Analiza zanesljivosti elektronske opreme, izpostavljene udarcem in vibracijam – pregled

Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Avtorja: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-pošta: [e-pošta zaščitena]), in Guy Richardson
Povezave avtorjev: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, UK
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Združeno kraljestvo

Avtorska pravica 2009 Hindawi Publishing Corporation. To je članek z odprtim dostopom, ki se distribuira pod licenco Creative Commons Attribution License, ki dovoljuje neomejeno uporabo, distribucijo in reprodukcijo v katerem koli mediju, če je izvirno delo pravilno citirano.

Opomba V prihodnosti se pričakuje, da bo imela vsa sodobna elektronska oprema vse večjo funkcionalnost, hkrati pa ohranila sposobnost vzdržati udarne in vibracijske obremenitve. Postopek napovedovanja zanesljivosti je težaven zaradi kompleksnega odziva in karakteristik okvar elektronske opreme, zato so trenutno obstoječe metode kompromis med natančnostjo izračuna in ceno.
Za industrijo je zelo pomembno zanesljivo in hitro napovedovanje zanesljivosti elektronske opreme pri delovanju pod dinamičnimi obremenitvami. Ta članek prikazuje težave pri napovedovanju zanesljivosti elektronske opreme, ki upočasnjujejo rezultate. Upoštevati je treba tudi, da je model zanesljivosti običajno zgrajen ob upoštevanju širokega nabora konfiguracij opreme za številne podobne komponente. V članku so primerjani štirje razredi metod za napovedovanje zanesljivosti (referenčne metode, testni podatki, eksperimentalni podatki in modeliranje fizikalnih vzrokov odpovedi – fizika odpovedi), da se izbere možnost uporabe ene ali druge metode. Ugotovljeno je, da večino okvar elektronske opreme povzročijo toplotne obremenitve, vendar se ta pregled osredotoča na okvare, ki jih povzročijo udarci in vibracije med delovanjem.

Opomba prevajalca. Članek je pregled literature na to temo. Kljub relativno visoki starosti služi kot odličen uvod v problematiko ocenjevanja zanesljivosti z različnimi metodami.

1. Terminologija

BGA Ball Grid Array.
Procesor DIP Dual In-line, včasih znan kot paket Dual In-line.
FE končni element.
PGA Pin Grid Array.
PCB tiskano vezje, včasih znano kot PWB (Printed Wiring Board).
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier.
PTH prevlečena skozi luknjo, včasih znana kot skoznja luknja.
QFP Quad Flat Pack – znan tudi kot gull wing.
SMA zlitine s spominom oblike.
Tehnologija površinske montaže SMT.

Opomba izvirnih avtorjev: V tem članku se izraz "komponenta" nanaša na specifično elektronsko napravo, ki jo je mogoče spajkati na tiskano vezje, izraz "paket" pa se nanaša na katero koli komponento integriranega vezja (običajno katero koli komponento SMT ali DIP). Izraz "priložena komponenta" se nanaša na katero koli kombinirano tiskano vezje ali sistem komponent, pri čemer je poudarjeno, da imajo pritrjene komponente lastno maso in togost. (Kristalna embalaža in njen vpliv na zanesljivost v članku nista obravnavana, zato lahko v nadaljevanju izraz "paket" razumemo kot "ohišje" takšne ali drugačne vrste - pribl. prev.)

2. Izjava problema

Udarne in vibracijske obremenitve, ki nastanejo na tiskanem vezju, povzročajo napetost na podlagi tiskanega vezja, paketih komponent, sledi komponent in spajkalnih spojih. Te napetosti nastanejo zaradi kombinacije upogibnih momentov v vezju in vztrajnosti mase komponente. V najslabšem primeru lahko te obremenitve povzročijo enega od naslednjih načinov okvare: razslojevanje tiskanega vezja, okvaro spajkalnega spoja, okvaro kabla ali okvaro paketa komponent. Če pride do katerega koli od teh načinov okvare, bo najverjetneje sledila popolna odpoved naprave. Način okvare med delovanjem je odvisen od vrste embalaže, lastnosti tiskanega vezja ter pogostosti in amplitude upogibnih momentov in vztrajnostnih sil. Počasen napredek pri analizi zanesljivosti elektronske opreme je posledica številnih kombinacij vhodnih faktorjev in načinov okvar, ki jih je treba upoštevati.

Preostanek tega razdelka bo poskušal razložiti težavo hkratnega upoštevanja različnih vhodnih dejavnikov.

Prvi zapleten dejavnik, ki ga je treba upoštevati, je širok nabor vrst paketov, ki so na voljo v sodobni elektroniki, saj lahko vsak paket odpove iz različnih razlogov. Težke komponente so bolj dovzetne za vztrajnostne obremenitve, medtem ko je odziv komponent SMT bolj odvisen od ukrivljenosti vezja. Posledično imajo te vrste komponent zaradi teh osnovnih razlik močno različna merila za odpoved glede na maso ali velikost. Ta problem je še večji zaradi stalnega pojavljanja novih komponent, ki so na voljo na trgu. Zato se mora vsaka predlagana metoda napovedovanja zanesljivosti prilagoditi novim komponentam, da bi imela kakršno koli praktično uporabo v prihodnosti. Odziv tiskanega vezja na tresljaje določata togost in masa komponent, ki vplivata na lokalni odziv tiskanega vezja. Znano je, da najtežje oziroma največje komponente bistveno spremenijo odziv plošče na tresljaje na mestih, kjer so nameščene. Mehanske lastnosti PCB (Youngov modul in debelina) lahko vplivajo na zanesljivost na načine, ki jih je težko predvideti.

Bolj togo tiskano vezje lahko zmanjša skupni odzivni čas tiskanega vezja pod obremenitvijo, hkrati pa lahko dejansko lokalno poveča upogibne momente, ki se uporabljajo za komponente (poleg tega je z vidika toplotno povzročene okvare dejansko bolje določiti več kompatibilno tiskano vezje, saj to zmanjša toplotne obremenitve embalaže – opomba avtorja). Pogostost in amplituda lokalnih upogibnih momentov in vztrajnostnih obremenitev, ki delujejo na sklad, prav tako vplivajo na najverjetnejši način okvare. Visokofrekvenčne obremenitve z nizko amplitudo lahko povzročijo odpoved konstrukcije zaradi utrujenosti, kar je lahko glavni vzrok odpovedi (nizka/visoka ciklična utrujenost, LCF se nanaša na odpovedi, pri katerih prevladuje plastična deformacija (N_f < 10^6), medtem ko HCF označuje elastično deformacijo okvare , običajno (N_f > 10^6 ) do okvare [56] - opomba avtorja) Končna razporeditev elementov na tiskanem vezju bo določila vzrok okvare, ki lahko nastane zaradi napetosti v posamezni komponenti zaradi vztrajnostnih obremenitev. ali lokalni upogibni momenti. Nazadnje je treba upoštevati vpliv človeških dejavnikov in proizvodnih značilnosti, kar povečuje verjetnost okvare opreme.

Ob upoštevanju velikega števila vhodnih dejavnikov in njihovega kompleksnega medsebojnega delovanja postane jasno, zakaj še ni ustvarjena učinkovita metoda za napovedovanje zanesljivosti elektronske opreme. Eden od pregledov literature, ki jih priporočajo avtorji o tem vprašanju, je predstavljen v IEEE [26]. Vendar se ta pregled osredotoča predvsem na precej široke klasifikacije modelov zanesljivosti, kot je metoda napovedovanja zanesljivosti iz referenčne literature, eksperimentalnih podatkov, računalniško modeliranje pogojev okvar (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), in ne obravnava okvar. dovolj podrobno zaradi udarcev in tresljajev. Foucher in drugi [17] sledijo podobnim okvirom kot pregled IEEE, z velikim poudarkom na toplotnih okvarah. Prejšnja kratkost analize metod PoF, zlasti pri uporabi za okvare zaradi udarcev in vibracij, si zasluži njihovo nadaljnjo obravnavo. AIAA pripravlja pregled, podoben IEEE, vendar obseg pregleda trenutno ni znan.

3. Razvoj metod za napovedovanje zanesljivosti

Najzgodnejša metoda napovedovanja zanesljivosti, razvita v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, je trenutno opisana v MIL-HDBK-1960F [217] (Mil-Hdbk-44F je zadnja in končna revizija metode, izdana leta 217 - opomba avtorja) Uporaba Ta metoda uporablja zbirka podatkov o okvarah elektronske opreme za pridobitev povprečne življenjske dobe tiskanega vezja, sestavljenega iz določenih komponent. Ta metoda je znana kot metoda za napovedovanje zanesljivosti iz referenčne in normativne literature. Čeprav postaja Mil-Hdbk-1995F vse bolj zastarela, je referenčna metoda v uporabi še danes. Omejitve in netočnosti te metode so bile dobro dokumentirane [217, 42,50], kar je privedlo do razvoja treh razredov alternativnih metod: računalniško modeliranje pogojev fizične odpovedi (PoF), eksperimentalni podatki in podatki o terenskih testih.

Metode PoF napovedujejo zanesljivost analitično, ne da bi se zanašale na predhodno zbrane podatke. Vse metode PoF imajo dve skupni značilnosti klasične metode, opisane v Steinbergu [62]: najprej se išče vibracijski odziv tiskanega vezja na določen vibracijski dražljaj, nato se testirajo kriteriji odpovedi posameznih komponent po izpostavljenosti vibracijam. Pomemben napredek pri metodah PoF je bila uporaba porazdeljenih (povprečnih) lastnosti plošče za hitro generiranje matematičnega modela plošče tiskanega vezja [54], kar je bistveno zmanjšalo kompleksnost in čas, porabljen za natančen izračun vibracijskega odziva tiskanega vezja. tiskano vezje (glejte razdelek 8.1.3). Nedavni razvoj tehnik PoF je izboljšal napovedovanje napak za spajkane komponente s tehnologijo površinske montaže (SMT); vendar so z izjemo Barkersove metode [59] te nove metode uporabne samo za zelo specifične kombinacije komponent in tiskanih vezij. Za velike komponente, kot so transformatorji ali veliki kondenzatorji, je na voljo zelo malo metod.
Metode eksperimentalnih podatkov izboljšujejo kakovost in zmogljivosti modela, ki se uporablja v metodah napovedovanja zanesljivosti na podlagi referenčne literature. Prva metoda, ki temelji na eksperimentalnih podatkih za napovedovanje zanesljivosti elektronske opreme, je bila opisana v dokumentu iz leta 1999 z uporabo metode HIRAP (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), ki je bila ustvarjena pri Honeywell, Inc. [20]. Metoda eksperimentalnih podatkov ima številne prednosti pred metodami napovedovanja zanesljivosti z uporabo referenčne in normativne literature. V zadnjem času se je pojavilo veliko podobnih metod (REMM in TRACS [17], tudi FIDES [16]). Metoda eksperimentalnih podatkov, kot tudi metoda napovedovanja zanesljivosti z uporabo referenčne in normativne literature, nam pri oceni zanesljivosti ne omogoča zadovoljivega upoštevanja postavitve plošče in delovnega okolja njenega delovanja. To pomanjkljivost je mogoče popraviti z uporabo podatkov o napakah plošč, ki so po zasnovi podobne, ali plošč, ki so bile izpostavljene podobnim pogojem delovanja.

Eksperimentalne podatkovne metode so odvisne od razpoložljivosti obsežne baze podatkov, ki vsebuje podatke o zrušitvah skozi čas. Vsako vrsto napake v tej zbirki podatkov je treba pravilno identificirati in ugotoviti njen glavni vzrok. Ta metoda ocenjevanja zanesljivosti je primerna za podjetja, ki istovrstno opremo proizvajajo v dovolj velikih količinah, da se lahko za oceno zanesljivosti obdela veliko število okvar.

Metode za testiranje zanesljivosti elektronskih komponent so v uporabi od sredine sedemdesetih let prejšnjega stoletja in so običajno razdeljene na pospešene in nepospešene teste. Osnovni pristop je izvajanje testnih zagonov strojne opreme, ki čim bolj realistično ustvarjajo pričakovano operacijsko okolje. Testi se izvajajo, dokler ne pride do okvare, kar omogoča predvidevanje MTBF (povprečnega časa med napakami). Če se oceni, da je MTBF zelo dolg, se lahko trajanje preskusa skrajša s pospešenim testiranjem, kar se doseže s povečanjem dejavnikov delovnega okolja in z uporabo znane formule za povezavo stopnje napak v pospešenem preskusu s stopnjo napak, pričakovano v delovanje. To testiranje je bistvenega pomena za komponente z velikim tveganjem za okvaro, saj raziskovalcu zagotavlja podatke z najvišjo stopnjo zaupanja, vendar bi bilo nepraktično, da bi ga uporabljali za optimizacijo zasnove plošče zaradi dolgih iteracijskih časov študije.

Hiter pregled dela, objavljenega v devetdesetih letih, nakazuje, da je bilo to obdobje, ko so eksperimentalni podatki, testni podatki in metode PoF tekmovali med seboj, da bi nadomestili zastarele metode za napovedovanje zanesljivosti iz referenčnih knjig. Vendar ima vsaka metoda svoje prednosti in slabosti in ob pravilni uporabi daje dragocene rezultate. Posledično je IEEE nedavno izdal standard [1990], ki navaja vse metode napovedovanja zanesljivosti, ki se danes uporabljajo. Cilj IEEE je bil pripraviti vodnik, ki bi inženirju zagotovil informacije o vseh razpoložljivih metodah ter o prednostih in slabostih vsake metode. Čeprav je pristop IEEE še vedno na začetku dolgega razvoja, se zdi, da ima svoje prednosti, saj mu AIAA (Ameriški inštitut za aeronavtiko in astronavtiko) sledi s smernico, imenovano S-26, ki je podobna IEEE, vendar upošteva tudi relativno kakovost podatkov iz vsake metode [102]. Ti vodniki so namenjeni le združevanju metod, ki krožijo po svetovni literaturi, objavljeni o teh temah.

4. Napake zaradi vibracij

Veliko preteklih raziskav se je osredotočalo predvsem na naključne vibracije kot obremenitev tiskanega vezja, vendar naslednja študija posebej obravnava okvare, povezane z udarci. O takih metodah tukaj ne bomo v celoti razpravljali, saj spadajo v klasifikacijo metod PoF in so obravnavane v razdelkih 8.1 in 8.2 tega članka. Heen in drugi [24] so izdelali testno ploščo za testiranje celovitosti spajkalnih spojev BGA, ko so izpostavljeni udarcem. Lau in drugi [36] so opisali zanesljivost komponent PLCC, PQFP in QFP pri udarcih v ravnini in zunaj nje. Pitarresi in drugi [53,55, 62] so preučili okvare matičnih plošč računalnikov zaradi udarnih obremenitev in zagotovili dober pregled literature, ki opisuje elektronsko opremo pod udarnimi obremenitvami. Steinberg [64,65] ponuja celotno poglavje o načrtovanju in analizi udarne elektronske opreme, ki zajema tako napovedovanje okolja udarca kot tudi zagotavljanje delovanja elektronskih komponent. Sukhir [XNUMX] je opisal napake v linearnih izračunih odziva tiskanega vezja na udarno obremenitev pritrdilnih elementov plošče. Tako lahko metode referenčnih in eksperimentalnih podatkov upoštevajo okvare opreme, povezane z udarci, vendar te metode implicitno opisujejo okvare zaradi "udarca".

5. Referenčne metode

Od vseh razpoložljivih metod, opisanih v priročnikih, se bomo omejili le na dve, ki upoštevata odpoved vibracij: Mil-Hdbk-217 in CNET [9]. Večina proizvajalcev sprejema Mil-Hdbk-217 kot standard. Kot vse ročne in referenčne metode temeljijo na empiričnih pristopih, katerih namen je napovedati zanesljivost komponent na podlagi eksperimentalnih ali laboratorijskih podatkov. Metode, opisane v referenčni literaturi, so razmeroma enostavne za implementacijo, saj ne zahtevajo zapletenega matematičnega modeliranja in uporabljajo samo vrste delov, število delov, pogoje delovanja plošče in druge lahko dostopne parametre. Vhodni podatki se nato vnesejo v model za izračun časa med okvarami, MTBF. Kljub svojim prednostim je Mil-Hdbk-217 vse manj priljubljen [12, 17,42,50,51, XNUMX, XNUMX, XNUMX]. Razmislimo o nepopolnem seznamu omejitev njegove uporabnosti.

1. Podatki so vedno bolj zastareli, saj so bili nazadnje posodobljeni leta 1995 in niso pomembni za nove komponente, zato ni možnosti, da bi bil model revidiran, saj se je odbor za izboljšanje obrambnih standardov odločil, da pusti metodo "umreti naravne smrti" [ 26].
2. Metoda ne zagotavlja informacij o načinu okvare, zato postavitve tiskanega vezja ni mogoče izboljšati ali optimizirati.
3. Modeli predpostavljajo, da je okvara neodvisna od zasnove, pri čemer se ne upošteva razporeditev komponent na tiskanem vezju, vendar je znano, da ima postavitev komponent velik vpliv na verjetnost okvare. [50].
4. Zbrani empirični podatki vsebujejo veliko netočnosti, uporabljeni so podatki komponent prve generacije z nenaravno visoko stopnjo odpovedi zaradi napačnih zapisov obratovalnih časov, popravil itd., kar zmanjšuje zanesljivost rezultatov napovedi zanesljivosti [51].

Vse te pomanjkljivosti kažejo, da se je treba izogibati uporabi referenčnih metod, vendar je treba v mejah dopustnosti teh metod upoštevati številne zahteve tehnične specifikacije. Zato je treba referenčne metode uporabiti le, kadar je to primerno, tj. v zgodnjih fazah oblikovanja [46]. Na žalost je treba tudi k tej uporabi pristopiti z nekaj previdnosti, saj te vrste metod niso bile revidirane od leta 1995. Zato so referenčne metode same po sebi slabi napovedovalci mehanske zanesljivosti in jih je treba uporabljati previdno.

6. Metode preskusnih podatkov

Metode testnih podatkov so najpreprostejše razpoložljive metode napovedovanja zanesljivosti. Prototip predlagane zasnove tiskanega vezja je izpostavljen tresljajem okolja, reproduciranim na laboratorijski mizi. Nato se analizirajo parametri uničenja (MTTF, spekter udarca), ki se nato uporabijo za izračun indikatorjev zanesljivosti [26]. Metodo preskusnih podatkov je treba uporabiti ob upoštevanju njenih prednosti in slabosti.
Glavna prednost metod preskusnih podatkov je visoka natančnost in zanesljivost rezultatov, zato mora za opremo z velikim tveganjem okvare končna faza procesa načrtovanja vedno vključevati preskus kvalifikacije vibracij. Pomanjkljivost je dolg čas izdelave, vgradnje in nalaganja preskušanca, zaradi česar je metoda neprimerna za konstrukcijske izboljšave opreme z veliko verjetnostjo okvare. Pri iterativnem procesu oblikovanja izdelka je treba razmisliti o hitrejši metodi. Čas izpostavljenosti obremenitvi se lahko zmanjša s pospešenim testiranjem, če so na voljo zanesljivi modeli za kasnejši izračun dejanske življenjske dobe [70,71]. Vendar pa so metode pospešenega testiranja primernejše za modeliranje toplotnih okvar kot okvar zaradi vibracij. To je zato, ker preskušanje učinkov toplotnih obremenitev na opremo traja manj časa kot preizkušanje učinkov vibracijskih obremenitev. Učinek tresljajev se lahko pojavi v izdelku šele po daljšem času.

Posledično se preskusne metode na splošno ne uporabljajo za okvare zaradi vibracij, razen če obstajajo olajševalne okoliščine, kot so nizke napetosti, ki povzročijo zelo dolg čas do okvare. Primere metod preverjanja podatkov si lahko ogledate v delih Harta [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty in drugi [57], Liguore in Followell [40], Estes in drugi. [15], Wang et al. [67], Jih in Jung [30]. Dober splošni pregled metode je podan v IEEE [26].

7. Metode eksperimentalnih podatkov

Metoda eksperimentalnih podatkov temelji na podatkih o napakah podobnih tiskanih vezij, ki so bila preizkušena v določenih pogojih delovanja. Metoda je pravilna samo za tiskana vezja, ki bodo imela podobne obremenitve. Metoda eksperimentalnih podatkov ima dva glavna vidika: izdelava baze podatkov o okvarah elektronskih komponent in implementacija metode na podlagi predlagane zasnove. Za izgradnjo ustrezne baze podatkov morajo obstajati ustrezni podatki o napakah, ki so bili zbrani iz podobnih načrtov; to pomeni, da morajo obstajati podatki o okvarah podobne opreme. Prav tako je treba analizirati okvarjeno opremo in pravilno zbrati statistične podatke. Ni dovolj navesti, da je določena zasnova tiskanega vezja odpovedala po določenem številu ur, določiti je treba lokacijo, način okvare in vzrok okvare. Razen če so bili vsi predhodni podatki o napakah temeljito analizirani, bo potrebno dolgo obdobje zbiranja podatkov, preden bo mogoče uporabiti metodo eksperimentalnih podatkov.

Možna rešitev za to omejitev je implementacija visoko pospešenega testiranja življenjskega cikla (HALT) za namene hitre izgradnje podatkovne baze o stopnji napak, čeprav je natančna reprodukcija okoljskih parametrov zahtevna, a bistvenega pomena [27]. Opis druge stopnje izvajanja metode eksperimentalnih podatkov je mogoče prebrati v [27], ki prikazuje, kako predvideti MTBF za predlagano zasnovo, če je zasnova, ki se testira, pridobljena s spreminjanjem obstoječe plošče, za katero že obstajajo podrobni podatki o napakah. . Druge preglede metod eksperimentalnih podatkov opisujejo različni avtorji v [11,17,20,26].

8. Računalniška simulacija okvar (PoF)

Tehnike računalniškega modeliranja za pogoje okvar, imenovane tudi modeli napetosti in poškodb ali modeli PoF, so implementirane v dvostopenjskem procesu napovedovanja zanesljivosti. Prva stopnja vključuje iskanje odziva tiskanega vezja na dinamično obremenitev, na drugi stopnji se izračuna odziv modela, da se zagotovi dani indikator zanesljivosti. Večina literature je pogosto posvečena tako metodi napovedovanja odziva kot procesu iskanja kriterijev neuspeha. Ti dve metodi je najbolje razumeti, če sta opisani neodvisno, zato bosta ta dva koraka v tem pregledu obravnavana ločeno.

Med stopnjama napovedovanja odziva in iskanja kriterijev napake se nabor podatkov, ustvarjen v prvi stopnji in uporabljen v drugi, prenese v model. Spremenljivka odziva se je razvila od uporabe vhodnega pospeška na ohišju [15,36,37,67], preko dejanskega pospeška, ki ga doživi komponenta, da se upoštevajo različni vibracijski odzivi različnih postavitev PCB [40], in končno do upoštevanja lokalno odstopanje [62] ali lokalni upogibni momenti [59], ki jih doživi PCB lokalno glede na komponento.

Ugotovljeno je bilo, da je napaka funkcija razporeditve komponent na tiskanem vezju [21,38, XNUMX], zato so modeli, ki vključujejo lokalni odziv na vibracije, bolj natančni. Izbira parametra (lokalni pospešek, lokalni upogib ali upogibni moment) je odločilni faktor za odpoved je odvisna od posameznega primera.
Če se uporabljajo komponente SMT, so lahko ukrivljenost ali upogibni momenti najpomembnejši dejavniki za okvaro; za težke komponente se kot merilo okvare običajno uporabljajo lokalni pospeški. Na žalost ni bila izvedena nobena raziskava, ki bi pokazala, katera vrsta meril je najprimernejša v danem nizu vhodnih podatkov.

Pomembno je razmisliti o primernosti katere koli uporabljene metode PoF, saj ni praktično uporabiti nobene metode PoF, analitične ali FE, ki ni podprta s podatki laboratorijskih testov. Poleg tega je pomembno, da kateri koli model uporabljate samo v obsegu njegove uporabnosti, kar na žalost omejuje uporabnost večine trenutnih modelov PoF na uporabo v zelo specifičnih in omejenih pogojih. Dobre primere razprave o metodah PoF opisujejo različni avtorji [17,19,26,49].

8.1. Napoved odziva

Napovedovanje odziva vključuje uporabo geometrije in lastnosti materiala strukture za izračun zahtevane spremenljivke odziva. Pričakuje se, da bo ta korak zajel samo celoten odziv osnovnega tiskanega vezja in ne odziva posameznih komponent. Obstajajo tri glavne vrste metod napovedovanja odziva: analitični, podrobni modeli FE in poenostavljeni modeli FE, opisani spodaj. Te metode se osredotočajo na vključevanje togosti in masnih učinkov dodanih komponent, vendar je pomembno, da ne izgubimo izpred oči pomena natančnega modeliranja rotacijske togosti na robu tiskanega vezja, saj je to tesno povezano z natančnostjo modela (o tem razpravljamo v Razdelek 8.1.4). sl. 1. Primer detajlnega modela tiskanega vezja [53].

8.1.1. Analitična napoved odziva

Steinberg [62] ponuja edino analitično metodo za izračun vibracijskega odziva tiskanega vezja. Steinberg trdi, da je amplituda nihanja pri resonanci elektronske enote enaka dvakratnemu kvadratnemu korenu resonančne frekvence; ta trditev temelji na nedostopnih podatkih in je ni mogoče preveriti. To omogoča analitični izračun dinamičnega odklona pri resonanci, ki se nato lahko uporabi za izračun dinamične obremenitve zaradi težke komponente ali ukrivljenosti tiskanega vezja. Ta metoda ne proizvaja neposredno lokalnega odziva PCB in je združljiva samo z merili napake na podlagi odklona, ​​ki jih je opisal Steinberg.

Veljavnost predpostavke porazdelitve prenosne funkcije na podlagi meritev amplitude je vprašljiva, saj so Pitarresi in drugi [53] izmerili kritično slabljenje 2 % za matično ploščo računalnika, medtem ko bi uporaba Steinbergove predpostavke dala 3,5 % (na podlagi naravne frekvence 54 Hz), kar bi povzročilo močno podcenjevanje odziva plošče na vibracije.

8.1.2. Podrobni modeli FE

Nekateri avtorji prikazujejo uporabo podrobnih modelov FE za izračun vibracijskega odziva tiskanega vezja [30,37,53, 57,58] (slika 1-3 prikazuje primere s povečano stopnjo podrobnosti), vendar uporaba teh metode ni priporočljivo za komercialne izdelke (razen če ni nujno potrebna samo natančna napoved lokalnega odziva), saj je čas, potreben za izdelavo in rešitev takega modela, predolg. Poenostavljeni modeli proizvajajo podatke ustrezne natančnosti veliko hitreje in z nižjimi stroški. Čas, potreben za izgradnjo in rešitev podrobnega modela FE, je mogoče zmanjšati z uporabo vzmetnih konstant JEDEC 4, objavljenih v [33-35], te vzmetne konstante je mogoče uporabiti namesto podrobnega modela FE vsake žice. Poleg tega je mogoče implementirati metodo podstrukture (včasih znano kot metoda superelementov), ​​da se zmanjša računski čas, potreben za reševanje podrobnih modelov. Upoštevati je treba, da podrobni modeli FE pogosto zabrišejo meje med napovedjo odziva in merili za napake, zato lahko tukaj navedeno delo spada tudi na seznam del, ki vsebujejo merila za napake.

8.1.3. Porazdeljeni modeli FE

Poenostavljeni modeli FE zmanjšajo čas ustvarjanja modela in rešitve. Dodano maso komponente in njeno togost je mogoče predstaviti s preprosto simulacijo praznega tiskanega vezja s povečano maso in togostjo, kjer so učinki mase in togosti vključeni z lokalnim povečanjem Youngovega modula tiskanega vezja.

sl. 2. Primer podrobnega modela komponente QFP z uporabo simetrije za poenostavitev procesa modeliranja in skrajšanje časa rešitve [36]. sl. 3. Primer podrobnega FE modela J-lead [6].

Faktor povečanja togosti je mogoče izračunati s fizičnim izrezom pritrjenega elementa in uporabo upogibnih testnih metod [52]. Pitarresi idr. [52,54] sta preučevala poenostavitveni učinek dodane mase in togosti, ki ju zagotavljajo komponente, pritrjene na tiskano vezje.

V prvem prispevku je obravnavan en sam primer poenostavljenega FE modela tiskanega vezja, preverjen glede na eksperimentalne podatke. Glavno področje tega prispevka je določanje porazdeljenih lastnosti z opozorilom, da je za natančen model potrebna visoka natančnost torzijske togosti.

Drugi članek obravnava pet različnih polnjenih PCB-jev, od katerih je vsak modeliran z več različnimi stopnjami poenostavitve svoje sestave. Ti modeli se primerjajo z eksperimentalnimi podatki. Ta članek se zaključi z nekaj poučnimi opažanji o korelaciji med razmerji med maso in togostjo in natančnostjo modela. Oba dokumenta uporabljata samo naravne frekvence in MEC (modalna merila zagotavljanja) za določitev korelacije med obema modeloma. Na žalost napaka v naravni frekvenci ne more zagotoviti nobenih informacij o napaki v lokalnih pospeških ali upogibnih momentih, MKO pa lahko poda samo skupno korelacijo med dvema naravnima načinoma, ne more pa se uporabiti za izračun odstotne napake pospeška ali ukrivljenosti. Cifuentes [10] s kombinacijo numerične analize in računalniške simulacije podaja naslednje štiri ugotovitve.

1. Za natančno analizo morajo simulirani načini vsebovati vsaj 90 % vibrirajoče mase.
2. V primerih, ko so odstopanja plošče primerljiva z njeno debelino, je lahko nelinearna analiza primernejša od linearne.
3. Majhne napake pri namestitvi komponent lahko povzročijo velike napake pri meritvah odziva.
4. Natančnost merjenja odziva je bolj občutljiva na napake mase kot togosti.

8.1.4. Mejni pogoji

Koeficient togosti rotacijskega roba tiskanega vezja pomembno vpliva na natančnost izračunanega odziva [59] in je glede na specifično konfiguracijo veliko pomembnejši od dodane mase in togosti komponente. Modeliranje togosti rotacijskega roba kot nič (v bistvu samo podprto stanje) običajno daje konzervativne rezultate, medtem ko modeliranje kot tesno vpetega običajno podcenjuje rezultate, saj niti najtrši vpenjalni mehanizmi PCB ne morejo zagotoviti popolnoma vpetega robnega stanja. Barker in Chen [5] potrdita analitično teorijo z eksperimentalnimi rezultati, da pokažeta, kako rotacijska togost robov vpliva na naravno frekvenco tiskanega vezja. Glavna ugotovitev tega dela je močna korelacija med togostjo vrtenja robov in lastnimi frekvencami, skladna s teorijo. To tudi pomeni, da bodo velike napake pri modeliranju rotacijske togosti robov povzročile velike napake pri napovedovanju odziva. Čeprav je bilo to delo obravnavano v posameznem primeru, je uporabno za modeliranje vseh vrst mehanizmov robnih pogojev. Z uporabo eksperimentalnih podatkov Lim et al. [41] ponuja primer, kako je mogoče izračunati rotacijsko togost robov za uporabo FE v modelu PCB; to se doseže z metodo, prilagojeno po Barkerju in Chenu [5]. To delo tudi prikazuje, kako določiti optimalno lokacijo katere koli točke v strukturi za povečanje lastnih frekvenc. Dela, ki posebej obravnavajo učinek spreminjanja robnih pogojev za zmanjšanje odziva na vibracije, obstajajo tudi Guo in Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti in Schwingshackl [3], Lim et al. [41].

8.1.5. Napovedi udarcev in vibracij

Pitarresi idr. [53-55] uporabljajo podroben FE model tiskanega vezja za napoved odziva plošče na udarce in vibracije s komponentami, predstavljenimi kot 3D bloki. Ti modeli so uporabili eksperimentalno določena konstantna razmerja dušenja za izboljšanje napovedi odziva pri resonanci. Spekter odziva na udarce (SRS) in metode časovnega pometanja so primerjali za napovedovanje odziva na udarce, pri čemer sta obe metodi kompromis med natančnostjo in časom rešitve.

8.2. Merila za zavrnitev

Merila okvare merijo odziv tiskanega vezja in jo uporabljajo za izpeljavo metrike okvare, kjer je metrika okvare lahko srednji čas med okvaro (MTBF), cikli do okvare, verjetnost delovanja brez okvare ali katera koli druga metrika zanesljivosti (glejte IEEE [26]; Jensen [28] 47; O'Connor [XNUMX] za razpravo o meritvah napak). Številne različne pristope k pridobivanju teh podatkov lahko priročno razdelimo na analitične in empirične metode. Empirične metode generirajo podatke o kriterijih napak z obremenitvijo preskusnih vzorcev komponent na zahtevano dinamično obremenitev. Zaradi širokega nabora vhodnih podatkov (vrste komponent, debeline PCB in obremenitve), ki so v praksi možni, objavljeni podatki verjetno ne bodo neposredno uporabni, saj so podatki veljavni le v zelo posebnih primerih. Analitske metode nimajo takšnih pomanjkljivosti in imajo veliko širšo uporabnost.

8.2.1. Empirični kriteriji neuspeha

Kot smo že omenili, je omejitev večine empiričnih modelov ta, da so uporabni samo za konfiguracije, ki vključujejo enako debelino PCB, podobne tipe komponent in vhodno obremenitev, kar je malo verjetno. Vendar pa je razpoložljiva literatura uporabna iz naslednjih razlogov: zagotavlja dobre primere izvajanja testov napak, poudarja različne možnosti za meritve napak in zagotavlja dragocene informacije o mehaniki napak. Li [37] je ustvaril empirični model za napovedovanje zanesljivosti ohišij 272-pin BGA in 160-pin QFP. Raziskane so poškodbe prevodnikov in ohišja zaradi utrujenosti, eksperimentalni rezultati pa se dobro ujemajo z analizo poškodb na podlagi napetosti, izračunano z uporabo podrobnega modela FE (glej tudi Li in Poglitsch [38,39]). Postopek povzroči kumulativno škodo za določeno raven pospeška vibracij vhodnega signala vibracij.
Lau in drugi [36] so ocenili zanesljivost določenih komponent pri udarnih in vibracijskih obremenitvah z uporabo Weibullove statistike. Liguore in Followell [40] sta preučevala okvare komponent LLCC in J-lead s spreminjanjem lokalnega pospeška med servisnimi cikli. Lokalni pospešek se uporablja v nasprotju z vhodnim pospeškom šasije, raziskan pa je bil tudi učinek temperature na rezultate preskusa. Članek se sklicuje tudi na raziskave o vplivu debeline PCB na zanesljivost komponent.

Guo in Zhao [21] primerjata zanesljivost komponent, ko se kot obremenitev uporablja lokalna torzijska ukrivljenost, v nasprotju s prejšnjimi študijami, ki so uporabljale pospeševanje. Poškodba zaradi utrujenosti se simulira, nato se model FE primerja z eksperimentalnimi rezultati. Članek obravnava tudi optimizacijo postavitve komponent za izboljšanje zanesljivosti.

Ham in Lee [22] predstavljata metodo testnih podatkov za problem določanja napetosti svinčenih spajk pri ciklični torzijski obremenitvi. Estes in drugi [15] so obravnavali problem odpovedi komponent galebjih kril (GOST IEC 61188-5-5-2013) z uporabljenim vhodnim pospeškom in toplotno obremenitvijo. Proučevane komponente so tipi paketov čipov CQFP 352, 208, 196, 84 in 28 ter FP 42 in 10. Članek je posvečen okvari elektronskih komponent zaradi nihanj v orbiti geostacionarnega zemeljskega satelita, času med napakami je podano v letih letenja na geostacionarnih ali nizkih zemeljskih orbitah. Ugotovljeno je, da je okvara žic gullwing verjetnejša na mestih, ki so v stiku s telesom paketa, kot na spajkalni spoj.

Jih in Jung [30] obravnavata okvare opreme, ki jih povzročajo inherentne proizvodne napake v spajkalnem spoju. To naredimo tako, da ustvarimo zelo podroben FE model PCB in ugotovimo spektralno gostoto moči (PSD) za različne dolžine proizvodnih razpok. Ligyore, Followell [40] in Shetty, Reinikainen [58] kažejo, da empirične metode proizvajajo najbolj natančne in uporabne podatke o napakah za specifične konfiguracije povezanih komponent. Tovrstne metode se uporabljajo, če je mogoče nekatere vhodne podatke (debelino plošče, vrsto komponente, obseg ukrivljenosti) ohranjati nespremenjene v celotnem dizajnu ali če si uporabnik lahko privošči izvajanje resničnih tovrstnih testov.

8.2.2. Analitični kriterij napake

SMT modeli kotnih spojev

Različni raziskovalci, ki preučujejo okvare kotnih zatičev SMT, kažejo, da je to najpogostejši vzrok okvare. Prispevki Sidhartha in Barkerja [59] dopolnjujejo prejšnjo serijo člankov s predstavitvijo modela za določanje deformacije kotnih vodnikov SMT in komponent zank. Predlagani model ima napako manj kot 7 % v primerjavi s podrobnim modelom FE za šest najslabših možnih scenarijev. Model temelji na formuli, ki sta jo predhodno objavila Barker in Sidharth [4], kjer je bil modeliran upogib pritrjenega dela, ki je izpostavljen upogibnemu momentu. Prispevek Sukhirja [63] analitično preučuje pričakovane napetosti v terminalih paketov zaradi lokalno uporabljenih upogibnih momentov. Barker in Sidharth [4] gradita na delu Sukhirja [63], Barkerja in drugih [4], ki obravnavata vpliv vodilne rotacijske togosti. Nazadnje so Barker in drugi [7] uporabili podrobne modele FE za preučevanje učinka dimenzijskih variacij svinca na življenjsko dobo svinca ob utrujenosti.

Tukaj je primerno omeniti delo na konstantah svinčenih vzmeti JEDEC, ki je močno poenostavilo izdelavo modelov svinčenih komponent [33-35]. Vzmetne konstante lahko uporabite namesto podrobnega modela vodnih povezav; čas, potreben za izdelavo in rešitev modela FE, se bo v modelu zmanjšal. Uporaba takih konstant v modelu FE komponente bo preprečila neposreden izračun lokalnih vodilnih napetosti. Namesto tega bo podana skupna obremenitev svinca, ki mora biti nato povezana bodisi z lokalnimi obremenitvami svinca bodisi z merili okvare svinca na podlagi življenjskega cikla izdelka.

Podatki o utrujenosti materiala

Večina podatkov o okvari materialov, uporabljenih za spajke in komponente, je v prvi vrsti povezanih s toplotno odpovedjo, razmeroma malo podatkov pa je na voljo v zvezi z odpovedjo zaradi utrujenosti. Večjo referenco na tem področju ponuja Sandor [56], ki zagotavlja podatke o mehaniki utrujanja in odpovedi spajkalnih zlitin. Steinberg [62] obravnava odpoved vzorcev spajke. Podatki o utrujenosti standardnih spajk in žic so na voljo v Yamadinem dokumentu [69].

sl. 4. Običajni položaj napake iz priročnika za komponente QFP je blizu telesa paketa.

Modeliranje napak, povezanih z odvajanjem spajk, je zahtevno zaradi nenavadnih lastnosti tega materiala. Rešitev tega vprašanja je odvisna od komponente, ki jo je treba preizkusiti. Znano je, da se pri paketih QFP to običajno ne upošteva, zanesljivost pa se ocenjuje s pomočjo referenčne literature. Če pa se izračuna spajkanje velikih BGA in PGA komponent, potem lahko vodne povezave zaradi svojih nenavadnih lastnosti vplivajo na okvaro izdelka. Tako so za pakete QFP lastnosti utrujenosti svinca najbolj uporabne informacije. Za BGA so bolj uporabne informacije o vzdržljivosti spajkalnih spojev, ki so izpostavljeni trenutni plastični deformaciji [14]. Za večje komponente Steinberg [62] zagotavlja podatke o napetosti izvleka spajkalnega spoja.

Modeli odpovedi težkih komponent

Edini modeli odpovedi, ki obstajajo za težke komponente, so predstavljeni v članku Steinberga [62], ki preučuje natezno trdnost komponent in daje primer, kako izračunati največjo dovoljeno obremenitev, ki se lahko uporabi za vodilno povezavo.

8.3. Sklepi o uporabnosti modelov PoF

V literaturi o metodah PoF so bili podani naslednji zaključki.

Lokalni odziv je ključnega pomena za napovedovanje okvare komponente. Kot je navedeno v Li, Poglitsch [38], so komponente na robovih tiskanega vezja zaradi lokalnih razlik v upogibanju manj dovzetne za okvaro kot tiste, ki se nahajajo v središču tiskanega vezja. Posledično bodo imele komponente na različnih lokacijah na tiskanem vezju različne verjetnosti okvare.

Ukrivljenost lokalne plošče velja za pomembnejše merilo napake kot pospešek za komponente SMT. Nedavna dela [38,57,62,67] kažejo, da je ukrivljenost plošče glavno merilo okvare.

Različne vrste paketov, tako po številu zatičev kot po uporabljeni vrsti, so same po sebi zanesljivejše od drugih, ne glede na specifično lokalno okolje [15,36,38].
Temperatura lahko vpliva na zanesljivost komponent. Liguore in Followell [40] navajata, da je obstojnost proti utrujenosti najvišja v temperaturnem območju od 0 ◦C do 65 ◦C, z opaznim zmanjšanjem pri temperaturah pod -30 ◦C in nad 95 ◦C. Pri komponentah QFP velja mesto, kjer je žica pritrjena na paket (glej sliko 4), primarno mesto napake in ne spajkalni spoj [15,22,38].

Debelina plošče zagotovo vpliva na vzdržljivost komponent SMT, saj se je izkazalo, da se življenjska doba BGA ob utrujenosti zmanjša za približno 30- do 50-krat, če se debelina plošče poveča z 0,85 mm na 1,6 mm (ob ohranjanju konstantne splošne ukrivljenosti) [13]. . Fleksibilnost (skladnost) komponentnih vodnikov pomembno vpliva na zanesljivost komponent perifernih elektrod [63], vendar je to nelinearna povezava, najmanj zanesljivi pa so vmesni povezovalni vodi.

8.4. Programske metode

Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) na Univerzi v Marylandu ponuja programsko opremo za izračun odziva tiskanih vezij na vibracije in udarce. Programska oprema (imenovana CALCE PWA) ima uporabniški vmesnik, ki poenostavi postopek izvajanja modela FE in samodejno vnese izračun odziva v model vibracij. Za ustvarjanje modela odziva FE ni uporabljenih nobenih predpostavk, uporabljena merila napake pa so vzeta iz Steinberga [61] (čeprav se pričakuje, da bo uporabljena tudi Barkersova metoda [48]). Za zagotavljanje splošnih priporočil za izboljšanje zanesljivosti opreme se opisana programska oprema dobro obnese, še posebej, ker hkrati upošteva toplotno povzročene napetosti in zahteva minimalno specializirano znanje, vendar točnost kriterijev odpovedi v modelih ni bila eksperimentalno preverjena.

9. Metode za povečanje zanesljivosti opreme

V tem razdelku bomo razpravljali o poprojektnih spremembah, ki izboljšujejo zanesljivost elektronske opreme. Spadajo v dve kategoriji: tisti, ki spremenijo robne pogoje PCB, in tisti, ki povečajo dušenje.

Glavni namen sprememb robnih pogojev je zmanjšanje dinamičnega upogiba tiskanega vezja, kar lahko dosežemo z ojačitvenimi rebri, dodatnimi nosilci ali zmanjšanjem tresljajev vhodnega medija. Ojačitve so lahko uporabne, saj povečajo lastne frekvence in s tem zmanjšajo dinamično deformacijo [62], enako velja za dodajanje dodatnih podpor [3], čeprav je lokacijo podpor mogoče tudi optimizirati, kot je prikazano v delih JH Onga in Lima [ 40]. Na žalost rebra in podpore običajno zahtevajo preoblikovanje postavitve, zato je o teh tehnikah najbolje razmisliti zgodaj v ciklu načrtovanja. Poleg tega je treba paziti, da spremembe ne spremenijo lastnih frekvenc, da bi se ujemale z lastnimi frekvencami nosilne strukture, saj bi bilo to kontraproduktivno.

Dodajanje izolacije izboljša zanesljivost izdelka z zmanjšanjem vpliva dinamičnega okolja, ki se prenaša na opremo, in se lahko doseže pasivno ali aktivno.
Pasivne metode so običajno preproste in cenejše za izvedbo, kot je uporaba kabelskih izolatorjev [66] ali uporaba psevdoelastičnih lastnosti zlitin s spominom oblike (SMA) [32]. Vendar pa je znano, da lahko slabo zasnovani izolatorji dejansko povečajo odziv.
Aktivne metode zagotavljajo boljše dušenje v širšem frekvenčnem območju, običajno na račun enostavnosti in mase, zato so običajno namenjene izboljšanju natančnosti zelo občutljivih natančnih instrumentov in ne preprečevanju poškodb. Aktivna izolacija vibracij vključuje elektromagnetne [60] in piezoelektrične metode [18,43]. Za razliko od metod modifikacije mejnih pogojev je cilj modifikacije dušenja zmanjšati največji resonančni odziv elektronske opreme, medtem ko bi se morale dejanske lastne frekvence spremeniti le malo.

Tako kot pri izolaciji vibracij je dušenje mogoče doseči bodisi pasivno bodisi aktivno, s podobnimi poenostavitvami zasnove pri prvem in večjo kompleksnostjo in dušenjem pri drugem.

Pasivne metode vključujejo na primer zelo preproste metode, kot je lepljenje materiala, s čimer se poveča dušenje tiskanega vezja [62]. Bolj sofisticirane metode vključujejo dušenje delcev [68] in uporabo širokopasovnih dinamičnih absorberjev [25].

Aktivni nadzor vibracij se običajno doseže z uporabo piezokeramičnih elementov, ki so prilepljeni na površino tiskanega vezja [1,45]. Uporaba metod utrjevanja je odvisna od posameznega primera in jo je treba skrbno preučiti v povezavi z drugimi metodami. Uporaba teh tehnik na opremi, za katero ni znano, da ima težave z zanesljivostjo, ne bo nujno povečala stroškov in teže zasnove. Če pa izdelek z odobreno zasnovo med preskušanjem ne uspe, bo morda veliko hitreje in lažje uporabiti tehniko strukturnega utrjevanja kot pa preoblikovati opremo.

10. Priložnosti za razvoj metod

Ta razdelek podrobno opisuje priložnosti za izboljšanje napovedovanja zanesljivosti elektronske opreme, čeprav lahko nedavni napredek v optoelektroniki, nanotehnologiji in tehnologijah pakiranja kmalu omeji uporabnost teh predlogov. Štiri glavne metode napovedovanja zanesljivosti morda niso v uporabi v času načrtovanja naprave. Edini dejavnik, ki bi lahko naredil takšne metode privlačnejše, bi bil razvoj popolnoma avtomatiziranih, poceni tehnologij proizvodnje in testiranja, saj bi to omogočilo, da se predlagana zasnova zgradi in preizkusi veliko hitreje, kot je trenutno mogoče, z minimalnim človeškim naporom.

Metoda PoF ima veliko prostora za izboljšave. Glavno področje, kjer ga je mogoče izboljšati, je integracija s celotnim procesom načrtovanja. Načrtovanje elektronske opreme je ponavljajoč se proces, ki razvijalca približa končnemu rezultatu le v sodelovanju z inženirji, specializiranimi na področju elektronike, proizvodne in toplotne tehnike ter konstrukcijskega načrtovanja. Metoda, ki samodejno obravnava nekatere od teh težav hkrati, bo zmanjšala število ponovitev načrtovanja in prihranila veliko časa, zlasti če upoštevamo količino komunikacije med oddelki. Druga področja izboljšav v metodah PoF bodo razdeljena na vrste napovedi odziva in merila napak.

Napovedovanje odziva ima dve možni poti naprej: ali hitrejše, podrobnejše modele ali izboljšane, poenostavljene modele. S prihodom vedno močnejših računalniških procesorjev lahko čas rešitve za podrobne modele FE postane precej kratek, hkrati pa se zaradi sodobne programske opreme skrajša čas sestave izdelka, kar na koncu minimizira stroške človeških virov. Poenostavljene metode FE je mogoče izboljšati tudi s postopkom za samodejno generiranje modelov FE, podobnim tistim, predlaganim za podrobne metode FE. Za ta namen je trenutno na voljo avtomatska programska oprema (CALCE PWA), vendar tehnologija ni dobro preizkušena v praksi in predpostavke modeliranja niso znane.

Izračun negotovosti, ki je neločljivo povezan z različnimi metodami poenostavitve, bi bil zelo uporaben, saj bi omogočil uporabo uporabnih meril tolerance napak.

Nazadnje bi bila uporabna baza podatkov ali metoda za zagotavljanje povečane togosti pritrjenim komponentam, kjer bi lahko ta povečanja togosti uporabili za izboljšanje natančnosti odzivnih modelov. Ustvarjanje kriterijev za odpoved komponent je odvisno od rahlih razlik med podobnimi komponentami različnih proizvajalcev, pa tudi od morebitnega razvoja novih vrst embalaže, saj mora katera koli metoda ali baza podatkov za določanje meril za odpoved upoštevati takšno variabilnost in spremembe.

Ena od rešitev bi bila ustvariti metodo/programsko opremo za samodejno gradnjo podrobnih modelov FE na podlagi vhodnih parametrov, kot so mere svinca in embalaže. Ta metoda je lahko izvedljiva za komponente na splošno enotnih oblik, kot so komponente SMT ali DIP, vendar ne za kompleksne nepravilne komponente, kot so transformatorji, dušilke ali komponente po meri.

Naslednje modele FE je mogoče rešiti za napetosti in združiti s podatki o odpovedi materiala (podatki o krivulji plastičnosti S-N, mehaniki loma ali podobno) za izračun življenjske dobe komponente, čeprav morajo biti podatki o odpovedi materiala visoke kakovosti. Postopek FE mora biti povezan z dejanskimi preskusnimi podatki, po možnosti v čim širšem razponu konfiguracij.

Napor, vložen v takšen postopek, je sorazmerno majhen v primerjavi z alternativo neposrednega laboratorijskega testiranja, ki mora izvesti statistično pomembno število testov na različnih debelinah PCB, različnih intenzivnostih obremenitev in smereh obremenitev, tudi s stotinami različnih tipov komponent, ki so na voljo za več vrste plošč. V smislu enostavnega laboratorijskega testiranja lahko obstaja metoda za izboljšanje vrednosti vsakega testa.

Če bi obstajala metoda za izračun relativnega povečanja napetosti zaradi sprememb v določenih spremenljivkah, kot so debelina PCB ali dimenzije svinca, bi lahko naknadno ocenili spremembo življenjske dobe komponente. Takšno metodo je mogoče ustvariti z analizo FE ali analitičnimi metodami, kar na koncu vodi do preproste formule za izračun kriterijev za napake iz obstoječih podatkov o napakah.

Končno se pričakuje, da bo ustvarjena metoda, ki združuje vsa različna razpoložljiva orodja: analizo FE, testne podatke, analitično analizo in statistične metode za ustvarjanje najbolj natančnih možnih podatkov o okvarah z omejenimi viri, ki so na voljo. Vse posamezne elemente metode PoF je mogoče izboljšati z uvedbo stohastičnih metod v proces za upoštevanje učinkov variabilnosti elektronskih materialov in faz izdelave. To bi naredilo rezultate bolj realistične, kar bi morda privedlo do postopka za ustvarjanje opreme, ki je bolj robustna glede spremenljivosti, hkrati pa bi zmanjšala degradacijo izdelka (vključno s težo in ceno).

Navsezadnje bi lahko takšne izboljšave celo omogočile oceno zanesljivosti opreme v realnem času med postopkom načrtovanja, s čimer bi takoj predlagale varnejše možnosti komponent, postavitve ali druga priporočila za izboljšanje zanesljivosti, medtem ko obravnavajo druge težave, kot so elektromagnetne motnje (EMI), toplotne in industrijske.

11. Zaključek

Ta pregled predstavlja zapletenost napovedovanja zanesljivosti elektronske opreme, sledenje razvoju štirih vrst analiznih metod (upravna literatura, eksperimentalni podatki, preskusni podatki in PoF), kar vodi do sinteze in primerjave teh vrst metod. Referenčne metode naj bi bile uporabne le za predhodne študije, eksperimentalne podatkovne metode so uporabne samo, če so na voljo obsežni in natančni podatki o časovnem razporejanju, preskusne podatkovne metode pa so bistvenega pomena za preskušanje kvalifikacije zasnove, vendar nezadostne za optimizacijo.

Metode PoF so obravnavane podrobneje kot v prejšnjih pregledih literature, pri čemer so raziskave razdeljene na kategorije meril napovedi in verjetnosti neuspeha. V razdelku »Napovedovanje odziva« je pregled literature o porazdeljenih lastnostih, modeliranju robnih pogojev in stopnjah podrobnosti v modelih FE. Izbira metode napovedovanja odziva je prikazana kot kompromis med natančnostjo in časom za generiranje in rešitev modela FE, kar ponovno poudarja pomembnost natančnosti robnih pogojev. V razdelku »Kriterije napake« so obravnavana empirična in analitična merila napak; za tehnologijo SMT so na voljo pregledi modelov in težkih komponent.
Empirične metode so uporabne samo v zelo specifičnih primerih, čeprav zagotavljajo dobre primere metod testiranja zanesljivosti, medtem ko imajo analitične metode veliko širši obseg uporabnosti, vendar so bolj zapletene za izvajanje. Podana je kratka razprava o obstoječih metodah analize napak, ki temeljijo na specializirani programski opremi. Nazadnje so podane posledice za prihodnost napovedovanja zanesljivosti, pri čemer upoštevamo smeri, v katerih se lahko razvijajo metode napovedovanja zanesljivosti.

Literatura[1] G. S. Aglietti, R. S. Langley, E. Rogers in S. B. Gabriel, Učinkovit model plošče, obremenjene z opremo, za študije načrtovanja aktivnega krmiljenja, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2] GS Aglietti, Lažje ohišje za elektroniko za vesoljske aplikacije, Zbornik Inštituta strojnih inženirjev 216 (2002), 131–142.
[3] G. S. Aglietti in C. Schwingshackl, Analiza ohišij in antivibracijskih naprav za elektronsko opremo za vesoljske aplikacije, Zbornik 6. mednarodne konference o dinamiki in nadzoru konstrukcij vesoljskih plovil v vesolju, Riomaggiore, Italija, (2004).
[4] D. B. Barker in Y. Chen, Modeliranje omejitev tresljajev vodil za kartice s klinastim zaklepom, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D. B. Barker, Y. Chen in A. Dasgupta, Ocenjevanje življenjske dobe zaradi vibracij štirih svinčenih komponent za površinsko montažo, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D. B. Barker, A. Dasgupta in M. Pecht, Izračuni življenjske dobe spajkalnega spoja PWB pod toplotno in vibracijsko obremenitvijo, letni simpozij o zanesljivosti in vzdržljivosti, 1991 Zbornik (kat. št. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D. B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta in M. Pecht, Učinek variabilnosti dimenzij svinca SMC na skladnost svinca in življenjsko dobo spajkalnega spoja, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D. B. Barker in K. Sidharth, Lokalni PWB in upogibanje komponent sklopa, ki je izpostavljen upogibnemu momentu, Ameriško združenje strojnih inženirjev (prispevek) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, Pregled postopkov napovedovanja zanesljivosti za mikroelektronske naprave, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] AO Cifuentes, Ocenjevanje dinamičnega obnašanja tiskanih vezij, 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 in C. Wilkinson, Ocena zanesljivosti letalske elektronske opreme, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M. J. Cushing, D. E. Mortin, T. J. Stadterman in A. Malhotra, Primerjava pristopov ocenjevanja zanesljivosti elektronike, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux in A. Syed, Zanesljivost območnih spajkalnih spojev pri upogibanju, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N. F. Enke, T. J. Kilinski, S. A. Schroeder in J. R. Lesniak, Mehansko vedenje 60/40 kositrno-svinčevih spajkalnih prekrivnih spojev, zbornik – konferenca elektronskih komponent 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger in Y. Saito, Zanesljivost zaokrožev pete razreda 2 na komponentah s svincem galebovih kril. Aerospace Conference, zbornik 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 izdaja Metodologija zanesljivosti za elektronske sisteme. Skupina FIDES, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie in B. Meslet, Pregled metod napovedovanja zanesljivosti za elektronske naprave, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David in R. Pinnington, Nov piezoelektrični aktuator z visoko prostornino za aktivno kontrolo vibracij, 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 in E. Vergnault, A methodology to oceniti in izbrati ustrezno metodo napovedovanja zanesljivosti za komponente eee v vesoljskih aplikacijah, Evropska vesoljska agencija, (posebna publikacija) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Ocena zanesljivosti med uporabo in pristop od zgoraj navzdol zagotavlja alternativno metodo napovedovanja zanesljivosti. Letna zanesljivost in vzdržljivost, zbornik simpozija (kat. št. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo in M. Zhao, Utrujenost SMT spajkalnega spoja, vključno z torzijsko ukrivljenostjo in optimizacijo lokacije čipa, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham in S.-B. Lee, Eksperimentalna študija za zanesljivost elektronske embalaže pod vibracijami, Eksperimentalna mehanika 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Preskušanje utrujenosti sestavnega dela v prevlečeni skoznji luknji, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T. Y. Hin, K. S. Beh in K. Seetharamu, Razvoj dinamične preskusne plošče za oceno zanesljivosti spajkalnega spoja FCBGA pri udarcih in vibracijah. Zbornik 5. konference o tehnologiji pakiranja elektronike (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik in V. Babitsky, Ruggedizing tiskanih vezij z uporabo širokopasovnega dinamičnega absorberja, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, vodnik IEEE za izbiro in uporabo napovedi zanesljivosti na podlagi ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe in T. Kinney, Razvoj standardnih formatov za modele zanesljivosti vesoljskih sistemov, letni simpozij o zanesljivosti in vzdržljivosti, 2003 Zbornik (kat. št. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Zanesljivost elektronskih komponent, Wiley, 1995.
[29] J. H. Ong in G. Lim, Preprosta tehnika za povečanje osnovne frekvence struktur, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih in W. Jung, Vibrational fatigue of surface mount spajkalni spoji. ITermfl98. Šesta meddruštvena konferenca o toplotnih in termomehanskih pojavih v elektronskih sistemih (kat. št. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson in L. Gullo, Izboljšave v metodologiji ocene zanesljivosti in napovedi. Letni simpozij o zanesljivosti in vzdržljivosti. 2000 Zbornik. Mednarodni simpozij o kakovosti in integriteti izdelkov (kat. št. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes in B. Henderson, Pseudoelastic SMA vzmetni elementi za pasivno izolacijo vibracij: del i modeliranje, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Primerjalna skladnost reprezentativnih vodilnih modelov za površinsko nameščene komponente, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Meritve skladnosti za konstrukcijo vodila komponente za površinsko montažo. 1990 Zbornik. 40. konferenca o elektronskih komponentah in tehnologiji (kat. št. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz in L. Taylor, Meritve skladnosti za nagnjeno galebje krilo, pajkovo j-upogibanje in pajkovo galebje krilo zasnove vodila za komponente za površinsko montažo. 1991 Zbornik. 41. konferenca o elektronskih komponentah in tehnologiji (kat. št. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice in B. Shaw, Solder joint reliability of fine pitch surface mount technology assemblies, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 13(3) (1990), 534–544.
[37] R. Li, Metodologija za napovedovanje utrujenosti elektronskih komponent pod naključno obremenitvijo z vibracijami, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li in L. Poglitsch, Utrujenost plastične kroglične rešetke in plastičnih štirikolesnih ravnih paketov pod avtomobilskimi vibracijami. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li in L. Poglitsch, Vibracijska utrujenost, mehanizem odpovedi in zanesljivost niza plastičnih krogličnih rešetk in plastičnih štirikolesnih ploščatih paketov.
[40] Zbornik 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore in D. Followell, Vibracijska utrujenost spajkalnih spojev s tehnologijo površinske montaže (smt). Zbornik letnega simpozija o zanesljivosti in vzdržljivosti 1995 (kat. št. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong in J. Penny, Učinek podpore robov in notranjih točk plošče tiskanega vezja pod vibracijami, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Kaj je narobe s tem? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze in L. Cheng, Študija izvedljivosti aktivne izolacije vibracij z uporabo grmečevih aktuatorjev, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Napovedovanje zanesljivosti elektronske opreme. Ministrstvo za obrambo ZDA, izdaja F, 1995.
[46] S. R. Moheimani, Pregled nedavnih inovacij pri dušenju tresljajev in nadzoru z uporabo ranžiranih piezoelektričnih pretvornikov, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris in J. Reilly, Mil-hdbk-217-a favorite target. Letni simpozij o zanesljivosti in vzdržljivosti. 1993 Zbornik (kat. št. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktični inženiring zanesljivosti. Wiley, 1997.
[48] ​​​​M. Osterman in T. Stadterman, Programska oprema za oceno napak za sklope kartic. Letna zanesljivost in vzdržljivost. Simpozij. 1999 Zbornik (kat. št. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht in A. Dasgupta, Physics-of-failure: pristop k zanesljivemu razvoju izdelkov, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Končno poročilo (kat. št. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht in W.-C. Kang, Kritika metod napovedovanja zanesljivosti mil-hdbk-217e, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M. G. Pecht in F. R. Nash, Napovedovanje zanesljivosti elektronske opreme, Zbornik IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell in D. Smith, Tehnika razmazanih lastnosti za analizo vibracij FE kartic s tiskanim vezjem, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman in Y. Ling, Dinamično modeliranje in merjenje matičnih plošč osebnih računalnikov. 52. konferenca o elektronskih komponentah in tehnologiji 2002., (kat. št. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi in A. Primavera, Primerjava tehnik modeliranja vibracij za kartice s tiskanimi vezji, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala in P. Geng, Preskušanje mehanskih udarcev in modeliranje matičnih plošč osebnih računalnikov. 2004 Zbornik, 54. konferenca o elektronskih komponentah in tehnologiji (IEEE kat. št. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] BI Sandor, Mehanika spajkanja – ocena stanja tehnike. Društvo za minerale, kovine in materiale, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola in T. Reinikainen, Utrujenost medsebojnih povezav paketov čipov zaradi cikličnega upogibanja, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty in T. Reinikainen, Tri- in štiritočkovno testiranje upogibov za elektronske pakete, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth in D. B. Barker, Ocena življenjske dobe kotnih vodnikov perifernih svinčenih komponent zaradi vibracij zaradi utrujenosti, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman in G. Blackwood, Mehki 6-osni aktivni vibracijski izolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Analiza vibracij za elektronsko opremo, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Analiza vibracij za elektronsko opremo, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Ali lahko skladni zunanji kabli zmanjšajo moč nadometne naprave? 1988 Zbornik 38. konference o elektronskih komponentah (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Nelinearni dinamični odziv plošče tiskanega vezja na udarne obremenitve, uporabljene na njeni nosilni konturi, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Odziv tiskanega vezja s prožnim vezjem na občasne udarne obremenitve, uporabljene na njegovi nosilni konturi, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Zaščita kritičnih komponent elektronske opreme pred tresljaji v težkih okoljskih razmerah, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao in Q. Guo, Eksperimenti vibracijske utrujenosti spajkalnega spoja SMT, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z. W. Xu, K. Chan in W. Liao, Empirična metoda za načrtovanje dušenja delcev, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, Pristop mehanike loma k pokanju spajkanih spojev, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao in E. Elsayed, Modeliranje pospešenega testiranja življenjske dobe na podlagi srednje preostale življenjske dobe, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou in E. A. Elsayed, Generalized step stress accelerated life model. Zbornik mednarodnih konferenc o poslovanju zanesljivosti in odgovornosti elektronskih izdelkov 2004, 2004, 19–25.

Vir: www.habr.com