Physik der Fehleranalyse für PCBs und elektronische Baugruppen

Bevor Sie eine Leiterplatte in einem mission-kritischen System, Gerät oder Fahrzeug einsetzen können, müssen Sie deren Zuverlässigkeit und Qualität nachweisen. Auf der Fertigungsseite ist dies einer der Gründe, warum wir umfangreiche Branchentests, Inspektionen und Qualitätsstandards haben, die auf PCB-Montagen und einzelne Komponenten anwendbar sind. Auf der Designseite ist es wichtig, dass Designer eine Risikobewertung für mission-kritische Systeme durchführen, um sicherzustellen, dass ein Design mit der erwarteten Lebensdauer funktioniert, sowie potenzielle Ausfallpunkte in Hochzuverlässigkeitssystemen zu identifizieren.

Der Bereich des Elektronikdesigns und der Analyse, der sich mit diesen Zuverlässigkeitsbedenken befasst, wird als Physik des Ausfalls bezeichnet. Obwohl dieses Studienfeld ursprünglich auf integrierte Schaltkreise angewendet wurde und immer noch in diesem Bereich für Designzwecke verwendet wird, wurde es später auf Elektronikmontagen und zuletzt auf Ausfallmechanismen in Rohmaterialien angewendet. Diese Methoden beginnen mit umfangreichen Tests und Datenanalysen von Prototypen und Testcoupons, sowie einigen grundlegenden Gleichungen, die grobe Schätzungen der Zuverlässigkeit und der Zeit bis zum Ausfall liefern können.

Was ist Physik des Ausfalls?

Physik des Versagens beinhaltet das Verständnis der Beziehungen zwischen den physischen Eigenschaften eines Produkts, wie sie aufgrund von Fertigungsprozessen variieren, und wie sie durch die Betriebsumgebung des Produkts beeinflusst werden. Das Feld bildet die Grundlage vieler Zuverlässigkeitsanalyse-Simulationen und -Berechnungen, von denen einige in Feldlöser-Anwendungen implementiert sind. Das Feld wird manchmal als Zuverlässigkeitsphysik-Analyse bezeichnet. Ein verwandtes Gebiet der Zuverlässigkeitsanalyse und Risikobewertung ist die Worst-Case-Analyse.

Unabhängig davon, wie es genannt wird, bieten einige der grundlegenden Berechnungen im Rahmen der Physik des Versagens mehrere Vorteile, die eine Konstruktion leiten.

• Kritische Ausfallpunkte identifizieren: Die Stelle in einem Design, an der ein Produkt voraussichtlich ausfallen wird, sollte frühzeitig identifiziert werden, und sie sollte nicht auf der Meinung eines Ingenieurs basieren. Wenn ein Ausfallpunkt mit harten Zahlen identifiziert werden kann, eliminiert dies Meinungen und Subjektivität aus einem Design.
• Ausfallzeit vorhersagen: Einige der grundlegenden Berechnungen, die in der Methodik der Physik des Versagens verfügbar sind, werden verwendet, um die durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall unter spezifischen Betriebsbedingungen vorherzusagen. Auch wenn diese nur einen Durchschnitt darstellen, helfen sie, den Einfluss der Umgebung auf die Zuverlässigkeit zu quantifizieren.
• Designentscheidungen rechtfertigen: Ein ernsthafter Ansatz zur Zuverlässigkeit kann dabei helfen, wichtige Designentscheidungen sowohl auf der Schaltungsebene als auch auf der Layoutebene zu rechtfertigen.

Kurz gesagt, die Aufgaben und Analysen, die in der Physik des Versagens involviert sind, helfen zu erklären, was und warum etwas versagt hat. Weitergehend hilft die Anwendung einiger statistischer Analysen und die Entwicklung empirischer Modelle den Designern zu identifizieren, wann ein Versagen unter gegebenen Testbedingungen aufgrund einer Gesamtheit möglicher Versagensmechanismen auftreten könnte. Es ist dieser letztere Bereich, in dem Testingenieure und Zuverlässigkeitsingenieure ihre Zeit verbringen, um sicherzustellen, dass PCBAs so zuverlässig wie möglich sind.

Modelle aus Daten entwickeln

Einige der klassischen Modelle, die in der frühen Literatur zur Physik des Versagens in den 1970er und 1980er Jahren veröffentlicht wurden, basierten auf einer Mischung aus empirischen Modellen und grundlegender Physik. Dies trifft insbesondere auf thermisch induzierte und vibrationsinduzierte Ausfälle zu, zwei Bereiche, die im Feld der Physik des Versagens am umfassendsten untersucht wurden. Zusätzlich zu thermisch induzierten Ausfällen wurden chemisch induzierte Ausfälle untersucht, und es gibt ein empirisches Modell, das feuchtigkeitsbedingte Ausfälle in Drahtbond-/Bondpad-Verbindungen anspricht.

Empirische und simulationsbasierte Methoden

Empirische Methoden konzentrieren sich darauf, Parameter in physikbasierten Modellen zu bestimmen oder ein Modell zu entwickeln, um die Beziehung zwischen zwei gemessenen Variablen zu quantifizieren. Typische Techniken beinhalten univariate oder multivariate Regression mit einem Potenzgesetzmodell, etwas, das einfach genug ist, um in Excel durchgeführt zu werden. In einigen Fällen können Simulationen aufgrund der Komplexität einiger Probleme im Vorfeld verwendet werden.

Thermische und thermomechanische Ausfälle könnten auf zwei Arten gemeinsam bewertet werden. Die grundlegenden Testmethoden umfassen Hochtemperaturtests nach MIL-STD-810G Methode 501.5 oder thermische Zyklustests nach MIL-STD-810G Methode 503.5. Ersteres befasst sich mit thermischen Ausfällen in Festkörpergeräten, während letzteres zur Bewertung von Ausfällen auf Leiterplattenebene durch wiederholte thermische Belastungen verwendet werden kann. Schwerpunkte bei thermischen Zyklustests sind mechanische Ausfälle in Pads, Vias (insbesondere Verbindungen und High-Aspect-Ratio-Vias) und Lötstellen. Aufgrund der Komplexität einer typischen PCBA können vereinfachte Simulationen verwendet werden, aber typischerweise werden Daten aus Tests genommen, um Parameter in einem empirischen Modell zu bestimmen.

Vibrationen und mechanische Ausfallmechanismen sind besonders tückisch, da es keine gute Methode gibt, dies per Hand in einer PCBA zu berechnen. Tests sind notwendig, um durch Vibration verursachte Ermüdung und Ausfälle zu bewerten. Es gibt einen Text, der sich mit diesen Problemen für Elektronik im Allgemeinen beschäftigt und einige empirische Modelle enthält, die verwendet wurden, um durch Vibration verursachte Ausfälle in der Elektronik zu quantifizieren. Sie können diesen Text unten finden:

• D. S. Steinberg, Vibration Analysis For Electronic Equipment, 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., New York (2000).

Bei der Untersuchung von Ausfällen aus einer zufälligen Stichprobe von PBCAs oder Testcoupons können beschleunigte Stress-/Lebensdauertests und die Inspektion ausgefallener Komponenten Testingenieuren helfen, das spezifische Designelement, das versagt hat, sowie den Ausfallmechanismus zu identifizieren. Test- und Simulationsergebnisse wurden in der Vergangenheit verwendet, um auf Thermodynamik basierende Modelle mit empirisch bestimmten Parametern zu entwickeln, die dann verwendet werden, um Ausfallraten zu schätzen, sobald Designelemente in einem neuen Produkt wiederverwendet werden. Durch sukzessive Iteration in komplexen Designs leitet dies den Designprozess an, um kontinuierlich Mängel zu identifizieren und zu eliminieren.

Statistische Methoden

Ein allgemeinerer Ansatz besteht darin, das Auftreten von Ausfällen statistisch zu untersuchen, ohne einen zugrundeliegenden physikalischen Mechanismus anzunehmen, gefolgt von der gezielten Ermittlung der Ursache des Ausfalls durch Inspektion. Nach weiterer Untersuchung wird es möglich, den Hauptmechanismus zu bestimmen, der die Ausfallwahrscheinlichkeit antreibt. Mit ausreichend Daten kann man eine Kurve konstruieren, wie die unten gezeigte; diese Kurve zeigt eine Weibull-Kontinuierliche Verteilungsfunktion (CDF), die die mittlere Zeit bis zum Ausfall für alle Zeiten unter dem Wert auf der x-Achse definiert.

Die Verteilung und ihre Verwendung bei der Vorhersage von Produktversagen sind etwas, das ich für einen anderen Artikel aufheben werde. Wenn Sie Zugang zu einem Programm wie Mathematica oder MATLAB haben, könnten Sie Ihren Datensatz nehmen und das oben beschriebene Anpassungsverfahren selbst durchführen, um die Zuverlässigkeit und die mittlere Zeit bis zum Ausfall zu quantifizieren.

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