Sherlock


PCB可靠度模擬分析

Sherlock的可靠度模擬分析功能

•導電通孔 (PTH :Plated through hole ) 壽命/失效概率
•導電陽極絲 (CAF :conductive anodic filament )導致的失效
•熱循環導致的焊點壽命/失效概率
•振動導致的焊點壽命/失效概率
•機械衝擊導致的元件連接壽命/失效概率
•PCB中元件失效率(基於溫度對元件失效率的影響模型)
•PCB板的壽命/失效概率
•DFMEA:Design Failure Mode and Effects Analysis

為什麼需要利用CAE模擬技術(Sherlock)預測PCB可靠度

在進行功能、特性設計的同時,針對電路產品在以後工作條件和應用環境下,以及在規定的工作時間內可能出現的失效模式,採取相應的設計技術,使這些失效模式能得到控制/消除,以減小/消除這些失效模式的影響。
其中最基本的工作是在設計階段類比模擬產品在以後工作條件和應用環境下,以及在規定的工作時間內的可靠度狀態進而確定應採用的可靠度增長措施,並模擬驗證可靠度增長的效果。
利用CAE模擬技術預測電路系統可靠度的層次:
•元件的可靠度設計;
•電路系統的可靠度設計
•PCB的可靠度設計

Sherlock軟體介紹:

資料介面及功能描述:
基於現有的PCB設計軟體(如:Cadence Allegro PCB,Mentor PADS/Expedition/Boardstation/Zuken/Altium/Protel等)輸出具有工業標準的ODB++資料文件,Sherlock直接輸入該資料檔案,並配置PCB可靠度分析所需要的資料資料,Sherlock分析該PCB在工作過程中所受各種應力作用下的工作壽命/失效率。
Sherlock運行的軟體平臺
•Windows .NET Framework 3.5 SP1 ;
•Java 1.7+ Runtime Environment (64-bit版本);
•Adobe Reader 8.x 以上 (或者 PDF viewer)

Sherlock採用的Project管理模式

一個Project包含四方面內容:
•PCB設計檔 ;
•環境及應力設置 ;
•可靠度分析任務要求;
•模擬結果輸出

Sherlock可靠度分析功能及對應影響分析介紹:

導電通孔失效 (PTH:Plated through holes又稱為PTV: plated through vias)

失效分析:PCB上的通孔相當於在PCB板上存在許多“鉚釘“,通孔處必然存在有應變/應力,可能產生裂紋。在外界應力作用下,裂紋會進一步擴展導致通孔斷裂。
影響通孔失效的因素:溫度變化範圍、通孔直徑、通孔內金屬鍍層厚度、金屬銅材料特性、PCB板厚度、鍍層品質等。
導電陽極絲 (CAF : conductive anodic filament )導致的失效

什麼是CAF:高溫高濕環境下PCB絕緣層中沿玻璃纖維產生的導電微通道。
CAF 產生的物理過程:在高溫高濕的條件下,PCB內部的樹脂和玻纖會發生分離並形成可供銅離子遷移的通道(分離過程)。此時若在兩個相互絕緣的通孔之間存在電位差,那麼高電位處(稱為陽極)的銅被氧化成的銅離子在電場的作用下向低電位處(稱為陰極)遷移(電化學遷移過程)。在遷移的過程中,與板材中的雜質離子 或OH結合,生成了不溶于水的導電鹽,並沈積下來,在兩絕緣通孔之間形成絲狀導電微通道。

常見的三種CAF失效模式:
孔與孔、 孔與線、 線與線之間的短路失效。
影響CAF的主要因素:電場大小、溫度、濕度、絕緣材料特性、焊接溫度、工藝缺陷等。

熱循環導致的焊點壽命/失效概率物理過程:
在存在溫度變化的條件下,由於元件以及PCB板具有不同的熱膨脹係數(CTE:coefficient of thermal expansion ),導致焊點處焊料層出現裂紋。隨著溫度變化幅度增大,高低溫循環次數增多,裂紋擴展,最終會導致焊點連接失效。影響壽命/失效因素:最高、和最低溫度範圍、高低溫變化的轉換時間長短、元件結構與材料特性、焊料特性、焊點形狀、PCB板厚度等。

機械振動導致的焊點壽命/失效概率物理過程:
在存在振動的條件下,PCB板不同位置會發生不同程度的形變,可能導致焊點處焊料層出現裂紋。隨著振動幅度增大,振動次數增多,裂紋擴展,最終會導致焊點連接失效。影響壽命/失效的因素:振動類型、振動譜、PCB板的固定方式、元件結構與材料特性、元件放置位置、焊料特性、焊點形狀、PCB板尺寸和形狀等
機械衝擊導致的元件連接壽命/失效概率
物理過程:在存在機械衝擊的條件下,導致元件以及焊點處焊料層發生應變,出現裂紋,甚至會導致元件“抬起”的驗證後果。
影響壽命/失效因素:衝擊類型和衝擊譜、PCB板的固定方式、元件結構與材料特性、元件放置位置、焊料特性、焊點形狀、PCB板尺寸和形狀等

設計失效和影響分析(DFMEA):
設計失效和影響分析(DFMEA)是在電子產品設計的關鍵過程。它允許設計工程師在設計過程的早期發現和糾正潛在失效模式,全面提高產品可靠度,降低成本並提高客戶滿意度。但與日益複雜的電子元件,完成DFMEA所需的時間可能需要幾個星期,增加了成本和產品延誤。Sherlock提供了智慧的自動化設計分 析流程,分析時間通常只要幾秒鐘,這説明客戶每年節約數以百計的工時。

Sherlock案例分析介紹

案例一、有鉛焊料與無鉛焊料對可靠度的影響
模擬分析結果表明,採用有鉛焊料,工作時間10年時,累計焊點疲勞失效約20%,小於閾值30%,滿足工作10年的要求。

模擬分析結果表明,採用無鉛焊料,工作時間尚未達到10年,累計焊點疲勞失效已超過30%的閥值。

 
採用Sherlock軟體,僅花費了不到5分鐘的時間就完成了有鉛焊料與無鉛焊料對可靠度影響的定量模擬對比分析。結果表明,對於航太類的用戶如果將焊錫換為無鉛材料。會對產品可靠度帶來不利的影響。

案例二、固定螺栓對可靠度的影響以及固定螺栓最優位置的確定
某工業控制產品在振動試驗中由於發生共振發生了失效。確定增加一個安裝螺栓。採用Sherlock分析技術,快速確定增加的安裝螺栓的最優位置,使固有頻率發生較大變化,確保能夠消除設計存在的共振問題。
進行這種“what if”模擬分析的時間也少於5分鐘。

案例三、由失效原因分析確定可靠度增長措施,並模擬驗證可靠度增長效果
初始試驗中發生幾個元件的焊點疲勞導致產品失效。採用Sherlock工具成功預測出失效模式與原因,與生產廠家試驗結果一致;基於失效物理分析,確定應採取的可靠度增長措施後,通過Sherlock工具可靠度模擬,結果表明,改進後的產品設計能夠滿足工作10年的可靠度要求。
分析過程不到一天,保證了產品開發進度。

案例四可靠度加速試驗條件的確定
試驗計畫需要足夠的應力條件,使得試驗時間足夠短,以滿足嚴格的產品開發時間進度要求。但應力值不能大於規範,以防止引起非代表性產品故障。採用 Sherlock工具模擬產品在不同工作條件組合下的可靠度狀態,就可以確定一組合適的加速試驗條件。
 

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