Análisis de la Física de Fallos para PCBs y Ensamblajes Electrónicos

Antes de poder colocar un PCB en un sistema, dispositivo o vehículo de misión crítica, es necesario demostrar su fiabilidad y calidad. En el lado de la fabricación, esta es una razón por la que tenemos numerosas pruebas de la industria, inspecciones y estándares de calidad que se aplican a los ensamblajes de PCB y a los componentes individuales. En el lado del diseño, es importante que los diseñadores realicen una evaluación de riesgos para sistemas de misión crítica para asegurar que un diseño funcionará con la vida útil esperada, así como para identificar posibles puntos de fallo en sistemas de alta fiabilidad.

El área del diseño y análisis electrónico que aborda estas preocupaciones de fiabilidad se llama Física del Fallo. Aunque originalmente el campo de estudio se aplicó a circuitos integrados y todavía se utiliza en esta área para fines de diseño, más tarde se aplicó a ensamblajes electrónicos y, más recientemente, a mecanismos de fallo en materiales brutos. Estos métodos comienzan con pruebas extensivas y análisis de datos de prototipos y cupones de prueba, así como algunas ecuaciones básicas que pueden dar algunas estimaciones aproximadas de la fiabilidad y el tiempo hasta el fallo.

¿Qué es la Física del Fallo?

La Física del Fallo implica comprender las relaciones entre las características físicas de un producto, cómo varían debido a los procesos de fabricación y cómo son afectadas por el entorno operativo del producto. El campo forma la base de muchas simulaciones y cálculos de análisis de fiabilidad, algunos de los cuales se implementan en aplicaciones de solucionadores de campo. A veces, el campo se denomina Análisis de Física de la Fiabilidad. Un campo relacionado de análisis de fiabilidad y evaluación de riesgos es el análisis de peor caso.

No importa cómo lo llames, algunos de los cálculos básicos involucrados en la Física del Fallo proporcionan varios beneficios que ayudan a guiar un diseño.

• Identificar puntos críticos de fallo: La ubicación en un diseño donde se espera que un producto falle debe identificarse temprano, y no debería basarse en la opinión de un ingeniero. Si un punto de fallo puede identificarse con números concretos, elimina la opinión y la subjetividad de un diseño.
• Predicción del tiempo hasta el fallo: Algunos de los cálculos básicos disponibles en la metodología de la Física del Fallo se utilizan para predecir el tiempo medio hasta el fallo para condiciones operativas específicas. Aunque estos son solo un promedio, ayudan a cuantificar el impacto del entorno en la fiabilidad.
• Justificar las decisiones de diseño: Adoptar un enfoque serio hacia la fiabilidad puede ayudar a justificar decisiones de diseño importantes, tanto a nivel de circuito como de disposición.

En resumen, las tareas y análisis involucrados en la Física del Fallo ayudan a explicar qué falló y por qué falló. Avanzando más, aplicar algún análisis estadístico y desarrollar modelos empíricos ayuda a los diseñadores a identificar cuándo podría ocurrir una falla para condiciones de prueba dadas basadas en una totalidad de posibles mecanismos de falla. Es en esta última área donde los ingenieros de pruebas y los ingenieros de fiabilidad invierten su tiempo para asegurar que las PCBAs sean lo más fiables posible.

Desarrollar Modelos a Partir de Datos

Algunos de los modelos clásicos utilizados en la literatura inicial de la Física del Fallo publicada en los años 70 y 80 se basaban en una mezcla de modelos empíricos y física fundamental. Esto es particularmente el caso en las fallas inducidas térmicamente y las fallas inducidas por vibración, dos áreas que han sido estudiadas más extensamente en el campo de la Física del Fallo. Además de las fallas inducidas térmicamente, se han estudiado las fallas inducidas químicamente, y existe un modelo empírico que aborda las fallas relacionadas con la humedad en las conexiones de alambre de unión/pad de unión.

Métodos Empíricos y Basados en Simulación

Los métodos empíricos se centran en determinar parámetros en modelos basados en la física, o en desarrollar un modelo para cuantificar la relación entre dos variables medidas. Las técnicas típicas involucran regresión univariante o multivariante con un modelo de ley de potencia, algo que es lo suficientemente simple como para ser realizado en Excel. En algunos casos, las simulaciones pueden usarse en la fase inicial debido a la complejidad de algunos problemas.

El fallo térmico y termomecánico podría evaluarse juntos de dos maneras. Los métodos de prueba principales incluyen pruebas de alta temperatura bajo el Método 501.5 de MIL-STD-810G, o ciclos térmicos bajo el Método 503.5 de MIL-STD-810G. El primero aborda fallos térmicos en dispositivos de estado sólido, mientras que el último puede usarse para evaluar fallos a nivel de placa debido a excursiones térmicas repetidas. Las áreas de enfoque en las pruebas de ciclos térmicos incluyen fallo mecánico en pads, vías (particularmente uniones y vías de alto ratio de aspecto), y uniones de soldadura. Debido a la complejidad de un PCBA típico, se pueden usar simulaciones simplificadas, pero típicamente se toman datos de las pruebas para determinar parámetros en un modelo empírico.

Los mecanismos de falla por vibración y mecánicos son más insidiosos ya que no hay una buena manera de calcular esto a mano en una PCBA. Se necesitan pruebas para evaluar la fatiga y la falla inducidas por vibración. Hay un texto que examina estos problemas para la electrónica en general, e incluye algunos modelos empíricos que se han utilizado para cuantificar las fallas inducidas por vibración en la electrónica. Puedes encontrar este texto a continuación:

• D. S. Steinberg, Análisis de Vibración para Equipos Electrónicos, 3ra Edición. John Wiley & Sons Inc., Nueva York (2000).

Al examinar fallas de una muestra aleatoria de PCBAs o cupones de prueba, pruebas de estrés/vida aceleradas e inspección de componentes fallidos pueden ayudar a los ingenieros de pruebas a identificar el elemento de diseño específico que falló, así como el mecanismo de falla. Los resultados de pruebas y simulaciones se han utilizado en el pasado para desarrollar modelos basados en termodinámica con parámetros determinados empíricamente, que luego se utilizan para estimar tasas de falla una vez que los elementos de diseño se reutilizan en un nuevo producto. A través de iteraciones sucesivas en diseños complejos, esto guía el proceso de diseño para identificar y eliminar continuamente defectos.

Métodos Estadísticos

Un enfoque más general es examinar estadísticamente las fallas de ocurrencia sin asumir un mecanismo físico subyacente, seguido de la identificación precisa de la causa raíz de la falla mediante inspección. Después de una inspección más detallada, se hace posible determinar el principal mecanismo que impulsa la probabilidad de falla. Con suficientes datos, se puede construir una curva como la que se muestra a continuación; esta curva muestra una función de distribución continua de Weibull (CDF) que define el tiempo medio hasta la falla para todos los tiempos por debajo del valor encontrado en el eje x.

Esta distribución, y su uso en la predicción de fallas de productos, son algo que guardaré para otro artículo. Si tienes acceso a un programa como Mathematica o MATLAB, podrías tomar tu conjunto de datos y realizar el procedimiento de ajuste mencionado por tu cuenta para cuantificar la fiabilidad y el tiempo medio hasta la falla.

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