Анализ физики отказов для печатных плат и электронных сборок

Прежде чем вы сможете использовать печатную плату в системе, устройстве или транспортном средстве, критически важных для миссии, необходимо доказать её надежность и качество. С производственной стороны это одна из причин, по которой существует множество отраслевых испытаний, инспекций и стандартов качества, применяемых к сборкам печатных плат и отдельным компонентам. Со стороны проектирования важно, чтобы дизайнеры проводили оценку рисков для систем, критически важных для миссии, чтобы убедиться, что дизайн будет работать с ожидаемым сроком службы, а также для выявления потенциальных точек отказа в системах с высокой надежностью.

Область проектирования и анализа электроники, которая занимается этими вопросами надежности, называется Физика Отказов. Хотя первоначально это направление исследований применялось к интегральным схемам и до сих пор используется в этой области для целей проектирования, позже оно было применено к сборкам электроники и, в последнее время, к механизмам отказа в сырьевых материалах. Эти методы начинаются с обширного тестирования и анализа данных прототипов и тестовых образцов, а также некоторых базовых уравнений, которые могут дать приблизительные оценки надежности и времени до отказа.

Что такое Физика Отказов?

Физика отказов включает понимание взаимосвязей между физическими характеристиками продукта, их изменениями из-за производственных процессов и влиянием на них условий эксплуатации продукта. Эта область лежит в основе многих симуляций и расчетов надежности, некоторые из которых реализованы в приложениях для решения полевых задач. Иногда эту область называют анализом физики надежности. Связанная область анализа надежности и оценки рисков - это анализ худшего случая.

Неважно, как вы это называете, некоторые базовые расчеты, используемые в Физике отказов, предоставляют несколько преимуществ, которые помогают направлять дизайн.

• Определение критических точек отказа: Место в дизайне, где ожидается отказ продукта, должно быть определено на раннем этапе, и это не должно основываться на мнении инженера. Если точка отказа может быть определена с помощью конкретных чисел, это исключает мнение и субъективность из дизайна.
• Прогнозирование времени до отказа: Некоторые базовые расчеты, доступные в методологии Физики отказов, используются для прогнозирования среднего времени до отказа при конкретных условиях эксплуатации. Хотя это всего лишь средние значения, они помогают количественно оценить влияние окружающей среды на надежность.
• Обоснование конструкторских решений: Серьезный подход к надежности может помочь обосновать важные конструкторские решения как на уровне схемы, так и на уровне компоновки.

Вкратце, задачи и анализ, связанные с физикой отказов, помогают объяснить, что и почему вышло из строя. Продвигаясь дальше, применение статистического анализа и разработка эмпирических моделей помогают конструкторам определить, когда может произойти отказ при заданных условиях испытаний на основе совокупности возможных механизмов отказа. Именно в этой последней области инженеры по испытаниям и инженеры по надежности тратят свое время, чтобы обеспечить максимальную надежность печатных плат собранных изделий (PCBA).

Разработка моделей на основе данных

Некоторые классические модели, использованные в ранних работах по физике отказов, опубликованных в 1970-х и 1980-х годах, были основаны на сочетании эмпирических моделей и фундаментальной физики. Это особенно актуально для термически индуцированных и вибрационных отказов, двух областей, которые были наиболее широко изучены в области физики отказов. Помимо термически индуцированных отказов, изучались химически индуцированные отказы, и существует эмпирическая модель, которая рассматривает отказы, связанные с влажностью, в соединениях проводник/площадка для припоя.

Эмпирические и основанные на симуляции методы

Эмпирические методы сосредоточены на определении параметров в физически обоснованных моделях или на разработке модели для количественной оценки взаимосвязи между двумя измеряемыми переменными. Типичные техники включают в себя однофакторный или многофакторный регрессионный анализ с использованием степенной модели, что достаточно просто для выполнения в Excel. В некоторых случаях на начальном этапе могут использоваться симуляции из-за сложности некоторых проблем.

Тепловые и термомеханические отказы могут быть оценены совместно двумя способами. Основные методы испытаний включают испытания при высоких температурах в соответствии с MIL-STD-810G Метод 501.5 или термические циклы в соответствии с MIL-STD-810G Метод 503.5. Первый метод направлен на устранение тепловых отказов в твердотельных устройствах, в то время как второй может использоваться для оценки отказов на уровне платы из-за повторяющихся тепловых изменений. Области внимания в тестах термических циклов включают механический отказ в площадках, переходных отверстиях (особенно соединениях и переходных отверстиях с высоким аспектным соотношением), и паяных соединениях. Из-за сложности типичной сборки печатной платы могут использоваться упрощенные симуляции, но обычно данные берутся из испытаний для определения параметров в эмпирической модели.

Вибрация и механические механизмы отказа являются более коварными, поскольку нет хорошего способа рассчитать это вручную в PCBA. Требуются тесты для оценки усталости и отказов, вызванных вибрацией. Существует один текст, который рассматривает эти проблемы для электроники в целом, и он включает в себя некоторые эмпирические модели, которые использовались для количественной оценки отказов, вызванных вибрацией, в электронике. Вы можете найти этот текст ниже:

• D. S. Steinberg, Анализ Вибрации для Электронного Оборудования, 3-е издание. John Wiley & Sons Inc., Нью-Йорк (2000).

При изучении отказов из случайной выборки PBCA или тестовых образцов, ускоренное испытание на надежность/срок службы и осмотр вышедших из строя компонентов могут помочь инженерам-испытателям точно определить, какой элемент конструкции вышел из строя, а также механизм отказа. Результаты тестов и симуляций в прошлом использовались для разработки моделей на основе термодинамики с эмпирически определенными параметрами, которые затем использовались для оценки частоты отказов, как только элементы конструкции повторно использовались в новом продукте. Посредством последовательных итераций в сложных конструкциях, это направляет процесс проектирования на постоянное выявление и устранение дефектов.

Статистические Методы

Более общий подход заключается в статистическом изучении случаев отказов без предположения о наличии какого-либо физического механизма, за которым следует точное определение первопричины отказа путем осмотра. После дополнительного осмотра становится возможным определить основной механизм, влияющий на вероятность отказа. Имея достаточное количество данных, можно построить кривую, подобную показанной ниже; эта кривая показывает функцию непрерывного распределения Вейбулла (CDF), определяющую среднее время до отказа для всех времен, меньших значения, найденного на оси абсцисс.

Это распределение и его использование в прогнозировании отказов продукции - тема, которую я оставлю для другой статьи. Если у вас есть доступ к программе вроде Mathematica или MATLAB, вы можете взять свой набор данных и самостоятельно выполнить вышеописанную процедуру подгонки для количественной оценки надежности и среднего времени до отказа.

После того, как вы провели оценку рисков и готовы создать высоконадежную физическую конструкцию, используйте лучшие в отрасли инструменты CAD в Altium Designer®. Вы также можете экспортировать ваш дизайн для проведения симуляций надежности с помощью расширения Ansys EDB Exporter. Когда вы будете готовы передать эти файлы вашим коллегам для более продвинутых симуляций и производства, платформа Altium 365™ упростит совместную работу и обмен проектами. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.