Analiza fiabilității echipamentelor electronice supuse șocurilor și vibrațiilor—O prezentare generală

Jurnal: Şocuri şi vibraţii 16 (2009) 45–59
Autori: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [e-mail protejat]), și Guy Richardson
Afilierea autorilor: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, Marea Britanie
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Marea Britanie

Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Acesta este un articol cu ​​acces deschis distribuit sub Licența de Atribuire Creative Commons, care permite utilizarea, distribuirea și reproducerea fără restricții pe orice mediu, cu condiția ca lucrarea originală să fie citată corespunzător.

Rezumat. În viitor, este de așteptat ca toate echipamentele electronice moderne să aibă o funcționalitate crescândă, menținând în același timp capacitatea de a rezista la șocuri și vibrații. Procesul de predicție a fiabilității este dificil din cauza caracteristicilor complexe de răspuns și defecțiuni ale echipamentelor electronice, astfel încât metodele existente în prezent reprezintă un compromis între acuratețea calculului și cost.
Predicția fiabilă și rapidă a fiabilității echipamentelor electronice atunci când funcționează sub sarcini dinamice este foarte importantă pentru industrie. Acest articol prezintă probleme în prezicerea fiabilității echipamentelor electronice care încetinesc rezultatele. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că modelul de fiabilitate este de obicei construit luând în considerare o gamă largă de configurații de echipamente pentru un număr de componente similare. Patru clase de metode de predicție a fiabilității (metode de referință, date de testare, date experimentale și modelarea cauzelor fizice ale eșecului - fizica defecțiunii) sunt comparate în acest articol pentru a selecta posibilitatea utilizării uneia sau alteia metode. Se remarcă faptul că cele mai multe defecțiuni ale echipamentelor electronice sunt cauzate de sarcini termice, dar această revizuire se concentrează pe defecțiunile cauzate de șocuri și vibrații în timpul funcționării.

Nota traducătorului. Articolul este o trecere în revistă a literaturii pe această temă. În ciuda vârstei sale relativ înaintate, servește ca o introducere excelentă în problema evaluării fiabilității folosind diferite metode.

1. Terminologie

BGA Ball Grid Array.
Procesor DIP Dual In-line, uneori cunoscut ca pachet Dual In-line.
FE Element finit.
PGA Pin Grid Array.
Placă de circuit imprimat PCB, uneori cunoscută ca PWB (Placă de cablare imprimată).
Purtător de așchii cu plumb din plastic PLCC.
PTH Placat Through Hole, uneori cunoscut sub numele de Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - cunoscut și sub numele de aripă de pescăruş.
Aliaje cu memorie de formă SMA.
Tehnologie SMT de montare la suprafață.

Notă de la autorii originali: În acest articol, termenul „componentă” se referă la un dispozitiv electronic specific care poate fi lipit la o placă de circuit imprimat, termenul „pachet” se referă la orice componentă a unui circuit integrat (de obicei orice componentă SMT sau DIP). Termenul „componentă atașată” se referă la orice placă de circuit imprimat combinat sau sistem de componente, subliniind faptul că componentele atașate au propria lor masă și rigiditate. (Ambalajul de cristal și impactul său asupra fiabilității nu sunt discutate în articol, așa că în cele ce urmează termenul „pachet” poate fi perceput ca un „caz” de un tip sau altul - aprox. traducere)

2. Enunțarea problemei

Încărcările de șocuri și vibrații impuse unui PCB provoacă stres asupra substratului PCB-ului, pachetelor de componente, urmelor componentelor și îmbinărilor de lipit. Aceste tensiuni sunt cauzate de o combinație de momente de încovoiere a plăcii de circuite și de inerția de masă a componentei. În cel mai rău caz, aceste tensiuni pot cauza unul dintre următoarele moduri de defecțiune: delaminarea PCB, defectarea îmbinării de lipit, defectarea cablului sau defectarea pachetului de componente. Dacă apare oricare dintre aceste moduri de defecțiune, cel mai probabil va urma o defecțiune completă a dispozitivului. Modul de defecțiune experimentat în timpul funcționării depinde de tipul de ambalare, de proprietățile plăcii de circuit imprimat, precum și de frecvența și amplitudinea momentelor încovoietoare și a forțelor inerțiale. Progresul lent în analiza fiabilității echipamentelor electronice se datorează numeroaselor combinații de factori de intrare și moduri de defecțiune care trebuie luate în considerare.

Restul acestei secțiuni va încerca să explice dificultatea luării în considerare a diferiților factori de intrare simultan.

Primul factor de complicare de luat în considerare este gama largă de tipuri de pachete disponibile în electronica modernă, deoarece fiecare pachet poate eșua din diferite motive. Componentele grele sunt mai susceptibile la sarcinile inerțiale, în timp ce răspunsul componentelor SMT depinde mai mult de curbura plăcii de circuite. Ca urmare, datorită acestor diferențe de bază, aceste tipuri de componente au criterii de defecțiune foarte diferite în funcție de masă sau dimensiune. Această problemă este agravată și mai mult de apariția constantă de noi componente disponibile pe piață. Prin urmare, orice metodă de predicție a fiabilității propusă trebuie să se adapteze noilor componente pentru a avea orice aplicație practică în viitor. Răspunsul unei plăci de circuit imprimat la vibrații este determinat de rigiditatea și masa componentelor, care influențează răspunsul local al plăcii de circuit imprimat. Se știe că cele mai grele sau mai mari componente modifică semnificativ răspunsul plăcii la vibrații în locurile în care sunt instalate. Proprietățile mecanice ale PCB (modulul și grosimea Young) pot afecta fiabilitatea în moduri greu de prezis.

Un PCB mai rigid poate reduce timpul general de răspuns al PCB-ului sub sarcină, dar, în același timp, poate crește local momentele de încovoiere aplicate componentelor (În plus, din perspectiva defecțiunii induse termic, este de fapt de preferat să se specifice o mai mare măsură). PCB compatibil, deoarece aceasta reduce tensiunile termice impuse ambalajului - nota autorului). Frecvența și amplitudinea momentelor încovoietoare locale și a sarcinilor inerțiale impuse stivei influențează, de asemenea, modul de defectare cel mai probabil. Sarcinile de înaltă frecvență de amplitudine mică pot duce la defectarea prin oboseală a structurii, care poate fi principala cauză a defecțiunii (oboseală ciclică scăzută/înaltă, LCF se referă la defecțiuni dominate de deformarea plastică (N_f < 10^6), în timp ce HCF denotă deformarea elastică defecțiuni , de obicei (N_f > 10^6 ) până la defecțiune [56] - nota autorului) Dispunerea finală a elementelor pe placa de circuit imprimat va determina cauza defecțiunii, care poate apărea din cauza tensiunii unei componente individuale cauzate de sarcini inerțiale sau momentele încovoietoare locale. În cele din urmă, este necesar să se ia în considerare influența factorilor umani și a caracteristicilor de producție, ceea ce crește probabilitatea defecțiunii echipamentului.

Atunci când luăm în considerare un număr semnificativ de factori de intrare și interacțiunea lor complexă, devine clar de ce nu a fost încă creată o metodă eficientă de prezicere a fiabilității echipamentelor electronice. Una dintre recenziile de literatură recomandate de autori pe această temă este prezentată în IEEE [26]. Cu toate acestea, această revizuire se concentrează în principal pe clasificări destul de largi ale modelelor de fiabilitate, cum ar fi metoda de predicție a fiabilității din literatura de referință, datele experimentale, modelarea computerizată a condițiilor de defecțiune (Fiabilitatea fizică a eșecului (PoF)) și nu abordează eșecurile. suficient de detaliat cauzate de șocuri și vibrații. Foucher și colab.[17] urmează o schiță similară cu cea a revizuirii IEEE, cu accent semnificativ pe defecțiunile termice. Concizia anterioară a analizei metodelor PoF, în special în cazul defecțiunilor de șocuri și vibrații, merită o analiză suplimentară. O revizuire asemănătoare IEEE este în proces de compilare de către AIAA, dar scopul evaluării este necunoscut în acest moment.

3. Evoluția metodelor de predicție a fiabilității

Cea mai veche metodă de predicție a fiabilității, dezvoltată în anii 1960, este descrisă în prezent în MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F este cea mai recentă și finală revizuire a metodei, lansată în 1995 - nota autorului) Utilizarea Această metodă utilizează o bază de date cu defecțiuni ale echipamentelor electronice pentru a obține durata medie de viață a unei plăci de circuit imprimat constând din anumite componente. Această metodă este cunoscută ca o metodă de predicție a fiabilității din literatura de referință și normativă. Deși Mil-Hdbk-217F devine din ce în ce mai depășit, metoda de referință este încă utilizată astăzi. Limitările și inexactitățile acestei metode au fost bine documentate [42,50], conducând la dezvoltarea a trei clase de metode alternative: modelarea computerizată a condițiilor de defecțiune fizică (PoF), date experimentale și date de testare pe teren.

Metodele PoF prezic fiabilitatea analitic, fără a se baza pe datele colectate anterior. Toate metodele PoF au două caracteristici comune ale metodei clasice descrise în Steinberg [62]: în primul rând, se caută răspunsul la vibrație al plăcii de circuit imprimat la un stimul specific de vibrație, apoi se testează criteriile de defecțiune ale componentelor individuale după expunerea la vibrații. Un progres important în metodele PoF a fost utilizarea proprietăților plăcilor distribuite (medii) pentru a genera rapid un model matematic al unei plăci de circuit imprimat [54], ceea ce a redus semnificativ complexitatea și timpul petrecut pentru calcularea cu precizie a răspunsului la vibrații al unei plăci imprimate. placa de circuit (vezi Secțiunea 8.1.3). Evoluțiile recente în tehnicile PoF au îmbunătățit predicția defecțiunilor pentru componentele lipite cu tehnologie de montare la suprafață (SMT); cu toate acestea, cu excepția metodei Barkers [59], aceste noi metode sunt aplicabile doar unor combinații foarte specifice de componente și plăci de circuite imprimate. Există foarte puține metode disponibile pentru componente mari, cum ar fi transformatoare sau condensatoare mari.
Metodele experimentale de date îmbunătățesc calitatea și capacitățile modelului utilizat în metodele de predicție a fiabilității bazate pe literatura de referință. Prima metodă bazată pe date experimentale pentru prezicerea fiabilității echipamentelor electronice a fost descrisă într-o lucrare din 1999 folosind metoda HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), care a fost creată la Honeywell, Inc. [20]. Metoda datelor experimentale are o serie de avantaje față de metodele de predicție a fiabilității folosind literatura de referință și normativă. Recent, au apărut multe metode similare (REMM și TRACS [17], de asemenea FIDES [16]). Metoda datelor experimentale, precum și metoda de predicție a fiabilității folosind literatura de referință și normativă, nu ne permite să luăm în considerare în mod satisfăcător aspectul plăcii și mediul de operare al funcționării acesteia în evaluarea fiabilității. Această deficiență poate fi corectată prin utilizarea datelor de defecțiune de la plăci care sunt similare ca design sau de la plăci care au fost expuse la condiții de funcționare similare.

Metodele experimentale de date depind de disponibilitatea unei baze de date extinse care conține date despre accidente în timp. Fiecare tip de defecțiune din această bază de date trebuie identificat corect și trebuie determinată cauza principală. Această metodă de evaluare a fiabilității este potrivită pentru companiile care produc același tip de echipamente în cantități suficient de mari astfel încât un număr semnificativ de defecțiuni să poată fi procesat pentru a evalua fiabilitatea.

Metodele de testare a componentelor electronice pentru fiabilitate au fost utilizate de la mijlocul anilor 1970 și sunt de obicei împărțite în teste accelerate și neaccelerate. Abordarea de bază este de a efectua teste hardware care creează mediul de operare așteptat cât mai realist posibil. Testele sunt efectuate până când apare o defecțiune, permițând estimarea MTBF (Time Between Failures). Dacă MTBF este estimat a fi foarte lung, atunci durata testului poate fi redusă prin testarea accelerată, care se realizează prin creșterea factorilor mediului de operare și folosind o formulă cunoscută pentru a lega rata de eșec în testul accelerat cu rata de eșec așteptată în Operațiune. Această testare este vitală pentru componentele cu risc ridicat de defecțiune, deoarece oferă cercetătorului cel mai înalt nivel de încredere a datelor, cu toate acestea, ar fi impractic să fie utilizat pentru optimizarea designului plăcii din cauza timpilor lungi de iterație a studiului.

O analiză rapidă a lucrărilor publicate în anii 1990 sugerează că aceasta a fost o perioadă în care datele experimentale, datele de testare și metodele PoF au concurat între ele pentru a înlocui metodele învechite de predicție a fiabilității din cărțile de referință. Cu toate acestea, fiecare metodă are propriile sale avantaje și dezavantaje și, atunci când este utilizată corect, produce rezultate valoroase. În consecință, IEEE a lansat recent un standard [26] care enumeră toate metodele de predicție a fiabilității utilizate în prezent. Scopul IEEE a fost de a pregăti un ghid care să ofere inginerului informații despre toate metodele disponibile și despre avantajele și dezavantajele inerente fiecărei metode. Deși abordarea IEEE este încă la începutul unei evoluții îndelungate, pare să aibă propriile merite, deoarece AIAA (Institutul American de Aeronautică și Astronautică) o urmează cu un ghid numit S-102, care este similar cu IEEE, dar ia în considerare și calitatea relativă a datelor din fiecare metodă [27]. Aceste ghiduri sunt menite doar să reunească metodele care circulă în întreaga lume publicată pe aceste subiecte.

4. Defecțiuni cauzate de vibrații

O mare parte din cercetările anterioare s-au concentrat în primul rând pe vibrațiile aleatorii ca sarcină PCB, dar următorul studiu analizează în mod specific defecțiunile legate de impact. Astfel de metode nu vor fi discutate pe deplin aici, deoarece se încadrează în clasificarea metodelor PoF și sunt discutate în secțiunile 8.1 și 8.2 ale acestui articol. Heen și colaboratorii [24] au creat o placă de testare pentru a testa integritatea îmbinărilor de lipit BGA atunci când sunt supuse la șocuri. Lau și colaboratorii [36] au descris fiabilitatea componentelor PLCC, PQFP și QFP sub impacturi în plan și în afara planului. Pitarresi și colab.[53,55] s-au uitat la defecțiunile plăcilor de bază ale computerelor din cauza sarcinilor de șoc și au oferit o bună trecere în revistă a literaturii de specialitate care descrie echipamentele electronice sub sarcini de șoc. Steinberg [62] oferă un întreg capitol despre proiectarea și analiza echipamentelor electronice afectate, acoperind atât modul de a prezice mediul de șoc, cât și modul de asigurare a performanței componentelor electronice. Sukhir [64,65] a descris erori în calculele liniare ale răspunsului unei plăci de circuit imprimat la o sarcină de impact aplicată elementelor de fixare a plăcilor. Astfel, metodele de referință și datele experimentale pot lua în considerare defecțiunile echipamentelor legate de impact, dar aceste metode descriu implicit defecțiunile „de impact”.

5. Metode de referință

Dintre toate metodele disponibile descrise în manuale, ne vom limita la doar două care iau în considerare defectarea vibrațiilor: Mil-Hdbk-217 și CNET [9]. Mil-Hdbk-217 este acceptat ca standard de majoritatea producătorilor. Ca toate metodele manuale și de referință, acestea se bazează pe abordări empirice care urmăresc să prezică fiabilitatea componentelor din datele experimentale sau de laborator. Metodele descrise în literatura de referință sunt relativ simple de implementat, deoarece nu necesită modelare matematică complexă și folosesc doar tipuri de piese, numărul de piese, condițiile de funcționare ale plăcii și alți parametri ușor accesibili. Datele de intrare sunt apoi introduse în model pentru a calcula timpul dintre defecțiuni, MTBF. În ciuda avantajelor sale, Mil-Hdbk-217 devine din ce în ce mai puțin popular [12, 17,42,50,51]. Să luăm în considerare o listă incompletă de restricții privind aplicabilitatea acesteia.

1. Datele sunt din ce în ce mai depășite, fiind actualizate ultima dată în 1995 și nerelevante pentru noile componente, nu există nicio șansă ca modelul să fie revizuit, deoarece Consiliul pentru îmbunătățirea standardelor de apărare a decis să lase metoda „să moară de moarte naturală” [ 26].
2. Metoda nu oferă informații despre modul de defecțiune, astfel încât aspectul PCB nu poate fi îmbunătățit sau optimizat.
3. Modelele presupun că defecțiunea este independentă de proiectare, ignorând aspectul componentelor de pe PCB, totuși se știe că aspectul componentelor are un impact mare asupra probabilității de defecțiune. [50].
4. Datele empirice colectate conțin multe inexactități, datele sunt utilizate de la componente de prima generație cu o rată de defecțiuni nenatural de mare din cauza înregistrărilor eronate ale timpului de funcționare, reparații etc., ceea ce reduce fiabilitatea rezultatelor predicției de fiabilitate [51].

Toate aceste neajunsuri indică faptul că utilizarea metodelor de referință trebuie evitată, totuși, în limitele admisibilității acestor metode, trebuie implementate o serie de cerințe ale specificației tehnice. Prin urmare, metodele de referință ar trebui utilizate numai atunci când este cazul, de exemplu. în primele etape de proiectare [46]. Din păcate, chiar și această utilizare ar trebui abordată cu oarecare precauție, deoarece aceste tipuri de metode nu au fost revizuite din 1995. Prin urmare, metodele de referință sunt în mod inerent predictori slabi ai fiabilității mecanice și ar trebui utilizate cu prudență.

6. Metode de testare a datelor

Metodele de testare a datelor sunt cele mai simple metode de predicție a fiabilității disponibile. Un prototip al designului de placă de circuit imprimat propus este supus vibrațiilor mediului înconjurător reproduse pe o bancă de laborator. În continuare, sunt analizați parametrii de distrugere (MTTF, spectrul de șoc), apoi aceștia sunt utilizați pentru a calcula indicatorii de fiabilitate [26]. Metoda datelor de testare trebuie utilizată ținând cont de avantajele și dezavantajele acesteia.
Principalul avantaj al metodelor de testare a datelor este precizia ridicată și fiabilitatea rezultatelor, astfel încât pentru echipamentele cu un risc ridicat de defecțiune, etapa finală a procesului de proiectare ar trebui să includă întotdeauna testarea de calificare a vibrațiilor. Dezavantajul este timpul îndelungat necesar pentru fabricarea, instalarea și încărcarea piesei de testare, ceea ce face ca metoda să nu fie adecvată pentru îmbunătățirea proiectării echipamentelor cu o probabilitate mare de defecțiune. Pentru un proces iterativ de proiectare a produsului, ar trebui luată în considerare o metodă mai rapidă. Timpul de expunere la sarcină poate fi redus prin testare accelerată dacă sunt disponibile modele fiabile pentru calcularea ulterioară a duratei de viață efectivă [70,71]. Cu toate acestea, metodele de testare accelerată sunt mai potrivite pentru modelarea defecțiunilor termice decât defecțiunile prin vibrație. Acest lucru se datorează faptului că este nevoie de mai puțin timp pentru a testa efectele sarcinilor termice asupra echipamentelor decât pentru a testa efectele sarcinilor vibraționale. Efectul vibrațiilor poate apărea în produs numai după o lungă perioadă de timp.

În consecință, metodele de testare nu sunt utilizate, în general, pentru defecțiunile de vibrație, cu excepția cazului în care există circumstanțe atenuante, cum ar fi tensiuni scăzute care au ca rezultat timpi foarte lungi până la defecțiune. Exemple de metode de verificare a datelor pot fi văzute în lucrările lui Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty și colab., [57], Liguore și Followell [40], Estes și colab. [15], Wang et al. [67], Jih și Jung [30]. O prezentare generală bună a metodei este dată în IEEE [26].

7. Metode experimentale de date

Metoda experimentală a datelor se bazează pe datele de defecțiune de la plăci de circuite imprimate similare care au fost testate în condiții de funcționare specificate. Metoda este corectă numai pentru plăcile de circuite imprimate care vor experimenta sarcini similare. Metoda datelor experimentale are două aspecte principale: construirea unei baze de date de defecțiuni ale componentelor electronice și implementarea metodei pe baza designului propus. Pentru a construi o bază de date adecvată, trebuie să existe date relevante despre defecțiuni care au fost colectate din proiecte similare; aceasta înseamnă că trebuie să existe date despre defecțiuni ale echipamentelor similare. Echipamentele defecte trebuie, de asemenea, analizate și statisticile colectate în mod corespunzător, nu este suficient să se precizeze că un anumit design PCB a eșuat după un anumit număr de ore, trebuie determinate locația, modul de defecțiune și cauza defecțiunii. Cu excepția cazului în care toate datele anterioare ale erorilor au fost analizate temeinic, va fi necesară o perioadă lungă de colectare a datelor înainte ca metoda datelor experimentale să poată fi utilizată.

O posibilă soluție pentru această limitare este implementarea Highly Accelerated Lifecycle Testing (HALT) cu scopul de a construi rapid o bază de date cu rata de eșec, deși reproducerea cu acuratețe a parametrilor de mediu este o provocare, dar vitală [27]. O descriere a celei de-a doua etape de implementare a metodei datelor experimentale poate fi citită în [27], care arată cum se poate prezice MTBF pentru un proiect propus dacă proiectul testat este obținut prin modificarea unei plăci existente pentru care există deja date detaliate de defecțiune. . Alte recenzii ale metodelor de date experimentale sunt descrise de diverși autori în [11,17,20,26].

8. Simularea computerizată a condițiilor de defecțiune (PoF)

Tehnicile de modelare computerizată pentru condițiile de defecțiune, numite și modele de stres și daune sau modele PoF, sunt implementate într-un proces de predicție a fiabilității în doi pași. Prima etapă include căutarea răspunsului plăcii de circuit imprimat la o sarcină dinamică impusă acesteia; în a doua etapă, răspunsul modelului este calculat pentru a asigura un anumit indicator de fiabilitate. Cea mai mare parte a literaturii este adesea dedicată atât metodei de predicție a răspunsului, cât și procesului de găsire a criteriilor de eșec. Aceste două metode sunt cel mai bine înțelese atunci când sunt descrise în mod independent, astfel încât această revizuire va lua în considerare acești doi pași separat.

Între etapele de predicție a răspunsului și căutarea criteriilor de eșec, setul de date creat în prima etapă și utilizat în a doua este transferat în model. Variabila de răspuns a evoluat de la utilizarea accelerației de intrare pe șasiu [15,36,37,67], prin accelerația reală experimentată de componentă pentru a lua în considerare diferitele răspunsuri vibraționale ale diferitelor configurații PCB [40] și, în final, la luarea în considerare excursie locală [62] sau momente încovoietoare locale [59] experimentate de PCB local pe componentă.

Sa observat că defecțiunea este o funcție a aranjamentului componentelor pe o placă de circuit imprimat [21,38], astfel încât modelele care încorporează răspunsul la vibrații locale sunt mai probabil să fie precise. Alegerea parametrului (accelerația locală, deformarea locală sau momentul încovoietor) este factorul determinant pentru defecțiune depinde de cazul specific.
Dacă sunt utilizate componente SMT, curbura sau momentele încovoietoare pot fi cei mai importanți factori de defecțiune; pentru componentele grele, accelerațiile locale sunt de obicei utilizate ca criterii de defecțiune. Din păcate, nu a fost efectuată nicio cercetare care să arate ce tip de criterii este cel mai potrivit pentru un anumit set de date de intrare.

Este important să se ia în considerare adecvarea oricărei metode PoF utilizate, deoarece nu este practic să se utilizeze vreo metodă PoF, analitică sau FE, care nu este susținută de datele testelor de laborator. În plus, este important să folosiți orice model numai în sfera de aplicare a acestuia, ceea ce, din păcate, limitează aplicabilitatea majorității modelelor PoF actuale pentru a fi utilizate în condiții foarte specifice și limitate. Exemple bune de discuții despre metodele PoF sunt descrise de diverși autori [17,19,26,49].

8.1. Predicția răspunsului

Predicția răspunsului implică utilizarea geometriei și proprietăților materialelor unei structuri pentru a calcula variabila răspuns necesară. Se așteaptă ca acest pas să capteze doar răspunsul general al PCB-ului de bază și nu răspunsul componentelor individuale. Există trei tipuri principale de metode de predicție a răspunsului: modele analitice, detaliate FE și modele FE simplificate, descrise mai jos. Aceste metode se concentrează pe încorporarea efectelor de rigiditate și masă ale componentelor adăugate, totuși este important să nu pierdem din vedere importanța modelării cu precizie a rigidității de rotație la marginea PCB, deoarece aceasta este strâns legată de precizia modelului (acesta este discutată în Secțiunea 8.1.4). Smochin. 1. Exemplu de model detaliat al unei plăci de circuit imprimat [53].

8.1.1. Predicția analitică a răspunsului

Steinberg [62] oferă singura metodă analitică pentru calcularea răspunsului la vibrații al unei plăci de circuit imprimat. Steinberg afirmă că amplitudinea oscilației la rezonanță a unei unități electronice este egală cu de două ori rădăcina pătrată a frecvenței de rezonanță; această declarație se bazează pe date indisponibile și nu poate fi verificată. Acest lucru permite deviația dinamică la rezonanță să fie calculată analitic, care poate fi apoi utilizată pentru a calcula fie sarcina dinamică de la o componentă grea, fie curbura plăcii de circuit imprimat. Această metodă nu produce direct răspuns local PCB și este compatibilă doar cu criteriile de defecțiune bazate pe deformare descrise de Steinberg.

Validitatea ipotezei distribuției funcției de transfer bazată pe măsurători de amplitudine este îndoielnică, deoarece Pitarresi și colab.[53] au măsurat o atenuare critică de 2% pentru o placă de bază de computer, în timp ce utilizarea ipotezei lui Steinberg ar da 3,5% (pe baza frecvenței naturale 54). Hz), ceea ce ar duce la o mare subestimare a răspunsului plăcii la vibrații.

8.1.2. Modele FE detaliate

Unii autori demonstrează utilizarea unor modele FE detaliate pentru a calcula răspunsul la vibrații al unei plăci de circuit imprimat [30,37,53, 57,58] (Figura 1-3 prezintă exemple cu un nivel crescut de detaliu), totuși utilizarea acestora nu este recomandată pentru un produs comercial (cu excepția cazului în care doar predicția exactă a răspunsului local nu este absolut necesară), deoarece timpul necesar pentru construirea și rezolvarea unui astfel de model este excesiv. Modelele simplificate produc date cu acuratețe adecvată mult mai rapid și la un cost mai mic. Timpul necesar pentru construirea și rezolvarea unui model FE detaliat poate fi redus prin utilizarea constantelor de arc JEDEC 4 publicate în [33-35], aceste constante de arc pot fi utilizate în locul modelului FE detaliat al fiecărui fir. În plus, metoda substructurii (cunoscută uneori ca metoda superelementului) poate fi implementată pentru a reduce timpul de calcul necesar pentru rezolvarea modelelor detaliate. Trebuie remarcat faptul că modelele FE detaliate estompează adesea liniile dintre predicția răspunsului și criteriile de defecțiune, astfel încât lucrările la care se face referire aici pot intra și în lista lucrărilor care conțin criterii de defecțiune.

8.1.3. Modele FE distribuite

Modelele FE simplificate reduc timpul de creare a modelului și de soluționare. Masa adăugată a componentei și rigiditatea acesteia pot fi reprezentate prin simpla simulare a unui PCB gol cu ​​masă și rigiditate crescute, unde efectele masei și rigidității sunt încorporate prin creșterea locală a modulului Young al PCB-ului.

Smochin. 2. Exemplu de model detaliat al unei componente QFP folosind simetria pentru a simplifica procesul de modelare și a reduce timpul de soluție [36]. Smochin. 3. Exemplu de model FE detaliat de J-lead [6].

Factorul de creștere a rigidității poate fi calculat prin tăierea fizică a elementului atașat și aplicarea metodelor de testare la îndoire [52]. Pitarresi et al. [52,54] a examinat efectul de simplificare al masei și rigidității adăugate furnizate de componentele atașate la o placă de circuit imprimat.

Prima lucrare examinează un singur caz al unui model FE simplificat al unei plăci de circuit imprimat, verificat pe baza datelor experimentale. Principalul domeniu de interes al acestei lucrări este determinarea proprietăților distribuite, cu avertismentul că este necesară o precizie ridicată a rigidității la torsiune pentru un model precis.

Al doilea articol analizează cinci PCB-uri umplute diferite, fiecare modelat cu mai multe niveluri diferite de simplificare a compoziției sale. Aceste modele sunt comparate cu datele experimentale. Acest articol se încheie cu câteva observații instructive ale corelației dintre raporturile masă-rigiditate și precizia modelului. Ambele lucrări folosesc doar frecvențe naturale și MEC (criterii de asigurare modală) pentru a determina corelația dintre cele două modele. Din păcate, eroarea în frecvența naturală nu poate oferi nicio informație despre eroarea în accelerațiile locale sau momentele încovoietoare, iar MKO poate oferi doar corelația generală între două moduri naturale, dar nu poate fi folosită pentru a calcula eroarea procentuală a accelerației sau curburii. Folosind o combinație de analiză numerică și simulare pe calculator, Cifuentes [10] face următoarele patru observații.

1. Modurile simulate trebuie să conțină cel puțin 90% masă vibrantă pentru o analiză precisă.
2. În cazurile în care abaterile plăcii sunt comparabile cu grosimea acesteia, analiza neliniară poate fi mai potrivită decât analiza liniară.
3. Erorile mici în plasarea componentelor pot cauza erori mari în măsurătorile răspunsului.
4. Precizia măsurării răspunsului este mai sensibilă la erorile de masă decât la rigiditate.

8.1.4. Condiții de frontieră

Coeficientul de rigiditate la rotația muchiei PCB are un impact semnificativ asupra acurateței răspunsului calculat [59] și, în funcție de configurația specifică, este de o importanță mult mai mare decât masa și rigiditatea componentei adăugate. Modelarea rigidității marginii de rotație ca zero (în esență doar o condiție susținută) produce de obicei rezultate conservatoare, în timp ce modelarea ca strâns strâns subestimează de obicei rezultatele, deoarece chiar și cele mai rigide mecanisme de prindere PCB nu pot asigura o condiție de strângere completă a marginilor. Barker și Chen [5] validează teoria analitică cu rezultate experimentale pentru a arăta modul în care rigiditatea rotațională a marginilor afectează frecvența naturală a unui PCB. Principala constatare a acestei lucrări este corelația puternică dintre rigiditatea de rotație a marginilor și frecvențele naturale, în concordanță cu teoria. Aceasta înseamnă, de asemenea, că erorile mari în modelarea rigidității de rotație a marginilor vor duce la erori mari în predicția răspunsului. Deși această lucrare a fost luată în considerare într-un caz particular, este aplicabilă modelării tuturor tipurilor de mecanisme de condiție la limită. Folosind datele experimentale de la Lim et al. [41] oferă un exemplu despre modul în care rigiditatea de rotație a muchiei poate fi calculată pentru a utiliza FE într-un model PCB; acest lucru se realizează folosind o metodă adaptată după Barker și Chen [5]. Această lucrare arată, de asemenea, cum se poate determina locația optimă a oricărui punct dintr-o structură pentru a maximiza frecvențele naturale. Lucrări care iau în considerare în mod specific efectul modificării condițiilor la limită pentru a reduce răspunsul la vibrații există și de Guo și Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti și Schwingshackl [3], Lim și colab. [41].

8.1.5. Predicții de impact asupra șocurilor și vibrațiilor

Pitarresi et al. [53-55] utilizează un model FE detaliat al unui PCB pentru a prezice răspunsul la șocuri și vibrații al unei plăci cu componente reprezentate ca blocuri 3D. Aceste modele au folosit rapoarte de amortizare constante determinate experimental pentru a îmbunătăți predicția răspunsului la rezonanță. Spectrul de răspuns la impact (SRS) și metodele de măsurare a timpului au fost comparate pentru predicția răspunsului la impact, ambele metode fiind un compromis între acuratețe și timpul de soluție.

8.2. Criterii de respingere

Criteriile de defecțiune iau o măsură a răspunsului PCB și o folosesc pentru a deriva o metrică de defecțiune, unde metrica de defecțiune poate fi timpul mediu între defecțiuni (MTBF), cicluri până la defecțiune, probabilitatea de funcționare fără defecțiuni sau orice altă măsură de fiabilitate (vezi IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] pentru o discuție despre metricile eșecului). Multe abordări diferite pentru generarea acestor date pot fi împărțite convenabil în metode analitice și empirice. Metodele empirice generează date privind criteriile de defecțiune prin încărcarea probelor de testare ale componentelor la sarcina dinamică necesară. Din păcate, datorită gamei largi de date de intrare (tipuri de componente, grosimi și încărcări ale PCB) care sunt posibile în practică, este puțin probabil ca datele publicate să fie direct aplicabile, deoarece datele sunt valabile doar în cazuri foarte speciale. Metodele analitice nu suferă de astfel de dezavantaje și au o aplicabilitate mult mai largă.

8.2.1. Criterii empirice de eșec

După cum sa menționat mai devreme, o limitare a majorității modelelor empirice este că acestea sunt aplicabile numai configurațiilor care implică aceeași grosime a PCB, tipuri similare de componente și sarcină de intrare, ceea ce este puțin probabil. Cu toate acestea, literatura disponibilă este utilă din următoarele motive: oferă exemple bune de efectuare a testelor de defecțiune, evidențiază diferite opțiuni pentru metrica de defecțiune și oferă informații valoroase cu privire la mecanica defecțiunii. Li [37] a creat un model empiric pentru a prezice fiabilitatea pachetelor BGA cu 272 de pini și QFP cu 160 de pini. Sunt investigate deteriorarea prin oboseală în conductori și în corpul pachetului, iar rezultatele experimentale sunt în acord cu analiza deteriorării bazată pe stres calculată folosind un model FE detaliat (vezi și Li și Poglitsch [38,39]). Procesul produce daune cumulate pentru un anumit nivel de accelerare a vibrației a semnalului de intrare de vibrație.
Lau și colab.[36] au evaluat fiabilitatea componentelor specifice sub încărcări de șoc și vibrații folosind statisticile Weibull. Liguore și Followell [40] au examinat defecțiunile componentelor LLCC și J-lead variind accelerația locală de-a lungul ciclurilor de service. Accelerația locală este utilizată spre deosebire de accelerația de intrare a șasiului și a fost investigat efectul temperaturii asupra rezultatelor testelor. Articolul face, de asemenea, referire la cercetarea efectului grosimii PCB asupra fiabilității componentelor.

Guo și Zhao [21] compară fiabilitatea componentelor atunci când curbura de torsiune locală este utilizată ca sarcină, spre deosebire de studiile anterioare care au folosit accelerația. Daunele de oboseală sunt simulate, apoi modelul FE este comparat cu rezultatele experimentale. Articolul discută, de asemenea, optimizarea aspectului componentelor pentru a îmbunătăți fiabilitatea.

Ham și Lee [22] prezintă o metodă de testare a datelor pentru problema determinării tensiunilor de lipire cu plumb sub încărcare ciclică de torsiune. Estes și colab.[15] au luat în considerare problema defecțiunii componentelor gullwing (GOST IEC 61188-5-5-2013) cu accelerația de intrare aplicată și sarcina termică. Componentele studiate sunt tipurile de pachete de cipuri CQFP 352, 208, 196, 84 și 28, precum și FP 42 și 10. Articolul este dedicat defecțiunii componentelor electronice din cauza fluctuațiilor pe orbita unui satelit geostaționar al Pământului, timpul între defecțiuni este dat în termeni de ani de zbor pe orbite geostaționare sau joase ale Pământului. Se observă că defectarea firelor de pescăruș este mai probabilă în locurile în contact cu corpul pachetului decât la îmbinarea de lipit.

Jih și Jung [30] iau în considerare defecțiunile echipamentelor cauzate de defecte inerente de fabricație ale îmbinării de lipit. Acest lucru se realizează prin crearea unui model FE foarte detaliat al PCB-ului și găsirea densității spectrale de putere (PSD) pentru diferite lungimi de fisuri de fabricație. Ligyore, Followell [40] și Shetty, Reinikainen [58] sugerează că metodele empirice produc cele mai precise și utile date de defecțiune pentru configurațiile specifice ale componentelor conectate. Aceste tipuri de metode sunt utilizate dacă anumite date de intrare (grosimea plăcii, tipul de componentă, intervalul de curbură) pot fi menținute constante pe tot parcursul proiectului sau dacă utilizatorul își permite să efectueze teste reale de acest fel.

8.2.2. Criteriul de eșec analitic

Modele SMT de îmbinări de colț

Diferiți cercetători care se uită la defecțiunile știfturilor de colț SMT sugerează că aceasta este cea mai frecventă cauză a defecțiunii. Lucrările lui Sidharth și Barker [59] completează o serie anterioară de lucrări prin prezentarea unui model pentru determinarea tensiunii cablurilor de colț SMT și componentelor cablurilor buclei. Modelul propus are o eroare de mai puțin de 7% în comparație cu modelul FE detaliat pentru șase scenarii cele mai defavorabile. Modelul se bazează pe o formulă publicată anterior de Barker și Sidharth [4], în care a fost modelată deformarea unei piese atașate supusă unui moment încovoietor. Lucrarea lui Sukhir [63] examinează analitic tensiunile așteptate în terminalele de pachet datorită momentelor încovoietoare aplicate local. Barker și Sidharth [4] se bazează pe lucrările lui Sukhir [63], Barker și colab. [4], care ia în considerare influența rigidității de rotație de conducere. În cele din urmă, Barker și colaboratorii [7] au folosit modele FE detaliate pentru a studia efectul variațiilor dimensionale ale plumbului asupra duratei de viață la oboseală a plumbului.

Este oportun să menționăm aici lucrările privind constantele arcului de plumb JEDEC, care au simplificat foarte mult crearea de modele de componente de plumb [33-35]. Constantele arcului pot fi utilizate în locul unui model detaliat de conexiuni ale cablurilor; timpul necesar pentru construirea și rezolvarea modelului FE va fi redus în model. Utilizarea unor astfel de constante în modelul component FE va împiedica calcularea directă a tensiunilor locale de plumb. În schimb, va fi dată deformarea generală a plumbului, care ar trebui să fie corelată fie cu tensiunile locale de plumb, fie cu criteriile de defectare a plumbului bazate pe ciclul de viață al produsului.

Date despre oboseala materialului

Majoritatea datelor despre defectarea materialelor utilizate pentru lipire și componente sunt legate în primul rând de defecțiunea termică și există relativ puține date legate de defecțiunea prin oboseală. O referință majoră în acest domeniu este oferită de Sandor [56], care furnizează date despre mecanica oboselii și defectării aliajelor de lipit. Steinberg [62] ia în considerare eșecul mostrelor de lipit. Datele de oboseală pentru lipituri și fire standard sunt disponibile în lucrarea lui Yamada [69].

Smochin. 4. Poziția obișnuită de eroare din manual pentru componentele QFP este aproape de corpul pachetului.

Eșecurile de modelare asociate cu delipirea lipirii sunt o provocare din cauza proprietăților neobișnuite ale acestui material. Soluția la această întrebare depinde de componenta care trebuie testată. Se știe că pentru pachetele QFP acest lucru nu este de obicei luat în considerare, iar fiabilitatea este evaluată folosind literatura de referință. Dar dacă se calculează lipirea componentelor mari BGA și PGA, atunci conexiunile de plumb, datorită proprietăților lor neobișnuite, pot afecta defecțiunea produsului. Astfel, pentru pachetele QFP, proprietățile de oboseală a plumbului sunt cele mai utile informații. Pentru BGA, informațiile despre durabilitatea îmbinărilor de lipit supuse deformării plastice instantanee sunt mai utile [14]. Pentru componentele mai mari, Steinberg [62] furnizează date despre tensiunea de extragere a îmbinărilor de lipit.

Modele grele de defectare a componentelor

Singurele modele de defecțiune care există pentru componentele grele sunt prezentate într-o lucrare a lui Steinberg [62], care examinează rezistența la tracțiune a componentelor și oferă un exemplu de calcul al tensiunii maxime admisibile care poate fi aplicată unei conexiuni de plumb.

8.3. Concluzii privind aplicabilitatea modelelor PoF

Următoarele concluzii au fost făcute în literatura de specialitate cu privire la metodele PoF.

Răspunsul local este esențial pentru prezicerea defecțiunii componentelor. După cum s-a menționat în Li, Poglitsch [38], componentele de la marginile unui PCB sunt mai puțin susceptibile la defecțiuni decât cele situate în centrul PCB-ului datorită diferențelor locale de îndoire. În consecință, componentele din diferite locații de pe PCB vor avea probabilități diferite de defecțiune.

Curbura locală a plăcii este considerată un criteriu de eroare mai important decât accelerația pentru componentele SMT. Lucrările recente [38,57,62,67] indică faptul că curbura plăcii este principalul criteriu de defecțiune.

Diferite tipuri de pachete, atât în ​​ceea ce privește numărul de pini, cât și tipul utilizat, sunt în mod inerent mai fiabile decât altele, indiferent de mediul local specific [15,36,38].
Temperatura poate afecta fiabilitatea componentelor. Liguore și Followell [40] afirmă că durata de viață la oboseală este cea mai mare în intervalul de temperatură de la 0 ◦C la 65 ◦C, cu o scădere vizibilă la temperaturi sub -30 ◦C și peste 95 ◦C. Pentru componentele QFP, locația în care firul se atașează la pachet (vezi Fig. 4) este considerată locația principală a defecțiunii, mai degrabă decât îmbinarea de lipit [15,22,38].

Grosimea plăcii are un impact cert asupra duratei de viață la oboseală a componentelor SMT, deoarece s-a demonstrat că durata de viață la oboseală BGA scade de aproximativ 30-50 de ori dacă grosimea plăcii crește de la 0,85 mm la 1,6 mm (în timp ce se menține curbura generală constantă) [13] . Flexibilitatea (conformitatea) cablurilor componente afectează în mod semnificativ fiabilitatea componentelor cablurilor periferice [63], cu toate acestea, aceasta este o relație neliniară, iar cablurile de conectare intermediare sunt cele mai puțin fiabile.

8.4. Metode software

Centrul pentru Inginerie Avansată a Ciclului de Viață (CALCE) de la Universitatea din Maryland oferă software pentru calcularea răspunsului la vibrații și la șoc al plăcilor de circuite imprimate. Software-ul (numit CALCE PWA) are o interfață cu utilizatorul care simplifică procesul de rulare a modelului FE și introduce automat calculul răspunsului în modelul de vibrații. Nu există ipoteze utilizate pentru a crea modelul de răspuns FE, iar criteriile de eșec utilizate sunt preluate din Steinberg [61] (deși metoda lui Barkers [48] este de asemenea de așteptat să fie implementată). Pentru a oferi recomandări generale pentru îmbunătățirea fiabilității echipamentelor, software-ul descris funcționează bine, mai ales că ia în considerare simultan tensiunile induse termic și necesită cunoștințe de specialitate minime, dar acuratețea criteriilor de defecțiune din modele nu a fost verificată experimental.

9. Metode de creștere a fiabilității echipamentelor

Această secțiune va discuta modificările post-proiect care îmbunătățesc fiabilitatea echipamentelor electronice. Ele se împart în două categorii: cele care modifică condițiile la limită ale PCB-ului și cele care măresc amortizarea.

Scopul principal al modificărilor condiției la limită este de a reduce deformarea dinamică a plăcii de circuit imprimat, acest lucru poate fi realizat prin nervuri de rigidizare, suporturi suplimentare sau reducerea vibrațiilor mediului de intrare. Elementele de rigidizare pot fi utile deoarece măresc frecvențele naturale, reducând astfel deformarea dinamică [62], același lucru este valabil și pentru adăugarea de suporturi suplimentare [3], deși locația suporturilor poate fi, de asemenea, optimizată, așa cum se arată în lucrările lui JH Ong și Lim. 40]. Din păcate, nervurile și suporturile necesită de obicei o reproiectare a aspectului, astfel încât aceste tehnici sunt cel mai bine luate în considerare la începutul ciclului de proiectare. În plus, trebuie avut grijă să se asigure că modificările nu modifică frecvențele naturale pentru a se potrivi cu frecvențele naturale ale structurii de susținere, deoarece acest lucru ar fi contraproductiv.

Adăugarea izolației îmbunătățește fiabilitatea produsului prin reducerea impactului mediului dinamic transferat echipamentului și poate fi realizată fie pasiv, fie activ.
Metodele pasive sunt de obicei simple și mai ieftin de implementat, cum ar fi utilizarea izolatorilor de cablu [66] sau utilizarea proprietăților pseudoelastice ale aliajelor cu memorie de formă (SMA) [32]. Cu toate acestea, se știe că izolatoarele prost proiectate pot crește efectiv răspunsul.
Metodele active asigură o amortizare mai bună pe un interval de frecvență mai larg, de obicei în detrimentul simplității și al masei, astfel încât acestea sunt de obicei destinate să îmbunătățească acuratețea instrumentelor de precizie foarte sensibile, mai degrabă decât să prevină deteriorarea. Izolarea activă a vibrațiilor include metode electromagnetice [60] și piezoelectrice [18,43]. Spre deosebire de metodele de modificare a condiției la limită, modificarea amortizarii are ca scop reducerea răspunsului rezonant de vârf al echipamentelor electronice, în timp ce frecvențele naturale reale ar trebui să se schimbe doar ușor.

Ca și în cazul izolației vibrațiilor, amortizarea poate fi realizată fie pasiv sau activ, cu simplificări similare de proiectare în primul și cu o complexitate mai mare și amortizare în cel de-al doilea.

Metodele pasive includ, de exemplu, metode foarte simple, cum ar fi materialul de lipire, crescând astfel amortizarea plăcii de circuit imprimat [62]. Metodele mai sofisticate includ amortizarea particulelor [68] și utilizarea absorbanților dinamici de bandă largă [25].

Controlul activ al vibrațiilor este de obicei realizat prin utilizarea elementelor piezoceramice lipite de suprafața plăcii de circuit imprimat [1,45]. Utilizarea metodelor de întărire este specifică cazului și trebuie luată în considerare cu atenție în raport cu alte metode. Aplicarea acestor tehnici la echipamente despre care nu se știe că au probleme de fiabilitate nu va crește neapărat costul și greutatea designului. Cu toate acestea, dacă un produs cu un design aprobat eșuează în timpul testării, poate fi mult mai rapid și mai ușor să aplicați o tehnică de întărire structurală decât să reproiectați echipamentul.

10. Oportunități de dezvoltare a metodelor

Această secțiune detaliază oportunitățile de îmbunătățire a predicției fiabilității echipamentelor electronice, deși progresele recente în optoelectronică, nanotehnologie și tehnologii de ambalare ar putea limita în curând aplicabilitatea acestor propuneri. Este posibil ca cele patru metode principale de predicție a fiabilității să nu fie utilizate în momentul proiectării dispozitivului. Singurul factor care ar putea face astfel de metode mai atractive ar fi dezvoltarea unor tehnologii de producție și testare complet automatizate, cu costuri reduse, deoarece acest lucru ar permite ca proiectul propus să fie construit și testat mult mai rapid decât este posibil în prezent, cu un efort uman minim.

Metoda PoF are mult loc de îmbunătățire. Principalul domeniu în care poate fi îmbunătățit este integrarea cu procesul general de proiectare. Proiectarea echipamentelor electronice este un proces iterativ care aduce dezvoltatorul mai aproape de rezultatul finit doar în colaborare cu ingineri specializați în domeniul electronicii, fabricației și ingineriei termice și al proiectării structurale. O metodă care abordează automat unele dintre aceste probleme simultan va reduce numărul de iterații de proiectare și va economisi o cantitate semnificativă de timp, mai ales când se ia în considerare cantitatea de comunicare interdepartamentală. Alte domenii de îmbunătățire a metodelor PoF vor fi împărțite în tipuri de predicție a răspunsului și criterii de eșec.

Predicția răspunsului are două căi posibile înainte: fie modele mai rapide, mai detaliate, fie modele îmbunătățite și simplificate. Odată cu apariția procesoarelor de computer din ce în ce mai puternice, timpul de soluționare pentru modelele detaliate FE poate deveni destul de scurt, în timp ce, în același timp, datorită software-ului modern, timpul de asamblare a produsului este redus, ceea ce minimizează în cele din urmă costul resurselor umane. Metodele FE simplificate pot fi, de asemenea, îmbunătățite printr-un proces de generare automată a modelelor FE, similar cu cele propuse pentru metodele FE detaliate. Software-ul automat (CALCE PWA) este în prezent disponibil în acest scop, dar tehnologia nu este bine dovedită în practică și ipotezele de modelare făcute sunt necunoscute.

Calculul incertitudinii inerente diferitelor metode de simplificare ar fi foarte util, permițând implementarea unor criterii utile de toleranță la erori.

În cele din urmă, o bază de date sau o metodă pentru a conferi o rigiditate crescută componentelor atașate ar fi utilă, unde aceste creșteri de rigiditate ar putea fi utilizate pentru a îmbunătăți acuratețea modelelor de răspuns. Crearea criteriilor de defectare a componentelor depinde de variația ușoară între componente similare de la diferiți producători, precum și de posibila dezvoltare a unor noi tipuri de ambalaje, deoarece orice metodă sau bază de date pentru determinarea criteriilor de defecțiune trebuie să țină cont de astfel de variabilitate și modificări.

O soluție ar fi crearea unei metode/software pentru a construi automat modele FE detaliate pe baza parametrilor de intrare, cum ar fi dimensiunile plumbului și ambalajului. Această metodă poate fi fezabilă pentru componente în general cu formă uniformă, cum ar fi componentele SMT sau DIP, dar nu și pentru componente neregulate complexe, cum ar fi transformatoare, bobine sau componente personalizate.

Modelele FE ulterioare pot fi rezolvate pentru tensiuni și combinate cu date despre cedarea materialului (datele curbei de plasticitate S-N, mecanica ruperii sau similare) pentru a calcula durata de viață a componentei, deși datele despre cedarea materialului trebuie să fie de înaltă calitate. Procesul FE ar trebui să fie corelat cu datele de testare reale, de preferință pe o gamă cât mai largă de configurații.

Efortul implicat într-un astfel de proces este relativ mic în comparație cu alternativa testării directe de laborator, care trebuie să efectueze un număr semnificativ statistic de teste pe diferite grosimi de PCB, diferite intensități de sarcină și direcții de încărcare, chiar și cu sute de tipuri diferite de componente disponibile pentru mai multe tipuri de scânduri. În ceea ce privește testele simple de laborator, poate exista o metodă de îmbunătățire a valorii fiecărui test.

Dacă ar exista o metodă de calcul a creșterii relative a tensiunii din cauza modificărilor anumitor variabile, cum ar fi grosimea PCB-ului sau dimensiunile plumbului, atunci modificarea duratei de viață a componentei ar putea fi estimată ulterior. O astfel de metodă poate fi creată utilizând analiza FE sau metode analitice, conducând în cele din urmă la o formulă simplă pentru calcularea criteriilor de defecțiune din datele de defecțiune existente.

În cele din urmă, este de așteptat să fie creată o metodă care să combine toate instrumentele diferite disponibile: analiză FE, date de testare, analiză analitică și metode statistice pentru a crea cele mai precise date posibile de defecțiune cu resursele limitate disponibile. Toate elementele individuale ale metodei PoF pot fi îmbunătățite prin introducerea unor metode stocastice în proces pentru a lua în considerare efectele variabilității materialelor electronice și etapelor de fabricație. Acest lucru ar face rezultatele mai realiste, ducând probabil la un proces de creare a echipamentelor care este mai robust la variabilitate, reducând în același timp degradarea produsului (inclusiv greutatea și costul).

În cele din urmă, astfel de îmbunătățiri ar putea permite chiar evaluarea în timp real a fiabilității echipamentelor în timpul procesului de proiectare, sugerând instantaneu opțiuni de componente, layout-uri sau alte recomandări mai sigure pentru a îmbunătăți fiabilitatea, abordând în același timp alte probleme precum interferența electromagnetică (EMI), termică și industrială.

11. concluzie

Această revizuire introduce complexitățile de predicție a fiabilității echipamentelor electronice, urmărind evoluția a patru tipuri de metode de analiză (literatura de reglementare, date experimentale, date de testare și PoF), conducând la o sinteză și comparare a acestor tipuri de metode. Se notează că metodele de referință sunt utile numai pentru studii preliminare, metodele experimentale ale datelor sunt utile numai dacă sunt disponibile date extinse și precise de sincronizare, iar metodele de date de testare sunt vitale pentru testarea calificării proiectării, dar insuficiente pentru optimizare.

Metodele PoF sunt discutate mai detaliat decât în ​​recenziile anterioare ale literaturii de specialitate, împărțind cercetarea în categorii de criterii de predicție și probabilitate de eșec. Secțiunea „Predicția răspunsului” trece în revistă literatura despre proprietățile distribuite, modelarea condiției la limită și nivelurile de detaliu în modelele FE. Alegerea metodei de predicție a răspunsului se dovedește a fi un compromis între acuratețe și timp pentru a genera și rezolva modelul FE, subliniind din nou importanța acurateții condițiilor la limită. Secțiunea „Criterii de defecțiune” discută criteriile de defecțiune empirice și analitice; pentru tehnologia SMT, sunt furnizate recenzii ale modelelor și componentelor grele.
Metodele empirice sunt aplicabile doar în cazuri foarte specifice, deși oferă exemple bune de metode de testare a fiabilității, în timp ce metodele analitice au o gamă mult mai largă de aplicabilitate, dar sunt mai complex de implementat. Este oferită o scurtă discuție despre metodele existente de analiză a defecțiunilor bazate pe software specializat. În sfârșit, sunt prezentate implicații pentru viitorul predicției de fiabilitate, luând în considerare direcțiile în care metodele de predicție a fiabilității pot evolua.

Literatură[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers și S. B. Gabriel, An efficient model of an equipment loaded panel for active control design studies, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, A lighter enclosure for electronics for space applications, Proceeding of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti și 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, Italia, (2004).
[4] D. B. Barker și Y. Chen, Modeling the vibration restrictions of wedge lock card guides, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen și A. Dasgupta, Estimarea duratei de viață la oboseală prin vibrații a componentelor de montare pe suprafață cu plumb cu patru, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta și M. Pecht, calcule de viață a îmbinărilor de lipit PWB sub încărcare termică și vibrațională, Simpozion anual de fiabilitate și întreținere, 1991 Proceedings (Cat. Nr. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta și 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 și K. Sidharth, Local PWB and component bowing of an assembly subject to a bending moment, American Society of Mechanical Engineers (Hârtie) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, A survey of reliability-prediction procedures for microelectronic devices, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Estimarea comportamentului dinamic al plăcilor de circuite imprimate, 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 și 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 și A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux și 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 și 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 și Y. Saito, Reliability of class 2 heel filets on gull wing leaded components. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, Ghidul FIDES 2004 ediția A Reliability Methodology for Electronic Systems. Grupul FIDES, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie și 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 și R. Pinnington, A 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 și E. Vergnault, A methodology to evaluează și selectează o metodă adecvată de predicție a fiabilității pentru componentele eee în aplicații spațiale, Agenția Spațială Europeană, (Publicație specială) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Evaluarea fiabilității în serviciu și abordarea de sus în jos oferă o metodă alternativă de predicție a fiabilității. Anual Reliability and Maintainability, Proceedings Symposium (Cat. Nr. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo și M. Zhao, Oboseala îmbinării de lipit SMT, inclusiv curbura torsională și optimizarea locației cipului, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham și S.-B. Lee, Studiu experimental pentru fiabilitatea ambalajelor electronice sub vibrații, 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 și K. Seetharamu, Dezvoltarea unei plăci de testare dinamică pentru evaluarea fiabilității îmbinărilor de lipit FCBGA în șoc și vibrații. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik și V. Babitsky, Ruggedizing printed circuit boards using a wideband dynamic absorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, ghid IEEE pentru selectarea și utilizarea predicțiilor de fiabilitate bazate pe ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe și 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 și G. Lim, O tehnică simplă pentru maximizarea frecvenței fundamentale a structurilor, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih și W. Jung, Vibrational fatigue of surface mount solder joints. IThermfl98. Sixth Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomenas in Electronic Systems (Cat. Nr. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson și L. Gullo, Îmbunătățiri în evaluarea fiabilității și metodologia de predicție. Simpozion anual de fiabilitate și întreținere. 2000 Proceduri. Simpozion internațional privind calitatea și integritatea produselor (Nr. cat. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes și B. Henderson, Pseudoelastic SMA spring elements for passive vibration isolation: part i modeling, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, 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, Compliance metrics for surface mount component lead design. 1990 Proceduri. 40th Electronic Components and Technology Conference (Cat. Nr. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz și L. Taylor, Măsuri de conformitate pentru modelele de plumb cu aripi de pescărș înclinate, îndoire în j de păianjen și pentru componentele de montare la suprafață. 1991 Proceduri. A 41-a Conferință de Componente și Tehnologie Electronice (Cat. Nr. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice și B. Shaw, Solder joint reliability of fine pitch surface mount technology assemblys, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 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 și 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 și L. Poglitsch, Oboseala prin vibrații, mecanismul de defecțiune și fiabilitatea matricei de grilă cu bile de plastic și a pachetelor de plastic quad-plate.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore și D. Followell, Vibration fatigue of surface mount technology (smt) solder joints. Anual Reliability and Maintainability Symposium 1995 Proceedings (Cat. Nr. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong și 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: Ce este în neregulă cu asta? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze și L. Cheng, Un studiu de fezabilitate al izolației active de vibrații folosind dispozitive de acționare a tunetului, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Predicția de fiabilitate a echipamentelor electronice. Departamentul Apărării al SUA, ediția F, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Un studiu al inovațiilor recente în amortizarea și controlul vibrațiilor folosind traductoare piezoelectrice shunted, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris și J. Reilly, Mil-hdbk-217-o țintă favorită. Simpozion anual de fiabilitate și întreținere. 1993 Proceedings (Cat. Nr. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Inginerie practică a fiabilității. Wiley, 1997.
[48] ​​​​M. Osterman și T. Stadterman, Software de evaluare a defecțiunilor pentru ansambluri de carduri de circuit. Fiabilitate și întreținere anuală. Simpozion. 1999 Proceedings (Cat. Nr. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht și A. Dasgupta, Physics-of-failure: an approach to reliable product development, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. Nr. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht și W.-C. Kang, O critică a metodelor de predicție a fiabilității mil-hdbk-217e, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht și 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 și D. Smith, The smeared 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 și Y. Ling, Dynamic modeling and measurement of personal computer motherboards. 52th Electronic Components and Technology Conference 2002., (Cat. Nr. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi și A. Primavera, Comparison of vibration modeling techniques for printed circuit cards, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala și P. Geng, Mechanical shock testing and modeling of PC motherboards. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Solder Mechanics – A State of the Art Assessment. Societatea de minerale, metale și materiale, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola și 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 și T. Reinikainen, Three- and four-point bend testing for electronic packages, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth și 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 și G. Blackwood, Soft 6-axis active vibration isolar, 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, Cablurile externe conforme ar putea reduce rezistența unui dispozitiv montat pe suprafață? 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 apply to its support contour, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Response of a flexibil circuit printed board to periodic shock loads applied to its support contour, Societatea Americană de Ingineri Mecanici (Hârtie) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Protecția prin vibrații a componentelor critice ale echipamentelor electronice în condiții dure de mediu, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao și Q. Guo, Vibration fatigue experiments of SMT solder joint, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan și W. Liao, An empiric method for particle damping 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 și E. Elsayed, Modeling 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 și E. A. Elsayed, Generalized step stress accelerated life model. Proceedings of the 2004 International Conference on Business of Electronic Product Reliability and Liability, 2004, 19–25.

Sursa: www.habr.com