Tillförlitlighetsanalys av elektronisk utrustning som utsätts för stötar och vibrationer – en översikt

Journal: Shock and Vibration 16 (2009) 45–59
Författare: Robin Alastair Amy, Guglielmo S. Aglietti (E-post: [e-postskyddad]), och Guy Richardson
Författarnas anknytning: Astronautical Research Group, University of Southampton, School of Engineering Sciences, Southampton, Storbritannien
Surrey Satellite Technology Limited, Guildford, Surrey, Storbritannien

Copyright 2009 Hindawi Publishing Corporation. Detta är en artikel med öppen tillgång som distribueras under Creative Commons Attribution License, som tillåter obegränsad användning, distribution och reproduktion i vilket medium som helst, förutsatt att originalverket är korrekt citerat.

Anteckning. I framtiden förväntas all modern elektronisk utrustning ha ökande funktionalitet samtidigt som förmågan att motstå stötar och vibrationsbelastningar bibehålls. Processen att förutsäga tillförlitlighet är svår på grund av de komplexa svars- och felegenskaperna hos elektronisk utrustning, så för närvarande existerande metoder är en kompromiss mellan beräkningsnoggrannhet och kostnad.
Tillförlitlig och snabb förutsägelse av tillförlitligheten hos elektronisk utrustning vid drift under dynamiska belastningar är mycket viktigt för industrin. Den här artikeln visar problem med att förutsäga tillförlitligheten hos elektronisk utrustning som saktar ner resultaten. Det bör också beaktas att tillförlitlighetsmodellen vanligtvis är byggd med hänsyn till ett brett utbud av utrustningskonfigurationer för ett antal liknande komponenter. Fyra klasser av tillförlitlighetsprediktionsmetoder (referensmetoder, testdata, experimentella data och modellering av fysiska orsaker till misslyckanden - fysik av misslyckande) jämförs i denna artikel för att välja möjligheten att använda en eller annan metod. Det noteras att de flesta fel i elektronisk utrustning orsakas av termiska belastningar, men denna recension fokuserar på fel orsakade av stötar och vibrationer under drift.

Översättarens anteckning. Artikeln är en genomgång av litteraturen om detta ämne. Trots sin relativt höga ålder fungerar den som en utmärkt introduktion till problemet med att bedöma tillförlitlighet med olika metoder.

1. Terminologi

BGA Ball Grid Array.
DIP Dual In-line Processor, ibland känd som Dual In-line Package.
FE Finita Element.
PGA Pin Grid Array.
PCB Printed Circuit Board, ibland känd som en PWB (Printed Wiring Board).
PLCC blyad plastspånbärare.
PTH Plated Through Hole, ibland känt som Pin Through Hole.
QFP Quad Flat Pack - även känd som måsvinge.
SMA Shape Memory legeringar.
SMT ytmonteringsteknik.

Anteckning från originalförfattare: I den här artikeln hänvisar termen "komponent" till en specifik elektronisk enhet som kan lödas till ett tryckt kretskort; termen "paket" avser vilken komponent som helst i en integrerad krets (vanligtvis vilken SMT- eller DIP-komponent som helst). Termen "ansluten komponent" hänvisar till alla kombinerade kretskort eller komponentsystem, vilket betonar att de bifogade komponenterna har sin egen massa och styvhet. (Kristallförpackningar och dess inverkan på tillförlitligheten diskuteras inte i artikeln, så i det följande kan termen "paket" uppfattas som ett "case" av en eller annan typ - ungefär översatt.)

2. Redogörelse för problemet

Stöt- och vibrationsbelastningar som utsätts för ett PCB orsakar spänningar på PCB-substratet, komponentpaket, komponentspår och lödfogar. Dessa spänningar orsakas av en kombination av böjmoment i kretskortet och komponentens massatröghet. I ett värsta scenario kan dessa spänningar orsaka ett av följande fellägen: PCB-delaminering, lödfogsfel, ledningsfel eller komponentpaketfel. Om något av dessa fellägen inträffar kommer fullständigt fel på enheten troligen att följa. Felläget som upplevs under drift beror på typen av förpackning, egenskaperna hos det tryckta kretskortet, såväl som frekvensen och amplituden av böjmoment och tröghetskrafter. Långsamma framsteg inom elektronisk utrustnings tillförlitlighetsanalys beror på de många kombinationer av ingångsfaktorer och fellägen som måste beaktas.

Resten av detta avsnitt kommer att försöka förklara svårigheten med att beakta olika insatsfaktorer samtidigt.

Den första komplicerande faktorn att överväga är det breda utbudet av pakettyper som finns tillgängliga i modern elektronik, eftersom varje paket kan misslyckas av olika anledningar. Tunga komponenter är mer mottagliga för tröghetsbelastningar, medan responsen hos SMT-komponenter är mer beroende av kretskortets krökning. Som ett resultat, på grund av dessa grundläggande skillnader, har dessa typer av komponenter till stor del olika felkriterier baserat på massa eller storlek. Detta problem förvärras ytterligare av den ständiga uppkomsten av nya komponenter som finns tillgängliga på marknaden. Därför måste varje föreslagen tillförlitlighetsförutsägelsemetod anpassas till nya komponenter för att ha någon praktisk tillämpning i framtiden. Ett tryckt kretskorts reaktion på vibrationer bestäms av komponenternas styvhet och massa, vilket påverkar det tryckta kretskortets lokala reaktion. Det är känt att de tyngsta eller största komponenterna väsentligt förändrar skivans reaktion på vibrationer på de platser där de är installerade. PCB mekaniska egenskaper (Youngs modul och tjocklek) kan påverka tillförlitligheten på sätt som är svåra att förutsäga.

Ett styvare PCB kan minska den totala svarstiden för PCB under belastning, men kan samtidigt faktiskt lokalt öka böjmomenten som appliceras på komponenterna (Dessutom, ur ett termiskt inducerat felperspektiv är det faktiskt att föredra att specificera en mer kompatibel PCB, eftersom detta minskar de termiska spänningarna som utsätts för förpackningen - författarens anmärkning). Frekvensen och amplituden för lokala böjmoment och tröghetsbelastningar som utsätts för stapeln påverkar också det mest sannolika felläget. Högfrekventa lågamplitudlaster kan leda till utmattningsbrott i strukturen, vilket kan vara den främsta orsaken till brott (låg/hög cyklisk utmattning, LCF avser fel som domineras av plastisk deformation (N_f 10^6 ) till fel [10] - författarens anmärkning) Det slutliga arrangemanget av element på det tryckta kretskortet kommer att avgöra orsaken till felet, vilket kan uppstå på grund av stress i en enskild komponent orsakad av tröghetsbelastningar eller lokala böjmoment. Slutligen är det nödvändigt att ta hänsyn till påverkan av mänskliga faktorer och produktionsfunktioner, vilket ökar sannolikheten för utrustningsfel.

När man överväger ett betydande antal insatsfaktorer och deras komplexa interaktion, blir det tydligt varför en effektiv metod för att förutsäga tillförlitligheten hos elektronisk utrustning ännu inte har skapats. En av de litteraturöversikter som rekommenderas av författarna i denna fråga presenteras i IEEE [26]. Den här recensionen fokuserar dock huvudsakligen på ganska breda klassificeringar av tillförlitlighetsmodeller, såsom metoden för att förutsäga tillförlitlighet från referenslitteratur, experimentella data, datormodellering av feltillstånd (Physics-of-Failure Reliability (PoF)), och tar inte upp misslyckanden tillräckligt detaljerade orsakade av stötar och vibrationer. Foucher et al [17] följer en liknande beskrivning som IEEE-granskningen, med stor tonvikt på termiska fel. Den tidigare kortheten i analysen av PoF-metoder, särskilt när den tillämpas på stöt- och vibrationsfel, förtjänar att övervägas vidare. En IEEE-liknande recension håller på att sammanställas av AIAA, men granskningens omfattning är okänd i nuläget.

3. Utveckling av metoder för tillförlitlighetsprediktion

Den tidigaste metoden för tillförlitlighetsprediktion, utvecklad på 1960-talet, beskrivs för närvarande i MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F är den senaste och sista revideringen av metoden, släppt 1995 - författarens anteckning) Användning av denna metod använder en databas med fel på elektronisk utrustning för att få den genomsnittliga livslängden för ett kretskort som består av vissa komponenter. Denna metod är känd som en metod för att förutsäga tillförlitlighet från referens- och normativ litteratur. Även om Mil-Hdbk-217F blir allt mer föråldrad, används referensmetoden fortfarande idag. Begränsningarna och felaktigheterna i denna metod har dokumenterats väl [42,50], vilket leder till utvecklingen av tre klasser av alternativa metoder: datormodellering av fysiska felförhållanden (PoF), experimentella data och fälttestdata.

PoF-metoder förutsäger tillförlitlighet analytiskt utan att förlita sig på tidigare insamlad data. Alla PoF-metoder har två gemensamma kännetecken för den klassiska metoden som beskrivs i Steinberg [62]: först eftersträvas vibrationsresponsen från det tryckta kretskortet på en specifik vibrationsstimulans, sedan testas felkriterierna för enskilda komponenter efter vibrationsexponering. Ett viktigt framsteg inom PoF-metoder har varit användningen av distribuerade (genomsnittliga) kortegenskaper för att snabbt generera en matematisk modell av ett tryckt kretskort [54], vilket avsevärt har minskat komplexiteten och tiden som spenderas på att noggrant beräkna vibrationsresponsen för ett tryckt kretskort. kretskort (se avsnitt 8.1.3). Den senaste utvecklingen inom PoF-tekniker har förbättrat felförutsägelser för ytmonteringsteknik (SMT) lödda komponenter; dock, med undantag för Barkers-metoden [59], är dessa nya metoder endast tillämpliga på mycket specifika kombinationer av komponenter och kretskort. Det finns väldigt få metoder tillgängliga för stora komponenter som transformatorer eller stora kondensatorer.
Experimentella datametoder förbättrar kvaliteten och kapaciteten hos modellen som används i tillförlitlighetsprediktionsmetoder baserade på referenslitteratur. Den första metoden baserad på experimentella data för att förutsäga tillförlitligheten hos elektronisk utrustning beskrevs i ett papper från 1999 med hjälp av HIRAP-metoden (Honeywell In-service Reliability Assessment Program), som skapades av Honeywell, Inc. [20]. Metoden med experimentella data har ett antal fördelar jämfört med metoder för att förutsäga tillförlitlighet med hjälp av referens- och normativ litteratur. På senare tid har många liknande metoder dykt upp (REMM och TRACS [17], även FIDES [16]). Metoden för experimentella data, såväl som metoden för att förutsäga tillförlitlighet med hjälp av referens- och normativ litteratur, tillåter oss inte att på ett tillfredsställande sätt ta hänsyn till styrelsens layout och driftmiljön för dess drift vid bedömning av tillförlitlighet. Denna brist kan korrigeras genom att använda feldata från kort som liknar designen eller från kort som har utsatts för liknande driftsförhållanden.

Experimentella datametoder beror på tillgängligheten av en omfattande databas som innehåller kraschdata över tid. Varje feltyp i denna databas måste identifieras korrekt och dess grundorsak fastställas. Denna tillförlitlighetsbedömningsmetod är lämplig för företag som producerar samma typ av utrustning i tillräckligt stora kvantiteter så att ett betydande antal fel kan bearbetas för att bedöma tillförlitligheten.

Metoder för att testa elektroniska komponenter för tillförlitlighet har använts sedan mitten av 1970-talet och delas vanligtvis in i accelererade och icke-accelererade tester. Det grundläggande tillvägagångssättet är att utföra testkörningar av hårdvara som skapar den förväntade driftsmiljön så realistiskt som möjligt. Tester utförs tills ett fel inträffar, vilket gör att MTBF (Mean Time Between Failures) kan förutsägas. Om MTBF uppskattas vara mycket lång, kan testtiden reduceras genom accelererad testning, vilket uppnås genom att öka driftsmiljöfaktorerna och använda en känd formel för att relatera felfrekvensen i det accelererade testet till felfrekvensen som förväntas i drift. Detta test är avgörande för komponenter med hög risk att misslyckas eftersom det ger forskaren den högsta nivån av konfidensdata, men det skulle vara opraktiskt att använda det för optimering av kortdesign på grund av studiens långa iterationstid.

En snabb genomgång av arbete som publicerades på 1990-talet tyder på att detta var en period då experimentella data, testdata och PoF-metoder konkurrerade med varandra för att ersätta föråldrade metoder för att förutsäga tillförlitlighet från referensböcker. Varje metod har dock sina egna fördelar och nackdelar, och när den används på rätt sätt ger den värdefulla resultat. Som en konsekvens släppte IEEE nyligen en standard [26] som listar alla metoder för tillförlitlighetsprediktion som används idag. Målet med IEEE var att utarbeta en guide som skulle ge ingenjören information om alla tillgängliga metoder och fördelarna och nackdelarna med varje metod. Även om IEEE-metoden fortfarande är i början av en lång utveckling, verkar den ha sina egna fördelar, eftersom AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) följer den med en riktlinje som kallas S-102, som liknar IEEE men tar även hänsyn till den relativa kvaliteten på data från varje metod [27]. Dessa guider är endast avsedda att sammanföra de metoder som cirkulerar i världens litteratur som publiceras om dessa ämnen.

4. Fel orsakade av vibrationer

Mycket av den tidigare forskningen har i första hand fokuserat på slumpmässiga vibrationer som en PCB-belastning, men följande studie tittar specifikt på stötrelaterade fel. Sådana metoder kommer inte att diskuteras fullständigt här eftersom de faller under klassificeringen av PoF-metoder och diskuteras i avsnitt 8.1 och 8.2 i denna artikel. Heen et al [24] skapade ett testkort för att testa integriteten hos BGA-lödfogar när de utsätts för stötar. Lau et al [36] beskrev tillförlitligheten av PLCC, PQFP och QFP komponenter under i-planet och out-of-planet stötar. Pitarresi et al [53,55] tittade på fel på datormoderkort på grund av stötbelastning och gav en bra genomgång av litteraturen som beskriver elektronisk utrustning under stötbelastning. Steinberg [62] tillhandahåller ett helt kapitel om design och analys av påverkad elektronisk utrustning, som täcker både hur man förutsäger stötmiljön och hur man säkerställer prestanda hos elektroniska komponenter. Sukhir [64,65] beskrev fel i linjära beräkningar av svaret hos ett tryckt kretskort på en stötbelastning som appliceras på kortfästen. Således kan referens- och experimentella datametoder överväga inverkansrelaterade utrustningsfel, men dessa metoder beskriver "påverkan"-fel implicit.

5. Referensmetoder

Av alla tillgängliga metoder som beskrivs i manualerna kommer vi att begränsa oss till endast två som tar hänsyn till vibrationsfel: Mil-Hdbk-217 och CNET [9]. Mil-Hdbk-217 accepteras som standard av de flesta tillverkare. Liksom alla manuella metoder och referensmetoder är de baserade på empiriska metoder som syftar till att förutsäga komponenttillförlitlighet från experimentella eller laboratoriedata. Metoderna som beskrivs i referenslitteraturen är relativt enkla att implementera, eftersom de inte kräver komplex matematisk modellering och endast använder typer av delar, antal delar, driftförhållanden för kortet och andra lättillgängliga parametrar. Indata matas sedan in i modellen för att beräkna tiden mellan fel, MTBF. Trots sina fördelar blir Mil-Hdbk-217 mindre och mindre populär [12, 17,42,50,51]. Låt oss överväga en ofullständig lista över begränsningar för dess tillämplighet.

1. Uppgifterna blir allt mer inaktuella, efter att ha uppdaterats senast 1995 och inte relevanta för de nya komponenterna, finns det ingen chans att modellen revideras eftersom Defence Standards Improvement Board har beslutat att låta metoden "dö en naturlig död" [ 26].
2. Metoden ger ingen information om felläget, så PCB-layouten kan inte förbättras eller optimeras.
3. Modellerna förutsätter att fel är designoberoende, ignorerar layouten av komponenter på PCB, men komponentlayout är känt för att ha stor inverkan på sannolikheten för fel. [50].
4. Den insamlade empiriska data innehåller många felaktigheter, data används från första generationens komponenter med en onaturligt hög felfrekvens på grund av felaktiga registreringar av drifttid, reparation etc., vilket minskar tillförlitligheten av tillförlitlighetsförutsägelseresultaten [51].

Alla dessa brister tyder på att användningen av referensmetoder bör undvikas, men inom gränserna för tillåtligheten av dessa metoder måste ett antal krav i den tekniska specifikationen implementeras. Därför bör referensmetoder endast användas när det är lämpligt, d.v.s. i de tidiga stadierna av design [46]. Tyvärr bör även denna användning behandlas med viss försiktighet, eftersom dessa typer av metoder inte har reviderats sedan 1995. Därför är referensmetoder i sig dåliga prediktorer för mekanisk tillförlitlighet och bör användas med försiktighet.

6. Testdatametoder

Testdatametoder är de enklaste metoderna för förutsägelse av tillförlitlighet som finns tillgängliga. En prototyp av den föreslagna designen av kretskort utsätts för miljövibrationer som återges på en laboratoriebänk. Därefter analyseras förstörelseparametrarna (MTTF, chockspektrum) och sedan används detta för att beräkna tillförlitlighetsindikatorer [26]. Testdatametoden bör användas med hänsyn till dess fördelar och nackdelar.
Den största fördelen med testdatametoder är den höga noggrannheten och tillförlitligheten hos resultaten, så för utrustning med hög risk för fel bör det sista steget i designprocessen alltid inkludera vibrationskvalifikationstestning. Nackdelen är den långa tiden som krävs för att tillverka, installera och ladda provbiten, vilket gör metoden olämplig för konstruktionsförbättringar av utrustning med hög sannolikhet för fel. För en iterativ produktdesignprocess bör en snabbare metod övervägas. Belastningsexponeringstiden kan minskas genom accelererad testning om tillförlitliga modeller finns tillgängliga för efterföljande beräkning av faktisk livslängd [70,71]. Accelererade testmetoder är dock mer lämpade för modellering av termiska fel än vibrationsfel. Detta beror på att det tar mindre tid att testa effekterna av termiska belastningar på utrustning än att testa effekterna av vibrationsbelastningar. Effekten av vibrationer kan uppträda i produkten först efter en lång tid.

Som en konsekvens används testmetoder i allmänhet inte för vibrationsfel om det inte finns förmildrande omständigheter, såsom låga spänningar som resulterar i mycket långa tider till fel. Exempel på dataverifieringsmetoder kan ses i Hart [23], Hin et al. [24], Li [37], Lau et al. [36], Shetty et al [57], Liguore och Followell [40], Estes et al. [15], Wang et al. [67], Jih och Jung [30]. En bra allmän översikt över metoden ges i IEEE [26].

7. Experimentella datametoder

Den experimentella datametoden är baserad på feldata från liknande kretskort som har testats under specificerade driftsförhållanden. Metoden är endast korrekt för kretskort som kommer att utsättas för liknande belastningar. Den experimentella datametoden har två huvudaspekter: att konstruera en databas över fel på elektroniska komponenter och att implementera metoden baserat på den föreslagna designen. För att bygga en lämplig databas måste det finnas relevant feldata som har samlats in från liknande konstruktioner; detta innebär att data om fel på liknande utrustning måste finnas. Felaktig utrustning måste också analyseras och statistik samlas in ordentligt, det räcker inte att konstatera att en given PCB-konstruktion misslyckats efter ett visst antal timmar, plats, felläge och felorsak måste fastställas. Om inte alla tidigare feldata har analyserats noggrant, kommer en lång period av datainsamling att krävas innan den experimentella datametoden kan användas.

En möjlig lösning för denna begränsning är att implementera Highly Accelerated Lifecycle Testing (HALT) i syfte att snabbt bygga en databas med felfrekvens, även om det är utmanande men avgörande att korrekt återskapa miljöparametrar [27]. En beskrivning av det andra steget av att implementera den experimentella datametoden kan läsas i [27], som visar hur man förutsäger MTBF för en föreslagen design om designen som testas erhålls genom att modifiera ett befintligt kort för vilket detaljerade feldata redan finns . Andra recensioner av experimentella datametoder beskrivs av olika författare i [11,17,20,26].

8. Datorsimulering av feltillstånd (PoF)

Datormodelleringstekniker för feltillstånd, även kallade stress- och skademodeller eller PoF-modeller, implementeras i en tvåstegs tillförlitlighetsförutsägelseprocess. Det första steget inkluderar att söka efter kretskortets svar på en dynamisk belastning som påläggs det; i det andra steget beräknas modellens svar för att säkerställa en given tillförlitlighetsindikator. Det mesta av litteraturen ägnas ofta åt både metoden att förutsäga svar och processen att hitta felkriterier. Dessa två metoder förstås bäst när de beskrivs oberoende av varandra, så denna recension kommer att överväga dessa två steg separat.

Mellan stadierna av att förutsäga svaret och sökning efter felkriterier överförs den datauppsättning som skapas i det första steget och används i det andra till modellen. Responsvariabeln har utvecklats från att använda ingångsaccelerationen på chassit [15,36,37,67], genom den faktiska accelerationen som komponenten upplever för att ta hänsyn till de olika vibrationssvaren för olika PCB-layouter [40], och slutligen till att överväga lokal exkursion [62] eller lokala böjmoment [59] som upplevs av PCB lokalt för komponenten.

Det har noterats att fel är en funktion av arrangemanget av komponenter på ett tryckt kretskort [21,38], så modeller som innehåller lokal vibrationsrespons är mer sannolikt att vara exakta. Valet av vilken parameter (lokal acceleration, lokal avböjning eller böjmoment) som är den avgörande faktorn för fel beror på det specifika fallet.
Om SMT-komponenter används kan krökning eller böjmoment vara de viktigaste faktorerna för fel, för tunga komponenter används vanligtvis lokala accelerationer som brottkriterier. Tyvärr har ingen forskning utförts för att visa vilken typ av kriterier som är mest lämpliga i en given uppsättning indata.

Det är viktigt att överväga lämpligheten av någon PoF-metod som används, eftersom det inte är praktiskt att använda någon PoF-metod, analytisk eller FE, som inte stöds av laboratorietestdata. Dessutom är det viktigt att använda vilken modell som helst inom ramen för dess tillämplighet, vilket tyvärr begränsar tillämpligheten av de flesta aktuella PoF-modeller att använda under mycket specifika och begränsade förhållanden. Goda exempel på diskussion om PoF-metoder beskrivs av olika författare [17,19,26,49].

8.1. Svarsförutsägelse

Responsförutsägelse innebär att geometrin och materialegenskaperna hos en struktur används för att beräkna den erforderliga svarsvariabeln. Detta steg förväntas endast fånga det övergripande svaret från den underliggande PCB:n och inte svaret från enskilda komponenter. Det finns tre huvudtyper av svarsprediktionsmetoder: analytiska, detaljerade FE-modeller och förenklade FE-modeller, som beskrivs nedan. Dessa metoder fokuserar på att införliva styvheten och masseffekterna av tillsatta komponenter, men det är viktigt att inte glömma vikten av att noggrant modellera rotationsstyvheten vid kanten av PCB eftersom detta är nära relaterat till modellnoggrannhet (detta diskuteras i Avsnitt 8.1.4). Fikon. 1. Exempel på en detaljerad modell av ett kretskort [53].

8.1.1. Analytisk svarsförutsägelse

Steinberg [62] tillhandahåller den enda analytiska metoden för att beräkna vibrationsresponsen för ett tryckt kretskort. Steinberg konstaterar att svängningsamplituden vid resonans för en elektronisk enhet är lika med två gånger kvadratroten av resonansfrekvensen; detta uttalande är baserat på otillgänglig data och kan inte verifieras. Detta gör att den dynamiska avböjningen vid resonans kan beräknas analytiskt, som sedan kan användas för att beräkna antingen den dynamiska belastningen från en tung komponent eller krökningen på det tryckta kretskortet. Denna metod ger inte direkt lokal PCB-respons och är endast kompatibel med de avböjningsbaserade felkriterierna som beskrivs av Steinberg.

Giltigheten av antagandet om överföringsfunktionsfördelning baserat på amplitudmätningar är tveksam eftersom Pitarresi et al [53] mätte en kritisk dämpning på 2% för ett datormoderkort, medan Steinbergs antagande skulle ge 3,5% (baserat på egenfrekvensen 54) Hz), vilket skulle leda till en stor underskattning av styrelsens reaktion på vibrationer.

8.1.2. Detaljerade FE-modeller

Vissa författare demonstrerar användningen av detaljerade FE-modeller för att beräkna vibrationsresponsen för ett tryckt kretskort [30,37,53, 57,58] (Figur 1-3 visar exempel med en ökad detaljnivå), men användningen av dessa metoder rekommenderas inte för en kommersiell produkt (såvida inte enbart exakt förutsägelse av det lokala svaret inte är absolut nödvändigt) eftersom tiden som krävs för att bygga och lösa en sådan modell är överdriven lång. Förenklade modeller producerar data med lämplig noggrannhet mycket snabbare och till lägre kostnad. Den tid som krävs för att bygga och lösa en detaljerad FE-modell kan minskas genom att använda JEDEC 4-fjäderkonstanter publicerade i [33-35], dessa fjäderkonstanter kan användas istället för den detaljerade FE-modellen för varje tråd. Dessutom kan substrukturmetoden (ibland känd som superelementmetoden) implementeras för att minska beräkningstiden som krävs för att lösa detaljerade modeller. Det bör noteras att detaljerade FE-modeller ofta suddar ut gränserna mellan svarsförutsägelse och felkriterier, så det arbete som refereras här kan också falla under listan över arbeten som innehåller felkriterier.

8.1.3. Distribuerade FE-modeller

Förenklade FE-modeller minskar modellskapandet och lösningstiden. Den tillsatta komponentmassan och dess styvhet kan representeras genom att helt enkelt simulera ett tomt PCB med ökad massa och styvhet, där effekterna av massa och styvhet inkorporeras genom att lokalt öka PCB:s Youngs modul.

Fikon. 2. Exempel på en detaljerad modell av en QFP-komponent som använder symmetri för att förenkla modelleringsprocessen och minska lösningstiden [36]. Fikon. 3. Exempel på en detaljerad FE-modell av J-lead [6].

Styvhetsförstärkningsfaktorn kan beräknas genom att fysiskt skära ut den fästa delen och tillämpa böjningstestmetoder [52]. Pitarresi et al. [52,54] undersökte förenklingseffekten av ökad massa och styvhet som tillhandahålls av komponenter fästa på ett kretskort.

Den första artikeln undersöker ett enstaka fall av en förenklad FE-modell av ett tryckt kretskort, verifierad mot experimentella data. Det huvudsakliga intresseområdet för detta dokument är bestämningen av fördelade egenskaper, med förbehållet att hög noggrannhet av vridstyvhet krävs för en korrekt modell.

Den andra artikeln tittar på fem olika fyllda PCB, var och en modellerad med flera olika nivåer av förenkling av dess sammansättning. Dessa modeller jämförs med experimentella data. Den här artikeln avslutas med några lärorika observationer av korrelationen mellan mass-styvhetsförhållanden och modellnoggrannhet. Båda dessa artiklar använder endast naturliga frekvenser och MECs (modal assurance criteria) för att fastställa korrelationen mellan de två modellerna. Tyvärr kan felet i egenfrekvensen inte ge någon information om felet i lokala accelerationer eller böjmoment och MKO kan bara ge den övergripande korrelationen mellan två naturliga lägen, men kan inte användas för att beräkna det procentuella felet av acceleration eller krökning. Genom att använda en kombination av numerisk analys och datorsimulering gör Cifuentes [10] följande fyra observationer.

1. Simulerade lägen måste innehålla minst 90 % vibrerande massa för noggrann analys.
2. I de fall skivans avvikelser är jämförbara med dess tjocklek kan icke-linjär analys vara lämpligare än linjär analys.
3. Små fel i komponentplacering kan orsaka stora fel i svarsmätningar.
4. Svarsmätnoggrannheten är mer känslig för fel i massa än styvhet.

8.1.4. Gränsförhållanden

PCB-kantrotationsstyvhetskoefficienten har en betydande inverkan på noggrannheten hos den beräknade responsen [59], och beroende på den specifika konfigurationen är den av mycket större betydelse än den adderade komponentmassan och styvheten. Att modellera rotationskantstyvheten som noll (i huvudsak bara ett tillstånd som stöds) ger vanligtvis konservativa resultat, medan modellering som hårt fastspänd vanligtvis underskattar resultaten, eftersom även de styvare PCB-klämmekanismerna inte kan säkerställa ett helt fastspänt kanttillstånd. Barker och Chen [5] validerar den analytiska teorin med experimentella resultat för att visa hur kantrotationsstyvhet påverkar den naturliga frekvensen hos ett PCB. Huvudfynden av detta arbete är den starka korrelationen mellan kantrotationsstyvhet och naturliga frekvenser, i överensstämmelse med teorin. Detta betyder också att stora fel i modelleringen av eggrotationsstyvhet kommer att leda till stora fel i svarsprediktionen. Även om detta arbete övervägdes i ett särskilt fall, är det tillämpligt på modellering av alla typer av gränsvillkorsmekanismer. Med hjälp av experimentella data från Lim et al. [41] ger ett exempel på hur kantrotationsstyvheten kan beräknas för att använda FE i en PCB-modell; detta uppnås med en metod anpassad från Barker och Chen [5]. Detta arbete visar också hur man bestämmer den optimala platsen för en punkt i en struktur för att maximera naturliga frekvenser. Verk som specifikt tar hänsyn till effekten av att modifiera randvillkor för att minska vibrationsresponsen finns också av Guo och Zhao [21]; Aglietti [2]; Aglietti och Schwingshackl [3], Lim et al. [41].

8.1.5. Förutsägelser om stötar och vibrationer

Pitarresi et al. [53-55] använder en detaljerad FE-modell av ett PCB för att förutsäga stöt- och vibrationsresponsen hos ett kort med komponenter representerade som 3D-block. Dessa modeller använde experimentellt bestämda konstanta dämpningsförhållanden för att förbättra förutsägelsen av respons vid resonans. Impact Response Spectrum (SRS) och tidssvepande metoder jämfördes för effektresponsförutsägelse, där båda metoderna var en avvägning mellan noggrannhet och lösningstid.

8.2. Avslagskriterier

Felkriterier tar ett mått på PCB:s svar och använder det för att härleda ett felmått, där felmåttet kan vara medeltid mellan fel (MTBF), cykler till fel, sannolikhet för felfri drift eller något annat tillförlitlighetsmått (se IEEE [26], Jensen[28] 47], O'Connor [XNUMX] för en diskussion om felmätningar). De många olika metoderna för att generera denna data kan bekvämt delas in i analytiska och empiriska metoder. Empiriska metoder genererar felkriteriedata genom att ladda testexemplar av komponenter till den erforderliga dynamiska belastningen. Tyvärr, på grund av det breda utbudet av indata (komponenttyper, PCB-tjocklekar och belastningar) som är möjliga i praktiken, är det osannolikt att publicerade data är direkt tillämpliga eftersom uppgifterna endast är giltiga i mycket speciella fall. Analytiska metoder lider inte av sådana nackdelar och har mycket bredare tillämpbarhet.

8.2.1. Empiriska misslyckandekriterier

Som nämnts tidigare är en begränsning för de flesta empiriska modeller att de endast är tillämpliga på konfigurationer som involverar samma PCB-tjocklek, liknande komponenttyper och ingångsbelastning, vilket är osannolikt. Den tillgängliga litteraturen är dock användbar av följande skäl: den ger goda exempel på att utföra feltester, lyfter fram olika alternativ för felmätningar och ger värdefull information om felmekaniken. Li [37] skapade en empirisk modell för att förutsäga tillförlitligheten hos 272-stifts BGA- och 160-stifts QFP-paket. Utmattningsskador i ledarna och i paketkroppen undersöks och de experimentella resultaten överensstämmer väl med spänningsbaserad skadeanalys beräknad med hjälp av en detaljerad FE-modell (se även Li och Poglitsch [38,39]). Processen producerar kumulativ skada för en given nivå av vibrationsacceleration av vibrationsingångssignalen.
Lau et al [36] bedömde tillförlitligheten hos specifika komponenter under stöt- och vibrationsbelastning med hjälp av Weibull-statistik. Liguore och Followell [40] undersökte fel i LLCC- och J-lead-komponenter genom att variera den lokala accelerationen över servicecykler. Lokal acceleration används i motsats till chassiingångsacceleration, och temperaturens inverkan på testresultaten undersöktes. Artikeln hänvisar också till forskning om effekten av PCB-tjocklek på komponenternas tillförlitlighet.

Guo och Zhao [21] jämför komponenters tillförlitlighet när lokal torsionskurvatur används som belastning, i motsats till tidigare studier som använt acceleration. Utmattningsskador simuleras, sedan jämförs FE-modellen med experimentella resultat. Artikeln diskuterar också optimering av komponentlayout för att förbättra tillförlitligheten.

Ham och Lee [22] presenterar en testdatametod för problemet med att bestämma blylödspänningar under cyklisk vridningsbelastning. Estes et al [15] övervägde felproblemet hos måsvingekomponenter (GOST IEC 61188-5-5-2013) med applicerad ingångsacceleration och termisk belastning. Komponenterna som studeras är chippakettyperna CQFP 352, 208, 196, 84 och 28, samt FP 42 och 10. Artikeln ägnas åt fel på elektroniska komponenter på grund av fluktuationer i en geostationär jordsatellits omloppsbana, tiden mellan fel anges i termer av år av flygning på geostationära eller låga jordbanor. Det noteras att fel på måsvingetrådar är mer sannolikt på platser i kontakt med paketkroppen än vid lödfogen.

Jih och Jung [30] överväger utrustningsfel orsakade av inneboende tillverkningsfel i lödfogen. Detta görs genom att skapa en mycket detaljerad FE-modell av kretskortet och hitta effektspektraldensiteten (PSD) för olika tillverkningsspricklängder. Ligyore, Followell [40] och Shetty, Reinikainen [58] föreslår att empiriska metoder ger de mest exakta och användbara feldata för specifika anslutna komponentkonfigurationer. Den här typen av metoder används om vissa indata (korttjocklek, komponenttyp, krökningsområde) kan hållas konstant genom hela konstruktionen, eller om användaren har råd att utföra riktiga tester av detta slag.

8.2.2. Kriterium för analytiskt misslyckande

SMT-modeller av hörnfogar

Olika forskare som tittar på SMT-hörnstiftsfel tyder på att detta är den vanligaste orsaken till fel. Tidningarna av Sidharth och Barker [59] kompletterar en tidigare serie artiklar genom att presentera en modell för att bestämma töjningen av SMT-hörnledningar och ögleledningskomponenter. Den föreslagna modellen har ett fel på mindre än 7 % jämfört med den detaljerade FE-modellen för sex värsta scenarier. Modellen är baserad på en formel som tidigare publicerats av Barker och Sidharth [4], där avböjningen av en fäst del utsatt för ett böjmoment modellerades. Uppsatsen av Sukhir [63] undersöker analytiskt de spänningar som förväntas i paketterminaler på grund av lokalt applicerade böjmoment. Barker och Sidharth [4] bygger på arbetet av Sukhir [63], Barker et al [4], som överväger inverkan av ledande rotationsstyvhet. Slutligen använde Barker et al [7] detaljerade FE-modeller för att studera effekten av dimensionsvariationer i bly på blyutmattningslivslängden.

Det är lämpligt att här nämna arbetet med JEDEC blyfjäderkonstanter, vilket avsevärt förenklade skapandet av modeller av blykomponenter [33-35]. Fjäderkonstanter kan användas istället för en detaljerad modell av ledningsanslutningar, tiden som krävs för att bygga och lösa FE-modellen kommer att reduceras i modellen. Användningen av sådana konstanter i komponent-FE-modellen kommer att förhindra direkt beräkning av lokala blyspänningar. Istället kommer den övergripande blytöjningen att anges, som sedan bör relateras till antingen lokala blyspänningar eller blybrottskriterier baserat på produktens livscykel.

Materialutmattningsdata

De flesta data om fel på material som används för lödningar och komponenter är i första hand relaterade till termiska fel, och relativt lite data finns relaterad till utmattningsfel. En viktig referens inom detta område tillhandahålls av Sandor [56], som tillhandahåller data om mekaniken för utmattning och fel hos lödlegeringar. Steinberg [62] överväger misslyckandet med lödprover. Utmattningsdata för standardlödningar och trådar finns tillgängliga i Yamadas papper [69].

Fikon. 4. Den vanliga felpositionen från manualen för QFP-komponenter är nära paketkroppen.

Modelleringsfel i samband med lödavbindning är utmanande på grund av de ovanliga egenskaperna hos detta material. Lösningen på denna fråga beror på vilken komponent som behöver testas. Det är känt att för QFP-paket detta vanligtvis inte tas med i beräkningen, och tillförlitligheten bedöms med hjälp av referenslitteratur. Men om lödningen av stora BGA- och PGA-komponenter beräknas, kan ledningsanslutningar, på grund av deras ovanliga egenskaper, påverka produktens fel. För QFP-paket är således blyutmattningsegenskaper den mest användbara informationen. För BGA är information om hållbarheten hos lödfogar som utsätts för momentan plastisk deformation mer användbar [14]. För större komponenter tillhandahåller Steinberg [62] spänningsdata för lödfogsutdrag.

Modeller med kraftiga komponenter

De enda felmodeller som finns för tunga komponenter presenteras i en artikel av Steinberg [62], som undersöker komponenternas draghållfasthet och ger ett exempel på hur man beräknar den maximala tillåtna spänningen som kan appliceras på en ledningsförbindelse.

8.3. Slutsatser om tillämpligheten av PoF-modeller

Följande slutsatser har gjorts i litteraturen angående PoF-metoder.

Lokal respons är avgörande för att förutsäga komponentfel. Som noterats i Li, Poglitsch [38], är komponenter vid kanterna av ett PCB mindre känsliga för fel än de som finns i mitten av PCB på grund av lokala skillnader i böjning. Följaktligen kommer komponenter på olika platser på kretskortet att ha olika sannolikheter för fel.

Lokal kortkrökning anses vara ett viktigare felkriterium än acceleration för SMT-komponenter. Nya arbeten [38,57,62,67] indikerar att kortets krökning är det huvudsakliga felkriteriet.

Olika typer av paket, både vad gäller antalet stift och vilken typ som används, är i sig mer tillförlitliga än andra, oavsett den specifika lokala miljön [15,36,38].
Temperaturen kan påverka komponenternas tillförlitlighet. Liguore och Followell [40] uppger att utmattningslivslängden är högst i temperaturområdet från 0 ◦C till 65 ◦C, med en märkbar minskning vid temperaturer under -30 ◦C och över 95 ◦C. För QFP-komponenter anses platsen där tråden fäster på paketet (se fig. 4) vara den primära felplatsen snarare än lödfogen [15,22,38].

Skivtjockleken har en definitiv inverkan på utmattningslivslängden för SMT-komponenter, eftersom BGA-utmattningslivslängden har visat sig minska med cirka 30-50 gånger om skivans tjocklek ökas från 0,85 mm till 1,6 mm (med bibehållen konstant total krökning) [13] . Flexibiliteten (kompatibiliteten) hos komponentledningar påverkar avsevärt tillförlitligheten hos perifera ledningskomponenter [63], men detta är ett icke-linjärt samband, och mellananslutningsledningar är minst tillförlitliga.

8.4. Mjukvarumetoder

Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE) vid University of Maryland tillhandahåller programvara för att beräkna vibrations- och stötresponsen hos kretskort. Programvaran (som heter CALCE PWA) har ett användargränssnitt som förenklar processen med att köra FE-modellen och automatiskt matar in responsberäkningen i vibrationsmodellen. Det finns inga antaganden som används för att skapa FE-svarsmodellen, och de felkriterier som används är hämtade från Steinberg [61] (även om Barkers metod [48] också förväntas implementeras). För att ge allmänna rekommendationer för att förbättra utrustningens tillförlitlighet, fungerar den beskrivna mjukvaran bra, särskilt eftersom den samtidigt tar hänsyn till termiskt inducerade spänningar och kräver minimal specialiserad kunskap, men noggrannheten av felkriterierna i modellerna har inte verifierats experimentellt.

9. Metoder för att öka utrustningens tillförlitlighet

Det här avsnittet kommer att diskutera modifieringar efter projektet som förbättrar tillförlitligheten hos elektronisk utrustning. De delas in i två kategorier: de som ändrar gränsvillkoren för PCB och de som ökar dämpningen.

Huvudsyftet med gränstillståndsmodifieringar är att minska den dynamiska avböjningen av det tryckta kretskortet, detta kan uppnås genom förstyvning av ribbor, ytterligare stöd eller reducering av vibration hos inmatningsmediet. Förstyvningar kan vara användbara eftersom de ökar naturliga frekvenser, och därigenom minskar dynamisk avböjning [62], detsamma gäller för att lägga till ytterligare stöd [3], även om placeringen av stöd också kan optimeras, som visas i verk av J. H. Ong och Lim [ 40]. Tyvärr kräver ribbor och stöd vanligtvis en omdesign av layouten, så dessa tekniker övervägs bäst tidigt i designcykeln. Dessutom bör man se till att modifieringar inte ändrar de naturliga frekvenserna för att matcha den bärande strukturens naturliga frekvenser, eftersom detta skulle vara kontraproduktivt.

Att lägga till isolering förbättrar produktens tillförlitlighet genom att minska påverkan från den dynamiska miljön som överförs till utrustningen och kan uppnås antingen passivt eller aktivt.
Passiva metoder är vanligtvis enkla och billigare att implementera, såsom användningen av kabelisolatorer [66] eller användningen av pseudoelastiska egenskaper hos formminneslegeringar (SMA) [32]. Det är dock känt att dåligt designade isolatorer faktiskt kan öka responsen.
Aktiva metoder ger bättre dämpning över ett bredare frekvensområde, vanligtvis på bekostnad av enkelhet och massa, så de är vanligtvis avsedda att förbättra noggrannheten hos mycket känsliga precisionsinstrument snarare än att förhindra skador. Aktiv vibrationsisolering inkluderar elektromagnetiska [60] och piezoelektriska metoder [18,43]. Till skillnad från metoder för modifiering av gränstillstånd, syftar dämpningsmodifiering till att minska den maximala resonansresponsen hos elektronisk utrustning, medan de faktiska naturliga frekvenserna endast bör ändras något.

Liksom med vibrationsisolering kan dämpning uppnås antingen passivt eller aktivt, med liknande designförenklingar i det förra och större komplexitet och dämpning i det senare.

Passiva metoder inkluderar till exempel mycket enkla metoder som att binda material, vilket ökar dämpningen av kretskortet [62]. Mer sofistikerade metoder inkluderar partikeldämpning [68] och användning av bredbandsdynamiska absorbatorer [25].

Aktiv vibrationskontroll uppnås vanligtvis genom användning av piezokeramiska element som är bundna till ytan på det tryckta kretskortet [1,45]. Användningen av härdningsmetoder är fallspecifik och måste noga övervägas i förhållande till andra metoder. Att tillämpa dessa tekniker på utrustning som inte är känd för att ha tillförlitlighetsproblem kommer inte nödvändigtvis att öka kostnaden och vikten för designen. Men om en produkt med en godkänd design misslyckas under testning kan det vara mycket snabbare och lättare att tillämpa en strukturell härdningsteknik än att designa om utrustningen.

10. Möjligheter att utveckla metoder

Det här avsnittet beskriver möjligheter för att förbättra tillförlitlighetsförutsägelsen av elektronisk utrustning, även om de senaste framstegen inom optoelektronik, nanoteknik och förpackningsteknik snart kan begränsa tillämpligheten av dessa förslag. De fyra huvudsakliga metoderna för förutsägelse av tillförlitlighet kanske inte används vid tidpunkten för enhetens design. Den enda faktorn som skulle kunna göra sådana metoder mer attraktiva skulle vara utvecklingen av helt automatiserade, billiga tillverknings- och testtekniker, eftersom detta skulle göra det möjligt att bygga och testa den föreslagna designen mycket snabbare än vad som för närvarande är möjligt, med minimal mänsklig ansträngning.

PoF-metoden har mycket utrymme för förbättringar. Det huvudsakliga området där det kan förbättras är integrationen med den övergripande designprocessen. Elektronisk utrustningsdesign är en iterativ process som för utvecklaren närmare det färdiga resultatet endast i samarbete med ingenjörer som är specialiserade inom området elektronik, tillverkning och värmeteknik samt strukturell design. En metod som automatiskt tar itu med vissa av dessa problem samtidigt kommer att minska antalet designiterationer och spara betydande mängder tid, särskilt när man överväger mängden kommunikation mellan avdelningarna. Andra förbättringsområden för PoF-metoder kommer att delas in i typer av svarsprediktion och felkriterier.

Svarsförutsägelse har två möjliga vägar framåt: antingen snabbare, mer detaljerade modeller eller förbättrade, förenklade modeller. Med tillkomsten av allt kraftfullare datorprocessorer kan lösningstiden för detaljerade FE-modeller bli ganska kort, samtidigt som man, tack vare modern mjukvara, minskar produktmonteringstiden, vilket i slutändan minimerar kostnaden för personalresurser. Förenklade FE-metoder kan också förbättras genom en process för automatisk generering av FE-modeller, liknande de som föreslås för detaljerade FE-metoder. Automatisk programvara (CALCE PWA) är för närvarande tillgänglig för detta ändamål, men tekniken är inte väl beprövad i praktiken och de modelleringsantaganden som gjorts är okända.

Beräkning av osäkerheten i olika förenklingsmetoder skulle vara mycket användbar, vilket gör det möjligt att implementera användbara feltoleranskriterier.

Slutligen skulle en databas eller metod för att ge ökad styvhet till bifogade komponenter vara användbar, där dessa styvhetsökningar skulle kunna användas för att förbättra noggrannheten hos svarsmodeller. Skapandet av komponentfelskriterier är beroende av den lilla variationen mellan liknande komponenter från olika tillverkare, såväl som möjlig utveckling av nya förpackningstyper, eftersom varje metod eller databas för att fastställa felkriterier måste ta hänsyn till sådana variationer och förändringar.

En lösning skulle vara att skapa en metod/mjukvara för att automatiskt bygga detaljerade FE-modeller baserade på ingångsparametrar som bly och förpackningsdimensioner. Denna metod kan vara användbar för generellt enhetligt formade komponenter såsom SMT- eller DIP-komponenter, men inte för komplexa oregelbundna komponenter såsom transformatorer, chokes eller specialanpassade komponenter.

Efterföljande FE-modeller kan lösas för spänningar och kombineras med materialbrottsdata (S-N plasticitetskurvdata, brottmekanik eller liknande) för att beräkna komponentlivslängd, även om materialbrottsdata måste vara av hög kvalitet. FE-processen bör korreleras med verkliga testdata, helst över ett så brett spektrum av konfigurationer som möjligt.

Ansträngningen i en sådan process är relativt liten jämfört med alternativet med direkt laboratorietestning, som måste utföra ett statistiskt signifikant antal tester över varierande PCB-tjocklekar, varierande belastningsintensiteter och belastningsriktningar, även med hundratals olika komponenttyper tillgängliga för flera typer av brädor. När det gäller enkel laboratorietestning kan det finnas en metod för att förbättra värdet av varje test.

Om det fanns en metod för att beräkna den relativa spänningsökningen på grund av förändringar i vissa variabler, såsom PCB-tjocklek eller blydimensioner, skulle förändringen i komponentlivslängd kunna uppskattas i efterhand. En sådan metod kan skapas med hjälp av FE-analys eller analytiska metoder, vilket i slutändan leder till en enkel formel för att beräkna felkriterier från befintliga feldata.

I slutändan förväntas det skapas en metod som kombinerar alla de olika verktyg som finns: FE-analys, testdata, analytisk analys och statistiska metoder för att skapa så exakta feldata som möjligt med de begränsade resurser som finns tillgängliga. Alla individuella delar av PoF-metoden kan förbättras genom att introducera stokastiska metoder i processen för att ta hänsyn till effekterna av variationer i elektroniska material och tillverkningsstadier. Detta skulle göra resultaten mer realistiska, kanske leda till en process för att skapa utrustning som är mer robust mot variabilitet och samtidigt minimera produktnedbrytning (inklusive vikt och kostnad).

I slutändan kan sådana förbättringar till och med möjliggöra realtidsbedömning av utrustningens tillförlitlighet under designprocessen, vilket omedelbart föreslår säkrare komponentalternativ, layouter eller andra rekommendationer för att förbättra tillförlitligheten samtidigt som man tar itu med andra frågor som elektromagnetisk störning (EMI), termisk och industriell.

11. slutsats

Denna recension introducerar komplexiteten i att förutsäga tillförlitligheten hos elektronisk utrustning, spåra utvecklingen av fyra typer av analysmetoder (reglerande litteratur, experimentella data, testdata och PoF), vilket leder till en syntes och jämförelse av dessa typer av metoder. Referensmetoder noteras att endast vara användbara för preliminära studier, experimentella datametoder är endast användbara om omfattande och korrekta tidsdata finns tillgängliga, och testdatametoder är avgörande för konstruktionskvalifikationstestning men otillräckliga för optimering.

PoF-metoder diskuteras mer i detalj än i tidigare litteraturöversikter, och forskningen delas in i kategorier av prediktionskriterier och sannolikhet för misslyckande. Avsnittet "Responsprediktion" granskar litteraturen om distribuerade egenskaper, randvillkorsmodellering och detaljnivåer i FE-modeller. Valet av svarsprediktionsmetod har visat sig vara en avvägning mellan noggrannhet och tid för att generera och lösa FE-modellen, vilket återigen betonar vikten av noggrannheten i randvillkoren. Avsnittet "Fejlkriterier" diskuterar empiriska och analytiska felkriterier; för SMT-teknik tillhandahålls genomgångar av modeller och tunga komponenter.
Empiriska metoder är bara tillämpliga på mycket specifika fall, även om de ger goda exempel på metoder för tillförlitlighetstestning, medan analytiska metoder har ett mycket bredare spektrum av tillämpbarhet men är mer komplexa att implementera. En kort diskussion om befintliga felanalysmetoder baserade på specialiserad programvara tillhandahålls. Slutligen ges implikationer för framtiden för tillförlitlighetsprediktion, med tanke på riktningar i vilka metoder för tillförlitlighetsprediktion kan utvecklas.

Litteratur[1] G.S. Aglietti, R.S. Langley, E. Rogers och S.B. Gabriel, En effektiv modell av en utrustningsladdad panel för aktiva kontrolldesignstudier, The Journal of the Acoustical Society of America 108 (2000), 1663–1673.
[2]G.S. Aglietti, En lättare kapsling för elektronik för rymdtillämpningar, Proceedings of Institute of Mechanical Engineers 216 (2002), 131–142.
[3] G.S. Aglietti och C. Schwingshackl, Analys av kapslingar och antivibrationsanordningar för elektronisk utrustning för rymdtillämpningar, Proceedings of the 6th International Conference on Dynamics and Control of Spacecraft Structures in Space, Riomaggiore, Italien, (2004).
[4] D.B. Barker och Y. Chen, Modeling the vibration restraints of wedge lock card guides, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 189–194.
[5] D.B. Barker, Y. Chen och A. Dasgupta, Estimating the vibration utmattningslivslängd för fyrkantiga ytmonterade komponenter, ASME Journal of Electronic Packaging 115(2) (1993), 195–200.
[6] D.B. Barker, A. Dasgupta och M. Pecht, PWB lödfogs livslängdsberäkningar under termisk och vibrationsbelastning, årligt symposium om tillförlitlighet och underhåll, 1991 Proceedings (kat. nr. 91CH2966-0), 451–459.
[7] D.B. Barker, I. Sharif, A. Dasgupta och M. Pecht, Effekten av SMC-blydimensionella variationer på blyöverensstämmelse och lödledsutmattning, ASME Journal of Electronic Packaging 114(2) (1992), 177–184.
[8] D.B. Barker och K. Sidharth, Lokal PWB och komponentböjning av en sammansättning utsatt för ett böjningsmoment, American Society of Mechanical Engineers (Paper) (1993), 1–7.
[9] J. Bowles, A survey of reliability-prediction procedures for microelectronic devices, IEEE Transactions on Reliability 41(1) (1992), 2–12.
[10] A.O. Cifuentes, Uppskattning av det dynamiska beteendet hos tryckta kretskort, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology Del B: Advanced Packaging 17(1) (1994), 69–75.
[11] L. Condra, C. Bosco, R. Deppe, L. Gullo, J. Treacy och C. Wilkinson, Reliability assessment of aerospace electronic equipment, Quality and Reliability Engineering International 15(4) (1999), 253–260 .
[12] M.J. Cushing, D.E. Mortin, T.J. Stadterman och A. Malhotra, Comparison of electronics-reliability assessment approaches, IEEE Transactions on Reliability 42(4) (1993), 542–546.
[13] R. Darveaux och A. Syed, Reliability of area array solder joints in bending, SMTA International Proceedings of the Technical Program (2000), 313–324.
[14] N.F. Enke, T.J. Kilinski, S.A. Schroeder och J.R. Lesniak, Mechanical behaviors of 60/40 tenn-lead solder lap joints, Proceedings – Electronic Components Conference 12 (1989), 264–272.
[15] T. Estes, W. Wong, W. McMullen, T. Berger och Y. Saito, Reliability of klass 2 hälfiléer på måsvingars blyförsedda komponenter. Aerospace Conference, Proceedings 6 (2003), 6-2517–6 C2525
[16] FIDES, FIDES Guide 2004 nummer A Reliability Methodology for Electronic Systems. FIDES Group, 2004.
[17] B. Foucher, D. Das, J. Boullie och B. Meslet, A review of reliability prediction methods for electronic devices, Microelectronics Reliability 42(8) (2002), 1155–1162.
[18] J. Garcia-Bonito, M. Brennan, S. Elliott, A. David och R. Pinnington, Ett nytt piezoelektriskt ställdon med hög deplacement för aktiv vibrationskontroll, 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 och E. Vergnault, A methodology to bedöma och välja en lämplig metod för tillförlitlighetsprediktion för eee-komponenter i rymdtillämpningar, European Space Agency, (Special Publication) ESA SP (507) (2002), 73–80.
[20] L. Gullo, Tillförlitlighetsbedömning under drift och uppifrån och ner-metod ger alternativa metoder för tillförlitlighetsprediktion. Årlig tillförlitlighet och underhåll, symposiumförhandlingar (kat. nr. 99CH36283), 1999, 365–377.
[21] Q. Guo och M. Zhao, Fatigue of SMT-lodfog inklusive torsionskrökning och optimering av chipplacering, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 26(7–8) (2005), 887–895.
[22] S.-J. Ham och S.-B. Lee, Experimentell studie för tillförlitlighet av elektronisk förpackning under vibration, Experimental Mechanics 36(4) (1996), 339–344.
[23] D. Hart, Utmattningstestning av en komponentledning i ett pläterat genomgående hål, IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference (1988), 1154–1158.
[24] T.Y. Hin, K.S. Beh och K. Seetharamu, Utveckling av ett dynamiskt testkort för FCBGA lödfogs tillförlitlighetsbedömning vid stötar och vibrationer. Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003), 2003, 256–262.58
[25] V. Ho, A. Veprik och V. Babitsky, Ruggedizing printed circuit boards using a wideband dynamic absorber, Shock and Vibration 10(3) (2003), 195–210.
[26] IEEE, IEEE guide för att välja och använda tillförlitlighetsprognoser baserade på ieee 1413, 2003, v+90 C.
[27] T. Jackson, S. Harbater, J. Sketoe och T. Kinney, Development of standard formats for space systems reliability models, Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2003 Proceedings (Cat. No. 03CH37415), 269–276.
[28] F. Jensen, Electronic Component Reliability, Wiley, 1995.
[29] J.H. Ong och G. Lim, En enkel teknik för att maximera den grundläggande frekvensen av strukturer, ASME Journal of Electronic Packaging 122 (2000), 341–349.
[30] E. Jih och W. Jung, Vibrationströtthet hos ytmonterade lödfogar. Ithermfl98. Sjätte intersocietykonferensen om termiska och termomekaniska fenomen i elektroniska system (kat. nr. 98CH36208), 1998, 246–250.
[31] B. Johnson och L. Gullo, Improvements in reliability assessment and prediction methodology. Årligt symposium om pålitlighet och underhåll. 2000 förfaranden. Internationellt symposium om produktkvalitet och integritet (kat. nr. 00CH37055), 2000, -:181–187.
[32] M. Khan, D. Lagoudas, J. Mayes och B. Henderson, Pseudoelastic SMA fjäderelement för passiv vibrationsisolering: del i modellering, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 15(6) (2004), 415–441 .
[33] R. Kotlowitz, Comparative compliance of representative lead designs for ytmonterade komponenter, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(4) (1989), 431–448.
[34] R. Kotlowitz, Överensstämmelsemått för ytmonterad komponentledningsdesign. 1990 Procedurer. 40:e Electronic Components and Technology Conference (kat. nr. 90CH2893-6), 1990, 1054–1063.
[35] R. Kotlowitz och L. Taylor, Överensstämmelsemått för lutande måsvinge, spider j-böj och spindelmåsvingar för ytmonterade komponenter. 1991 Procedurer. 41:a Electronic Components and Technology Conference (kat. nr. 91CH2989-2), 1991, 299–312.
[36] J. Lau, L. Powers-Maloney, J. Baker, D. Rice och B. Shaw, Lödfogspålitlighet för ytmonteringsteknologier med fin stigning, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 13(3) (1990), 534-544.
[37] R. Li, En metod för utmattningsförutsägelse av elektroniska komponenter under slumpmässig vibrationsbelastning, ASME Journal of Electronic Packaging 123(4) (2001), 394–400.
[38] R. Li och L. Poglitsch, Fatigue of plastic ball grid array and plastic quad flat packages under automotive vibration. SMTA International, Proceedings of the Technical Program (2001), 324–329.
[39] R. Li och L. Poglitsch, Vibrationströtthet, felmekanism och tillförlitlighet hos plastkula och platta paket i plast.
[40] Proceedings 2001 HD International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging (SPIE Vol. 4428), 2001, 223–228.
[41] S. Liguore och D. Followell, Vibrationsutmattning av ytmonteringsteknik (smt) lödfogar. Årligt pålitlighets- och underhållssymposium 1995 Proceedings (Cat. No. 95CH35743), 1995, -:18–26.
[42] G. Lim, J. Ong och J. Penny, Effekt av kant- och inre punktstöd av ett tryckt kretskort under vibration, ASME Journal of Electronic Packaging 121(2) (1999), 122–126.
[43] P. Luthra, Mil-hdbk-217: Vad är det för fel med det? IEEE Transactions on Reliability 39(5) (1990), 518.
[44] J. Marouze och L. Cheng, En genomförbarhetsstudie av aktiv vibrationsisolering med användning av åskmanöverdon, Smart Materials and Structures 11(6) (2002), 854–862.
[45] MIL-HDBK-217F. Tillförlitlighetsförutsägelse av elektronisk utrustning. US Department of Defense, F-upplagan, 1995.
[46] S.R. Moheimani, En undersökning av de senaste innovationerna inom vibrationsdämpning och kontroll med shuntade piezoelektriska givare, IEEE Transactions on Control Systems Technology 11(4) (2003), 482–494.
[47] S. Morris och J. Reilly, Mil-hdbk-217-ett favoritmål. Årligt symposium om pålitlighet och underhåll. 1993 Proceedings (Cat. No. 93CH3257-3), (1993), 503–509.
P. O'Connor, Praktisk tillförlitlighetsteknik. Wiley, 1997.
[48] ​​M. Osterman och T. Stadterman, Programvara för felbedömning för kretskortssammansättningar. Årlig tillförlitlighet och underhåll. Symposium. 1999 Proceedings (Cat. No. 99CH36283), 1999, 269–276.
[49] M. Pecht och A. Dasgupta, Physics-of-failure: an approach to betrouwbaar produktutveckling, IEEE 1995 International Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 95TH8086), (1999), 1–4.
[50] M. Pecht och W.-C. Kang, A critique of mil-hdbk-217e reliability prediction methods, IEEE Transactions on Reliability 37(5) (1988), 453–457.
[51] M.G. Pecht och F.R. Nash, Predicting the reliability of electronic equipment, Proceedings of the IEEE 82(7) (1994), 992–1004.
[52] J. Pitarresi, D. Caletka, R. Caldwell och D. Smith, Tekniken med utsmetad egenskap för FE-vibrationsanalys av tryckta kretskort, ASME Journal of Electronic Packaging 113 (1991), 250–257.
[53] J. Pitarresi, P. Geng, W. Beltman och Y. Ling, Dynamisk modellering och mätning av moderkort för persondatorer. 52nd Electronic Components and Technology Conference 2002., (Kat. nr. 02CH37345)(-), 2002, 597–603.
[54] J. Pitarresi och A. Primavera, Jämförelse av vibrationsmodelleringstekniker för tryckta kretskort, ASME Journal of Electronic Packaging 114 (1991), 378–383.
[55] J. Pitarresi, B. Roggeman, S. Chaparala och P. Geng, Mechanical shock testing and modeling of PC motherboards. 2004 Proceedings, 54th Electronic Components and Technology Conference (IEEE Cat. No. 04CH37546) 1 (2004), 1047–1054.
[56] B.I. Sandor, Solder Mechanics – A State of the Art Assessment. Minerals, Metals and Materials Society, 1991.
[57] S. Shetty, V. Lehtinen, A. Dasgupta, V., Halkola och T. Reinikainen, Fatigue of chip scale package interconnects due to cyclic bending, ASME Journal of Electronic Packaging 123(3) (2001), 302– 308.
[58] S. Shetty och T. Reinikainen, Tre- och fyrapunktsböjningstestning för elektroniska paket, ASME Journal of Electronic Packaging 125(4) (2003), 556–561.
[59] K. Sidharth och D.B. Barker, Vibrationsinducerad utmattningslivslängdsuppskattning av hörnledningar av perifera blyförsedda komponenter, ASME Journal of Electronic Packaging 118(4) (1996), 244–249.
[60] J. Spanos, Z. Rahman och G. Blackwood, Soft 6-axis active vibration isolator, Proceedings of the American Control Conference 1 (1995), 412–416.
[61] D. Steinberg, Vibrationsanalys för elektronisk utrustning, John Wiley & Sons, 1991.
[62] D. Steinberg, Vibrationsanalys för elektronisk utrustning, John Wiley & Sons, 2000.
[63] E. Suhir, Kan kompatibla externa ledningar minska styrkan hos en ytmonterad enhet? 1988 Proceedings of the 38th Electronics Components Conference (88CH2600-5), 1988, 1–6.
[64] E. Suhir, Icke-linjär dynamisk respons av ett tryckt kretskort på stötbelastningar som appliceras på dess stödkontur, ASME Journal of Electronic Packaging 114(4) (1992), 368–377.
[65] E. Suhir, Svar av ett flexibelt kretskort på periodiska stötbelastningar som appliceras på dess stödkontur, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 59(2) (1992), 1–7.
[66] A. Veprik, Vibrationsskydd av kritiska komponenter i elektronisk utrustning under tuffa miljöförhållanden, Journal of Sound and Vibration 259(1) (2003), 161–175.
[67] H. Wang, M. Zhao och Q. Guo, Vibrationströtthetsexperiment med SMT lödfog, Microelectronics Reliability 44(7) (2004), 1143–1156.
[68] Z.W. Xu, K. Chan och W. Liao, En empirisk metod för partikeldämpningsdesign, Shock and Vibration 11(5–6) (2004), 647–664.
[69] S. Yamada, A fraktur mechanics approach to soldered joint cracking, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12(1) (1989), 99–104.
[70] W. Zhao och E. Elsayed, Modeling accelerated life testing based on mean rest life, International Journal of Systems Science 36(11) (1995), 689–696.
[71] W. Zhao, A. Mettas, X. Zhao, P. Vassiliou och E.A. Elsayed, Generaliserad stegstress accelererade livsmodell. Proceedings of the 2004 International Conference on the Business of Electronic Product Reliability and Liability, 2004, 19–25.

Källa: will.com