Analiza fizyki awarii dla PCB i zespołów elektronicznych

Zanim umieścisz PCB w systemie krytycznym, urządzeniu lub pojeździe, musisz udowodnić jego niezawodność i jakość. Po stronie produkcyjnej jest to jeden z powodów, dla których mamy obszerne branżowe testy, inspekcje i normy jakości, które mają zastosowanie do montaży PCB i poszczególnych komponentów. Po stronie projektowej ważne jest, aby projektanci przeprowadzili ocenę ryzyka dla systemów krytycznych, aby zapewnić, że projekt będzie działał z oczekiwaną żywotnością, jak również aby zidentyfikować potencjalne punkty awarii w systemach o wysokiej niezawodności.

Dziedzina projektowania i analizy elektroniki, która zajmuje się tymi problemami niezawodności, nazywa się Fizyką Awarii. Chociaż początkowo dziedzina ta była stosowana do układów scalonych i nadal jest używana w tym obszarze do celów projektowych, później znalazła zastosowanie w montażach elektronicznych, a najnowsze badania dotyczą mechanizmów awarii w surowcach. Metody te rozpoczynają się od obszernych testów i analizy danych prototypów oraz kuponów testowych, a także od kilku podstawowych równań, które mogą dać pewne przybliżone oszacowania niezawodności i czasu do awarii.

Co to jest Fizyka Awarii?

Fizyka awarii polega na zrozumieniu związków między fizycznymi cechami produktu, jak one się zmieniają w wyniku procesów produkcyjnych oraz jak są wpływane przez środowisko operacyjne produktu. Dziedzina ta stanowi podstawę wielu symulacji i obliczeń analizy niezawodności, z których niektóre są implementowane w aplikacjach rozwiązujących problemy polowe. Dziedzinę tę czasami określa się jako Analizę Fizyki Niezawodności. Pokrewną dziedziną analizy niezawodności i oceny ryzyka jest analiza najgorszego przypadku.

Niezależnie od tego, jak to nazwiesz, niektóre podstawowe obliczenia w ramach Fizyki Awarii zapewniają kilka korzyści, które pomagają kierować projektowanie.

• Identyfikacja krytycznych punktów awarii: Miejsce w projekcie, gdzie oczekuje się awarii produktu, powinno być zidentyfikowane wcześnie i nie powinno opierać się na opinii inżyniera. Jeśli punkt awarii można zidentyfikować za pomocą twardych danych, eliminuje to opinię i subiektywność z projektu.
• Przewidywanie czasu do awarii: Niektóre z podstawowych obliczeń dostępnych w metodologii Fizyki Awarii są używane do przewidywania średniego czasu do awarii dla określonych warunków operacyjnych. Chociaż są to tylko średnie wartości, pomagają one ilościowo określić wpływ środowiska na niezawodność.
• Uzasadnij wybory projektowe: Poważne podejście do niezawodności może pomóc uzasadnić ważne wybory projektowe, zarówno na poziomie obwodu, jak i układu.

Krótko mówiąc, zadania i analizy związane z fizyką awarii pomagają wyjaśnić, co się zepsuło i dlaczego. Idąc dalej, stosowanie pewnej analizy statystycznej i rozwijanie modeli empirycznych pomaga projektantom zidentyfikować, kiedy awaria może wystąpić przy danych warunkach testowych, na podstawie całokształtu możliwych mechanizmów awarii. To właśnie w tej ostatniej dziedzinie inżynierowie testowi i inżynierowie niezawodności spędzają swój czas, aby zapewnić, że PCB są jak najbardziej niezawodne.

Tworzenie modeli z danych

Niektóre z klasycznych modeli używanych we wczesnej literaturze dotyczącej fizyki awarii, opublikowanej w latach 70. i 80., opierały się na mieszance modeli empirycznych i podstawowej fizyki. Jest to szczególnie widoczne w przypadku awarii indukowanych termicznie i wibracyjnie, dwóch obszarów, które były najbardziej intensywnie badane w dziedzinie fizyki awarii. Oprócz awarii indukowanych termicznie, badano również awarie indukowane chemicznie, i istnieje model empiryczny, który dotyczy awarii związanych z wilgotnością w połączeniach drutu z padem.

Metody empiryczne i symulacyjne

Metody empiryczne koncentrują się na określaniu parametrów w modelach opartych na fizyce lub na opracowaniu modelu do ilościowego określenia związku między dwoma mierzonymi zmiennymi. Typowe techniki obejmują regresję jedno- lub wielozmienną z modelem potęgowym, co jest na tyle proste, że można to wykonać w Excelu. W niektórych przypadkach, ze względu na złożoność niektórych problemów, można użyć symulacji na wstępnym etapie.

Awaria termiczna i termomechaniczna mogą być oceniane razem na dwa sposoby. Główne metody testowania obejmują testowanie w wysokiej temperaturze zgodnie z MIL-STD-810G Metoda 501.5, lub cykliczne zmiany temperatury zgodnie z MIL-STD-810G Metoda 503.5. Pierwsza z nich dotyczy awarii termicznych w urządzeniach półprzewodnikowych, podczas gdy druga może być używana do oceny awarii na poziomie płyty spowodowanych powtarzającymi się zmianami temperatury. Obszary skupienia w testach cyklicznych zmian temperatury obejmują awarie mechaniczne w padach, przelotkach (szczególnie złączach i przelotkach o wysokim stosunku wysokości do szerokości), oraz złączach lutowniczych. Ze względu na złożoność typowego PCBA, mogą być używane uproszczone symulacje, ale zazwyczaj dane są pobierane z testów, aby określić parametry w modelu empirycznym.

Drgania i mechanizmy awarii mechanicznych są bardziej podstępne, ponieważ nie ma dobrego sposobu, aby obliczyć to ręcznie w PCBA. Testy są potrzebne do oceny zmęczenia i awarii wywołanych przez drgania. Istnieje jeden tekst, który przygląda się tym problemom w odniesieniu do elektroniki ogólnie i zawiera pewne modele empiryczne, które były używane do ilościowego określenia awarii wywołanych przez drgania w elektronice. Można znaleźć ten tekst poniżej:

• D. S. Steinberg, Analiza Drgań dla Sprzętu Elektronicznego, 3. wydanie. John Wiley & Sons Inc., Nowy Jork (2000).

Badając awarie z losowej próbki PBCA lub kuponów testowych, przyspieszone testy wytrzymałościowe/żywotności oraz inspekcja uszkodzonych komponentów mogą pomóc inżynierom testowym zidentyfikować konkretny element projektu, który zawiodł, jak również mechanizm awarii. Wyniki testów i symulacji były w przeszłości używane do opracowywania modeli opartych na termodynamice z empirycznie określonymi parametrami, które następnie są używane do szacowania wskaźników awarii, gdy elementy projektu są ponownie używane w nowym produkcie. Poprzez sukcesywne iteracje w skomplikowanych projektach, to kieruje procesem projektowym, aby ciągle identyfikować i eliminować defekty.

Metody Statystyczne

Bardziej ogólne podejście polega na statystycznym badaniu występowania awarii bez zakładania leżącego u podstaw mechanizmu fizycznego, a następnie na wskazywaniu głównej przyczyny awarii poprzez inspekcję. Po dalszej inspekcji staje się możliwe określenie głównego mechanizmu napędzającego prawdopodobieństwo awarii. Dysponując wystarczającą ilością danych, można skonstruować krzywą, jak pokazano poniżej; ta krzywa przedstawia ciągłą funkcję rozkładu Weibulla (CDF) definiującą średni czas do awarii dla wszystkich czasów poniżej wartości znalezionej na osi x.

Ten rozkład i jego zastosowanie w przewidywaniu awarii produktu to temat, który zostawię na inny artykuł. Jeśli masz dostęp do programu takiego jak Mathematica lub MATLAB, możesz wziąć swój zestaw danych i samodzielnie przeprowadzić powyższą procedurę dopasowania, aby określić niezawodność i średni czas do awarii.

Po przeprowadzeniu oceny ryzyka i przygotowaniu się do stworzenia niezawodnego układu fizycznego, użyj najlepszych w branży narzędzi CAD w Altium Designer®. Możesz również eksportować swój projekt do symulacji niezawodności za pomocą rozszerzenia Ansys EDB Exporter. Kiedy będziesz gotowy, aby udostępnić te pliki swoim współpracownikom do bardziej zaawansowanych symulacji i produkcji, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i dzielenie się projektami. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, znajduje się w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.