Phân tích Vật lý Hỏng hóc cho PCB và Lắp ráp Điện tử

Trước khi bạn có thể đặt một PCB vào một hệ thống, thiết bị, hoặc phương tiện quan trọng, bạn cần phải chứng minh độ tin cậy và chất lượng của nó. Về phía sản xuất, đây là một lý do tại sao chúng ta có rất nhiều tiêu chuẩn kiểm tra, kiểm định và chất lượng trong ngành áp dụng cho các bộ lắp ráp PCB và các thành phần riêng lẻ. Về phía thiết kế, điều quan trọng đối với các nhà thiết kế là thực hiện đánh giá rủi ro cho các hệ thống quan trọng để đảm bảo một thiết kế sẽ hoạt động với tuổi thọ mong đợi, cũng như để xác định các điểm có thể gặp sự cố trong các hệ thống độ tin cậy cao.

Lĩnh vực thiết kế và phân tích điện tử giải quyết những lo ngại về độ tin cậy này được gọi là Vật lý của Sự Hỏng hóc. Mặc dù lĩnh vực nghiên cứu này ban đầu được áp dụng cho các mạch tích hợp và vẫn được sử dụng trong lĩnh vực này cho mục đích thiết kế, sau đó nó được áp dụng cho các bộ lắp ráp điện tử và, gần đây nhất, đối với các cơ chế hỏng hóc trong nguyên liệu thô. Những phương pháp này bắt đầu với việc kiểm tra và phân tích dữ liệu mở rộng của các nguyên mẫu và phiếu kiểm tra, cũng như một số phương trình cơ bản có thể đưa ra một số ước lượng thô về độ tin cậy và thời gian đến khi hỏng hóc.

Vật lý của Sự Hỏng hóc là gì?

Vật lý của Sự hỏng hóc liên quan đến việc hiểu các mối quan hệ giữa các đặc tính vật lý của một sản phẩm, cách chúng thay đổi do quá trình sản xuất, và cách chúng bị ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động của sản phẩm. Lĩnh vực này tạo nền tảng cho nhiều phép tính và mô phỏng phân tích độ tin cậy, một số trong đó được thực hiện trong các ứng dụng giải pháp trường. Lĩnh vực này đôi khi được gọi là Phân tích Vật lý Độ tin cậy. Một lĩnh vực liên quan đến phân tích độ tin cậy và đánh giá rủi ro là phân tích trường hợp xấu nhất.

Dù bạn gọi nó là gì, một số phép tính cơ bản trong Vật lý của Sự hỏng hóc mang lại nhiều lợi ích giúp hướng dẫn thiết kế.

• Xác định điểm hỏng hóc quan trọng: Vị trí trên thiết kế nơi một sản phẩm dự kiến sẽ hỏng hóc nên được xác định sớm, và không nên dựa vào ý kiến của kỹ sư. Nếu một điểm hỏng hóc có thể được xác định bằng số liệu cụ thể, nó loại bỏ ý kiến và chủ quan khỏi thiết kế.
• Dự đoán thời gian đến khi hỏng hóc: Một số phép tính cơ bản có sẵn trong phương pháp Vật lý của Sự hỏng hóc được sử dụng để dự đoán thời gian trung bình đến khi hỏng hóc cho các điều kiện hoạt động cụ thể. Mặc dù đây chỉ là một trung bình, chúng giúp định lượng ảnh hưởng của môi trường lên độ tin cậy.
• Biện minh cho các lựa chọn thiết kế: Việc tiếp cận nghiêm túc với độ tin cậy có thể giúp biện minh cho các lựa chọn thiết kế quan trọng, cả ở cấp độ mạch và cấp độ bố trí.

Nói ngắn gọn, các nhiệm vụ và phân tích liên quan đến Vật lý của Sự hỏng hóc giúp giải thích điều gì đã hỏng và tại sao nó lại hỏng. Đi xa hơn, việc áp dụng một số phân tích thống kê và phát triển các mô hình thực nghiệm giúp các nhà thiết kế xác định khi nào một sự cố có thể xảy ra đối với các điều kiện thử nghiệm nhất định dựa trên tổng thể các cơ chế hỏng hóc có thể xảy ra. Đây là lĩnh vực mà các kỹ sư thử nghiệm và kỹ sư độ tin cậy dành thời gian của mình để đảm bảo rằng các PCBAs có độ tin cậy cao nhất có thể.

Phát triển Mô hình từ Dữ liệu

Một số mô hình cổ điển được sử dụng trong văn học Vật lý của Sự hỏng hóc từ những năm 1970 và 1980 dựa trên sự kết hợp của các mô hình thực nghiệm và vật lý cơ bản. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp của sự hỏng hóc do nhiệt và do rung, hai lĩnh vực đã được nghiên cứu một cách rộng rãi nhất trong lĩnh vực Vật lý của Sự hỏng hóc. Ngoài sự hỏng hóc do nhiệt, sự hỏng hóc do hóa chất cũng đã được nghiên cứu, và có một mô hình thực nghiệm giải quyết các sự cố liên quan đến độ ẩm trong các kết nối dây bond/bond pad.

Phương pháp Thực nghiệm và Mô phỏng

Các phương pháp thực nghiệm tập trung vào việc xác định các tham số trong các mô hình dựa trên vật lý, hoặc phát triển một mô hình để định lượng mối quan hệ giữa hai biến số được đo. Các kỹ thuật điển hình bao gồm hồi quy đơn biến hoặc đa biến với mô hình luật lũy thừa, điều này đủ đơn giản để thực hiện trong Excel. Trong một số trường hợp, mô phỏng có thể được sử dụng ở phía trước do độ phức tạp của một số vấn đề.

Sự cố nhiệt và nhiệt cơ học có thể được đánh giá cùng nhau theo hai cách. Các phương pháp kiểm tra nguyên tắc bao gồm kiểm tra nhiệt độ cao theo MIL-STD-810G Phương pháp 501.5, hoặc chu kỳ nhiệt theo MIL-STD-810G Phương pháp 503.5. Phương pháp đầu tiên giải quyết các sự cố nhiệt trong các thiết bị trạng thái rắn, trong khi phương pháp sau có thể được sử dụng để đánh giá các sự cố cấp bảng từ các chu kỳ nhiệt lặp lại. Các lĩnh vực tập trung trong các bài kiểm tra chu kỳ nhiệt bao gồm sự cố cơ học trong các pad, vias (đặc biệt là các mối nối và vias tỷ lệ khía cạnh cao), và các mối hàn. Do độ phức tạp của một PCBA điển hình, mô phỏng đơn giản có thể được sử dụng, nhưng thông thường dữ liệu được lấy từ các bài kiểm tra để xác định các tham số trong một mô hình thực nghiệm.

Các cơ chế hỏng hóc do rung động và cơ khí là khó lường hơn vì không có cách nào tốt để tính toán điều này bằng tay trong một PCBA. Cần có các bài kiểm tra để đánh giá mệt mỏi và hỏng hóc do rung động gây ra. Có một văn bản xem xét những vấn đề này đối với điện tử nói chung, và nó bao gồm một số mô hình thực nghiệm đã được sử dụng để định lượng hỏng hóc do rung động trong điện tử. Bạn có thể tìm thấy văn bản này dưới đây:

• D. S. Steinberg, Phân Tích Rung Động cho Thiết Bị Điện Tử, Ấn Bản Thứ 3. John Wiley & Sons Inc., New York (2000).

Khi xem xét hỏng hóc từ một mẫu ngẫu nhiên của PBCAs hoặc phiếu kiểm tra, kiểm tra căng thẳng/tuổi thọ tăng tốc và kiểm tra các thành phần hỏng sẽ giúp kỹ sư kiểm tra xác định được yếu tố thiết kế cụ thể nào đã hỏng, cũng như cơ chế hỏng hóc. Kết quả kiểm tra và mô phỏng đã được sử dụng trong quá khứ để phát triển các mô hình dựa trên nhiệt động học với các tham số được xác định dựa trên kinh nghiệm, sau đó được sử dụng để ước lượng tỷ lệ hỏng hóc một khi các yếu tố thiết kế được tái sử dụng trong một sản phẩm mới. Thông qua lặp đi lặp lại trong các thiết kế phức tạp, điều này hướng dẫn quá trình thiết kế để liên tục xác định và loại bỏ các lỗi.

Phương Pháp Thống Kê

Một cách tiếp cận tổng quát hơn là xem xét thống kê các sự cố xảy ra mà không giả định một cơ chế vật lý cụ thể nào, tiếp theo là xác định nguyên nhân gốc rễ của sự cố thông qua kiểm tra. Sau khi kiểm tra thêm, trở nên có khả năng xác định cơ chế chính dẫn đến xác suất hỏng hóc. Với đủ dữ liệu, người ta có thể xây dựng một đường cong như hình dưới đây; đường cong này cho thấy một hàm phân phối liên tục Weibull (CDF) xác định thời gian trung bình đến khi hỏng hóc cho tất cả các thời điểm dưới giá trị tìm thấy trên trục x.

Phân phối này, và việc sử dụng nó để dự đoán sự hỏng hóc của sản phẩm, là điều tôi sẽ dành cho một bài viết khác. Nếu bạn có quyền truy cập vào một chương trình như Mathematica hoặc MATLAB, bạn có thể thực hiện quy trình khớp dữ liệu trên với bộ dữ liệu của mình để định lượng độ tin cậy và thời gian trung bình đến khi hỏng hóc.

Sau khi bạn đã thực hiện đánh giá rủi ro và sẵn sàng tạo ra một bố cục vật lý đáng tin cậy cao, hãy sử dụng các công cụ CAD tốt nhất trong ngành trong Altium Designer®. Bạn cũng có thể xuất thiết kế của mình để mô phỏng độ tin cậy sử dụng tiện ích mở rộng Ansys EDB Exporter. Khi bạn sẵn sàng phát hành các tệp này cho các cộng tác viên của mình để thực hiện các mô phỏng và sản xuất tiên tiến hơn, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Tất cả những gì bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.