Analisi della Fisica dei Guasti per PCB e Assemblaggi Elettronici

Prima di poter inserire un PCB in un sistema, dispositivo o veicolo critico per la missione, è necessario dimostrarne l'affidabilità e la qualità. Sul lato della produzione, questo è uno dei motivi per cui esistono numerosi test di settore, ispezioni e standard di qualità che si applicano agli assemblaggi di PCB e ai singoli componenti. Sul lato della progettazione, è importante che i progettisti eseguano una valutazione del rischio per i sistemi critici per la missione per garantire che un design funzionerà con la durata prevista, oltre a identificare potenziali punti di fallimento nei sistemi ad alta affidabilità.

L'area della progettazione e analisi elettronica che affronta queste preoccupazioni per l'affidabilità si chiama Fisica del Fallimento. Sebbene il campo di studio fosse originariamente applicato ai circuiti integrati ed è ancora utilizzato in quest'area per scopi di progettazione, in seguito è stato applicato agli assemblaggi elettronici e, più recentemente, ai meccanismi di fallimento nei materiali grezzi. Questi metodi iniziano con test estensivi e analisi dei dati di prototipi e coupon di prova, così come alcune equazioni di base che possono fornire alcune stime approssimative dell'affidabilità e del tempo al fallimento.

Cos'è la Fisica del Fallimento?

La Fisica del Fallimento riguarda la comprensione delle relazioni tra le caratteristiche fisiche di un prodotto, come variano a causa dei processi di fabbricazione e come sono influenzate dall'ambiente operativo del prodotto. Il campo costituisce la base di molte simulazioni e calcoli di analisi della affidabilità, alcuni dei quali sono implementati in applicazioni di solutori di campo. Il campo è talvolta denominato Analisi della Fisica dell'Affidabilità. Un campo correlato di analisi dell'affidabilità e valutazione del rischio è l'analisi del caso peggiore.

Indipendentemente dal nome, alcuni dei calcoli di base coinvolti nella Fisica del Fallimento offrono diversi vantaggi che aiutano a guidare un progetto.

• Identificare i punti critici di fallimento: La posizione in un progetto dove ci si aspetta che un prodotto fallisca dovrebbe essere identificata precocemente, e non dovrebbe basarsi sull'opinione di un ingegnere. Se un punto di fallimento può essere identificato con numeri concreti, ciò elimina opinioni e soggettività da un progetto.
• Prevedere il tempo al fallimento: Alcuni dei calcoli di base disponibili nella metodologia della Fisica del Fallimento sono utilizzati per prevedere il tempo medio al fallimento per specifiche condizioni operative. Anche se si tratta solo di una media, aiutano a quantificare l'impatto dell'ambiente sull'affidabilità.
• Giustificare le scelte progettuali: Adottare un approccio serio alla affidabilità può aiutare a giustificare scelte progettuali importanti, sia a livello di circuito che di layout.

In breve, i compiti e le analisi coinvolti nella Fisica del Fallimento aiutano a spiegare cosa è fallito e perché è fallito. Andando oltre, applicare alcune analisi statistiche e sviluppare modelli empirici aiuta i progettisti a identificare quando potrebbe verificarsi un fallimento per determinate condizioni di test basate su una totalità di possibili meccanismi di fallimento. È quest'ultima area in cui gli ingegneri di test e gli ingegneri affidabilisti trascorrono il loro tempo per garantire che le PCBAs siano il più affidabili possibile.

Sviluppare Modelli dai Dati

Alcuni dei modelli classici utilizzati nella letteratura iniziale sulla Fisica del Fallimento pubblicata negli anni '70 e '80 si basavano su una miscela di modelli empirici e fisica fondamentale. Questo è particolarmente il caso nei fallimenti indotti termicamente e nei fallimenti indotti da vibrazioni, due aree che sono state studiate più estensivamente nel campo della Fisica del Fallimento. Oltre ai fallimenti indotti termicamente, sono stati studiati fallimenti indotti chimicamente, e esiste un modello empirico che affronta i fallimenti legati all'umidità nelle connessioni wire bond/bond pad.

Metodi Empirici e Basati sulla Simulazione

I metodi empirici si concentrano sulla determinazione dei parametri nei modelli basati sulla fisica, o sullo sviluppo di un modello per quantificare la relazione tra due variabili misurate. Le tecniche tipiche coinvolgono la regressione univariata o multivariata con un modello a legge di potenza, qualcosa di abbastanza semplice da essere eseguito in Excel. In alcuni casi, le simulazioni possono essere utilizzate in fase preliminare a causa della complessità di alcuni problemi.

Il fallimento termico e termomeccanico potrebbe essere valutato insieme in due modi. I metodi di prova principali includono test ad alta temperatura sotto MIL-STD-810G Metodo 501.5, o cicli termici sotto MIL-STD-810G Metodo 503.5. Il primo affronta i guasti termici nei dispositivi allo stato solido, mentre il secondo può essere utilizzato per valutare i guasti a livello di scheda derivanti da escursioni termiche ripetute. Le aree di focus nei test di cicli termici includono il fallimento meccanico in pad, vie (in particolare giunzioni e vie ad alto rapporto d'aspetto), e giunti di saldatura. A causa della complessità di un tipico PCBA, possono essere utilizzate simulazioni semplificate, ma tipicamente i dati sono presi da test per determinare i parametri in un modello empirico.

Le vibrazioni e i meccanismi di guasto meccanico sono più insidiosi poiché non esiste un buon metodo per calcolarli a mano in una PCBA. Sono necessari test per valutare la fatica e il guasto indotti dalle vibrazioni. Esiste un testo che esamina questi problemi per l'elettronica in generale, e include alcuni modelli empirici che sono stati utilizzati per quantificare i guasti indotti dalle vibrazioni nell'elettronica. Potete trovare questo testo qui sotto:

• D. S. Steinberg, Analisi delle Vibrazioni per Apparecchiature Elettroniche, 3ª Edizione. John Wiley & Sons Inc., New York (2000).

Nell'esaminare i guasti da un campione casuale di PBCA o coupon di test, test di stress/vita accelerati e l'ispezione dei componenti guasti possono aiutare gli ingegneri di test a individuare l'elemento di design specifico che è fallito, così come il meccanismo di guasto. I risultati di test e simulazione sono stati utilizzati in passato per sviluppare modelli basati sulla termodinamica con parametri determinati empiricamente, che vengono poi utilizzati per stimare i tassi di guasto una volta che gli elementi di design vengono riutilizzati in un nuovo prodotto. Attraverso iterazioni successive in progetti complessi, ciò guida il processo di design per identificare e eliminare continuamente i difetti.

Metodi Statistici

Un approccio più generale consiste nell'esaminare statisticamente le occorrenze di guasto senza presupporre un meccanismo fisico sottostante, seguito dall'individuazione della causa radice del guasto tramite ispezione. Dopo ulteriori ispezioni, diventa possibile determinare il meccanismo principale che guida la probabilità di guasto. Con sufficienti dati, si può costruire una curva come quella mostrata di seguito; questa curva mostra una funzione di distribuzione continua di Weibull (CDF) che definisce il tempo medio al guasto per tutti i tempi inferiori al valore trovato sull'asse delle x.

Questa distribuzione, e il suo uso nella previsione del fallimento del prodotto, sono argomenti che riserverò per un altro articolo. Se hai accesso a un programma come Mathematica o MATLAB, potresti prendere il tuo set di dati ed eseguire la procedura di adattamento sopra descritta da solo per quantificare l'affidabilità e il tempo medio al guasto.

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