تحليل الموثوقية للمعدات الإلكترونية الخاصة بالصدمات والاهتزازات - نظرة عامة

مجلة: الصدمة والاهتزاز 16 (2009) 45-59
المؤلفون: روبن ألاستير آمي ، وغوليلمو إس. أغليتي (البريد الإلكتروني: gsa@soton.ac.uk) ، وغاي ريتشاردسون
أماكن المؤلفين: مجموعة أبحاث الفضاء ، جامعة ساوثهامبتون ، كلية العلوم الهندسية ، ساوثامبتون ، المملكة المتحدة
Surrey Satellite Technology Limited ، غيلدفورد ، ساري ، المملكة المتحدة

حقوق النشر 2009 مؤسسة هنداوي للنشر. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب ترخيص Creative Commons Attribution ، والذي يسمح بالاستخدام غير المقيد ، والتوزيع ، والاستنساخ في أي وسيط ، شريطة الإشارة إلى العمل الأصلي بشكل صحيح.

مجردة. في المستقبل ، من المفترض أن تتمتع جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة بوظائف متزايدة ، مع الحفاظ على القدرة على تحمل أحمال الصدمات والاهتزازات. تعوق عملية التنبؤ بالموثوقية بسبب الخصائص المعقدة لاستجابات وفشل المعدات الإلكترونية ، وبالتالي فإن الطرق الحالية هي حل وسط بين دقة الحسابات وتكلفتها.
يعد التنبؤ الموثوق والسريع لموثوقية المعدات الإلكترونية أثناء تشغيلها مع الأحمال الديناميكية أمرًا مهمًا للغاية بالنسبة للصناعة. توضح هذه المقالة مشاكل في التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية ، وإبطاء استلام النتائج. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن نموذج حساب الموثوقية عادة ما يتم بناؤه مع مراعاة مجموعة واسعة من تكوينات المعدات لعدد من المكونات من نفس النوع. تتم مقارنة أربع فئات من طرق التنبؤ بالموثوقية (الطرق المرجعية ، وبيانات الاختبار ، والبيانات التجريبية ، ونمذجة الأسباب المادية للفشل - فيزياء الفشل) في هذه المقالة لتحديد إمكانية استخدام طريقة أو أخرى. تجدر الإشارة إلى أن معظم حالات الفشل في المعدات الإلكترونية ناتجة عن الأحمال الحرارية ، ولكن تركز هذه المراجعة على حالات الفشل الناجمة عن الصدمة والاهتزاز أثناء التشغيل.



ملاحظة من قبل المترجم. المقال عبارة عن مراجعة للأدبيات حول هذه المواضيع. على الرغم من عمره الكبير نسبيًا ، فهو بمثابة مقدمة ممتازة لمشكلة تقييم الموثوقية بطرق مختلفة.

1. المصطلحات

بغا الكرة الشبكة صفيف.
DIP Dual In-line Processor ، والمعروف في بعض الأحيان باسم Dual-in Package.
عنصر محدود FE.
PGA دبوس الشبكة الشبكة.
لوحة الدوائر المطبوعة PCB ، والمعروفة في بعض الأحيان باسم PWB (لوحة الأسلاك المطبوعة).
PLCC البلاستيك الذي يحتوي على رقاقة الناقل.
PTH مطلي من خلال ثقب ، والمعروف باسم دبوس من خلال ثقب.
حزمة QFP الرباعية المسطحة - المعروفة أيضًا باسم الجناح النورس.
SMA سبائك الذاكرة الشكل.
SMT سطح جبل التكنولوجيا.

ملاحظة من مؤلفي الأصل: في هذه المقالة ، يشير المصطلح "مكون" إلى جهاز إلكتروني معين يمكن لحامه بلوحة دوائر مطبوعة ، ويشير المصطلح "حزمة" إلى أي مكون من دائرة متكاملة (عادةً أي مكون SMT أو DIP). يشير مصطلح "المكون المرفق" إلى أي لوحة دوائر أو نظام مكون ، مع التأكيد على أن للمكونات المرفقة كتلتها وصلابتها. (لم يتم النظر في التعبئة البلورية وتأثيرها على الموثوقية في المقالة ، وبالتالي ، يمكن فهم مصطلح "الحزمة" بشكل أكبر على أنه "حالة" من نوع أو آخر - تقريبًا. ترجمة.)

2. بيان المشكلة

تتسبب أحمال الصدمات والاهتزازات المطبقة على لوحة الدائرة في حدوث ضغوط على ركيزة لوحة الدائرة وحزم المكونات وموصلات المكون والمفاصل الملحومة. هذه الضغوط ناتجة عن مزيج من لحظات الانحناء في لوحة الدائرة والقصور الذاتي في كتلة المكون. في أسوأ الحالات ، يمكن أن تسبب هذه الضغوط أحد أوضاع الفشل التالية: إزالة لوحة الدوائر المطبوعة ، وتدمير مفصل اللحام ، وتدمير الرصاص أو تدمير مجموعة المكونات. في حالة حدوث أي من أوضاع التدمير هذه ، فسيتبع ذلك على الأرجح فشل كامل للجهاز. يعتمد وضع الإخفاق الذي حدث أثناء العملية على نوع التغليف وخصائص لوحة الدوائر المطبوعة وأيضًا على تردد وسعة لحظات الانحناء وقوى القصور الذاتي. يرجع التقدم البطيء في تحليل موثوقية المعدات الإلكترونية إلى مجموعات متعددة من عوامل الإدخال وأنواع الإخفاقات التي يجب أخذها في الاعتبار.

في بقية هذا القسم ، سنحاول شرح تعقيد النظر في نفس الوقت إلى عوامل الإدخال المختلفة.

يتمثل عامل التعقيد الأول في الاعتبار في المجموعة الواسعة من أنواع الرزم المتوفرة في الإلكترونيات الحديثة ، حيث قد تفشل كل رزمة لأسباب مختلفة. المكونات الثقيلة أكثر عرضة للأحمال بالقصور الذاتي ، في حين أن استجابة مكونات SMT تعتمد بشكل أكبر على انحناء لوحة الدائرة. نتيجة لذلك ، نظرًا لهذه الاختلافات الأساسية ، يكون لهذه الأنواع من المكونات معايير فشل مختلفة بشكل كبير ، اعتمادًا على الكتلة أو الحجم. وتتفاقم هذه المشكلة بشكل متزايد بسبب الظهور المستمر للمكونات الجديدة المتاحة في السوق. لذلك ، يجب أن تتكيف أي طريقة مقترحة للتنبؤ بالموثوقية مع المكونات الجديدة حتى يكون لها أي تطبيق عملي في المستقبل. يتم تحديد استجابة لوحة الدائرة للاهتزاز من خلال صلابة وكتلة المكونات التي تؤثر على الاستجابة المحلية للوحة الدائرة. من المعروف أن المكونات الأثقل أو الأكبر تغيّر إلى حد كبير رد فعل اللوح على الاهتزاز في أماكن تثبيته. يمكن أن تؤثر الخواص الميكانيكية للوحة الدوائر المطبوعة (معامل يونغ وسمكها) على الموثوقية بطريقة يصعب التنبؤ بها.

يمكن أن تقلل لوحة الدائرة الأكثر صلابة من زمن الاستجابة الكلي للوحة الدارة تحت الحمل ، ولكن في الوقت نفسه ، يمكن لحظات الانحناء المطبقة على المكونات أن تزيد فعليًا محليًا (بالإضافة إلى ذلك ، فيما يتعلق بالفشل الناجم عن الحرارة ، من الأفضل تحديد لوحة دوائر أكثر توافقًا ، لأنه يقلل من الضغوط الحرارية المفروضة على العبوة - تقريبا. يؤثر تردد وسعة لحظات الانحناء المحلية والأحمال بالقصور الذاتي المتراكبة على الحزمة أيضًا على وضع الفشل الأكثر احتمالًا. يمكن أن تؤدي الأحمال منخفضة السعة عالية التردد إلى فشل التعب في الهيكل ، والذي يمكن أن يكون السبب الرئيسي للفشل (التعب الدوري المنخفض / العالي ، يشير LCF إلى حالات الفشل التي يسود فيها التشوه البلاستيكي (N_f <10 ^ 6) ، بينما يشير HCF إلى فشل التشوه المرن ، عادة (N_f> 10 ^ 6) إلى الفشل [56] - ملاحظة المؤلف) سيحدد الترتيب النهائي للعناصر الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة سبب الفشل ، والذي قد يحدث بسبب الجهد في مكون فردي ناتج عن الحمل بالقصور الذاتي أو لحظات الانحناء المحلية. أخيرًا ، من الضروري مراعاة تأثير العامل البشري وميزات الإنتاج ، مما يزيد من احتمال تعطل المعدات.

عند النظر في عدد كبير من عوامل المدخلات وتفاعلها المعقد ، يصبح من الواضح سبب عدم إنشاء طريقة فعالة للتنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية. أحد مراجعات الأدب التي أوصى بها المؤلفون حول هذا الموضوع معروضة في IEEE [26]. ومع ذلك ، تركز هذه المراجعة بشكل رئيسي على التصنيفات الواسعة إلى حد ما لنماذج الموثوقية ، مثل طريقة التنبؤ بالموثوقية في المراجع والمؤلفات التنظيمية ، والبيانات التجريبية ، والنمذجة بمساعدة الكمبيوتر لظروف الفشل (موثوقية فيزياء الفشل (PoF)) ، ولا تعالج الفشل بتفاصيل كافية. بسبب الصدمة والاهتزاز. يتبع Foucher et al. [17] مخططًا مشابهًا لمراجعة IEEE ، حيث يتم التركيز بشكل كبير على الأعطال الحرارية. إن الإيجاز السابق لتحليل طرق PoF ، خاصة فيما يتعلق بفشل الصدمات والاهتزازات ، يستحق مزيدًا من الدراسة. هناك مراجعة مماثلة لـ IEEE في عملية تجميع AIAA ، لكن نطاق هذا الاستعراض غير معروف حتى الآن.

3. تطور أساليب التنبؤ الموثوقية

تم وصف طريقة التنبؤ بالموثوقية الأقدم التي تم تطويرها في الستينيات حاليًا في MIL-HDBK-217F [44] (Mil-Hdbk-217F هو أحدث وأحدث إصدار من الطريقة ، تم إصداره في عام 1995 - ملاحظة المؤلف) هذه الطريقة باستخدام قاعدة بيانات من فشل المعدات الإلكترونية ، احصل على متوسط ​​عمر لوحة الدوائر المطبوعة ، التي تتكون من مكونات معينة. تُعرف هذه الطريقة كوسيلة للتنبؤ بالموثوقية وفقًا للأدبيات المرجعية. على الرغم من حقيقة أن Mil-Hdbk-217F أصبحت أكثر عفا عليها الزمن ، فإن الطريقة المرجعية لا تزال تستخدم حتى اليوم. تم توثيق القيود وعدم الدقة في هذه الطريقة بشكل جيد [42،50] ، مما أدى إلى تطوير ثلاث فئات من الطرق البديلة: محاكاة الكمبيوتر لظروف الفشل البدني (PoF) ، والبيانات التجريبية وبيانات الاختبار الميداني.

تتنبأ طرق PoF بالموثوقية التحليلية ، دون اللجوء إلى استخدام البيانات التي تم جمعها مسبقًا. تتميز جميع طرق PoF بخاصيتين شائعتين للطريقة الكلاسيكية الموصوفة في Steinberg [62]: أولاً ، يتم طلب استجابة الاهتزاز من PCB لتأثير اهتزاز معين ، ثم يتم التحقق من معايير فشل المكونات الفردية بعد التعرض للاهتزاز. كان أحد الإنجازات المهمة في طرق PoF هو استخدام الخصائص الموزعة (المعدّلة) للوحة لإنشاء نموذج رياضي للوحة الدوائر المطبوعة بسرعة [54] ، مما قلل إلى حد كبير التعقيد والوقت المستغرق في الحساب الدقيق لإخراج اهتزاز لوحة الدارة المطبوعة (انظر القسم 8.1.3). التطورات الأخيرة في مجال أساليب PoF قد تحسنت التنبؤ الفشل للمكونات ملحوم SMT. ومع ذلك ، باستثناء طريقة Barkers [59] ، لا تنطبق هذه الطرق الجديدة إلا في مجموعات محددة للغاية من المكونات ولوحات الدوائر المطبوعة. هناك عدد قليل جدًا من الطرق المتاحة للمكونات الكبيرة ، مثل المحولات أو المكثفات الكبيرة.
تعمل طرق البيانات التجريبية على تحسين جودة وقدرات النموذج المستخدم في طرق التنبؤ بالموثوقية في الأدبيات المرجعية. تم وصف الطريقة الأولى المستندة إلى البيانات التجريبية للتنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية في عام 1999 باستخدام طريقة HIRAP (برنامج تقييم موثوقية هانيويل أثناء الخدمة) ، الذي تم إنشاؤه بواسطة Honeywell، Inc [20]. تتميز طريقة البيانات التجريبية بالعديد من المزايا عن طرق التنبؤ بالموثوقية في المراجع والمؤلفات التنظيمية. في الآونة الأخيرة ، ظهرت العديد من الطرق المشابهة (REMM و TRACS [17] ، وكذلك FIDES [16]). لا تسمح طريقة البيانات التجريبية ، وكذلك طريقة التنبؤ بالموثوقية وفقًا للمراجع والمؤلفات التنظيمية ، بمراعاة تخطيط لوحة الإدارة وبيئة العمل الخاصة بها في تقييم الموثوقية. يمكن تصحيح هذا العيب بسبب بيانات عن فشل اللوحة ، أو ما شابه ذلك في التصميم ، أو بسبب اللوحات التي كانت في ظروف تشغيل مماثلة.

تعتمد طرق البيانات التجريبية على توفر قاعدة بيانات شاملة تحتوي على بيانات حول حالات الفشل مع مرور الوقت. يجب تحديد كل نوع من أنواع الفشل في قاعدة البيانات هذه بشكل صحيح وتحديد السبب الحقيقي لها. إن طريقة تقييم الموثوقية هذه مناسبة للشركات التي تنتج نفس المعدات على دفعات كبيرة بما يكفي ، بحيث يمكن معالجة عدد كبير من حالات الفشل لتقييم الموثوقية.

تم استخدام طرق اختبار المكونات الإلكترونية من أجل الموثوقية منذ منتصف السبعينيات ، وعادة ما يتم تقسيمها إلى اختبارات متسارعة وغير متسارعة. النهج الرئيسي هو اختبار المعدات ، مما يخلق بيئة التشغيل المتوقعة واقعية بقدر الإمكان. يتم إجراء الاختبارات حتى يحدث عطل ، مما يسمح بتنبؤ MTBF (متوسط ​​الوقت بين حالات الفشل - MTBF). إذا تم تصنيف MTBF على أنه طويل جدًا ، فيمكن تقليل مدة الاختبار عن طريق الاختبار المتسارع ، والذي يتحقق عن طريق تقوية العوامل البيئية واستخدام الصيغة المعروفة لربط معدل الفشل في الاختبار المتسارع بمعدل الفشل المتوقع. يعد هذا الاختبار أمرًا ضروريًا للمكونات ذات الخطورة العالية للفشل ، لأنه يوفر للباحث بيانات ذات أعلى مستوى من الثقة ، ومع ذلك ، سيكون من غير العملي استخدامها لتحسين تصميم اللوحات نظرًا لوقت طويل من تكرار الدراسة.

تشير مراجعة سريعة للأعمال التي نُشرت في التسعينيات إلى أن هذه كانت فترة تنافست فيها الأساليب التي تستخدم البيانات التجريبية وبيانات الاختبار وطرق PoF مع بعضها البعض لتحل محل الأساليب القديمة للتنبؤ بالموثوقية من الأدبيات المرجعية والتنظيمية. علاوة على ذلك ، كل طريقة لها مزاياها وعيوبها ، وعند استخدامها بشكل صحيح ، تعطي نتائج قيمة. نتيجة لذلك ، أصدرت IEEE مؤخرًا معيارًا [26] ، والذي يسرد جميع الأساليب المستخدمة للتنبؤ بالموثوقية اليوم. كان الهدف من IEEE هو إعداد دليل من شأنه أن يوفر للمهندس معلومات عن جميع الطرق المتاحة ، وكذلك المزايا والعيوب الكامنة في كل طريقة. على الرغم من أن نهج IEEE لا يزال في بداية مسار تطوري طويل ، إلا أنه يبدو أن له مزاياه الخاصة ، حيث يتبع AIAA (المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية) مع دليل يسمى S-102 ، والذي يشبه IEEE ، ولكن أيضًا يأخذ في الاعتبار الجودة النسبية للبيانات من كل طريقة [27]. تهدف هذه الإرشادات فقط إلى الجمع بين الأساليب التي توزع في جميع أنحاء العالم المنشورات حول هذه القضايا.

4. فشل من الاهتزاز

ركزت معظم الدراسات السابقة بشكل أساسي على الاهتزاز العشوائي كحمل ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، لكن الدراسة التالية تعالج بشكل خاص حالات فشل الصدمات. لن يتم مناقشة هذه الطرق بشكل كامل هنا ، لأنها تندرج تحت تصنيف طرق PoF وتناقش في القسمين 8.1 و 8.2 من هذه المقالة. أنشأ هين وآخرون [24] لوحة اختبار للتحقق من سلامة وصلات BGA الملحومة تحت التأثير. وصف Lau et al. [36] موثوقية مكونات PLCC و PQFP و QFP التي تتأثر على طول الطائرة وخارج الطائرة. فحص بيتارسي وزملاؤه [53،55] إخفاقات اللوحات الأم للكمبيوتر من الأحمال الصدمية وقدموا مراجعة جيدة للأدبيات التي تصف المعدات الإلكترونية تحت التعرض "للصدمة". يقدم Steinberg [62] فصلاً كاملاً مخصصًا لتصميم وتحليل المعدات الإلكترونية المتأثرة ، مع مراعاة كلتا الطريقتين للتنبؤ بوسط الصدمة وطرق ضمان قابلية تشغيل المكونات الإلكترونية. وصف سوكير [64.65] الأخطاء في الحسابات الخطية لاستجابة لوحة الدوائر المطبوعة لحمل الصدمات المطبق على حوامل اللوحة. وبالتالي ، يمكن للطرق المرجعية وطرق البيانات التجريبية أن تفشل في فشل المعدات ذات الصلة بالتأثير ، ولكن يتم وصف فشل "الصدمة" ضمنيًا في هذه الطرق.

5. الأساليب المرجعية

من بين كل الطرق المتاحة الموضحة في الكتيبات ، فإننا نقصر أنفسنا على طريقتين فقط تفكر في فشل الاهتزاز: Mil-Hdbk-217 و CNET [9] يتم قبول Mil-Hdbk-217 كمرجع من قبل معظم الشركات المصنعة. مثل جميع الأساليب من الكتيبات والأدلة ، فهي تستند إلى الأساليب التجريبية التي تهدف إلى التنبؤ موثوقية مكون من البيانات التجريبية أو المخبرية. تعتبر الطرق الموضحة في الأدبيات المرجعية سهلة التنفيذ نسبيًا ، حيث إنها لا تتطلب نماذج رياضية معقدة ، ولا تستخدم سوى أنواع الأجزاء وعدد الأجزاء وظروف تشغيل اللوحة وغيرها من المعلمات التي يمكن الوصول إليها بسهولة. ثم يتم إدخال الإدخال في النموذج لحساب MTBF - MTBF. على الرغم من مزاياه ، أصبح Mil-Hdbk-217 أقل وأقل شعبية [12 ، 17،42،50،51]. النظر في قائمة غير كاملة من القيود المفروضة على تطبيقها.

1. أصبحت البيانات أكثر عفا عليها الزمن منذ آخر تحديث لها في عام 1995 ولا تتعلق بمكونات جديدة ، وليس هناك فرصة لمراجعة النموذج ، لأن مجلس تحسين معايير الدفاع قرر السماح للطريقة "بالموت الطبيعي" [26].
2. لا توفر الطريقة معلومات حول وضع الفشل ، وبالتالي ، لا يمكن تحسين تصميم لوحة الدوائر المطبوعة أو تحسينها.
3. تفترض النماذج أن الفشل مستقل عن التصميم ، متجاهلاً موقع المكونات على لوحة الدائرة ، ومع ذلك ، فمن المعروف أن تخطيط المكونات له تأثير كبير على احتمال الفشل. [50].
4. تحتوي البيانات التجريبية التي تم جمعها على العديد من المعلومات غير الدقيقة ؛ وتستخدم بيانات من مكونات الجيل الأول ذات معدل فشل مرتفع بشكل غير طبيعي بسبب السجلات الخاطئة لساعات التشغيل والإصلاحات ، وما إلى ذلك ، مما يقلل من موثوقية نتائج تنبؤ الموثوقية [51].

تشير جميع أوجه القصور هذه إلى أنه ينبغي تجنب استخدام الطرق المرجعية ، ومع ذلك ، ينبغي تطبيق عدد من متطلبات المواصفات الفنية ضمن حدود مقبولية هذه الطرق. وبالتالي ، يجب استخدام الطرق المرجعية فقط عند الاقتضاء ، أي في المراحل الأولى من التصميم [46].لسوء الحظ ، يجب التعامل مع هذا الاستخدام مع بعض الحذر ، لأن هذه الأساليب لم يتم تنقيحها منذ عام 1995. لذلك ، تتنبأ الطرق المستمدة من الأدبيات المرجعية بطبيعتها بالموثوقية الميكانيكية ويجب استخدامها بحذر.

6. اختبار طرق البيانات

طرق اختبار البيانات هي أبسط الطرق المتاحة للتنبؤ بالموثوقية. يخضع النموذج الأولي للتصميم المقترح للوحة الدارة المطبوعة إلى اهتزازات بيئية مستنسخة في مقعد المختبر. بعد ذلك ، يتم إجراء تحليل لمعلمات الكسر (MTTF ، طيف الصدمة) ، ثم يتم استخدامه لحساب مؤشرات الموثوقية [26]. يجب استخدام طريقة بيانات الاختبار مع مراعاة مزاياها وعيوبها.
تتمثل الميزة الرئيسية لطرق بيانات الاختبار في الدقة والموثوقية العالية للنتائج ، وبالتالي ، بالنسبة للمعدات التي تنطوي على مخاطر عالية من الفشل ، يجب أن تتضمن المرحلة الأخيرة من عملية التصميم دائمًا اختبار اهتزاز مؤهل. العيب هو الوقت الطويل لتصنيع وتركيب وتحميل عينة الاختبار ، مما يجعل الطريقة غير مناسبة للتحسينات الهيكلية للمعدات مع وجود احتمال كبير من الفشل. بالنسبة لطريقة عملية تصميم المنتجات التكرارية ، يجب مراعاة طريقة أسرع. يمكن تقصير وقت التعرض للأحمال باستخدام اختبارات متسارعة ، إذا كانت هناك نماذج موثوقة متاحة للحساب اللاحق لعمر الخدمة الفعلي [70،71]. ومع ذلك ، فإن طرق الاختبار المعجلة أكثر ملاءمة لمحاكاة الأعطال الحرارية من الإخفاقات الاهتزازية.هذا لأنه يستغرق وقتًا أقل للتحقق من تأثير الأحمال الحرارية على الجهاز مقارنة بفحص الأحمال الاهتزازية. يمكن أن يحدث تأثير الاهتزاز في المنتج فقط بعد وقت طويل.

نتيجةً لذلك ، لا تُستخدم طرق الاختبار كقاعدة عامة في حالات فشل الاهتزاز ، ما لم تكن هناك ظروف مخففة ، على سبيل المثال ، انخفاض الفولتية ، مما يؤدي إلى وقت طويل جدًا قبل الفشل. يمكن الاطلاع على أمثلة لطرق التحقق من البيانات في Hart [23] ، Hin et al. [24] ، لي [37] ، لاو وآخرون. [36] ، شيتي وآخرون [57] ، ليغوري واتبيل [40] ، إستيس وآخرون. [15] ، وانغ وآخرون. [67] ، جيه ويونج [30]. يتم تقديم نظرة عامة جيدة على الطريقة في IEEE [26].

7. طرق البيانات التجريبية

تعتمد طريقة البيانات التجريبية على بيانات فشل لوحات الدوائر المطبوعة المشابهة التي تم اختبارها في ظروف تشغيل معينة. هذه الطريقة صحيحة فقط لألواح الدوائر المطبوعة التي ستواجه أحمالًا مماثلة. تشتمل طريقة البيانات التجريبية على جانبين رئيسيين: بناء قاعدة بيانات لفشل المكونات الإلكترونية وتنفيذ الطريقة على أساس التصميم المقترح. لإنشاء قاعدة بيانات مناسبة ، يجب أن تكون هناك بيانات ذات صلة عن حالات الفشل التي تم جمعها من هياكل مماثلة ؛ هذا يعني أن بيانات الأعطال للمعدات المماثلة يجب أن تكون موجودة. ينبغي أيضًا تحليل المعدات المعيبة وجمع الإحصاءات بشكل صحيح ، ولا يكفي الإشارة إلى أن هذا التصميم للوحة الدوائر المطبوعة قد فشل بعد عدد معين من الساعات ،من الضروري تحديد الموقع ووضع الفشل وسبب الفشل. إذا لم يتم تحليل جميع بيانات الفشل السابقة بشكل شامل ، فستكون هناك حاجة لفترة طويلة من جمع البيانات قبل استخدام طريقة البيانات التجريبية.

يتمثل أحد الحلول الممكنة لهذا القيد في تنفيذ دورة حياة اختبار متسارعة للغاية (HALT) لغرض بناء قاعدة بيانات بسرعة لمعدلات الفشل ، على الرغم من أن الاستنساخ الدقيق للمعايير البيئية معقد ولكنه حيوي [27]. يمكن العثور على وصف المرحلة الثانية من تنفيذ طريقة البيانات التجريبية في المقالة [27] ، والتي توضح كيفية التنبؤ بـ MTBF للتصميم المقترح إذا تم الحصول على التصميم الذي تم اختباره عن طريق تعديل لوحة حالية تتوفر بالفعل بيانات مفصلة عن حالات الفشل فيها. تم وصف مراجعات أخرى لطرق البيانات التجريبية من قبل مؤلفين مختلفين في [11،17،20،26].

8. محاكاة الكمبيوتر لظروف الفشل (PoF)

يتم تنفيذ عمليات محاكاة الكمبيوتر لظروف الفشل ، والتي تسمى أيضًا نماذج الإجهاد والأخطاء ، أو نماذج PoF ، في عملية من مرحلتين للتنبؤ بالموثوقية. تتضمن المرحلة الأولى البحث عن تفاعل لوحة الدوائر المطبوعة مع الحمل الديناميكي المفروض عليها ؛ في المرحلة الثانية ، يتم حساب استجابة النموذج لتوفير مؤشر موثوقية معين. غالبًا ما يتم تخصيص معظم المؤلفات لكل من طريقة التنبؤ بالاستجابة وعملية إيجاد معايير الفشل. من الأفضل فهم هاتين الطريقتين لوصف مستقل ، وبالتالي ، في هذه المراجعة ، سيتم النظر في هاتين المرحلتين بشكل منفصل.

بين مراحل التنبؤ بالاستجابة والبحث عن معايير الفشل ، يتم نقل مجموعة البيانات التي تم إنشاؤها في المرحلة الأولى والمستخدمة في المرحلة الثانية إلى النموذج. تطور متغير الاستجابة من استخدام تسريع الإدخال على الهيكل المعدني [15.36.37.67] ، من خلال التسارع الفعلي الذي يواجهه المكون لمراعاة استجابات الاهتزاز المختلفة للتخطيطات المختلفة للوحات الدوائر المطبوعة [40] ، وأخيراً ، للنظر في الانحراف المحلي [62] أو المحلي لحظات الانحناء [59] التي مرت بها لوحة الدوائر المطبوعة المحلية للمكون.

لوحظ أن الفشل هو وظيفة موقع المكونات على لوحة الدوائر المطبوعة [21.38] ، لذلك من المحتمل أن تكون النماذج التي تأخذ في الاعتبار ردود الفعل الاهتزازية المحلية دقيقة. يعتمد اختيار المعلمة (التسارع المحلي أو الانحراف المحلي أو لحظة الثني) على الفشل على الحالة المعينة.
إذا تم استخدام مكونات SMT ، فقد تكون لحظات الانحناء أو الانحناء هي الأكثر أهمية للفشل ؛ وبالنسبة للمكونات الثقيلة ، عادة ما تستخدم التسارع المحلي كمعايير فشل. لسوء الحظ ، لم تجر أي دراسات لإظهار أي نوع من المعايير هو الأنسب في مجموعة معينة من بيانات الإدخال.

من المهم النظر في مدى ملاءمة أي طريقة من طرق PoF المستخدمة ، حيث أنه من غير العملي استخدام أي طريقة من طرق PoF ، التحليلية أو في شكل FE (طريقة العناصر المحددة) ، والتي لن يتم تأكيدها بواسطة بيانات الاختبارات المعملية. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم استخدام أي نموذج فقط في حدود قابلية تطبيقه ، والذي ، للأسف ، يحد من قابلية تطبيق معظم نماذج PoF الحديثة فقط للاستخدام في ظروف محددة ومحدودة للغاية. يتم وصف أمثلة جيدة لمناقشة أساليب PoF من قبل العديد من المؤلفين [17،19،26،49].

8.1. تنبؤ الاستجابة

يتضمن تنبؤ الاستجابة استخدام الهندسة وخصائص المواد الخاصة بالهيكل لحساب متغير الاستجابة المطلوب. من المتوقع في هذه المرحلة فقط الحصول على الاستجابة الكلية للوحة الدائرة الأساسية ، وليس استجابة المكونات الفردية. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من طريقة التنبؤ بالاستجابة: النماذج التحليلية التفصيلية FE ونماذج FE المبسطة الموضحة أدناه. تركز هذه الطرق على دمج الصلابة والتأثيرات الجماعية للمكونات المضافة ، لكن من المهم عدم إغفال أهمية محاكاة الصلابة الدورانية بدقة عند حافة لوحة الدارة ، حيث يرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بدقة النموذج (يتم مناقشة ذلك في القسم 8.1.4). FIG. 1. مثال على نموذج مفصل للوحة الدوائر المطبوعة [53].

8.1.1. التنبؤ بالاستجابة التحليلية

يوفر Steinberg [62] الطريقة التحليلية الوحيدة لحساب استجابة الاهتزاز للوحة الدوائر المطبوعة. يقول شتاينبرغ أن سعة الرنين عند رنين العقدة الإلكترونية تساوي ضعف الجذر التربيعي لتردد الرنين ؛ يستند هذا البيان إلى بيانات يتعذر الوصول إليها ولا يمكن التحقق منه. يتيح لك ذلك حساب الانحراف الديناميكي عند الرنين بشكل تحليلي ، والذي يمكن استخدامه فيما بعد لحساب الحمل الديناميكي من المكون الثقيل أو انحناء لوحة الدوائر المطبوعة. لا توفر هذه الطريقة استجابة محلية مباشرة لثنائي الفينيل متعدد الكلور ومتوافقة فقط مع معايير الرفض بناءً على الانحراف الموصوف من قبل Steinberg.

صحة افتراض توزيع وظيفة النقل بناءً على قياس الاتساع أمر مشكوك فيه ، لأن Pitarresi et al. [53] قاس التوهين الحرج البالغ 2٪ للوحة الأم بالكمبيوتر ، بينما استخدام افتراض شتاينبرغ سوف يعطي 3.5٪ (على أساس التردد الطبيعي 54 هرتز) ، الأمر الذي قد يؤدي إلى التقليل الكبير من استجابة المجلس للاهتزاز.

8.1.2. نماذج مفصلة FE

يوضح بعض المؤلفين استخدام نماذج FE مفصلة لحساب الاستجابة الاهتزازية للوحة الدوائر المطبوعة [30،37،53، 57،58] (يوضح الشكل 1-3 أمثلة بمستوى أعلى من التفاصيل) ، ومع ذلك ، لا يوصى باستخدام هذه الطرق لمنتج تجاري (إذا كان فقط التنبؤ الدقيق للاستجابة المحلية ليس ضروريًا تمامًا) ، حيث أن الوقت اللازم لبناء وحل مثل هذا النموذج يعد مبالغًا فيه. تنتج النماذج المبسطة بيانات ذات دقة مناسبة بشكل أسرع وبتكلفة أقل. يمكن تقليل الوقت اللازم لبناء وحل نموذج مفصل FE باستخدام ثوابت ربيع JEDEC 4 المنشورة في [33-35] ، ويمكن استخدام ثوابت الربيع هذه بدلاً من نموذج FE المفصل لكل سلك. وبالإضافة إلى ذلك،يمكن تنفيذ طريقة بنية أساسية (تُعرف أحيانًا باسم طريقة superelement) لتقليل الوقت الحسابي المطلوب لحل النماذج التفصيلية. تجدر الإشارة إلى أن نماذج FE التفصيلية غالبًا ما تطمس الحدود بين معايير الاستجابة ومعايير الفشل ، وبالتالي قد يقع العمل المشار إليه هنا أيضًا ضمن قائمة الوظائف التي تحتوي على معايير الفشل.

8.1.3. FE

تعمل نماذج FE المبسطة على تقليل إنشاء النموذج ووقت الحل. يمكن تمثيل كتلة المكونات المضافة وصلبتها بنمذجة بسيطة للوحة الدوائر المطبوعة الفارغة مع زيادة الكتلة والصلابة ، حيث يتم تضمين تأثيرات الكتلة والصلابة من خلال الزيادة المحلية في معامل Young للوحة الدوائر المطبوعة.

FIG. 2. مثال على نموذج مفصل لمكون QFP يستخدم التماثل لتبسيط عملية النمذجة وتقليل وقت الحل [36]. FIG. 3. مثال على نموذج مفصل FE من J- الرصاص [6].



يمكن حساب معامل زيادة الصلابة عن طريق القطع المادي للعنصر المرفق وتطبيق طرق اختبار الانحناء [52]. بيتاريسي وآخرون. [52،54] فحص تأثير تبسيط الكتلة المضافة وصلابة المقدمة من المكونات المتصلة بلوحة الدوائر المطبوعة.

في العمل الأول ، يتم النظر في حالة واحدة لنموذج FE مبسط للوحة الدوائر المطبوعة التي تم التحقق منها على أساس البيانات التجريبية. مجال الاهتمام الرئيسي في هذه المقالة هو تحديد الخصائص الموزعة ، مع ملاحظة أن النموذج الدقيق يتطلب صلابة الالتواء العالية.

يناقش المقال الثاني خمسة لوحات دوائر مطبوعة معبئة ، كل منها مصمم على عدة مستويات مختلفة من تبسيط تركيبته. تتم مقارنة هذه النماذج مع البيانات التجريبية. تختتم هذه المقالة ببعض الملاحظات المفيدة للعلاقة بين نسب الكتلة والتصلب ودقة النموذج. كلا من هذه المقالات تستخدم فقط الترددات الخاصة بها و MCO (معايير الدعم المشروط) لتحديد العلاقة بين النموذجين. لسوء الحظ ، لا يمكن لخطأ في التردد الطبيعي أن يقدم أي معلومات حول الخطأ في التسارع المحلي أو لحظات الانحناء ، ولا يمكن أن تعطي MCO علاقة عامة بين شكلين طبيعيين ، ولكن لا يمكن استخدامها لحساب النسبة المئوية لخطأ التسارع أو الانحناء.باستخدام مزيج من التحليل العددي ومحاكاة الكمبيوتر ، يقوم Cifuentes [10] بالملاحظات الأربعة التالية.

1. 90% .
2. , , , .
3. .
4. , .

8.1.4.

يؤثر معامل الصلابة أثناء دوران حافة لوحة الدوائر المطبوعة بشكل كبير على دقة الاستجابة المحسوبة [59] ، واعتمادًا على التكوين المحدد أكثر أهمية بكثير من كتلة المكون الإضافي وصلابة. نمذجة الصلابة الدورانية للحافة كصفر (في الواقع مجرد حالة مدعومة) عادة ما تعطي نتائج متحفظة ، في حين أن النمذجة المشدودة بشكل صارم عادةً ما تقلل من النتائج ، لأن حتى أكثر آليات التثبيت صلابة بثنائي الفينيل متعدد الكلور لا يمكن أن توفر حالة مثبتة بالكامل من الحافة. يؤكد باركر وتشن [5] على النظرية التحليلية بنتائج تجريبية لإظهار كيف تؤثر صلابة دوران الحافة على التردد الطبيعي للوحة الدوائر المطبوعة. الاستنتاج الرئيسي لهذا العمل هو وجود علاقة قوية بين صلابة دوران الحافة والترددات الطبيعية ،بما يتفق مع النظرية. هذا يعني أيضًا أن الأخطاء الكبيرة في نمذجة صلابة دوران الحافة ستؤدي إلى أخطاء كبيرة في التنبؤ بالاستجابة. على الرغم من أن هذا العمل قد تم النظر فيه في حالة معينة ، فإنه ينطبق على نمذجة جميع أنواع آليات الظروف الحدودية. باستخدام البيانات التجريبية Lim et al. [41] يقدم مثالًا على كيفية حساب صلابة الحواف لاستخدام FE في نموذج ثنائي الفينيل متعدد الكلور ؛ يتم تحقيق ذلك باستخدام طريقة مقتبسة من باركر وتشن [5]. يوضح هذا العمل أيضًا كيفية تحديد الموقع الأمثل للنقطة الهيكلية من أجل تعظيم الترددات الطبيعية. الأعمال التي تأخذ بعين الاعتبار تأثير تعديل الظروف الحدودية لتقليل الاستجابة الاهتزازية موجودة أيضًا في Guo و Zhao [21] ؛ أجيليتي [2] ؛أجيليتي وشوينجزهاكل [3] ، ليم وآخرون. [41].

8.1.5. تنبؤات الاهتزاز والتأثير

بيتاريسي وآخرون. [53-55] استخدم نموذج FE المفصل لثنائي الفينيل متعدد الكلور للتنبؤ باستجابات الصدمة والاهتزاز للوحة مع المكونات المقدمة في كتل ثلاثية الأبعاد. استخدمت هذه النماذج معاملات التخميد الثابت المحددة تجريبياً لتحسين استجابة التنبؤ عند الرنين. للتنبؤ بالرد على الصدمة ، تمت مقارنة طيف رد فعل الصدمة (SRS) وطرق اكتساح الوقت ، وكلا الطريقتين تمثل حلاً وسطًا بين الدقة ووقت الحل.

8.2. معايير الرفض

تأخذ معايير الفشل مقياسًا لاستجابة لوحة الدائرة وتستخدمها للحصول على مقياس الفشل ، حيث يمكن أن يكون مقياس الفشل هو MTBF ، أو دورات الفشل ، أو احتمال الفشل ، أو أي مؤشر موثوقية آخر (انظر IEEE [26] ؛ Jensen [ 28] ؛ أوكونور [47] لمناقشة مقاييس الفشل). يمكن تقسيم العديد من الطرق المختلفة لإنشاء هذه البيانات بشكل ملائم إلى طرق تحليلية وتجريبية. تقوم الطرق التجريبية بإنشاء بيانات لمعايير الفشل عن طريق تحميل عينات اختبار المكونات على التحميل الديناميكي المطلوب. لسوء الحظ ، نظرًا للنطاق الواسع لبيانات الإدخال (أنواع المكونات وسمك ثنائي الفينيل متعدد الكلور والأحمال) الممكنة في الممارسة العملية ، فمن غير المحتمل أن تكون البيانات المنشورة قابلة للتطبيق بشكل مباشر ، لأن البيانات صالحة فقط في حالات خاصة جدًا.الأساليب التحليلية لا تعاني من هذه العيوب ولديها قابلية تطبيق أوسع.

8.2.1. معايير الفشل التجريبية

كما هو موضح سابقًا ، فإن قيود معظم النماذج التجريبية هي أنها قابلة للتطبيق فقط على التكوينات التي تشتمل على نفس سمك لوحة الدائرة وأنواع المكونات المشابهة وتحميل المدخلات ، وهو أمر غير مرجح. ومع ذلك ، فإن الأدبيات المتاحة مفيدة للأسباب التالية: إنها توفر أمثلة جيدة لاختبارات الفشل ، وتسلط الضوء على الخيارات المختلفة لمقاييس الفشل ، وتوفر معلومات قيمة عن آليات الفشل. ابتكر Lee [37] نموذجًا تجريبيًا للتنبؤ بموثوقية حزم حزم QFP المكونة من 272 دبوسًا و 160 دبوسًا. تتم دراسة فشل التعب في الموصلات وفي جسم العبوة ، تتوافق النتائج التجريبية جيدًا مع تحليل الأضرار استنادًا إلى الضغوط المحتسبة باستخدام نموذج FE المفصل (انظر أيضًا Li و Poglitsch [38 ، 39]). تسبب العملية أضرارًا تراكمية لمستوى معين من التسارع الاهتزازي لإشارة اهتزاز الإدخال.
قدّر Lau et al. [36] موثوقية مكونات محددة تحت تحميل الصدمات والاهتزازات باستخدام إحصائيات Weibull. درست Liguore و Followell [40] إخفاقات مكونات LLCC و J-lead من خلال تغيير التسارع المحلي في دورات التشغيل. يستخدم التسارع المحلي على عكس تسارع إدخال الهيكل المعدني ، بالإضافة إلى ذلك ، تم بحث تأثير درجة الحرارة على نتائج الاختبار. تشير المقالة أيضًا إلى دراسة تأثير سمك لوحة الدوائر المطبوعة على موثوقية المكون.

يقارن Guo و Zhao [21] بين موثوقية المكونات عند استخدام انحناء الالتواء المحلي كحمل ، على عكس الدراسات السابقة التي استخدمت التسارع. يتم محاكاة تلف الإرهاق ، ثم يُقارن نموذج FE بالنتائج التجريبية. تتناول المقالة أيضًا تحسين ترتيب المكونات لزيادة الموثوقية.

قدم Ham and Lee [22] طريقة بيانات اختبار لتحديد إجهاد لحام الرصاص تحت الحمل الالتوائي الدوري. درس إستيس وآخرون [15] مشكلة فشل مكونات "جناح النورس" (GOST IEC 61188-5-5-2013) مع تسريع المدخلات المطبق والحمل الحراري. المكونات التي تمت دراستها هي أنواع الإسكان للدوائر الدقيقة CQFP 352 و 208 و 196 و 84 و 28 ، وكذلك FP 42 و 10. تم تخصيص المقالة لفشل المكونات الإلكترونية بسبب التذبذبات في مدار القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض ، ويتم إعطاء MTBF من حيث سنوات الطيران في المدار الثابت بالنسبة للأرض. مدارات الأرض منخفضة. تجدر الإشارة إلى أن فشل أسلاك "الجناح النوارس" يكون أكثر احتمالًا في الأماكن الملامسة لهيكل العبوة منه في التوصيل الملحوم.

يبحث Jih و Jung [30] عطل المعدات الناجم عن عيوب التصنيع الخلقية في مفصل ملحوم. يتم ذلك عن طريق إنشاء نموذج FE مفصل للغاية من لوحة الدوائر وإيجاد الكثافة الطيفية للقدرة (PSD) لأطوال مختلفة من شقوق الإنتاج. اقترح Ligyore و Followell [40] و Shetty و Reinikainen [58] أن الأساليب التجريبية توفر بيانات الفشل الأكثر دقة ومفيدة لتكوينات محددة من المكونات المتصلة. يتم استخدام هذه الطرق إذا كان من الممكن افتراض أن بعض بيانات الإدخال (سماكة اللوحة ، نوع المكون ، نطاق الانحناء) ثابتة طوال وقت التصميم ، أو إذا كان المستخدم يستطيع تحمل إجراء اختبارات حقيقية من هذا النوع.

8.2.2. معيار الفشل التحليلي

SMT نماذج مشتركة الزاوية

باحثون مختلفون يفحصون فشل محطة زاوية SMT يشيرون إلى أن هذا هو السبب الأكثر شيوعا للفشل. تكمل مقالات Sidhart و Barker [59] سلسلة سابقة من الأعمال ، تقدم نموذجًا لتحديد تشوه الزوايا الزائدة لمكونات SMT والرصاص المحيطي. يحتوي النموذج المقترح على خطأ أقل من 7٪ مقارنةً بنموذج FE المفصل لسيناريوهات أسوأ ستة حالات. يعتمد النموذج على صيغة سبق نشرها من قبل باركر وسيدهارت [4] ، حيث تمت محاكاة انحراف الجزء المرفق الخاضع لحظة الانحناء. تحلل ورقة سوهيرا [63] تحليليًا الضغوطات المتوقعة في مخرجات الحزمة بسبب لحظات الانحناء المطبقة محليًا. يعتمد كل من باركر وسيدهارت [4] على عمل سهير [63] ، وباركر وآخرون [4] ، والذي ينظر في تأثير صلابة الدوران. أخيرًا ، استخدم باركر وآخرون [7] نماذج مفصلة FE لدراسة تأثير الاختلافات الأبعاد في الرصاص على حياة التعب.

من المناسب أن نذكر هنا العمل على ثوابت زنبرك الرصاص JEDEC ، والتي بسببها تم تبسيط عملية إنشاء نماذج من مكونات الرصاص [33-35]. يمكن استخدام ثوابت الزنبرك بدلاً من نموذج مفصل لمركبات الرصاص ، في حين أن النموذج سوف يقلل من الوقت اللازم لبناء وحل نموذج FE. سيمنع استخدام هذه الثوابت في نموذج مكون FE الحساب المباشر لضغوط الرصاص المحلية. بدلاً من ذلك ، سيتم تقديم تشوه عام في الرصاص ، والذي يجب أن يرتبط بعد ذلك إما بضغوط الرصاص المحلية أو بمعايير فشل الرصاص على أساس دورة حياة المنتج.

التعب المواد البيانات

ترتبط معظم البيانات المتعلقة بتدمير المواد المستخدمة للجنود والمكونات بشكل أساسي بالكسور الحرارية ، وهناك بيانات قليلة نسبياً تتعلق بكسور التعب. يتم توفير المرجع الرئيسي لهذه المنطقة من قبل Sandor [56] ، الذي يقدم بيانات عن ميكانيكا التعب وكسر الجنود. شتاينبرغ [62] يعتبر تدمير عينات اللحام. تتوفر بيانات التعب عن الجنود والأسلاك القياسية في مقال بقلم Yamada [69].

FIG. 4. حالة الفشل المعتادة في دليل مكونات QFP قريبة من هيكل العبوة.



يعد فشل النماذج المرتبطة بفصل اللحام تحديًا بسبب الخصائص غير العادية لهذه المادة. يعتمد حل هذا السؤال على المكون الذي يجب اختباره. من المعروف أنه بالنسبة لحزم QFP ، لا يتم أخذ ذلك في الاعتبار عادةً ، ويتم تقدير الموثوقية من المراجع والمؤلفات التنظيمية. ولكن في حالة حساب لحام BGA ، يتم احتساب PGA للمكونات الكبيرة ، ثم مركبات الرصاص بسبب خصائصها غير العادية يمكن أن تؤثر على فشل المنتج. وبالتالي ، بالنسبة لحزم QFP ، فإن خصائص التعب من الرصاص هي المعلومات الأكثر فائدة. بالنسبة إلى BGA ، تكون المعلومات المتعلقة بمتانة المفاصل الملحومة التي تتعرض لتشوه البلاستيك الفوري أكثر فائدة [14]. بالنسبة للمكونات الأكبر ، يوفر Steinberg [62] بيانات عن إجهاد الشد في المفاصل الملحومة.

نماذج فشل المكونات الثقيلة

يتم تقديم نماذج الكسر الوحيدة الموجودة للمكونات الثقيلة في مقالة كتبها Steinberg [62] ، والتي تفحص قوة الشد للمكونات وتعطي مثالًا على كيفية حساب الحد الأقصى المسموح به من الإجهاد الذي يمكن تطبيقه على مركب الرصاص

8.3. استنتاجات بشأن قابلية تطبيق نماذج PoF

تم استخلاص النتائج التالية فيما يتعلق بطرق PoF في الأدبيات.

استجابة المحلية أمر بالغ الأهمية للتنبؤ فشل المكون. كما لوحظ في Li ، Poglitsch [38] ، فإن المكونات الموجودة على حواف لوحة الدوائر المطبوعة أقل عرضة للفشل من تلك الموجودة في وسط ثنائي الفينيل متعدد الكلور بسبب الاختلافات المحلية في الانحناء. لذلك ، سيكون للمكونات في أماكن مختلفة على لوحة الدوائر احتمالات فشل مختلفة.

يعتبر الانحناء المحلي للوحة معيار فشل أكثر أهمية من تسارع مكونات SMT. تشير الأبحاث الحديثة [38،57،62،67] إلى أن انحناء اللوحة هو المعيار الرئيسي للفشل.

أنواع مختلفة من الحزم ، سواء في عدد النواتج أو في النوع المستخدم ، هي بطبيعتها أكثر موثوقية من غيرها ، بغض النظر عن البيئة المحلية المحددة [15.36.38].
درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على موثوقية المكون. صرح Liguore و Followell [40] بأن عمر التعب يكون أعلى في درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية ، مع انخفاض ملحوظ في درجات الحرارة أقل من -30 درجة مئوية وما فوق 95 درجة مئوية. بالنسبة لمكونات QFP ، يعتبر المكان الذي يتصل فيه السلك بالحقيبة (انظر الشكل 4) هو المكان الرئيسي للتلف ، وليس مفصل لحام [15،22،38].

يكون لسمك اللوح تأثير معين على عمر الكلال لمكونات SMT ، حيث تبين أن عمر الكلال لـ BGA ينخفض ​​بحوالي 30-50 مرة إذا زاد سمك اللوح من 0.85 مم إلى 1.6 مم (مع الحفاظ على انحناء كلي ثابت) [13]. تؤثر مرونة (مرونة) المكونات يؤدي بشكل كبير على موثوقية مكونات الرصاص الطرفية [63] ، ومع ذلك ، هذا هو الاعتماد غير الخطي ، واستنتاجات الاتصال الوسيط للعناصر هي الأقل موثوقية.

8.4. طرق البرمجيات

يوفر مركز التميز لتكنولوجيا دورة الحياة (CALCE) بجامعة ميريلاند برنامجًا لحساب الاهتزاز والصدمة في لوحات الدوائر المطبوعة. يحتوي البرنامج (المسمى CALCE PWA) على واجهة مستخدم تعمل على تبسيط عملية بدء تشغيل نموذج FE وإدخال حساب الاستجابة تلقائيًا في نموذج الاهتزاز. لا توجد افتراضات تستخدم لإنشاء نموذج استجابة FE ، ومعايير الرفض المستخدمة مأخوذة من Steinberg [61] (على الرغم من أنه من المفترض أيضًا تنفيذ طريقة Barkers [48]). لتقديم توصيات عامة حول تحسين موثوقية المعدات ، يعطي البرنامج الموصوف نتائج جيدة ، خاصةً لأنه يأخذ في الوقت نفسه في الاعتبار الفولتية المستحثة حرارياً ويتطلب الحد الأدنى من المعرفة الخاصة ، ومع ذلك ، لم يتم تأكيد دقة معايير الفشل في النماذج.

9. طرق لتحسين موثوقية المعدات

سيناقش هذا القسم تعديلات ما بعد المشروع التي تزيد من موثوقية المعدات الإلكترونية. وهي تنقسم إلى فئتين: تلك التي تغير الشروط الحدية للوحة الدوائر المطبوعة ، وتلك التي تزيد من التخميد.

الغرض الرئيسي من تعديلات الظروف الحدودية هو تقليل الانحراف الديناميكي للوحة الدوائر المطبوعة ، ويمكن تحقيق ذلك من خلال تشديد الأضلاع ، أو دعم إضافي أو تقليل اهتزاز وسط الإدخال. يمكن أن تكون أدوات التقوية مفيدة لأنها تزيد من الترددات الطبيعية ، مما يقلل من الانحراف الديناميكي [62] ، وينطبق الشيء نفسه على إضافة دعامات إضافية [3] ، على الرغم من أن موقع الدعامات يمكن تحسينه أيضًا ، كما هو موضح في JH Ong و Lim [40]. لسوء الحظ ، تتطلب الأضلاع والدعامات عادةً إعادة تصميم نظام التخطيط ، لذلك من الأفضل مراعاة هذه الطرق في بداية دورة التصميم. بالإضافة إلى ذلك ، يجب توخي الحذر من أن التعديلات لا تغير الترددات الطبيعية بحيث تتزامن مع الترددات الطبيعية للهيكل الداعمة ، لأن هذا سيكون له نتائج عكسية.

يمكن أن تؤدي إضافة العزل إلى تحسين موثوقية المنتج ، مما يقلل من تأثير الوسط الديناميكي المنقول إلى الجهاز ، ويمكن تحقيقه بشكل سلبي أو نشط.
الطرق السلبية عادةً ما تكون بسيطة وأقل تكلفة للتطبيق ، على سبيل المثال ، باستخدام عوازل الكابلات [66] أو باستخدام خصائص المرونة الزائفة لسبائك ذاكرة الشكل (SMA) [32]. ومع ذلك ، فمن المعروف أن عوازل سيئة التصميم يمكن أن تزيد بالفعل الاستجابة.
توفر الطرق النشطة تخميدًا أفضل على نطاق تردد أوسع ، عادةً بسبب البساطة والكتلة ، وهذا هو السبب في أنها مصممة عادةً لزيادة دقة أدوات الدقة الحساسة للغاية ، وليس لمنع الضرر. يشمل عزل الاهتزاز النشط طرقًا كهرومغناطيسية [60] وطرق كهرضغطية [18،43]. بخلاف طرق تعديل الظروف الحدودية ، يهدف تعديل التثبيط إلى تقليل استجابة الذروة القصوى للرنين للمعدات الإلكترونية ، في حين ينبغي أن تختلف الترددات الطبيعية الفعلية قليلاً.

كما هو الحال في حالة عزل الاهتزاز ، يمكن إجراء التخميد بشكل سلبي ونشط ، مع تبسيط مماثل للهيكل في الحالة الأولى وتعقيد وتخميد أعلى في الحالة الثانية.

تشمل الطرق السلبية ، على سبيل المثال ، طرقًا بسيطة للغاية ، مثل مادة اللصق ، مما يزيد من تخميد لوحة الدوائر المطبوعة [62]. وتشمل الأساليب الأكثر تطوراً تخميد الجسيمات [68] واستخدام ممتص ديناميكي واسع النطاق [25].

عادةً ما يتم التحكم في الاهتزاز النشط من خلال استخدام عناصر بيزوسيرميك مرتبطة بسطح لوحة الدوائر المطبوعة [1.45]. استخدام طرق تصلب هو حالة محددة وينبغي النظر بعناية فيما يتعلق طرق أخرى. إن تطبيق هذه الطرق على المعدات التي لا تعرف أي مشاكل تتعلق بالموثوقية لن يؤدي بالضرورة إلى زيادة تكلفة الهيكل ووزنه. ومع ذلك ، إذا فشل منتج ذي تصميم معتمد أثناء الاختبار ، فقد يكون تطبيق تقنية التصلب أسرع وأسهل بكثير من إعادة تصميم الجهاز.

10. فرص تطوير الأساليب

يشرح هذا القسم إمكانيات تحسين التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية ، على الرغم من أن التطورات الحديثة في الإلكترونيات الضوئية وتكنولوجيا النانو وتكنولوجيا التغليف قد تحد قريبًا من قابلية تطبيق هذه المقترحات. لا يمكن استخدام أربع طرق أساسية للتنبؤ بالموثوقية في وقت تصميم الجهاز. إن العامل الوحيد الذي يمكن أن يجعل هذه الأساليب أكثر جاذبية هو إنشاء تقنيات إنتاج واختبار منخفضة التكلفة مؤتمتة بالكامل ، لأن هذا سيمكن من بناء واختبار التصميم المقترح بشكل أسرع بكثير مما هو موجود في الوقت الحاضر ، مع الحد الأدنى من الجهد البشري.

طريقة PoF لديها العديد من الفرص للتحسين. المجال الرئيسي الذي يمكن تحسينه هو التكامل مع عملية التصميم الشاملة. تصميم المعدات الإلكترونية هو عملية تكرارية تقرب المطور من النتيجة النهائية فقط بالاشتراك مع مهندسين متخصصين في الإلكترونيات والتصنيع وهندسة الحرارة والتصميم الهيكلي. إن الطريقة التي تعمل تلقائيًا على حل بعض هذه المشكلات في نفس الوقت ستقلل من عدد مرات تكرار التصميم وتوفر مقدارًا كبيرًا من الوقت ، خاصة عند النظر في حجم التعاون بين الوكالات. سيتم تقسيم مجالات التحسين الأخرى في تقنيات PoF إلى أنواع من معايير التنبؤ والفشل في الاستجابة.

يحتوي التنبؤ بالاستجابة على مسارين محتملين للتطوير: إما أسرع أو أكثر تفصيلاً أو نماذج مبسطة محسّنة. مع ظهور المزيد والمزيد من معالجات الكمبيوتر القوية ، يمكن أن يصبح وقت حل نماذج FE المفصلة ضئيلًا للغاية ، بينما في الوقت نفسه ، يقلل البرنامج الحديث من وقت التجميع ، مما يقلل في النهاية من تكلفة الموارد البشرية. يمكن أيضًا تحسين أساليب FE المبسطة من خلال عملية إنشاء نماذج FE تلقائيًا ، على غرار تلك المقدمة لطرق FE المفصلة. لهذا الغرض ، يتوفر البرنامج التلقائي (CALCE PWA) حاليًا ، ولكن لم يتم اختبار التكنولوجيا بشكل كافٍ في الممارسة العملية ، والافتراضات التي تم تقديمها أثناء وضع النماذج غير معروفة.

سيكون حساب الخطأ المتأصل في أساليب التبسيط المختلفة مفيدًا للغاية ، مما سيتيح لنا تنفيذ معايير مفيدة للتسامح مع الخطأ.

أخيرًا ، قد تكون قاعدة البيانات أو الطريقة مفيدة لإضفاء مزيد من الصلابة على المكونات المرفقة ، حيث يمكن استخدام تحسينات الصلابة هذه لتحسين دقة نماذج الاستجابة. يعتمد إنشاء معايير فشل المكون على اختلاف طفيف في المكونات المماثلة من مختلف الشركات المصنعة ، وكذلك على التطوير المحتمل لأنواع التعبئة الجديدة ، حيث إن أي طريقة أو قاعدة بيانات لتحديد معايير الفشل يجب أن تأخذ في الاعتبار مثل هذا التباين والتغييرات.

يتمثل أحد الحلول في إنشاء طريقة / برنامج لإنشاء نماذج FE مفصلة تلقائيًا استنادًا إلى معلمات الإدخال مثل أحجام الرصاص والتعبئة. قد تكون هذه الطريقة ممكنة لمكونات ذات شكل موحد بشكل عام ، مثل مكونات SMT أو DIP ، ولكن ليس للمكونات غير النظامية المعقدة ، مثل المحولات أو الإختناقات أو المكونات غير القياسية.

يمكن حل نماذج FE اللاحقة للإجهادات ودمجها مع بيانات عطل المواد (بيانات منحنى ليونة S-N ، ميكانيكا الكسر أو ما شابه) لحساب عمر المكون ، على الرغم من أن بيانات عطل المواد يجب أن تكون عالية الجودة. يجب أن ترتبط عملية FE ببيانات اختبار حقيقية ، ويفضل أن يكون ذلك في أوسع مجموعة ممكنة من التكوينات.

إن الجهد المبذول في مثل هذه العملية صغير نسبياً مقارنة ببديل الاختبارات المعملية المباشرة ، والذي يجب أن يؤدي عددًا كبيرًا من الناحية الإحصائية من الاختبارات للسمك المختلفة من لوحات الدوائر المطبوعة وشدة واتجاهات الحمل المختلفة ، كما تتوفر مئات الأنواع المختلفة من المكونات حتى بالنسبة لأنواع عديدة من الألواح.فيما يتعلق بالاختبارات المعملية البسيطة ، قد يكون هناك طريقة لإضافة قيمة إلى كل اختبار.

إذا كانت هناك طريقة لحساب الزيادة النسبية في الإجهاد بسبب التغيرات في بعض المتغيرات ، على سبيل المثال ، سمك لوحة الدوائر المطبوعة أو حجم الرصاص ، فسيكون من الممكن تقييم التغير في عمر خدمة المكونات. يمكن إنشاء مثل هذه الطريقة باستخدام تحليل FE أو الطرق التحليلية ، مما يؤدي في النهاية إلى صيغة بسيطة لحساب معايير الفشل من بيانات الفشل الحالية.

في النهاية ، من المتوقع إنشاء طريقة تجمع بين جميع الأدوات المتاحة المختلفة: تحليل FE ، اختبار البيانات ، التحليل التحليلي والطرق الإحصائية لإنشاء بيانات الفشل الأكثر دقة ممكنة مع الموارد المتاحة محدودة. يمكن تحسين جميع العناصر الفردية لطريقة PoF من خلال إدخال طرق عشوائية في العملية ، مما يسمح بمراعاة تأثير التباين في مواد المعدات الإلكترونية ومراحل إنتاجها. هذا من شأنه أن يجعل النتائج أكثر واقعية ، وربما يؤدي إلى عملية إنشاء معدات أكثر مرونة للتغير ، مع تقليل تدهور معلمات المنتج (بما في ذلك الوزن والتكلفة).

في نهاية المطاف ، قد تسمح مثل هذه التحسينات بالتقييم في الوقت الحقيقي لموثوقية المعدات أثناء عملية التصميم ، وتقدم على الفور خيارات أكثر أمانًا للمكونات ، أو تخطيطات ، أو توصيات أخرى لتحسين الموثوقية ، مع تضمين قضايا أخرى مثل التداخل الكهرومغناطيسي (EMR) الحرارية والصناعية.

11. الخاتمة

يقدم هذا الاستعراض تعقيد التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية ، ويتتبع تطور أربعة أنواع من أساليب التحليل (وفقًا للكتب المرجعية والبيانات التجريبية وبيانات الاختبار و PoF) ، مما يؤدي إلى تعميم هذه الأنواع من الطرق ومقارنتها. يُشار إلى أن طرق الأدب المرجعية مفيدة فقط للدراسات الأولية ، ولا تكون طرق البيانات التجريبية مفيدة إلا في حالة توفر بيانات زمنية دقيقة ودقيقة ، وطرق بيانات الاختبار ضرورية لاختبارات التأهيل للتصميم ، ولكنها غير كافية للتحسين تصميم.

تعتبر طرق PoF بمزيد من التفصيل عن المراجعات السابقة للأدب ، مع تقسيم الدراسة إلى فئات من معايير التنبؤ واحتمال الفشل. يستعرض قسم "التنبؤ بالاستجابة" الأدبيات المتعلقة بالخصائص الموزعة وشروط حدود النمذجة ومستويات التفاصيل في نماذج FE. يتبين أن اختيار طريقة التنبؤ بالاستجابة هو حل وسط بين الدقة والوقت لإنشاء وحل نموذج FE ، بينما يتم التأكيد مرة أخرى على أهمية دقة شروط الحدود. يتناول قسم "معايير الفشل" المعايير التجريبية والتحليلية للكسر ؛ فيما يتعلق بتكنولوجيا SMT ، يتم تقديم مراجعات للنماذج والمكونات الثقيلة.
لا يمكن تطبيق الطرق التجريبية إلا في حالات محددة للغاية ، على الرغم من أنها تعطي أمثلة جيدة على طرق التحقق من الموثوقية ، في حين أن الأساليب التحليلية لديها نطاق أوسع بكثير من قابلية التطبيق ، ولكن يصعب تنفيذها. يتم تقديم مناقشة مختصرة لطرق تحليل الفشل الحالية القائمة على برامج خاصة. أخيرًا ، يتم استخلاص استنتاجات حول مستقبل تنبؤ الموثوقية ، مع مراعاة المجالات التي يمكن أن تتطور فيها أساليب تنبؤ الموثوقية.