metode som kombinerer alle de ulike tilgjengelige verktøyene: FE-analyse, testdata, analytisk analyse og statistiske metoder for å skape mest mulig nøyaktige feildata med de begrensede ressursene som er tilgjengelig. Alle individuelle elementer i PoF-metoden kan forbedres ved å introdusere stokastiske metoder i prosessen for å ta hensyn til effekten av variasjon i elektroniske materialer og produksjonsstadier. Dette vil gjøre resultatene mer realistiske, kanskje føre til en prosess for å lage utstyr som er mer robust overfor variasjon og samtidig minimere produktforringelse (inkludert vekt og kostnad).

Til syvende og sist kan slike forbedringer til og med tillate sanntidsvurdering av utstyrets pålitelighet under designprosessen, og umiddelbart foreslå sikrere komponentalternativer, layouter eller andre anbefalinger for å forbedre påliteligheten samtidig som de tar opp andre problemer som elektromagnetisk interferens (EMI), termisk og industriell.

11. Konklusjon

Denne gjennomgangen introduserer kompleksiteten ved å forutsi påliteligheten til elektronisk utstyr, spore utviklingen av fire typer analysemetoder (regulatorisk litteratur, eksperimentelle data, testdata og PoF), som fører til en syntese og sammenligning av disse typene metoder. Referansemetoder er bemerket å være nyttige bare for foreløpige studier, eksperimentelle datametoder er bare nyttige hvis omfattende og nøyaktige tidsdata er tilgjengelig, og testdatametoder er avgjørende for designkvalifikasjonstesting, men utilstrekkelige for optimalisering.

PoF-metoder diskuteres mer detaljert enn i tidligere litteraturgjennomganger, og deler forskningen inn i kategorier av prediksjonskriterier og sannsynlighet for feil. Avsnittet "Responsprediksjon" gjennomgår litteraturen om distribuerte egenskaper, grensetilstandsmodellering og detaljnivåer i FE-modeller. Valget av responsprediksjonsmetode er vist å være en avveining mellom nøyaktighet og tid for å generere og løse FE-modellen, noe som igjen understreker viktigheten av nøyaktigheten til grensebetingelsene. Avsnittet "Feilkriterier" diskuterer empiriske og analytiske feilkriterier; for SMT-teknologi gis gjennomganger av modeller og tunge komponenter.
Empiriske metoder er kun anvendelige for svært spesifikke tilfeller, selv om de gir gode eksempler på metoder for pålitelighetstesting, mens analytiske metoder har et mye bredere spekter av anvendelighet, men er mer komplekse å implementere. En kort diskusjon av eksisterende feilanalysemetoder basert på spesialisert programvare er gitt. Til slutt gis implikasjoner for fremtiden til pålitelighetsprediksjon, med tanke på retninger som pålitelighetsprediksjonsmetoder kan utvikle seg i.

Litteratur[1] G.S. Aglietti, R.S. Langley, E. Rogers og S.B. Gabriel, En effektiv modell av et utstyrslastet panel for aktive kontrolldesignstudier, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2]G.S. Aglietti, Et lettere kabinett for elektronikk for romapplikasjoner, Proceedings of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G.S. Aglietti og C. Schwingshackl, Analyse av kabinetter og antivibrasjonsenheter for elektronisk utstyr for romapplikasjoner, Proceedings of the 6th International Conference on Dynamics and Control of Spacecraft Structures in Space, Riomaggiore, Italia, (2004).
[4] D.B. Barker og Y. Chen, Modeling the vibration restraints of wedge lock card guides, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D.B. Barker, Y. Chen og A. Dasgupta, Estimating the vibration fatigue life of quad blyed overflatemontering komponenter, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D.B. Barker, A. Dasgupta og M. Pecht, PWB-loddeledds levetidsberegninger under termisk og vibrasjonsbelastning, Årlig pålitelighet og vedlikeholdssymposium, 1991 Proceedings (kat. nr. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D.B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta og 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 og K. Sidharth, Lokal PWB og komponentbuing av en sammenstilling utsatt for et bøyemoment, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, A survey of reliability-prediksjonsprosedyrer for mikroelektroniske enheter, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] A.O. Cifuentes, Estimering av den dynamiske oppførselen til trykte kretskort, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology Del B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy og 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 og A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux og A. Syed, Reliability of area array solder joints in bending, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N.F. Enke, T.J. Kilinski, S.A. Schroeder og J.R. Lesniak, Mechanical behaviors of 60/40 tinn-bly solder lap joints, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger og Y. Saito, Reliability of klasse 2 hælfileter på måkevinge blyholdige komponenter. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 utgave A Reliability Methodology for Electronic Systems. FIDES Group, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie og B. Meslet, A review of reliability prediction methods for electronic devices, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David og R. Pinnington, En ny piezoelektrisk aktuator med høy forskyvning for aktiv vibrasjonskontroll, Smart Materials and Structures 7(1) (1998), 31 –42.
[19] W. Gericke, G. Gregoris, I. Jenkins, J. Jones, D. Lavielle, P. Lecuyer, J. Lenic, C. Neugnot, M. Sarno, E. Torres og E. Vergnault, A methodology to vurdere og velge en passende pålitelighetsprediksjonsmetode for eee-komponenter i romapplikasjoner, European Space Agency, (Special Publication) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, In-service reliability assessment and top-down approach offers alternative reliability prediction method. Årlig pålitelighet og vedlikehold, Symposiumforhandlinger (kat. nr. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo og M. Zhao, Fatigue of SMT loddeforbindelse inkludert torsjonskrumning og chipplasseringsoptimalisering, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham og S.-B. Lee, Eksperimentell studie for pålitelighet av elektronisk emballasje under vibrasjon, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Fatigue testing of a component lead in a plated through hole, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T.Y. Hin, K.S. Beh og K. Seetharamu, Utvikling av et dynamisk testbrett for FCBGA loddeledds pålitelighetsvurdering innen støt og vibrasjon. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik og V. Babitsky, Ruggedizing printed circuit boards using a wideband dynamic absorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE-veiledning for valg og bruk av pålitelighetsprediksjoner basert på ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe og 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 og G. Lim, En enkel teknikk for å maksimere den grunnleggende frekvensen til strukturer, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih og W. Jung, Vibrational fatigue of surface mount solder joints. ITthermfl98. Sjette intersamfunnskonferanse om termiske og termomekaniske fenomener i elektroniske systemer (kat. nr. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson og L. Gullo, Improvements in reliability assessment and prediction methodology. Årlig pålitelighet og vedlikeholdssymposium. 2000 saksgang. Internasjonalt symposium om produktkvalitet og integritet (kat. nr. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes og B. Henderson, Pseudoelastic SMA-fjærelementer for passiv vibrasjonsisolering: del i modellering, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Comparative compliance of representative lead designs for surface-mounted components, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Samsvarsmålinger for overflatemontert komponentledningsdesign. 1990 Proces. 40th Electronic Components and Technology Conference (kat.nr. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz og L. Taylor, Samsvarsmålinger for skråmåkevinge, edderkopp-j-bøyninger og edderkoppmåkevinger for overflatemonterte komponenter. 1991 Saksgang. 41st Electronic Components and Technology Conference (kat.nr. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice og B. Shaw, Loddeskjøts pålitelighet for overflatemonteringsteknologier med fin pitch, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 13(3) (1990), 534-544.
[37] R. Li, En metodikk for utmattelsesprediksjon av elektroniske komponenter under tilfeldig vibrasjonsbelastning, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li og L. Poglitsch, Fatigue of plastic ball grid array and plastic quad flat packages under automotive vibration. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li og L. Poglitsch, Vibrasjonstretthet, sviktmekanisme og pålitelighet av plastballnett og fire flate plastpakker.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore og D. Followell, Vibration fatigue of surface mount technology (smt) loddeforbindelser. Årlig Reliability and Maintainability Symposium 1995 Proceedings (Cat. No. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong og 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: Hva er galt med det? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze og L. Cheng, En mulighetsstudie av aktiv vibrasjonsisolering ved bruk av tordenaktuatorer, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Pålitelighetsprediksjon av elektronisk utstyr. US Department of Defense, F-utgaven, 1995.
[46] S.R. Moheimani, En undersøkelse av nyere innovasjoner innen vibrasjonsdemping og kontroll ved bruk av shuntede piezoelektriske transdusere, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris og J. Reilly, Mil-hdbk-217-et favorittmål. Årlig pålitelighet og vedlikeholdssymposium. 1993 Proceedings (Kat. nr. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktisk pålitelighetsteknikk. Wiley, 1997.
[48] ​​M. Osterman og T. Stadterman, Feilvurderingsprogramvare for kretskortsammenstillinger. Årlig pålitelighet og vedlikehold. Symposium. 1999 Proceedings (Cat. No. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht og A. Dasgupta, Physics-of-failure: an approach to pålitelig produktutvikling, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht og W.-C. Kang, En kritikk av mil-hdbk-217e pålitelighetsprediksjonsmetoder, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M.G. Pecht og F.R. Nash, Predicting the reliability of elektronisk utstyr, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell og D. Smith, The smared property technique for the FE vibration analysis of printed circuit cards, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman og Y. Ling, Dynamisk modellering og måling av hovedkort til personlige datamaskiner. 52nd Electronic Components and Technology Conference 2002., (kat.nr. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi og A. Primavera, Sammenligning av vibrasjonsmodelleringsteknikker for trykte kretskort, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala og P. Geng, Mekanisk sjokktesting og modellering av PC-hovedkort. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE kat.nr. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] B.I. Sandor, Loddemekanikk – En toppmoderne vurdering. Minerals, Metals and Materials Society, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola og T. Reinikainen, Fatigue of chip scale package interconnects due to cyclic bending, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty og T. Reinikainen, Tre- og firepunkts bøyningstesting for elektroniske pakker, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth og D.B. Barker, Vibrasjonsindusert utmattingslevetid estimering av hjørneledninger til perifere blyholdige komponenter, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman og G. Blackwood, Soft 6-axis active vibration isolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Vibrasjonsanalyse for elektronisk utstyr, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Vibrasjonsanalyse for elektronisk utstyr, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Kan kompatible eksterne ledninger redusere styrken til en overflatemontert enhet? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Ikke-lineær dynamisk respons av et trykt kretskort på sjokkbelastninger påført støttekonturen, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Response of a flexible circuit printed board til periodiske sjokkbelastninger påført støttekonturen, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Vibrasjonsbeskyttelse av kritiske komponenter i elektronisk utstyr under tøffe miljøforhold, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao og Q. Guo, Vibration fatigue experiments of SMT solder joint, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z.W. Xu, K. Chan og W. Liao, En empirisk metode for partikkeldempende design, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, A fracture mechanics approach to soldered joint cracking, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao og E. Elsayed, Modeling accelerated life testing based on mean rest life, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou og E.A. Elsayed, Generalisert trinnstress akselererte livsmodell. Proceedings of the 2004 International Conference on the Business of Electronic Product Reliability and Liability, 2004, 19–25.

Kilde: www.habr.com