Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Autori: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-mail: [chránené e-mailom]) a Guy Richardson
Afiliácia autorov: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Spojené kráľovstvo
Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Toto je článok s otvoreným prístupom distribuovaný pod licenciou Creative Commons Attribution License, ktorá umožňuje neobmedzené používanie, distribúciu a reprodukciu na akomkoľvek médiu za predpokladu, že pôvodné dielo je správne citované.
Abstrakt. V budúcnosti sa očakáva, že všetky moderné elektronické zariadenia budú disponovať zvyšujúcou sa funkčnosťou pri zachovaní schopnosti odolávať otrasom a vibráciám. Proces predpovedania spoľahlivosti je náročný vzhľadom na komplexnú odozvu a poruchové charakteristiky elektronických zariadení, takže v súčasnosti existujúce metódy sú kompromisom medzi presnosťou výpočtu a nákladmi.
Spoľahlivá a rýchla predpoveď spoľahlivosti elektronických zariadení pri prevádzke pri dynamickom zaťažení je pre priemysel veľmi dôležitá. Tento článok ukazuje problémy pri predpovedaní spoľahlivosti elektronických zariadení, ktoré spomaľujú výsledky. Malo by sa tiež vziať do úvahy, že model spoľahlivosti je zvyčajne zostavený s ohľadom na širokú škálu konfigurácií zariadení pre množstvo podobných komponentov. Štyri triedy metód predikcie spoľahlivosti (referenčné metódy, testovacie dáta, experimentálne dáta a modelovanie fyzikálnych príčin poruchy – fyzika poruchy) sú v tomto článku porovnané, aby sa vybrala možnosť použitia tej či onej metódy. Je potrebné poznamenať, že väčšina porúch elektronických zariadení je spôsobená tepelným zaťažením, ale tento prehľad sa zameriava na poruchy spôsobené otrasmi a vibráciami počas prevádzky.
Poznámka prekladateľa. Článok je prehľadom literatúry na túto tému. Napriek pomerne vysokému veku slúži ako výborný úvod do problematiky hodnotenia spoľahlivosti rôznymi metódami.
1. Terminológia
BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line Processor, niekedy známy ako Dual In-line Package.
FE konečný prvok.
PGA Pin Grid Array.
Doska plošných spojov PCB, niekedy známa ako PWB (Printed Wiring Board).
PLCC plastový olovený nosič čipov.
PTH Plated Through Hole, niekedy známy ako Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - tiež známy ako čajka.
SMA Shape Memory Alloys.
Technológia povrchovej montáže SMT.
Poznámka od pôvodných autorov: V tomto článku sa pojem „komponent“ vzťahuje na konkrétne elektronické zariadenie, ktoré je možné prispájkovať na dosku s plošnými spojmi, pojem „balenie“ sa vzťahuje na akýkoľvek komponent integrovaného obvodu (zvyčajne akýkoľvek komponent SMT alebo DIP). Pojem "pripojený komponent" sa vzťahuje na akúkoľvek kombinovanú dosku s plošnými spojmi alebo komponentový systém, pričom sa zdôrazňuje, že pripojené komponenty majú svoju vlastnú hmotnosť a tuhosť. (Krištáľovým obalom a ich vplyvu na spoľahlivosť článok nie je venovaný, preto ďalej pojem „obal“ možno vnímať ako „prípad“ toho či onoho typu – cca preklad.)
2. Vyjadrenie problému
Nárazové a vibračné zaťaženia pôsobiace na DPS spôsobujú namáhanie substrátu DPS, súčiastok, stôp súčiastok a spájkovaných spojov. Tieto napätia sú spôsobené kombináciou ohybových momentov v doske plošných spojov a zotrvačnosti hmoty súčiastky. V najhoršom prípade môžu tieto napätia spôsobiť jeden z nasledujúcich spôsobov zlyhania: delaminácia PCB, porucha spájkovaného spoja, porucha elektródy alebo porucha súčiastky. Ak sa vyskytne ktorýkoľvek z týchto režimov zlyhania, s najväčšou pravdepodobnosťou bude nasledovať úplné zlyhanie zariadenia. Spôsob poruchy počas prevádzky závisí od typu balenia, vlastností dosky plošných spojov, ako aj od frekvencie a amplitúdy ohybových momentov a zotrvačných síl. Pomalý pokrok v analýze spoľahlivosti elektronických zariadení je spôsobený mnohými kombináciami vstupných faktorov a režimov porúch, ktoré je potrebné zvážiť.
Zvyšok tejto časti sa pokúsi vysvetliť náročnosť súčasného zvažovania rôznych vstupných faktorov.
Prvým komplikujúcim faktorom, ktorý treba zvážiť, je široká škála typov obalov dostupných v modernej elektronike, pretože každý obal môže zlyhať z rôznych dôvodov. Ťažké súčiastky sú náchylnejšie na zotrvačné zaťaženie, zatiaľ čo odozva súčiastok SMT viac závisí od zakrivenia dosky plošných spojov. V dôsledku týchto základných rozdielov majú tieto typy komponentov značne odlišné kritériá zlyhania založené na hmotnosti alebo veľkosti. Tento problém sa ďalej zhoršuje neustálym objavovaním sa nových komponentov dostupných na trhu. Preto sa každá navrhovaná metóda predikcie spoľahlivosti musí prispôsobiť novým komponentom, aby mala v budúcnosti praktické uplatnenie. Odozva dosky plošných spojov na vibrácie je určená tuhosťou a hmotnosťou komponentov, ktoré ovplyvňujú lokálnu odozvu dosky plošných spojov. Je známe, že najťažšie alebo najväčšie komponenty výrazne menia odozvu dosky na vibrácie v miestach, kde sú osadené. Mechanické vlastnosti PCB (Youngov modul a hrúbka) môžu ovplyvniť spoľahlivosť spôsobmi, ktoré je ťažké predvídať.
Tuhšia doska plošných spojov môže skrátiť celkový čas odozvy dosky plošných spojov pri zaťažení, ale zároveň môže v skutočnosti lokálne zvýšiť ohybové momenty aplikované na komponenty (navyše, z hľadiska tepelne vyvolanej poruchy je v skutočnosti vhodnejšie špecifikovať viac kompatibilné PCB, pretože to znižuje tepelné namáhanie obalu – pozn. autora). Frekvencia a amplitúda lokálnych ohybových momentov a zotrvačných zaťažení pôsobiacich na komín tiež ovplyvňujú najpravdepodobnejší spôsob poruchy. Vysokofrekvenčné zaťaženia s nízkou amplitúdou môžu viesť k únavovému porušeniu konštrukcie, čo môže byť hlavnou príčinou zlyhania (nízka/vysoká cyklická únava, LCF označuje poruchy, v ktorých dominuje plastická deformácia (N_f < 10^6), zatiaľ čo HCF označuje elastickú deformáciu poruchy , zvyčajne (N_f > 10^6 ) až porucha [56] - pozn. autora) Konečné usporiadanie prvkov na doske plošných spojov určí príčinu poruchy, ku ktorej môže dôjsť v dôsledku namáhania jednotlivého komponentu zotrvačným zaťažením. alebo miestne ohybové momenty. Nakoniec je potrebné vziať do úvahy vplyv ľudského faktora a výrobných vlastností, čo zvyšuje pravdepodobnosť zlyhania zariadenia.
Pri zvažovaní značného počtu vstupných faktorov a ich komplexnej interakcie je zrejmé, prečo ešte nebola vytvorená účinná metóda na predpovedanie spoľahlivosti elektronických zariadení. Jeden z prehľadov literatúry odporúčaných autormi k tejto problematike je uvedený v IEEE [26]. Tento prehľad sa však zameriava najmä na pomerne široké klasifikácie modelov spoľahlivosti, ako je metóda predpovedania spoľahlivosti z referenčnej literatúry, experimentálnych údajov, počítačového modelovania poruchových stavov (spoľahlivosť fyziky porúch (PoF)), a nezaoberá sa poruchami. dostatočne detailne spôsobené otrasmi a vibráciami. Foucher a spol. Predchádzajúca stručnosť analýzy metód PoF, najmä pri rázových a vibračných poruchách, si zasluhuje ich ďalšie zváženie. IAAA práve zostavuje recenziu podobnú IEEE, ale rozsah revízie v súčasnosti nie je známy.
3. Vývoj metód predikcie spoľahlivosti
Najstaršia metóda predikcie spoľahlivosti, vyvinutá v 1960. rokoch 217. storočia, je v súčasnosti opísaná v MIL-HDBK-44F [217] (Mil-Hdbk-1995F je najnovšia a konečná revízia metódy, vydaná v roku 217 - pozn. autora) Použitie Táto metóda využíva databázu porúch elektronických zariadení na získanie priemernej životnosti dosky plošných spojov pozostávajúcej z určitých komponentov. Táto metóda je známa ako metóda na predpovedanie spoľahlivosti z referenčnej a normatívnej literatúry. Hoci je Mil-Hdbk-42,50F čoraz viac zastaraný, referenčná metóda sa používa dodnes. Obmedzenia a nepresnosti tejto metódy boli dobre zdokumentované [XNUMX], čo viedlo k vývoju troch tried alternatívnych metód: počítačové modelovanie podmienok fyzického zlyhania (PoF), experimentálne údaje a údaje z terénnych testov.
Metódy PoF predpovedajú spoľahlivosť analyticky bez spoliehania sa na predtým zozbierané údaje. Všetky metódy PoF majú dve spoločné charakteristiky klasickej metódy opísanej v Steinberg [62]: najprv sa hľadá vibračná odozva dosky plošných spojov na špecifický vibračný stimul, potom sa testujú kritériá zlyhania jednotlivých komponentov po vystavení vibráciám. Dôležitým pokrokom v metódach PoF bolo použitie distribuovaných (spriemerovaných) vlastností dosky na rýchle generovanie matematického modelu dosky s plošnými spojmi [54], čo výrazne znížilo zložitosť a čas strávený presným výpočtom vibračnej odozvy tlačenej dosky. obvodová doska (pozri časť 8.1.3). Nedávny vývoj v technikách PoF zlepšil predikciu porúch spájkovaných komponentov technológiou povrchovej montáže (SMT); avšak s výnimkou Barkersovej metódy [59] sú tieto nové metódy použiteľné len pre veľmi špecifické kombinácie komponentov a dosiek plošných spojov. Existuje len veľmi málo dostupných metód pre veľké komponenty, ako sú transformátory alebo veľké kondenzátory.
Metódy experimentálnych údajov zlepšujú kvalitu a možnosti modelu používaného v metódach predikcie spoľahlivosti na základe referenčnej literatúry. Prvá metóda založená na experimentálnych údajoch na predpovedanie spoľahlivosti elektronických zariadení bola opísaná v článku z roku 1999 pomocou metódy HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), ktorá bola vytvorená v Honeywell, Inc. [20]. Metóda experimentálnych údajov má množstvo výhod oproti metódam predpovedania spoľahlivosti pomocou referenčnej a normatívnej literatúry. V poslednej dobe sa objavilo mnoho podobných metód (REMM a TRACS [17], tiež FIDES [16]). Metóda experimentálnych dát, ako aj metóda predikcie spoľahlivosti pomocou referenčnej a normatívnej literatúry nám neumožňuje pri posudzovaní spoľahlivosti uspokojivo zohľadniť rozloženie dosky a prevádzkové prostredie jej prevádzky. Tento nedostatok je možné napraviť použitím údajov o poruchách z dosiek, ktoré majú podobný dizajn, alebo z dosiek, ktoré boli vystavené podobným prevádzkovým podmienkam.
Metódy experimentálnych údajov závisia od dostupnosti rozsiahlej databázy obsahujúcej údaje o zlyhaní v priebehu času. Každý typ zlyhania v tejto databáze musí byť správne identifikovaný a musí byť určená jeho hlavná príčina. Táto metóda hodnotenia spoľahlivosti je vhodná pre spoločnosti, ktoré vyrábajú rovnaký typ zariadení v dostatočne veľkých množstvách, aby bolo možné spracovať značné množstvo porúch na posúdenie spoľahlivosti.
Metódy testovania spoľahlivosti elektronických súčiastok sa používajú od polovice 1970. rokov a zvyčajne sa delia na zrýchlené a nezrýchlené testy. Základným prístupom je vykonať testovanie hardvéru, ktoré vytvorí očakávané operačné prostredie čo najrealistickejšie. Testy sa vykonávajú dovtedy, kým nedôjde k poruche, čo umožňuje predpovedať MTBF (stredný čas medzi poruchami). Ak sa odhaduje, že MTBF je veľmi dlhá, trvanie testu možno skrátiť zrýchleným testovaním, ktoré sa dosiahne zvýšením faktorov prevádzkového prostredia a použitím známeho vzorca na vztiahnutie miery zlyhania v zrýchlenom teste k miere zlyhania očakávanej v prevádzka. Toto testovanie je životne dôležité pre komponenty s vysokým rizikom zlyhania, pretože poskytuje výskumníkovi údaje s najvyššou úrovňou spoľahlivosti, bolo by však nepraktické ho použiť na optimalizáciu návrhu dosky z dôvodu dlhých iteračných časov štúdie.
Rýchly prehľad prác publikovaných v 1990. rokoch naznačuje, že to bolo obdobie, keď experimentálne údaje, testovacie údaje a metódy PoF medzi sebou súťažili, aby nahradili zastarané metódy predpovedania spoľahlivosti z referenčných kníh. Každá metóda má však svoje výhody a nevýhody a pri správnom použití prináša cenné výsledky. V dôsledku toho IEEE nedávno vydala štandard [26], ktorý uvádza všetky dnes používané metódy predikcie spoľahlivosti. Cieľom IEEE bolo pripraviť príručku, ktorá by inžinierom poskytla informácie o všetkých dostupných metódach a výhodách a nevýhodách, ktoré každá metóda obsahuje. Hoci je prístup IEEE stále na začiatku dlhej evolúcie, zdá sa, že má svoje opodstatnenie, pretože AIAA (Americký inštitút pre letectvo a astronautiku) ho nasleduje so smernicou s názvom S-102, ktorá je podobná IEEE, ale zohľadňuje aj relatívnu kvalitu údajov z každej metódy [27]. Tieto príručky sú určené len na to, aby spojili metódy, ktoré kolujú vo svetovej literatúre publikovanej na tieto témy.
4. Poruchy spôsobené vibráciami
Väčšina predchádzajúcich výskumov sa primárne zamerala na náhodné vibrácie ako zaťaženie PCB, ale nasledujúca štúdia sa špecificky zameriava na poruchy súvisiace s nárazom. Takéto metódy tu nebudú úplne diskutované, pretože spadajú pod klasifikáciu metód PoF a sú diskutované v častiach 8.1 a 8.2 tohto článku. Heen a kol., [24] vytvorili testovaciu dosku na testovanie integrity BGA spájkovaných spojov, keď sú vystavené nárazom. Lau a kol., [36] opísali spoľahlivosť komponentov PLCC, PQFP a QFP pri nárazoch v rovine a mimo roviny. Pitarresi a kol. Steinberg [53,55] poskytuje celú kapitolu o návrhu a analýze ovplyvnených elektronických zariadení, ktorá zahŕňa ako predpovedať prostredie otrasov a ako zabezpečiť výkon elektronických komponentov. Sukhir [62] opísal chyby v lineárnych výpočtoch odozvy dosky plošných spojov na nárazové zaťaženie aplikované na spojovacie prvky dosky. Metódy referenčných a experimentálnych údajov teda môžu zohľadňovať poruchy zariadení súvisiace s nárazom, ale tieto metódy implicitne opisujú poruchy „nárazu“.
5. Referenčné metódy
Zo všetkých dostupných metód opísaných v príručkách sa obmedzíme len na dve, ktoré zvažujú zlyhanie vibrácií: Mil-Hdbk-217 a CNET [9]. Mil-Hdbk-217 je akceptovaný ako štandard väčšinou výrobcov. Rovnako ako všetky manuálne a referenčné metódy sú založené na empirických prístupoch, ktorých cieľom je predpovedať spoľahlivosť komponentov z experimentálnych alebo laboratórnych údajov. Metódy opísané v referenčnej literatúre sú pomerne jednoduché na implementáciu, keďže nevyžadujú zložité matematické modelovanie a využívajú len typy súčiastok, počet súčiastok, prevádzkové podmienky dosky a ďalšie ľahko dostupné parametre. Vstupné údaje sa potom vložia do modelu na výpočet času medzi poruchami, MTBF. Napriek svojim výhodám je Mil-Hdbk-217 čoraz menej populárny [12, 17,42,50,51]. Uvažujme o neúplnom zozname obmedzení jeho použiteľnosti.
- Údaje sú čoraz viac zastarané, pretože boli naposledy aktualizované v roku 1995 a nie sú relevantné pre nové komponenty, nie je šanca na revíziu modelu, pretože Rada pre zlepšovanie obranných štandardov sa rozhodla nechať metódu „zomrieť prirodzenou smrťou“ [ 26].
- Metóda neposkytuje informácie o poruchovom režime, takže usporiadanie DPS nie je možné zlepšiť alebo optimalizovať.
- Modely predpokladajú, že porucha je nezávislá od návrhu, pričom sa ignoruje rozloženie komponentov na doske plošných spojov, avšak je známe, že rozloženie komponentov má veľký vplyv na pravdepodobnosť zlyhania. [50].
- Zozbierané empirické dáta obsahujú veľa nepresností, sú použité dáta z komponentov prvej generácie s neprirodzene vysokou poruchovosťou v dôsledku chybných záznamov doby prevádzky, opravy a pod., čo znižuje spoľahlivosť výsledkov predikcie spoľahlivosti [51].
Všetky tieto nedostatky naznačujú, že je potrebné vyhnúť sa používaniu referenčných metód, avšak v medziach prípustnosti týchto metód je potrebné implementovať množstvo požiadaviek technickej špecifikácie. Preto by sa referenčné metódy mali používať len vtedy, keď je to vhodné, t. v počiatočných štádiách návrhu [46]. Bohužiaľ, aj k tomuto použitiu by sa malo pristupovať s určitou opatrnosťou, keďže tieto typy metód neboli od roku 1995 revidované. Preto sú referenčné metódy vo svojej podstate slabými prediktormi mechanickej spoľahlivosti a mali by sa používať opatrne.
6. Metódy testovacích údajov
Metódy testovacích údajov sú najjednoduchšie dostupné metódy predikcie spoľahlivosti. Prototyp navrhovaného dizajnu dosky plošných spojov je vystavený vibráciám prostredia, ktoré sa reprodukujú na laboratórnom stole. Ďalej sa analyzujú parametre deštrukcie (MTTF, rázové spektrum), ktoré sa potom použijú na výpočet ukazovateľov spoľahlivosti [26]. Metóda testovacích údajov by sa mala použiť s ohľadom na jej výhody a nevýhody.
Hlavnou výhodou metód testovacích údajov je vysoká presnosť a spoľahlivosť výsledkov, preto pri zariadeniach s vysokým rizikom zlyhania by konečná fáza procesu návrhu mala vždy zahŕňať vibračné kvalifikačné testovanie. Nevýhodou je dlhý čas potrebný na výrobu, inštaláciu a zaťaženie skúšobného kusu, čo robí metódu nevhodnou pre konštrukčné vylepšenia zariadení s vysokou pravdepodobnosťou poruchy. V prípade iteratívneho procesu navrhovania produktu by sa mala zvážiť rýchlejšia metóda. Čas vystavenia záťaži možno skrátiť zrýchleným testovaním, ak sú k dispozícii spoľahlivé modely pre následný výpočet skutočnej životnosti [70,71]. Zrýchlené skúšobné metódy sú však vhodnejšie na modelovanie tepelných porúch ako porúch spôsobených vibráciami. Je to preto, že testovanie účinkov tepelného zaťaženia na zariadenie trvá menej času ako testovanie účinkov zaťaženia vibráciami. Vplyv vibrácií sa vo výrobku môže prejaviť až po dlhšom čase.
V dôsledku toho sa skúšobné metódy vo všeobecnosti nepoužívajú pri poruchách spôsobených vibráciami, pokiaľ neexistujú poľahčujúce okolnosti, ako je nízke napätie, ktoré vedie k veľmi dlhým časom do zlyhania. Príklady metód overovania údajov možno vidieť v prácach Harta [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau a kol. [36], Shetty a kol., [57], Liguore a Followell [40], Estes a kol. [15], Wang a kol. [67], Jih a Jung [30]. Dobrý všeobecný prehľad o metóde je uvedený v IEEE [26].
7. Experimentálne dátové metódy
Metóda experimentálnych údajov je založená na údajoch o poruchách z podobných dosiek plošných spojov, ktoré boli testované za špecifikovaných prevádzkových podmienok. Metóda je správna len pre dosky plošných spojov, ktoré budú vystavené podobnému zaťaženiu. Metóda experimentálnych údajov má dva hlavné aspekty: vytvorenie databázy porúch elektronických komponentov a implementáciu metódy založenej na navrhovanom návrhu. Na vytvorenie vhodnej databázy musia existovať relevantné údaje o poruchách, ktoré boli zozbierané z podobných návrhov; to znamená, že musia existovať údaje o poruchách podobného zariadenia. Chybné zariadenie je tiež potrebné analyzovať a správne zozbierať štatistiky, nestačí len konštatovať, že daný návrh DPS zlyhal po určitom počte hodín, treba určiť miesto, spôsob poruchy a príčinu poruchy. Pokiaľ neboli dôkladne analyzované všetky predchádzajúce údaje o poruchách, bude potrebné dlhé obdobie zberu údajov, kým bude možné použiť metódu experimentálnych údajov.
Možným riešením tohto obmedzenia je implementácia vysoko zrýchleného testovania životného cyklu (HALT) na účely rýchleho vybudovania databázy miery zlyhania, hoci presná reprodukcia parametrov prostredia je náročná, ale životne dôležitá [27]. Opis druhej etapy implementácie metódy experimentálnych údajov si môžete prečítať v [27], ktorá ukazuje, ako predpovedať MTBF pre navrhovaný dizajn, ak sa testovaný dizajn získa úpravou existujúcej dosky, pre ktorú už existujú podrobné údaje o poruche. . Ďalšie prehľady metód experimentálnych údajov sú popísané rôznymi autormi v [11,17,20,26].
8. Počítačová simulácia poruchových stavov (PoF)
Techniky počítačového modelovania poruchových stavov, tiež nazývané modely stresu a poškodenia alebo modely PoF, sú implementované v dvojkrokovom procese predikcie spoľahlivosti. Prvá fáza zahŕňa hľadanie odozvy dosky plošných spojov na dynamické zaťaženie, v druhej fáze je vypočítaná odozva modelu, aby sa zabezpečil daný indikátor spoľahlivosti. Väčšina literatúry je často venovaná tak metóde predikcie odozvy, ako aj procesu hľadania kritérií zlyhania. Tieto dve metódy sú najlepšie pochopiteľné, keď sú opísané nezávisle, takže tento prehľad zváži tieto dva kroky oddelene.
Medzi fázami predpovedania odozvy a vyhľadávania kritérií zlyhania sa do modelu prenesie súbor údajov vytvorený v prvej fáze a použitý v druhej fáze. Premenná odozvy sa vyvinula od použitia vstupného zrýchlenia na šasi [15,36,37,67], cez skutočné zrýchlenie, ktoré komponent zažíva, aby sa zohľadnili rôzne vibračné odozvy rôznych usporiadaní dosiek plošných spojov [40] a nakoniec k zváženiu lokálna výchylka [62] alebo miestne ohybové momenty [59], ktoré DPS zaznamená lokálne na súčiastke.
Bolo zaznamenané, že porucha je funkciou usporiadania komponentov na doske s plošnými spojmi [21,38], takže modely, ktoré zahŕňajú lokálnu vibračnú odozvu, sú pravdepodobnejšie presné. Výber parametra (miestne zrýchlenie, lokálny priehyb alebo ohybový moment) je určujúcim faktorom pre poruchu závisí od konkrétneho prípadu.
Ak sa použijú komponenty SMT, najvýznamnejšími faktormi zlyhania môžu byť krivé alebo ohybové momenty; pre ťažké komponenty sa ako kritérium zlyhania zvyčajne používajú lokálne zrýchlenia. Žiaľ, neuskutočnil sa žiadny výskum, ktorý by ukázal, ktorý typ kritérií je pre daný súbor vstupných údajov najvhodnejší.
Je dôležité zvážiť vhodnosť akejkoľvek použitej metódy PoF, pretože nie je praktické použiť akúkoľvek metódu PoF, analytickú alebo FE, ktorá nie je podložená údajmi z laboratórnych testov. Okrem toho je dôležité používať akýkoľvek model iba v rámci jeho použiteľnosti, čo bohužiaľ obmedzuje použiteľnosť väčšiny súčasných modelov PoF na použitie vo veľmi špecifických a obmedzených podmienkach. Dobré príklady diskusie o metódach PoF sú opísané rôznymi autormi [17,19,26,49].
8.1. Predikcia odozvy
Predikcia odozvy zahŕňa použitie geometrie a materiálových vlastností konštrukcie na výpočet požadovanej premennej odozvy. Očakáva sa, že tento krok zachytí iba celkovú odozvu základnej dosky plošných spojov a nie odozvu jednotlivých komponentov. Existujú tri hlavné typy metód predikcie odozvy: analytické, podrobné modely konečných prvkov a zjednodušené modely konečných prvkov, ktoré sú opísané nižšie. Tieto metódy sa zameriavajú na začlenenie tuhosti a hmotnostných efektov pridaných komponentov, je však dôležité nestratiť zo zreteľa dôležitosť presného modelovania rotačnej tuhosti na okraji DPS, pretože to úzko súvisí s presnosťou modelu (o tom sa hovorí v Časť 8.1.4). Obr. 1. Ukážka podrobného modelu dosky plošných spojov [53].
8.1.1. Predikcia analytickej odozvy
Steinberg [62] poskytuje jedinú analytickú metódu na výpočet vibračnej odozvy dosky plošných spojov. Steinberg uvádza, že amplitúda oscilácie pri rezonancii elektronickej jednotky sa rovná dvojnásobku druhej odmocniny rezonančnej frekvencie; toto vyhlásenie je založené na nedostupných údajoch a nie je možné ho overiť. To umožňuje analyticky vypočítať dynamickú deformáciu pri rezonancii, ktorá sa potom môže použiť na výpočet dynamického zaťaženia od ťažkého komponentu alebo zakrivenia dosky s plošnými spojmi. Táto metóda nevytvára priamo lokálnu odozvu PCB a je kompatibilná iba s kritériami zlyhania založenými na vychýlení, ktoré opísal Steinberg.
Platnosť predpokladu o distribúcii prenosových funkcií na základe meraní amplitúdy je otázna, keďže Pitarresi et al. Hz), čo by viedlo k veľkému podhodnoteniu odozvy dosky na vibrácie.
8.1.2. Detailné FE modely
Niektorí autori demonštrujú použitie podrobných FE modelov na výpočet vibračnej odozvy dosky plošných spojov [30,37,53, 57,58] (obrázok 1-3 ukazuje príklady so zvýšenou úrovňou detailov), avšak použitie týchto metódy sa neodporúčajú pre komerčný produkt (pokiaľ nie je absolútne nevyhnutná iba presná predpoveď lokálnej odozvy), pretože čas potrebný na zostavenie a vyriešenie takéhoto modelu je nadmerný. Zjednodušené modely produkujú údaje s primeranou presnosťou oveľa rýchlejšie a pri nižších nákladoch. Čas potrebný na zostavenie a vyriešenie podrobného FE modelu možno skrátiť použitím JEDEC 4 pružinových konštánt publikovaných v [33-35], tieto pružinové konštanty možno použiť namiesto podrobného FE modelu každého drôtu. Okrem toho môže byť implementovaná metóda podštruktúry (niekedy známa ako metóda superelementov), aby sa skrátil výpočtový čas potrebný na riešenie detailných modelov. Je potrebné poznamenať, že podrobné modely FE často rozmazávajú hranice medzi predikciou odozvy a kritériami zlyhania, takže práca, na ktorú sa tu odkazuje, môže tiež spadať do zoznamu prác obsahujúcich kritériá zlyhania.
8.1.3. Distribuované modely FE
Zjednodušené FE modely skracujú tvorbu modelu a čas riešenia. Pridanú hmotnosť súčiastky a jej tuhosť možno znázorniť jednoduchou simuláciou prázdnej dosky plošných spojov so zvýšenou hmotnosťou a tuhosťou, pričom účinky hmoty a tuhosti sú začlenené lokálnym zvýšením Youngovho modulu dosky plošných spojov.
Obr. 2. Príklad podrobného modelu komponentu QFP s využitím symetrie na zjednodušenie procesu modelovania a skrátenie času riešenia [36]. Obr. 3. Príklad podrobného MKP modelu J-zvodu [6].
Faktor zvýšenia tuhosti možno vypočítať fyzickým vyrezaním pripojeného prvku a aplikáciou metód skúšky ohybom [52]. Pitarresi a kol. [52,54] skúmali zjednodušujúci efekt pridanej hmoty a tuhosti poskytovanej komponentmi pripevnenými k doske s plošnými spojmi.
Prvý článok skúma jediný prípad zjednodušeného FE modelu dosky s plošnými spojmi, overeného na základe experimentálnych údajov. Hlavnou oblasťou záujmu tohto článku je určenie distribuovaných vlastností s upozornením, že pre presný model je potrebná vysoká presnosť torznej tuhosti.
Druhý článok sa zaoberá piatimi rôznymi plnenými PCB, z ktorých každý je modelovaný s niekoľkými rôznymi úrovňami zjednodušenia jeho zloženia. Tieto modely sa porovnávajú s experimentálnymi údajmi. Tento článok uzatvára niekoľko poučných pozorovaní korelácie medzi pomermi hmotnosti a tuhosti a presnosťou modelu. Obidva tieto dokumenty používajú na určenie korelácie medzi týmito dvoma modelmi iba prirodzené frekvencie a MEC (kritériá zabezpečenia režimu). Bohužiaľ, chyba vo vlastnej frekvencii nemôže poskytnúť žiadne informácie o chybe v miestnych zrýchleniach alebo ohybových momentoch a MKO môže poskytnúť iba celkovú koreláciu medzi dvoma prirodzenými režimami, ale nemôže byť použitá na výpočet percentuálnej chyby zrýchlenia alebo zakrivenia. Pomocou kombinácie numerickej analýzy a počítačovej simulácie Cifuentes [10] robí nasledujúce štyri pozorovania.
- Simulované režimy musia obsahovať aspoň 90 % vibračnej hmoty pre presnú analýzu.
- V prípadoch, keď sú odchýlky dosky porovnateľné s jej hrúbkou, môže byť nelineárna analýza vhodnejšia ako lineárna analýza.
- Malé chyby v umiestnení komponentov môžu spôsobiť veľké chyby v meraniach odozvy.
- Presnosť merania odozvy je citlivejšia na chyby hmotnosti ako na tuhosť.
8.1.4. Hraničné podmienky
Koeficient tuhosti otáčania okraja dosky plošných spojov má významný vplyv na presnosť vypočítanej odozvy [59] a v závislosti od konkrétnej konfigurácie je oveľa dôležitejší ako pridaná hmotnosť a tuhosť komponentov. Modelovanie tuhosti rotačnej hrany ako nula (v podstate len podopretý stav) zvyčajne poskytuje konzervatívne výsledky, zatiaľ čo modelovanie ako pevne upnuté zvyčajne výsledky podhodnocuje, pretože ani najtuhšie upínacie mechanizmy DPS nedokážu zabezpečiť stav plne upnutej hrany. Barker a Chen [5] potvrdzujú analytickú teóriu experimentálnymi výsledkami, aby ukázali, ako rotačná tuhosť hrán ovplyvňuje prirodzenú frekvenciu PCB. Hlavným zistením tejto práce je silná korelácia medzi tuhosťou rotácie okraja a vlastnými frekvenciami, čo je v súlade s teóriou. To tiež znamená, že veľké chyby v modelovaní rotačnej tuhosti okrajov povedú k veľkým chybám v predpovedi odozvy. Hoci sa táto práca posudzovala v konkrétnom prípade, je použiteľná na modelovanie všetkých typov mechanizmov okrajových podmienok. Použitím experimentálnych údajov od Lim et al. [41] poskytuje príklad, ako možno vypočítať rotačnú tuhosť okraja na použitie FE v modeli PCB; toto sa dosahuje použitím metódy upravenej od Barkera a Chena [5]. Táto práca tiež ukazuje, ako určiť optimálne umiestnenie akéhokoľvek bodu v štruktúre, aby sa maximalizovali prirodzené frekvencie. Diela, ktoré špecificky zvažujú vplyv modifikácie okrajových podmienok na zníženie vibračnej odozvy, existujú aj od Guo a Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti a Schwingshackl [3], Lim a kol. [41].
8.1.5. Predpovede vplyvu otrasov a vibrácií
Pitarresi a kol. [53-55] používajú podrobný FE model PCB na predpovedanie rázovej a vibračnej odozvy dosky s komponentmi reprezentovanými ako 3D bloky. Tieto modely používali experimentálne stanovené konštantné pomery tlmenia na zlepšenie predpovede odozvy pri rezonancii. Spektrum odozvy na náraz (SRS) a metódy časového zametania sa porovnávali na predikciu odozvy na náraz, pričom obe metódy boli kompromisom medzi presnosťou a časom riešenia.
8.2. Kritériá odmietnutia
Kritériá zlyhania merajú odozvu PCB a používajú ich na odvodenie metriky zlyhania, kde metrikou zlyhania môže byť stredný čas medzi poruchami (MTBF), cykly do zlyhania, pravdepodobnosť bezporuchovej prevádzky alebo akákoľvek iná metrika spoľahlivosti (pozri IEEE [26]; Jensen[28] 47]; O'Connor [XNUMX] za diskusiu o metrikách zlyhania). Množstvo rôznych prístupov ku generovaniu týchto údajov možno vhodne rozdeliť na analytické a empirické metódy. Empirické metódy generujú údaje kritérií porúch zaťažením skúšobných vzoriek komponentov na požadované dynamické zaťaženie. Žiaľ, vzhľadom na širokú škálu vstupných údajov (typy komponentov, hrúbky DPS a zaťaženia), ktoré sú v praxi možné, je nepravdepodobné, že by zverejnené údaje boli priamo použiteľné, pretože údaje sú platné len vo veľmi špeciálnych prípadoch. Analytické metódy netrpia takýmito nevýhodami a majú oveľa širšiu použiteľnosť.
8.2.1. Empirické kritériá zlyhania
Ako už bolo uvedené, obmedzením väčšiny empirických modelov je, že sú použiteľné iba na konfigurácie zahŕňajúce rovnakú hrúbku PCB, podobné typy komponentov a vstupné zaťaženie, čo je nepravdepodobné. Dostupná literatúra je však užitočná z nasledujúcich dôvodov: poskytuje dobré príklady vykonávania testov porúch, zdôrazňuje rôzne možnosti metrík porúch a poskytuje cenné informácie týkajúce sa mechaniky zlyhania. Li [37] vytvoril empirický model na predpovedanie spoľahlivosti 272-pinových BGA a 160-pinových balíkov QFP. Skúma sa únavové poškodenie vo vodičoch a v telese obalu a experimentálne výsledky sú v dobrej zhode s analýzou poškodenia založenou na napätí vypočítanou pomocou podrobného modelu FE (pozri tiež Li a Poglitsch [38,39]). Proces vytvára kumulatívne poškodenie pre danú úroveň zrýchlenia vibrácií vstupného signálu vibrácií.
Lau a kol. Liguore a Followell [36] skúmali zlyhania komponentov LLCC a J-lead zmenou lokálneho zrýchlenia v rámci servisných cyklov. Na rozdiel od vstupného zrýchlenia podvozku sa používa lokálne zrýchlenie a skúmal sa vplyv teploty na výsledky testu. Článok tiež odkazuje na výskum vplyvu hrúbky DPS na spoľahlivosť komponentov.
Guo a Zhao [21] porovnávajú spoľahlivosť komponentov, keď sa ako zaťaženie používa lokálne torzné zakrivenie, na rozdiel od predchádzajúcich štúdií, ktoré používali zrýchlenie. Simuluje sa únavové poškodenie, potom sa FE model porovnáva s experimentálnymi výsledkami. Článok tiež pojednáva o optimalizácii rozloženia komponentov na zvýšenie spoľahlivosti.
Ham a Lee [22] uvádzajú metódu testovacích údajov pre problém stanovenia napätí olovenej spájky pri cyklickom torznom zaťažení. Estes et al., [15] uvažovali o probléme zlyhania komponentov gullwing (GOST IEC 61188-5-5-2013) s aplikovaným vstupným zrýchlením a tepelným zaťažením. Študovanými komponentmi sú čipové balíčky typu CQFP 352, 208, 196, 84 a 28, ako aj FP 42 a 10. Článok je venovaný poruchám elektronických komponentov v dôsledku kolísania obežnej dráhy geostacionárnej družice Zeme, času medzi poruchami sa udáva v rokoch letu na geostacionárnej alebo nízkej dráhe Zeme. Poznamenáva sa, že zlyhanie drôtov typu gullwing je pravdepodobnejšie v miestach, ktoré sú v kontakte s telom obalu, než v spájkovacom spoji.
Jih a Jung [30] uvažujú o poruchách zariadení spôsobených inherentnými výrobnými chybami v spájkovom spoji. To sa robí vytvorením veľmi podrobného FE modelu PCB a nájdením výkonovej spektrálnej hustoty (PSD) pre rôzne dĺžky výrobných trhlín. Ligyore, Followell [40] a Shetty, Reinikainen [58] naznačujú, že empirické metódy poskytujú najpresnejšie a najužitočnejšie údaje o poruchách pre špecifické konfigurácie pripojených komponentov. Tieto druhy metód sa používajú, ak určité vstupné údaje (hrúbka dosky, typ komponentu, rozsah zakrivenia) môžu zostať konštantné počas celého návrhu, alebo ak si používateľ môže dovoliť vykonať skutočné testy tohto druhu.
8.2.2. Analytické kritérium zlyhania
SMT modely rohových spojov
Rôzni výskumníci, ktorí sa zaoberajú poruchami rohových kolíkov SMT, naznačujú, že toto je najčastejšia príčina zlyhania. Články Sidhartha a Barkera [59] dopĺňajú predchádzajúcu sériu článkov predstavením modelu na určenie napätia SMT rohových zvodov a komponentov slučkových zvodov. Navrhovaný model má chybu menšiu ako 7 % v porovnaní s podrobným modelom FE pre šesť najhorších scenárov. Model je založený na vzorci, ktorý predtým publikovali Barker a Sidharth [4], kde bol modelovaný priehyb pripevneného dielu vystaveného ohybovému momentu. Článok Sukhira [63] analyticky skúma napätia očakávané v koncovkách obalov v dôsledku lokálne pôsobiacich ohybových momentov. Barker a Sidharth [4] nadväzujú na prácu Sukhira [63], Barkera a kol., [4], ktorá uvažuje o vplyve rotačnej tuhosti na čele. Napokon, Barker a kol., [7] použili podrobné modely FE na štúdium vplyvu rozmerových variácií olova na životnosť únavového materiálu.
Tu je vhodné spomenúť prácu na konštantách olovenej pružiny JEDEC, ktorá značne zjednodušila tvorbu modelov olovených komponentov [33-35]. Namiesto podrobného modelu spojov zvodov možno použiť pružinové konštanty, v modeli sa skráti čas potrebný na zostavenie a riešenie FE modelu. Použitie takýchto konštánt v modeli konečných prvkov komponentu zabráni priamemu výpočtu lokálnych napätí olova. Namiesto toho sa uvedie celkové napätie olova, ktoré by sa potom malo vzťahovať buď na miestne namáhanie olova, alebo na kritériá zlyhania olova na základe životného cyklu produktu.
Údaje o únave materiálu
Väčšina údajov o zlyhaní materiálov používaných na spájky a komponenty primárne súvisí s tepelným zlyhaním a relatívne málo údajov existuje v súvislosti s únavovým zlyhaním. Hlavnú referenciu v tejto oblasti poskytuje Sandor [56], ktorý poskytuje údaje o mechanike únavy a zlyhania spájkovacích zliatin. Steinberg [62] uvažuje o zlyhaní vzoriek spájky. Údaje o únave pre štandardné spájky a drôty sú dostupné v Yamadovom článku [69].
Obr. 4. Zvyčajná poloha zlyhania z príručky pre komponenty QFP je blízko tela balenia.
Modelovanie porúch spojených s odpájaním spájky je náročné kvôli nezvyčajným vlastnostiam tohto materiálu. Riešenie tejto otázky závisí od komponentu, ktorý je potrebné otestovať. Je známe, že v prípade balíkov QFP sa to zvyčajne neberie do úvahy a spoľahlivosť sa hodnotí pomocou referenčnej literatúry. Ak sa však počíta spájkovanie veľkých komponentov BGA a PGA, potom môžu olovené spojenia v dôsledku ich neobvyklých vlastností ovplyvniť poruchu produktu. Pre balíky QFP sú teda najužitočnejšie informácie o únave olova. Pre BGA sú užitočnejšie informácie o trvanlivosti spájkovaných spojov vystavených okamžitej plastickej deformácii [14]. Pre väčšie súčiastky poskytuje Steinberg [62] údaje o vyťahovacom napätí spájkovaného spoja.
Modely zlyhania ťažkých komponentov
Jediné modely porúch, ktoré existujú pre ťažké súčiastky, sú prezentované v článku od Steinberga [62], ktorý skúma pevnosť súčiastok v ťahu a uvádza príklad, ako vypočítať maximálne prípustné napätie, ktoré je možné aplikovať na spojenie elektródy.
8.3. Závery o použiteľnosti modelov PoF
V literatúre boli urobené nasledujúce závery týkajúce sa metód PoF.
Miestna odozva je rozhodujúca pre predpovedanie zlyhania komponentov. Ako je uvedené v Li, Poglitsch [38], komponenty na okrajoch DPS sú menej náchylné na zlyhanie ako tie, ktoré sa nachádzajú v strede DPS v dôsledku miestnych rozdielov v ohýbaní. V dôsledku toho budú mať komponenty na rôznych miestach na doske plošných spojov rôznu pravdepodobnosť zlyhania.
Lokálne zakrivenie dosky sa považuje za dôležitejšie kritérium zlyhania ako zrýchlenie pre komponenty SMT. Nedávne práce [38,57,62,67] naznačujú, že zakrivenie dosky je hlavným kritériom zlyhania.
Rôzne typy balíkov, čo sa týka počtu pinov aj použitého typu, sú vo svojej podstate spoľahlivejšie ako iné, bez ohľadu na špecifické miestne prostredie [15,36,38].
Teplota môže ovplyvniť spoľahlivosť komponentov. Liguore a Followell [40] uvádzajú, že únavová životnosť je najvyššia v rozsahu teplôt od 0 ◦C do 65 ◦C, s výrazným poklesom pri teplotách pod -30 ◦C a nad 95 ◦C. V prípade komponentov QFP sa za primárne miesto poruchy považuje miesto, kde sa drôt pripája k obalu (pozri obr. 4), a nie spájkovaný spoj [15,22,38].
Hrúbka dosky má jednoznačný vplyv na únavovú životnosť komponentov SMT, pretože sa ukázalo, že únavová životnosť BGA sa znižuje približne 30-50-krát, ak sa hrúbka dosky zväčší z 0,85 mm na 1,6 mm (pri zachovaní konštantného celkového zakrivenia) [13] . Flexibilita (zhoda) vývodov komponentov výrazne ovplyvňuje spoľahlivosť komponentov periférnych vývodov [63], ide však o nelineárny vzťah a medziľahlé vývody sú najmenej spoľahlivé.
8.4. Softvérové metódy
Centrum pokročilého inžinierstva životného cyklu (CALCE) na University of Maryland poskytuje softvér na výpočet odozvy na vibrácie a nárazy dosiek plošných spojov. Softvér (s názvom CALCE PWA) má používateľské rozhranie, ktoré zjednodušuje proces spustenia modelu FE a automaticky vkladá výpočet odozvy do modelu vibrácií. Neexistujú žiadne predpoklady použité na vytvorenie modelu odozvy FE a použité kritériá zlyhania sú prevzaté zo Steinberga [61] (hoci sa očakáva aj implementácia Barkersovej metódy [48]). Na poskytnutie všeobecných odporúčaní na zlepšenie spoľahlivosti zariadení popísaný softvér funguje dobre, najmä preto, že súčasne zohľadňuje tepelne vyvolané napätia a vyžaduje minimálne odborné znalosti, ale presnosť kritérií zlyhania v modeloch nebola experimentálne overená.
9. Metódy zvyšovania spoľahlivosti zariadení
Táto časť sa bude zaoberať úpravami po projekte, ktoré zlepšujú spoľahlivosť elektronických zariadení. Rozdeľujú sa do dvoch kategórií: tie, ktoré menia okrajové podmienky DPS, a tie, ktoré zvyšujú tlmenie.
Hlavným účelom úprav okrajových podmienok je zníženie dynamického vychýlenia dosky plošných spojov, čo je možné dosiahnuť vystužovacími rebrami, dodatočnými podperami alebo znížením vibrácií vstupného média. Výstuhy môžu byť užitočné, pretože zvyšujú vlastné frekvencie, čím znižujú dynamické vychýlenie [62], to isté platí pre pridávanie ďalších podpier [3], aj keď umiestnenie podpier môže byť tiež optimalizované, ako je uvedené v prácach JH Onga a Lima [ 40]. Bohužiaľ, rebrá a podpery zvyčajne vyžadujú prepracovanie rozloženia, takže tieto techniky je najlepšie zvážiť na začiatku cyklu návrhu. Okrem toho treba dbať na to, aby sa úpravami nezmenili vlastné frekvencie tak, aby zodpovedali vlastným frekvenciám nosnej konštrukcie, pretože by to bolo kontraproduktívne.
Pridanie izolácie zlepšuje spoľahlivosť produktu znížením vplyvu dynamického prostredia prenášaného na zariadenie a možno ho dosiahnuť pasívne alebo aktívne.
Pasívne metódy sú zvyčajne jednoduché a lacnejšie na implementáciu, ako napríklad použitie káblových izolátorov [66] alebo využitie pseudoelastických vlastností zliatin s tvarovou pamäťou (SMA) [32]. Je však známe, že zle navrhnuté izolátory môžu skutočne zvýšiť odozvu.
Aktívne metódy poskytujú lepšie tlmenie v širšom frekvenčnom rozsahu, zvyčajne na úkor jednoduchosti a hmotnosti, takže sú zvyčajne určené na zlepšenie presnosti veľmi citlivých presných prístrojov a nie na prevenciu poškodenia. Aktívna izolácia vibrácií zahŕňa elektromagnetické [60] a piezoelektrické metódy [18,43]. Na rozdiel od metód modifikácie okrajových podmienok je cieľom modifikácie tlmenia znížiť špičkovú rezonančnú odozvu elektronických zariadení, zatiaľ čo skutočné vlastné frekvencie by sa mali meniť len mierne.
Rovnako ako pri izolácii vibrácií, tlmenie možno dosiahnuť buď pasívne alebo aktívne, s podobnými konštrukčnými zjednodušeniami v prvom prípade a väčšou zložitosťou a tlmením v druhom prípade.
Medzi pasívne metódy patria napríklad veľmi jednoduché metódy ako je lepenie materiálu, čím sa zvyšuje tlmenie dosky plošných spojov [62]. K sofistikovanejším metódam patrí tlmenie častíc [68] a použitie širokopásmových dynamických absorbérov [25].
Aktívna kontrola vibrácií sa zvyčajne dosahuje použitím piezokeramických prvkov viazaných na povrch dosky plošných spojov [1,45]. Použitie metód kalenia je špecifické pre konkrétny prípad a musí sa starostlivo zvážiť vo vzťahu k iným metódam. Aplikácia týchto techník na zariadenia, o ktorých nie je známe, že majú problémy so spoľahlivosťou, nevyhnutne nezvýši náklady a váhu konštrukcie. Ak však výrobok so schváleným dizajnom počas testovania zlyhá, môže byť oveľa rýchlejšie a jednoduchšie použiť techniku štrukturálneho vytvrdzovania, než prerábať zariadenie.
10. Možnosti rozvoja metód
Táto časť podrobne popisuje príležitosti na zlepšenie predpovedania spoľahlivosti elektronických zariadení, hoci nedávny pokrok v optoelektronike, nanotechnológii a obalových technológiách môže čoskoro obmedziť použiteľnosť týchto návrhov. Štyri hlavné metódy predikcie spoľahlivosti sa nemusia v čase návrhu zariadenia používať. Jediným faktorom, ktorý by mohol zatraktívniť takéto metódy, by bol vývoj plne automatizovaných, lacných výrobných a testovacích technológií, pretože to by umožnilo zostaviť a otestovať navrhovaný dizajn oveľa rýchlejšie, ako je to v súčasnosti možné, s minimálnym ľudským úsilím.
Metóda PoF má veľký priestor na zlepšenie. Hlavná oblasť, v ktorej sa dá zlepšiť, je integrácia s celkovým procesom navrhovania. Návrh elektronických zariadení je iteratívny proces, ktorý vývojára približuje ku konečnému výsledku iba v spolupráci s inžiniermi špecializovanými v oblasti elektroniky, výroby a tepelnej techniky a konštrukčného dizajnu. Metóda, ktorá automaticky rieši niektoré z týchto problémov súčasne, zníži počet iterácií návrhu a ušetrí značné množstvo času, najmä ak vezmeme do úvahy množstvo medzirezortnej komunikácie. Ďalšie oblasti zlepšenia metód PoF budú rozdelené na typy predikcie odozvy a kritériá zlyhania.
Predikcia odozvy má dve možné cesty vpred: buď rýchlejšie, podrobnejšie modely, alebo vylepšené, zjednodušené modely. S príchodom čoraz výkonnejších počítačových procesorov sa čas riešenia detailných FE modelov môže značne skrátiť a zároveň sa vďaka modernému softvéru skráti čas montáže produktu, čo v konečnom dôsledku minimalizuje náklady na ľudské zdroje. Zjednodušené metódy konečných prvkov možno zlepšiť aj procesom automatického generovania modelov konečných prvkov, ktorý je podobný tým, ktoré sa navrhujú pre podrobné metódy konečných prvkov. Na tento účel je v súčasnosti dostupný automatický softvér (CALCE PWA), ale táto technológia nie je v praxi dostatočne overená a predpoklady modelovania nie sú známe.
Výpočet neistoty obsiahnutej v rôznych metódach zjednodušenia by bol veľmi užitočný a umožnil by implementáciu užitočných kritérií tolerancie chýb.
Nakoniec by bola užitočná databáza alebo metóda na udelenie zvýšenej tuhosti pripojeným komponentom, kde by sa tieto zvýšenia tuhosti mohli použiť na zlepšenie presnosti modelov odozvy. Vytvorenie kritérií zlyhania komponentov závisí od malých rozdielov medzi podobnými komponentmi od rôznych výrobcov, ako aj od možného vývoja nových typov obalov, pretože akákoľvek metóda alebo databáza na určenie kritérií zlyhania musí počítať s takouto variabilitou a zmenami.
Jedným z riešení by bolo vytvorenie metódy/softvéru na automatické zostavovanie podrobných modelov FE na základe vstupných parametrov, ako sú rozmery olova a balenia. Táto metóda môže byť uskutočniteľná pre všeobecne rovnomerne tvarované komponenty, ako sú komponenty SMT alebo DIP, ale nie pre zložité nepravidelné komponenty, ako sú transformátory, tlmivky alebo neštandardné komponenty.
Následné modely FE možno vyriešiť pre napätia a skombinovať s údajmi o porušení materiálu (údaje krivky plasticity S-N, lomová mechanika alebo podobne) na výpočet životnosti komponentov, hoci údaje o porušení materiálu musia byť vysokej kvality. Proces FE by mal korelovať so skutočnými testovacími údajmi, pokiaľ možno v čo najširšom rozsahu konfigurácií.
Úsilie spojené s takýmto procesom je relatívne malé v porovnaní s alternatívou priameho laboratórneho testovania, ktoré musí vykonať štatisticky významný počet testov naprieč rôznymi hrúbkami DPS, rôznymi intenzitami zaťaženia a smermi zaťaženia, dokonca aj so stovkami rôznych typov komponentov dostupných pre viacero typy dosiek. Pokiaľ ide o jednoduché laboratórne testovanie, môže existovať metóda na zlepšenie hodnoty každého testu.
Ak by existovala metóda na výpočet relatívneho zvýšenia napätia v dôsledku zmien určitých premenných, ako je hrúbka DPS alebo rozmery olova, potom by sa mohla následne odhadnúť zmena životnosti komponentov. Takáto metóda môže byť vytvorená pomocou analýzy FE alebo analytických metód, čo v konečnom dôsledku vedie k jednoduchému vzorcu na výpočet kritérií zlyhania z existujúcich údajov o poruchách.
V konečnom dôsledku sa očakáva, že bude vytvorená metóda, ktorá kombinuje všetky dostupné nástroje: analýzu FE, testovacie údaje, analytickú analýzu a štatistické metódy na vytvorenie čo najpresnejších údajov o poruchách s obmedzenými dostupnými zdrojmi. Všetky jednotlivé prvky metódy PoF možno zlepšiť zavedením stochastických metód do procesu, aby sa zohľadnili účinky variability elektronických materiálov a výrobných fáz. To by urobilo výsledky realistickejšími, čo by mohlo viesť k procesu vytvárania zariadenia, ktoré je odolnejšie voči variabilite a zároveň minimalizuje degradáciu produktu (vrátane hmotnosti a nákladov).
V konečnom dôsledku by takéto vylepšenia mohli dokonca umožniť hodnotenie spoľahlivosti zariadenia v reálnom čase počas procesu návrhu a okamžite navrhnúť bezpečnejšie možnosti komponentov, rozmiestnenia alebo iné odporúčania na zlepšenie spoľahlivosti pri riešení iných problémov, ako je elektromagnetické rušenie (EMI), tepelné a priemyselné.
11. záver
Tento prehľad predstavuje zložitosť predpovedania spoľahlivosti elektronických zariadení, sleduje vývoj štyroch typov analytických metód (regulačná literatúra, experimentálne údaje, testovacie údaje a PoF), čo vedie k syntéze a porovnaniu týchto typov metód. Referenčné metódy sú užitočné len pre predbežné štúdie, metódy experimentálnych údajov sú užitočné len vtedy, ak sú k dispozícii rozsiahle a presné časové údaje, a metódy skúšobných údajov sú životne dôležité pre testovanie kvalifikácie dizajnu, ale nepostačujú na optimalizáciu.
Metódy PoF sú diskutované podrobnejšie ako v predchádzajúcich prehľadoch literatúry, pričom výskum je rozdelený do kategórií predikčných kritérií a pravdepodobnosti zlyhania. Časť „Predpoveď odozvy“ obsahuje prehľad literatúry o distribuovaných vlastnostiach, modelovaní okrajových podmienok a úrovniach detailov v modeloch konečných prvkov. Ukázalo sa, že výber metódy predikcie odozvy je kompromisom medzi presnosťou a časom na generovanie a vyriešenie modelu FE, pričom sa opäť zdôrazňuje dôležitosť presnosti okrajových podmienok. Časť „Kritériá porúch“ pojednáva o empirických a analytických kritériách porúch, pre technológiu SMT sú poskytnuté prehľady modelov a ťažkých komponentov.
Empirické metódy sú použiteľné len vo veľmi špecifických prípadoch, hoci poskytujú dobré príklady metód testovania spoľahlivosti, zatiaľ čo analytické metódy majú oveľa širší rozsah použiteľnosti, ale sú zložitejšie na implementáciu. Poskytuje sa krátka diskusia o existujúcich metódach analýzy porúch založených na špecializovanom softvéri. Nakoniec sú uvedené dôsledky pre budúcnosť predikcie spoľahlivosti, berúc do úvahy smery, ktorými sa môžu metódy predikcie spoľahlivosti vyvíjať.
Literatúra[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers a S. B. Gabriel, Efektívny model panela naplneného zariadením pre štúdie návrhu aktívneho riadenia, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, Ľahší kryt pre elektroniku pre vesmírne aplikácie, Proceeding of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti a C. Schwingshackl, Analýza krytov a antivibračných zariadení pre elektronické zariadenia pre vesmírne aplikácie, Zborník zo 6. medzinárodnej konferencie o dynamike a riadení štruktúr kozmických lodí vo vesmíre, Riomaggiore, Taliansko, (2004).
[4] D. B. Barker a Y. Chen, Modelovanie vibračných obmedzení vodiacich líšt klinového zámku, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen a A. Dasgupta, Odhadovanie životnosti vibračnej únavy štvorvodičových komponentov povrchovej montáže, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta a M. Pecht, PWB výpočty životnosti spájkovaného spoja pri tepelnom a vibračnom zaťažení, ročné sympózium o spoľahlivosti a udržiavateľnosti, 1991 zborník (kat. č. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta a M. Pecht, Vplyv rozmerových variabilit olova SMC na poddajnosť olova a únavovú životnosť spájkovaného spoja, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker a K. Sidharth, Miestny PWB a prehýbanie komponentov zostavy vystavenej ohybovému momentu, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, Prehľad postupov predpovedania spoľahlivosti pre mikroelektronické zariadenia, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Odhad dynamického správania dosiek plošných spojov, Transakcie IEEE týkajúce sa komponentov, balenia a výrobnej technológie, časť B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy a C. Wilkinson, Hodnotenie spoľahlivosti leteckých elektronických zariadení, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman a A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approach, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux a A. Syed, Spoľahlivosť plošných spájkovacích spojov pri ohýbaní, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder a J. R. Lesniak, Mechanické správanie 60/40 cín-olovených spájkovacích prelínacích spojov, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger a Y. Saito, Spoľahlivosť zaoblenia päty triedy 2 na olovených komponentoch krídla čajky. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517-6 C2525
[16] FIDES, príručka FIDES z roku 2004, vydanie A Metodika spoľahlivosti elektronických systémov. Skupina FIDES, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie a B. Meslet, Prehľad metód predikcie spoľahlivosti elektronických zariadení, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David a R. Pinnington, Nový vysokoobjemový piezoelektrický ovládač pre aktívne riadenie vibrácií, 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 a E. Vergnault, Metodológia k posúdiť a vybrať vhodnú metódu predpovede spoľahlivosti pre komponenty eee vo vesmírnych aplikáciách, Európska vesmírna agentúra, (špeciálna publikácia) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Hodnotenie spoľahlivosti v prevádzke a prístup zhora nadol poskytuje alternatívnu metódu predikcie spoľahlivosti. Annual Reliability and Maintainability, Symposium Proceedings (kat. č. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo a M. Zhao, Únava spájkovaného spoja SMT vrátane torzného zakrivenia a optimalizácie umiestnenia čipu, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Šunka a S.-B. Lee, Experimentálna štúdia spoľahlivosti elektronického balenia pri vibráciách, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Únavové testovanie vývodu komponentu v pokovovanom priechodnom otvore, IEEE Zborník Národnej konferencie pre letectvo a elektroniku (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh a K. Seetharamu, Vývoj dynamickej testovacej dosky na hodnotenie spoľahlivosti spájkovaného spoja FCBGA pri nárazoch a vibráciách. Zborník z 5. konferencie o obalovej technológii elektroniky (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik a V. Babitsky, Ruggedizing dosky plošných spojov pomocou širokopásmového dynamického absorbéra, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE príručka pre výber a používanie predpovedí spoľahlivosti na základe IEEE 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe a T. Kinney, Vývoj štandardných formátov pre modely spoľahlivosti vesmírnych systémov, Výročné sympózium o spoľahlivosti a udržiavateľnosti, 2003 Zborník (kat. č. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Spoľahlivosť elektronických komponentov, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong a G. Lim, Jednoduchá technika na maximalizáciu základnej frekvencie štruktúr, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih a W. Jung, Vibračná únava povrchových spájkovaných spojov. IThermfl98. Šiesta medzispoločenská konferencia o tepelných a termomechanických javoch v elektronických systémoch (kat. č. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson a L. Gullo, Zlepšenia metodiky hodnotenia spoľahlivosti a predikcie. Výročné sympózium o spoľahlivosti a údržbe. 2000 Zborník. Medzinárodné sympózium o kvalite a integrite produktov (kat. č. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes a B. Henderson, Pseudoelastické pružinové prvky SMA pre pasívnu izoláciu vibrácií: modelovanie časti i, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Porovnávacia zhoda reprezentatívnych návrhov elektród pre povrchovo montované komponenty, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Metriky zhody pre dizajn elektródy pre povrchovú montáž. 1990 Zborník. 40. konferencia o elektronických komponentoch a technológii (kat. č. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz a L. Taylor, Metriky zhody pre dizajny sklonených krídel čajok, ohybu pavúka a krídel čajky pre povrchovú montáž. 1991 Zborník. 41. konferencia o elektronických komponentoch a technológii (kat. č. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice a B. Shaw, Spoľahlivosť spájkovacích spojov technologických zostáv s jemným rozstupom povrchovej montáže, Transakcie IEEE na komponentoch, hybridoch a výrobnej technológii 13(3) (1990), 534-544.
[37] R. Li, Metodológia predpovede únavy elektronických komponentov pri náhodnom zaťažení vibráciami, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li a L. Poglitsch, Únava sústavy plastových guľôčkových mriežok a plastových štvorcových plochých obalov pri vibráciách automobilov. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li a L. Poglitsch, Vibračná únava, mechanizmus zlyhania a spoľahlivosť plastového mriežkového poľa a plastových štvorcových plochých obalov.
[40] Zborník 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore a D. Followell, Vibračná únava spájkovaných spojov technológiou povrchovej montáže (smt). Výročné sympózium o spoľahlivosti a udržiavateľnosti 1995 Zborník príspevkov (kat. č. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong a J. Penny, Vplyv okrajovej a vnútornej bodovej podpory dosky s plošnými spojmi pri vibráciách, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Čo je na tom zlé? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze a L. Cheng, Štúdia uskutočniteľnosti aktívnej izolácie vibrácií pomocou hromových ovládačov, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Predikcia spoľahlivosti elektronických zariadení. Ministerstvo obrany USA, vydanie F, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Prehľad nedávnych inovácií v tlmení a riadení vibrácií pomocou posunutých piezoelektrických meničov, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris a J. Reilly, Mil-hdbk-217 - obľúbený cieľ. Výročné sympózium o spoľahlivosti a údržbe. 1993 Zborník (kat. č. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktické inžinierstvo spoľahlivosti. Wiley, 1997.
[48] M. Osterman a T. Stadterman, Softvér na hodnotenie porúch pre zostavy obvodových kariet. Ročná spoľahlivosť a údržba. Sympózium. 1999 Zborník (kat. č. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht a A. Dasgupta, Fyzika zlyhania: prístup k spoľahlivému vývoju produktu, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (kat. č. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht a W.-C. Kang, Kritika metód predikcie spoľahlivosti mil-hdbk-217e, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht a F. R. Nash, Predpovedanie spoľahlivosti elektronických zariadení, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell a D. Smith, Technika rozmazaných vlastností pre FE vibračnú analýzu kariet s plošnými spojmi, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman a Y. Ling, Dynamické modelovanie a meranie základných dosiek osobných počítačov. 52. konferencia elektronických komponentov a technológií 2002., (kat. č. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi a A. Primavera, Porovnanie techník modelovania vibrácií pre karty plošných spojov, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala a P. Geng, Mechanické šokové testovanie a modelovanie základných dosiek PC. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Mechanika spájky – hodnotenie stavu techniky. Spoločnosť pre minerály, kovy a materiály, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola a T. Reinikainen, Únava vzájomného prepojenia obalu čipovej váhy v dôsledku cyklického ohýbania, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty a T. Reinikainen, Troj- a štvorbodové ohybové testovanie elektronických obalov, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth a D. B. Barker, Vibráciami indukovaná únavová životnosť rohových vodičov periférnych olovených komponentov, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman a G. Blackwood, Mäkký 6-osový aktívny izolátor vibrácií, 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, Mohli by vyhovujúce externé vodiče znížiť pevnosť zariadenia namontovaného na povrchu? 1988 Zborník z 38. konferencie elektronických komponentov (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Nelineárna dynamická odozva dosky s plošnými spojmi na nárazové zaťaženie pôsobiace na jej nosný obrys, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Reakcia ohybnej dosky plošných spojov na periodické rázové zaťaženie pôsobiace na jej nosný obrys, Americká spoločnosť mechanických inžinierov (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Ochrana pred vibráciami kritických komponentov elektronických zariadení v drsných podmienkach prostredia, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao a Q. Guo, Experimenty vibračnej únavy spájkovaného spoja SMT, Spoľahlivosť mikroelektroniky 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan a W. Liao, Empirická metóda pre návrh tlmenia častíc, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, Prístup lomovej mechaniky k praskaniu spájkovaných spojov, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao a E. Elsayed, Modelovanie zrýchleného testovania životnosti na základe strednej zvyškovej životnosti, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou a E. A. Elsayed, Generalized step stress zrýchlený životný model. Zborník z medzinárodnej konferencie 2004 o podnikaní v oblasti spoľahlivosti a zodpovednosti elektronických produktov, 2004, 19.–25.
Zdroj: hab.com