Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Уменьшение числа отказов печатных плат от вибрационного воздействия

Введение

Определение физических ограничений и проблем возникновения усталости конструктивных элементов для производства имеет важное значение, поскольку от этого зависит количество отказов платы. В суровых условиях усталость может быть причиной до 20% отказов. Xpedition® Design for Reliability (DfR) позволяет проектным группам моделировать эффекты вибрации и ускорения в процессе создания проекта для своевременного обнаружения проблем, повышения качества разработки и сокращения времени вывода продукта на рынок.

Почему необходимо учитывать последствия вибрации?

Многие современные продукты должны работать в экстремальных условиях окружающей среды в течение сотен часов. Определение физических ограничений и проблем связанных с усталостью конструктивных элементов оборудования до начала производства позволяет снизить количество отказов платы и сократить время вывода продукта на рынок. В суровых условиях эксплуатации количество отказов по причине усталости может составлять более 20%.

В настоящее время, большинство разработчиков используют различные методики проверки оборудования на предмет устойчивости к вибрации и чрезмерному ускорению, чтобы гарантировать надежность продукта. Это достигается за счет разнопланового тестирования в условиях значительно более суровых, чем фактические нагрузки при эксплуатации. Таким образом, выявляются сбои и слабые места в новом продукте перед его отправкой в жизнь.

Общие методы проверки

Тестирование на устойчивость к вибрации и чрезмерному ускорению (также известное как физическое HALT - Highly Accelerated Lifecycle Testing) составляет базовую основу для обеспечения надежности продуктов и выявления потенциальных отказов продукта из-за факторов окружающей среды.

В настоящее время большинство проектировщиков полагаются на физическое тестирование для определения проблем с надежностью (рис. 1). Это дорогостоящий и разрушительный процесс, который может занять до четырех месяцев на каждый вид оборудования и обходится компании в среднем в 30 000 долларов на один продукт. Из-за особенностей и различия в алгоритмах работы тестового оборудования, результаты могут отличаться, что потенциально может не выявить функциональные ограничения компонентов, которые могут выйти из строя в полевых условиях. Из-за высокой стоимости и часто разрушающего воздействия, только несколько прототипов проходят испытания на устойчивость к вибрации и чрезмерному ускорению.

Рис. 1. Схема проектирования с этапами тестирования на отказоустойчивость

Из-за финансовых затрат и времени на тестирование прототипов разработчики часто добавляют этап проверки с использованием полноформатного тестового оборудования в конце процесса проектирования (рис. 2). Хотя это и улучшает процесс создания нового продукта, но у него все еще есть ограничения, в том числе: трудоемкая разработка библиотеки / модели; длительные циклы настройки и моделирования. Все это означает, что даже при наличии тестовой лаборатории, тестирование на заключительных этапах не может обеспечить 100% тестового покрытия.

Рис. 2. Выполнение тестирования на механическое воздействие перед изготовлением прототипа устройства

Чтобы оптимизировать процесс разработки и свести к минимуму время между обнаружением и устранением конструктивных недочетов, моделирование необходимо перенести на стадию проектирования (рис. 3). Для эффективности анализ должен быть тесно интегрированным и простым в использовании, чтобы инженеры имели возможность проводить тесты параллельно процессу проектирования. Тогда появляется возможность избежать большинство проблем во время проектирования и позволяет экспертам по надежности провести более глугокое тестирование скрытых проблем на заключительном этапе с помощью тестового оборудования или физического HALT.

Рис. 3. Оптимальный процесс, в котором анализ интегрирован в этап проектирования

Чтобы провести достоверное моделирования вибрационных эффектов необходимо найти точку (или поверхность) с "нулевой" деформацией. Затем задаются параметры воздействия, причем часто инженеру-механику приходится тратить много времени на настройку параметров среды, необходимой для проверки надежности электрической платы. Этот процесс очень трудозатратный, поскольку требуется несколько недель на выполнение одного моделирования (рис. 4).

Рис. 4. Создание модели среды (вверху) и граничные условия (внизу) в программе моделирования вибрации

Доступ к информации стандартных компонентов различных производителей имеет решающее значение для успешного проектирования при разработке нового продукта. Модели должны включать не только физические параметры, но и параметрическую информацию, которая обеспечивает достоверность расчетов. Например, каждая модель должна обладать физическими и материаловедческими свойствами, чтобы иметь возможность определения массы, упругости и др. свойств, необходимых при анализе воздействия механических вибраций (рис. 5).

Рис. 5. Библиотечные 3D модели, используемые для аналитического моделирования

Достоверная настройка параметров среды обеспечивает моделирование приближенное к натуральным испытаниям и позволяет выявлять большинство проблем уже на этапе проектирования. Это сокращает как время выхода продукта на рынок, так и необходимость в дополнительных итерациях.

Рис. 6. Результаты упрощенного моделирования

Моделирование вибрации и ускорения - это линейный статический анализ, который позволяет выявлять показатели надежности путем приложения силы, вызывающей нагрузку на плату. Анализируя напряжение, создаваемое на плате, вы сможете определить степень безопасности компонента. С помощью моделирования вибрации и ускорения вы сможете приложить ускоряющую нагрузку во всех направлениях, что позволит вам определить, где плата будет испытывать нагрузку во время коммерческого использования (рис. 7).

Рис. 7. Определение максимального деформации QFN отказавшего компонента

После того, как неисправные детали были идентифицированы, необходим интерфейс анализа результатов, чтобы определить факторы, вызывающие отказ детали, с полноценной анимацией.

Завершающие испытания на вибрационном оборудовании

Проверка на стендах необходима для определения эксплуатационных нагрузочных пределов, которым будет подвергаться продукт. После выявления слабых мест инженер по надежности может предпринять корректирующие действия, чтобы освободить проект от потенциально слабых мест. Это позволяет разработчикам повысить качество конструкции и минимизировать риск дорогостоящего отзыва из-за проблем с надежностью.

Системы формирования физической вибрации обычно включают и возможность испытания при критических значениях температуры, термоциклирование и случайные вибрационные воздействия, что определяет потенциальные недостатки конструкции исследуемой системы. Этот процесс обычно состоит из трех этапов: (1) быстрое термоциклирование, (2) вибрационное напряжение и (3) комбинированные воздействия - вибрация и быстрые тепловые переходы. Система исследуется на каждом этапе и в случае сбоя, выявляется проблема и вводится временное изменения, позволяющее продолжить тестирование и выявить дальнейшие проблемы. По мере того, как выявляются проблемные области, одновременно увеличивается надежность изделия.

Заключение

Существует множество конструктивных проблем, с которыми современные электромеханические конструкции должны сталкиваться и преодолевать в суровых условиях, поскольку приложенное напряжение и вибрация могут вызвать отказы компонентов в полевых условиях. С помощью моделирования вибрации и ускорения вы сможете сразу выявить эти критические проблемы еще до того, как продукт будет запущен в производство.

С помощью Xpedition® Design for Reliability (DfR) проектные группы могут виртуально моделировать эффекты вибрации и ускорения на протяжении всего процесса создания проекта. Эта возможность виртуально запускать моделирование на каждой плате, которая проходит процесс разработки, позволяет обнаруживать проблемы на раннем этапе процесса проектирования, прежде чем плата будет отправлена производителю, тем самым улучшая качество дизайна и сокращая время вывода продукта на рынок.