Niezawodność elektroniki to decyzja projektowa

Wprowadzenie

Wysoka niezawodność urządzeń elektronicznych jest kluczowym aspektem we wielu branżach. Typowe obszary zastosowań to: lotnictwo i kosmos (aerospace), systemy bezpieczeństwa w ruchu kolejowym, motoryzacji, urządzenia medyczne podtrzymujące życie oraz inne kluczowe aplikacje, gdzie awaria elektroniki nie jest tolerowana. To nie tylko reklamacje czy akcje serwisowe, taka awaria to także utrata zaufania klienta i często zagrożenie dla zdrowia lub życia.

Zapewnienie wysokiej niezawodności elektroniki jest obecnie dużo trudniejszym zagadnieniem niż w poprzednich dekadach. Coraz większe skomplikowanie sprzętu, miniaturyzacja i presja cenowa powodują coraz większe ryzyko dla jakości elektroniki. Główne czynniki wg mojej oceny:

• Miniaturyzacja. Zmniejszanie odstępów między przewodnikami i wyprowadzeniami podnosi ryzyko wystąpienia takich zjawisk jak: migracja elektrochemiczna (dendryty) oraz CAF.
• Słabe mechanicznie połączenia lutowane. Stosowanie takich komponentów niektóre BTC oraz BGA to kolejny czynnik pogarszający niezawodność (względem tradycyjnych wyprowadzeń SOIC lub QFP).
• Presja cenowa. Oszczędności to najczęściej tańsze zamienniki, lżejsze elementy mechaniczne i cieńsze pokrycia. Zamiennik ma zwykle te same parametry katalogowe co oryginał, ale może różnić się materiałem wyprowadzeń, kwalifikacją (np. brakiem AEC-Q), a często również poziomem odporności na temperaturę i wilgoć.

Problemy z niezawodnością ujawniają się dopiero w eksploatacji, po miesiącach lub latach, gdy kumulują się cykle temperaturowe, zanieczyszczenia, wilgoć oraz wibracje. Dlatego taka miniaturyzacja, tańsze zamienniki i zmiany materiałowe powinny przechodzić przez odpowiednią ocenę ryzyka i kwalifikację a nie tylko przez porównanie parametrów katalogowych.

W tym kontekście warto spojrzeć na niezawodność w szerokim aspekcie, nie tylko jako jakości od strony produkcji, ale także od strony projektu, ponieważ niezawodność musi zostać wbudowana w projekt.

Zapraszam do lektury.

Dobre zasady od początku

Poza zaleceniami podanymi poniżej ważne jest stosowanie dobrych zasad od samego początku - czyli kwestionowanie wymagań, usuwanie zbędnych elementów i upraszczanie konstrukcji, zanim zacznie się ją optymalizować i później automatyzować produkcję. Każdy usunięty komponent i każde uproszczone połączenie to jeden mechanizm uszkodzenia mniej. Mniej elementów = mniej problemów z niezawodnością. Polecam artykuł 5 kroków w projektowaniu wg Elona Muska.

D-FMEA

Jedną z pierwszych metod jakie należy stosować w projektowaniu niezawodnych urządzeń to analiza D-FMEA (Design Failure Mode and Effects Analysis). Ta metoda to analiza ryzyka, która pozwala zidentyfikować szereg potencjalnych problemów w projekcie zanim zostanie on wdrożony do produkcji. Bez D-FMEA nie warto startować dalej. Analiza ryzyka to jeden z filarów procesu projektowania pod kątem niezawodności.

Kluczowe jest podejście. Najpierw wybieramy odpowiednią metodę FMEA (FMEA, FMECA, FMEDA) oraz standard FMEA, który nas dotyczy (np. SAE J-1739 hmm.. to mój ulubiony ;) ustalamy "ground rules", a następnie metodycznie, od D-FMEA systemu (S-FMEA), przechodzimy w dół struktury projektu przez podsystemy, aż do komponentów (jeżeli projektujemy dany komponent). Dla wysokich ryzyk redukujemy dotkliwość skutku (severity), eliminujemy przyczynę (design-level error-proofing) albo przynajmniej zmniejszamy prawdopodobieństwo jej wystąpienia. Podsumowując - redukujemy ryzyko doskonaląc projekt.

DFR

DFR (Design for Reliability) to kluczowy aspekt niezawodności w elektronice. Warto się z tym tematem dobrze zaznajomić, bo DFR zawiera szereg bardzo ciekawych zagadnień. W praktyce projektanta elektroniki, podejście DFR oznacza m.in.:

• Derating komponentów (napięcie, prąd, moc, zakres temperatury pracy) z zapasem odpowiednim do profilu misji.
• Dobór komponentów do środowiska, np. rezystory odporne na siarkę tam, gdzie występuje duże ryzyko powstania siarczku srebra czyli korozji siarkowej.
• Analizę mechanizmów degradacji (pękanie połączeń lutowanych, CAF, migracja elektrochemiczna, korozja, wąsy cynowe) zamiast polegania wyłącznie na teoretycznych założeniach i obliczeniach MTBF.
• Walidację przez testy HALT i HASS.
• Ochronę ESD i EOS na etapie tworzenia schematu i później layoutu PCB.
• i wiele innych.

Standardy IPC

IPC (dziś Global Electronics Association, zob. Co to jest IPC?) pogrupowało swoje normy projektowe w kilka powiedzmy "pakietów" takich jak: zasady projektowania płytek, DFM, materiały i wykończenia oraz zaawansowane obudowy komponentów. To trafny podział, bo odpowiada pytaniom projektanta: jaką płytkę buduję, czy da się ją wyprodukować, z czego ją zrobić i jakie zagadnienia wiążą się z BGA, Flip-Chip czy BTC (QFN, LGA).

Klasa produktu

Projektując wyrób, należy ustalić dla niego tzw. klasę IPC produktu (1, 2 lub 3). Ta klasa ma później kluczowe znaczenie w czasie wykonania PCB (IPC-601x, IPC-A-600) oraz montażu elektroniki (J-STD-001 i IPC-A-610). Zobacz też IPC: Przepływ wymagań oraz IPC: Kryteria pierwszeństwa.

Budowa PCB

Standardy z serii IPC-222x określają szereg zaleceń związanych z doborem materiałów, folii miedzianej, panelizacji i odstępów elektrycznych, wymagań dla montażu komponentów.

• IPC-2221 - zasady ogólne.
• IPC-2222 - płytki sztywne.
• IPC-2223 - płytki giętkie i sztywno-giętkie.
• IPC-2226 - płytki HDI
• IPC-2228 - płytki RF/mikrofalowe.

Więcej o IPC-222x w artykule: IPC-222x - Podstawowe standardy w projektowaniu elektroniki.

DFM i DFA

Zalecenia związane z footprintami SMD (polami lutowniczymi), otworami THT i inne zalecenia pomocne w projektowaniu PCB to głównie IPC-2231 (wytyczne DFX), IPC-7351 (pola SMD), IPC-7352 (pola lutownicze dla komponentów SMD i THT).

Materiały i pokrycia

Seria standardów związanych z materiałami i pokryciami PCB:

• IPC-4101 - specyfikacje dla materiałów bazowych.
• IPC-4103 - laminaty high speed / high frequency.
• IPC-4562 - folie miedziane.
• IPC-4552 - wymagania dla ENIG.
• IPC-4553 - wymagania dla srebra chemicznego (ImAg).
• IPC-4554 - wymagania dla cyny chemicznej (ImSn).
• IPC-4555 - wymagania dla OSP.
• IPC-4556 - wymagania dla ENEPIG.

Wybór pokrycia pól na płycie PCB to decyzja nie tylko o kosztach ale także kwestia jakości i niezawodności. Zobacz Cyna, HASL, ENIG, OSP oraz dodatkowo: Wilgoć w płytkach PCB.

Zaawansowane obudowy

Seria IPC-709x łączy projekt z procesem montażu dla zaawansowanych (czytaj trudnych w montażu) obudów: IPC-7091 (3D), IPC-7092 (komponenty wbudowane), IPC-7093 (BTC: QFN, DFN, LGA), IPC-7094 (flip chip) i IPC-7095 (BGA).

Przykładowy problem w montażu BGA to zjawisko Head in Pillow.

Wąsy cynowe

Aplikacje o wysokiej niezawodności powinny uwzględniać ryzyko wystąpienia zjawiska o nazwie wąsy cynowe (ang. tin whiskers) w przypadku stosowania komponentów z cynowanymi wyprowadzeniami (większość części) oraz w przypadku lutowania za pomocą stopu bezołowiowego.

Czystość jonowa

Czystość płytek elektronicznych to bardzo szeroki temat. Głównie dotyczy to pojęcia czystość jonowa i jest związana z dopuszczalnym poziomem zanieczyszczeń jonowych na powierzchni PCB, które mogą doprowadzić do awarii za sprawą zjawiska określanego mianem migracja elektrochemiczna. Szczegóły zagadnienia opisane są w artykule: Czystość zmontowanych płytek elektronicznych.

Powłoki konformalne

Powłoki konformalne pozwalają na przedłużenie żywotności modułów elektroniki, ale pod warunkiem poprawnego doboru rodzaju powłoki konformalnej oraz metody nałożenia.

Podsumowanie

Niezawodność elektroniki to bardzo szeroki i skomplikowany temat. Same normy i metody nie zaprojektują urządzenia za konstruktora, jedynie pomagają podejmować decyzje na podstawie zebranego doświadczenia w branży, a nie na bazie własnych prób i błędów. Analiza D-FMEA wskazuje, gdzie jest ryzyko, metody DFX i DFR podpowiadają, jak je można ograniczyć. Standardy IPC oraz IEC przekazują sprawdzone kryteria i zapewniają wspólny język między projektowaniem a produkcją.

Jak widzisz, niezawodność należy zapewnić już na etapie projektowania wyrobu. To takie specyficzne połączenie wymagań klienta z praktycznym doświadczeniem, metodami D-FMEA, DFX (DFR) i standardami branżowymi. Niezawodność w elektronice to bardzo, ale to bardzo duży i skomplikowany temat ;)