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麦可罗泰克:PCB寿命预测

十月 19, 2021 | Bob Neves, 麦可罗泰克中国实验室CTO
麦可罗泰克:PCB寿命预测

不断有新产品、新设计推出的今天,仍然面临亘古不变的问题——产品寿命有多久?质量如何?PCBA是由多种材料、元件及互连结构组成的复杂系统,各要素均正常工作才能保证产品在预期寿命内可靠运行。只要其中任一部分出现故障,产品寿命就会大打折扣。

为应对失效导致的产品寿命缩短,首先要对产品寿命产生影响的因素进行分类;其次,PCBA在元件连接过程中会承受高温,每个部件在连接工艺前后产生变化,任何加速老化测试前,需要模拟连接工艺,以便更准确了解PCBA的真实预期寿命。

毫不夸张地说,评估PCBA系统中的所有部件和子系统是一项艰巨的任务,因此我倾向遵循帕累托原则,把评估清单缩减到更易管理的范围 。帕累托原则是指80%的后果来自20%的原因。这一至理名言是约瑟夫•朱兰提出的,他研究了维尔弗雷多•帕累托的著作,并于1951年出版了《质量控制手册》——至今仍是质量管理和质量控制的理论基础。

 

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接下来是找出并避免导致多数产品寿命出现问题的原因,如有源和无源元件、PCB、子系统、连接器、线束等。同时,还要确定如何评估和量化失效因素产生的影响。

谈及产品寿命 ,总会提到“早期失效”“致命异常”“长期可靠性”“威布尔分析”和“潜在缺陷”等术语。还有很多缩略词已经从3个字母上升到4个字母:ESS(environmental stress screening,环境应力筛选)、HATS(highly accelerated thermal shock,高速热冲击测试)、HAST(highly accelerated stress testing,高加速应力测试)、HALT(highly accelerated life testing,高加速寿命测试)、HASS(highly accelerated stress screening,高加速应力筛选)、MTBF(mean time between failure,平均无故障时间)和老化(burn-in)。

另一分支是看手相的算命先生,我指的是科学家和工程师,他们的工作就是预测产品的寿命。您的汽车、电视或手机部件是否刚过保修期就坏了?是的,这些算命先生早有预言,要不然,为何他们要制定保修条款呢?

 

如何量化寿命期间承受的应力

“我不可能等几年,有没有办法加速老化?”这是我经常听到提问,也是寿命预测这一神秘艺术的核心。目前,一般通过加速应力测试来预测产品的寿命。其原理是通过增加产品所受的应力,产品寿命会以可测量的增量加速终止 。医学界以此方法预测人类的寿命。将寿命测试的加速应力与实际的环境相关联才是真正的挑战。全面评估产品在使用寿命期间经历的力学和环境条件后进行加速,同时规避实际使用中不会出现的因素,就可以量化产品在其寿命期间承受的应力。

力学应力通常与产品在实际使用中可能出现的跌落、振动、摇晃、震动和碰撞有关。环境应力包括产品在其预期寿命期间经历的大气条件(热、湿度、光、天气、气压等)。 许多情况下,产品还会产生运行小环境。

为制定有效的加速产品老化筛选方案,必须考虑产品运行、储存和使用期间出现的所有力学和环境条件。评估产品组装、交付和设置期间所经受的非运行性力学应力和环境应力也很重要,因为这可能是产品寿命期间承受的最大应力。

 

GUESS测试

目前最常用的加速寿命测试是GUESS(grossly un-correlated and exaggerated stress,简称GUESS,极其不相关和夸大的应力)测试。关于GUESS测试的文献有很多,人们讲述 GUESS测试的各种经历,以及从中获得的数据,就像讲述被UFO绑架的经历一样。许多GUESS测试都有其古老的历史,文献中提及的各种 GUESS测试通常都基于信仰、传闻或轶事 ,而不是科学。这些测试方法毫无来由,却在工程师间或者公司之间代代相传。

如今更多人使用Spock方法来确保产品的寿命。当产品要发货时,发货员举起右手,分开中指和无名指,心中默念“长寿和繁荣”。

 

产品寿命的预测

产品使用时长?当产品设计、供应链和可使用的元件不断“变化”时,回答这个问题很困难。让工程师预测产品寿命挑战巨大,需要对加速应力测试中获得的数据进行仔细权衡,花费时间和金钱去分析影响产品寿命的因素。

 

更多内容可点击这里查看,文章发表于《PCB007中国线上杂志》10月号,更多精彩原创内容,欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

标签:
#PCB  #EMS  #麦可罗泰克  #PCB寿命  #预测 

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