Análise da Física de Falhas para PCBs e Montagens Eletrônicas

Antes de poder colocar uma PCB em um sistema, dispositivo ou veículo de missão crítica, é necessário comprovar sua confiabilidade e qualidade. Do lado da fabricação, essa é uma das razões pelas quais temos inúmeros testes industriais, inspeções e padrões de qualidade que se aplicam a montagens de PCBs e componentes individuais. Do lado do design, é importante que os designers realizem uma avaliação de risco para sistemas de missão crítica para garantir que um design operará com a vida útil esperada, bem como identificar pontos potenciais de falha em sistemas de alta confiabilidade.

A área de design e análise eletrônica que aborda essas preocupações com a confiabilidade é chamada de Física da Falha. Embora o campo de estudo tenha sido originalmente aplicado a circuitos integrados e ainda seja usado nesta área para fins de design, mais tarde foi aplicado a montagens eletrônicas e, mais recentemente, a mecanismos de falha em matérias-primas. Esses métodos começam com testes extensivos e análise de dados de protótipos e cupons de teste, bem como algumas equações básicas que podem fornecer algumas estimativas aproximadas de confiabilidade e tempo até a falha.

O que é Física da Falha?

A Física da Falha envolve entender as relações entre as características físicas de um produto, como elas variam devido aos processos de fabricação e como são afetadas pelo ambiente operacional do produto. O campo forma a base de muitas simulações e cálculos de análise de confiabilidade, alguns dos quais são implementados em aplicações de solucionadores de campo. O campo é às vezes referido como Análise de Física da Confiabilidade. Um campo relacionado de análise de confiabilidade e avaliação de risco é a análise de pior caso.

Não importa como você o chame, alguns dos cálculos básicos envolvidos na Física da Falha oferecem vários benefícios que ajudam a guiar um design.

• Identificar pontos críticos de falha: O local em um design onde se espera que um produto falhe deve ser identificado cedo, e não deve ser baseado na opinião de um engenheiro. Se um ponto de falha pode ser identificado com números concretos, isso elimina a opinião e a subjetividade de um design.
• Prever o tempo até a falha: Alguns dos cálculos básicos disponíveis na metodologia da Física da Falha são usados para prever o tempo médio até a falha para condições operacionais específicas. Embora esses sejam apenas uma média, eles ajudam a quantificar o impacto do ambiente na confiabilidade.
• Justificar escolhas de design: Adotar uma abordagem séria em relação à confiabilidade pode ajudar a justificar escolhas de design importantes, tanto no nível do circuito quanto no nível do layout.

Em resumo, as tarefas e análises envolvidas na Física da Falha ajudam a explicar o que falhou e por que falhou. Indo além, aplicar alguma análise estatística e desenvolver modelos empíricos ajuda os designers a identificar quando uma falha pode ocorrer para determinadas condições de teste com base na totalidade dos possíveis mecanismos de falha. É nesta última área que os engenheiros de teste e engenheiros de confiabilidade dedicam seu tempo para garantir que as PCBAs sejam o mais confiáveis possível.

Desenvolver Modelos a Partir de Dados

Alguns dos modelos clássicos usados na literatura inicial da Física da Falha, publicados nas décadas de 1970 e 1980, eram baseados em uma mistura de modelos empíricos e física fundamental. Isso é particularmente o caso em falhas induzidas termicamente e por vibração, duas áreas que foram mais extensivamente estudadas no campo da Física da Falha. Além de falhas induzidas termicamente, falhas induzidas quimicamente foram estudadas, e existe um modelo empírico que aborda falhas relacionadas à umidade em conexões de fio de ligação/placa de ligação.

Métodos Empíricos e Baseados em Simulação

Métodos empíricos focam em determinar parâmetros em modelos baseados em física, ou em desenvolver um modelo para quantificar a relação entre duas variáveis medidas. Técnicas típicas envolvem regressão univariada ou multivariada com um modelo de lei de potência, algo que é simples o suficiente para ser realizado no Excel. Em alguns casos, simulações podem ser usadas na frente devido à complexidade de alguns problemas.

Falhas térmicas e termomecânicas podem ser avaliadas juntas de duas maneiras. Os métodos de teste principais incluem teste de alta temperatura sob MIL-STD-810G Método 501.5, ou ciclagem térmica sob MIL-STD-810G Método 503.5. O primeiro aborda falhas térmicas em dispositivos de estado sólido, enquanto o último pode ser usado para avaliar falhas em nível de placa devido a excursões térmicas repetidas. Áreas de foco nos testes de ciclagem térmica incluem falha mecânica em pads, vias (particularmente juntas e vias de alta razão de aspecto), e juntas de solda. Devido à complexidade de uma PCBA típica, simulações simplificadas podem ser usadas, mas tipicamente dados são retirados de testes para determinar parâmetros em um modelo empírico.

Vibrações e mecanismos de falha mecânica são mais insidiosos, pois não existe uma boa maneira de calcular isso manualmente em uma PCBA. Testes são necessários para avaliar a fadiga e falha induzidas por vibração. Há um texto que aborda esses problemas para eletrônicos de forma geral, e inclui alguns modelos empíricos que foram utilizados para quantificar falhas induzidas por vibração em eletrônicos. Você pode encontrar este texto abaixo:

• D. S. Steinberg, Análise de Vibração para Equipamentos Eletrônicos, 3ª Edição. John Wiley & Sons Inc., Nova Iorque (2000).

Ao examinar falhas de uma amostra aleatória de PCBAs ou cupons de teste, testes de estresse/vida acelerados e inspeção de componentes falhos podem ajudar engenheiros de teste a identificar o elemento de design específico que falhou, bem como o mecanismo de falha. Resultados de testes e simulações foram usados no passado para desenvolver modelos baseados em termodinâmica com parâmetros determinados empiricamente, que são então utilizados para estimar taxas de falha uma vez que elementos de design são reutilizados em um novo produto. Através de iterações sucessivas em designs complexos, isso guia o processo de design para identificar e eliminar defeitos continuamente.

Métodos Estatísticos

Uma abordagem mais geral é examinar estatisticamente as falhas de ocorrência sem assumir um mecanismo físico subjacente, seguido pela identificação da causa raiz da falha através de inspeção. Após uma inspeção mais detalhada, torna-se possível determinar o principal mecanismo que impulsiona a probabilidade de falha. Com dados suficientes, pode-se construir uma curva como a mostrada abaixo; esta curva mostra uma função de distribuição contínua de Weibull (CDF) definindo o tempo médio até a falha para todos os tempos abaixo do valor encontrado no eixo x.

Esta distribuição, e seu uso na previsão de falha de produtos, são algo que guardarei para outro artigo. Se você tem acesso a um programa como Mathematica ou MATLAB, poderia pegar seu conjunto de dados e realizar o procedimento de ajuste acima por conta própria para quantificar a confiabilidade e o tempo médio até a falha.

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