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成功的医疗硬件制造失效分析

十二月 20, 2018 | I-Connect007
成功的医疗硬件制造失效分析

DfR Solutions公司的Dock Brown在SMTAI展会上发表了标题为《医疗硬件制造中的清洁和涂层要求》的主题演讲。Barry Matties和Happy Holden采访了Dock,他向我们介绍了他目前在故障分析中所看到的趋势、“规则与工具”概念,以及在设计周期的早期使用预测工程软件如何帮助预测元件和微孔中的故障并降低成本。

Barry Matties:Dock,能为我们介绍一下DfRSolutions吗?

Dock Brown:DfR Solutions是一家国际性的可靠性咨询公司。公司的技术部分基本上分三个方面,每年进行1,200~1,300次故障分析。我们的雇员中有各种博士学位的材料科学家,包括化学、物理和金属方面的专家。我们首先要做的是了解客户的问题,因为大多数时候,他们并不想只是要一张横截面的图片,而是要我们找到问题的根本原因。

我们会首先尝试彻底了解客户所面临的一系列问题。当获得样品后,我们会非常小心地对待它们,确保获得了已经损坏的样本和完好的样本,因为通常情况下,我们会对两者进行A / B比较。然后,我们会非常小心地对其进行拆卸或做剖切,通常会先进行非破坏性检测。非破坏性检测也能发现问题,即使非破坏性检测看不出问题,它也能帮助我们找出重点。例如,对于一个有问题的600引脚BGA器件而言,我们无法对每个焊点都进行剖切,只能对其中最有可能出现问题的进行剖切。然后在我们发现了BGA焊点失效出现断裂的地方后,还需要确定是金属化层问题还是焊球本身的问题,抑或是焊盘坑裂问题。

我们业务的第二部分是销售用于进行可靠性物理分析的软件包Sherlock。我们将数学建模应用到了涵盖电子应用的各种复杂材料结构中。电路板中可能会含有聚合物、金属、陶瓷等,所有这些材料都具有非常不同的特性,例如应力应变特性、断裂方式等。

Sherlock软件可以仿真所有这些材料。我们将建模与故障分析工作结合在了一起,以实现汽车行业中所谓的“左移”(shift left)。它的含义是不要等到产品开发周期的最后一部分,已经在进行低速初始量产了才开始进行认证测试。如果这时候才发现问题,那么解决这些问题所要付出的成本将会非常高。左移就是他们试图在设计开发过程中,从原理图绘制开始到电路板布局部分就进行故障分析和可靠性物理建模。

Matties:这就是预测工程吧。

Brown:是的。我们能够在软件阶段就仿真出所有可能出现的应力、应变和破裂。如果会出问题的话,当然是越早发现越好。在我的职业生涯早期,曾在Rocket Research Corporation工作过,该公司为卫星和类似的东西制造火箭发动机。这个公司的口号是,如果遇到问题,你想在何时何地发现它?你想在有点苗头的时候就发现它还是爆炸的时候才发现它?在火箭行业中,爆炸是真的爆炸。我们现在就是为人们提供类似的解决方案,它能够完成“左移”,在有苗头时就发现问题,而不是在测试中才发现问题。

Matties:这是一种新的思维转变。寻求这类解决方案的公司是不是越来越多了?

Brown:关注这方面的公司越来越多了,因为这样操作的成本要低得多。您能够更早发现问题,而时间就是金钱。在汽车行业尤其如此。汽车行业正在制定的新标准不仅适用于电路板应用,还适用于集成电路本身。随着集成电路以及电路板外形尺寸的不断缩小,存储器元件和处理器内部的CMOS也不像以前那样长寿了。

在过去,人们会说:“我们用的又不是电子管,是晶体管,全固态的,没有任何活动部件,不会坏掉的。”我们所观察到的是集成电路的几何尺寸在不断缩小,然后在原子水平上,有些东西确实会移动。我们现在可以用数学方法对这种移动进行建模,例如,集成电路金属化中的电迁移。如果半导体制造商想要解决电迁移问题,我们可以帮助他们在量产之前完成这个任务。对于汽车行业的终端用户来说,在如此恶劣的环境中,如果有这样的问题,你会希望能够解决它。

Matties:显然,它是由出现故障会造成的成本所决定的,对吧?成本越高,他们从前端就开始关注的可能性就越大?

Brown:还有故障所造成的后果。

Matties:成本肯定是一部分因素。随着技术的变化,我认为会出现新的故障类型。你们遇到过哪些比较奇怪的故障?

Brown:大约在三年前的SMTA泛太平洋微电子研讨会上,一次演讲让我们所有人非常吃惊。RESRI和IMSin Europe的一些科学家们在研究COTS集成电路的辐射效应。在很长一段时间里,这都不是什么大问题,因为其大多数应用都是在陆地上,而不是航空航天,我们有起保护作用的大气层。在这个演讲中,来自欧洲的科学家们展示的是一架飞机正在经过南大西洋异常区。

南大西洋异常区是地球表面上宇宙辐射水平相当高的一个区域,这与范艾伦辐射带的扭转方式有关。范艾伦辐射带可以屏蔽并隔离地球,使其免受宇宙辐射的侵害。该辐射带上有一个小的扭转,使得巴西海岸附近的南大西洋的电离辐射总数远高于地球表面上的任何其他位置。有一架飞机在经过该区域时,飞行控制系统出现中断。幸运的是,控制系统恢复了,后果只是几个行李架打开了。这是人们越来越关注的另一个领域。随着处理器和存储器的几何尺寸缩小,它们变得更容易受到这些个别事件的影响。

Happy Holden:我对于在会议上出现的陆军、海军和军事承包商的数量感到惊讶,包括SpaceX和其他一些公司,他们都遇到了不能确定原因的故障。这正是举办今天这次研讨会的原因。是否有人来咨询过您关于微导通孔和堆叠导通孔的故障问题?

Brown:我们的Sherlock软件可以很好地模拟微导通孔的这些属性。我们在可靠性故障分析和故障后的横截面中看到的现象是,如果微导通孔结构的制造过程没有问题的话,微导通孔实际上比电镀通孔的导通孔更可靠。

Holden:这是我们所希望的,但有时实际情况并不是这样。

Brown:我们在建模和实验室中所观察到的现象是,把微导通孔堆叠起来实际上不如电镀通孔可靠。那种看起来效果更好的设计配置就是这样一种情况,如果某一条线路必须在板上经过很远的距离,你会前进一段,然后进入内部层,向下走一点,然后再通过另一个地方继续前进。正如我之前所提到的,如今电路板中的这些材料配置结构是非常复杂的。聚合物和金属等都具有不同的特性,所以,您可以对这些微导通孔进行建模,然后看看有可能会出现什么故障。

在大约10年前最初尝试验证这种物理封装的可靠性时,我们在验证过程中遇到了一些困难。我们希望建模的结果与我们在现场或实验室中得到的温度循环或冲击振动的结果之间存在较高的相关性。后来,我们发现这些聚合物的材料特性,例如电路板中的半固化片和层压板,并不完全符合制造商所提供的数据表。X、Y、Z轴的弹性模量和热膨胀系数(CTE)有一些变化,与制造商的数据表不完全匹配。当我们完成验证后,软件开发过程的一部分就是将这些真实的物理常数与它们在电路板结构中的真正作用方式相匹配,而不仅仅是使用聚合物数据表中的内容。

Holden:以前,由于我们认为有遏制程序,所以没有人去咨询DfR这类公司。如果附连板合格了,就会开始组装电路板,但我们从来没弄清楚过这些问题的根本原因。在多达40%的电路板被退货后,才发现遏制程序并没有起到作用,这对于有时间表和截止时间的制造来说非常昂贵。我们有很多能解释这些故障的理论,但从没有找到确凿的证据。

Matties:谢谢您接受我们的采访,Dock。还有什么你认为应该与业界分享的吗?

Brown:我希望广泛传播的一点知识是,工程既是一门科学也是一门艺术,这是我在SMTAI和IPC APEX EXPO的卓越设计课程中也谈到了的事情之一。工程学也是一门艺术就意味着工程师也要发展良好的直觉以及良好的分析技术。分析和计算机仿真都很昂贵,所以不可能分析所有的一切,因此艺术的一部分在于知道何时使用更昂贵的建模技术,何时使用你的直觉。

举一个汽车的例子。过去各行各业都有自己的设计规则。这些温度循环的设计规则源自于相对平缓的昼夜循环,早晨逐渐升温,下午4点左右很热,然后晚上又变冷。第二天早上,还是一个相同的温度和昼夜循环。汽车行业现在发现的现象是,汽车驾驶室内的信息娱乐系统所经历的温度循环曲线截然不同。

比如说你住在亚利桑那州的凤凰城。你早上送孩子们去了学校。放学后带他们去看足球赛,将车停在阳光下,当球赛结束时,把空调开到最大,然后开去吃饭的地方。到了吃饭的地方,你们去吃了冰淇淋和汉堡包,而这辆车在阳光下晒得火热。你们上车时候又把空调开到最大,然后再去杂货店买点东西,我想你应该能明白我想表达的意思了。

实际情况它并不是每天经历一次温和的热循环,而且升降温的速度非常快,汽车驾驶室内的电子设备每天会经历4、5、6次甚至7次热循环,并且它的升降速率非常快,这对焊点的压力很大。我们在建模中所发现的一点是,电路板X轴和Y轴CTE的些许变化,例如从16到13,可以使某些BGA器件的焊点寿命延长一倍。

Holden:你会把这种直觉称为一种技能吗?

Brown:举个例子,人们的直觉会认为电路板的X轴和Y轴CTE的些许变化不会对焊点的寿命造成太大的影响。事实上,需要注意的是,它造成的差异是两倍寿命。对于汽车信息娱乐系统制造商而言,这可能意味着能够满足顶级汽车客户的要求和不合格之间的差异。

 

Holden:我对大学毕业后必须掌握的基本技能或者在大学里没有教,但仍然必不可少的东西非常感兴趣。如果我们回到根本,你会如何定义工程中艺术部分的直觉技能?

Brown:我认为是规则与工具,我们把这个作为今天采访的最后一点吧。在过去,我们有设计规则。我们为医疗、航空电子、工业、汽车和消费产品制定了不同的设计规则。当变化的速度不那么快的时候,这些规则没有什么问题;如今,随着产品外形尺寸的缩小和开发周期缩短,我们需要完成从规则到工具的过渡。这方面的工具有很多,我们的Sherlock可靠性物理建模软件只是其中一个,但是设计工程师需要知道在各种情况下应该采用什么规则和工具。

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标签:
#医疗电子  #PCB  #失效分析 

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