При определении надежности изделия и потенциальных рисков отказа электронного оборудования инженеры часто используют два типа анализа надежности: анализ среднего времени между отказами (средней наработки на отказ, MTBF) на основе нормативных документов и стандартов и анализ физики отказов на основе моделирования.
Существует ряд ограничений, возникающих, когда инженеры полагаются исключительно на методы прогнозирования надежности, основанные на данных нормативных документов. В этой статье мы обсудим потенциальные последствия использования только справочников данных по надежности и преимущества применения моделирования для анализа надежности изделий.
Что такое среднее время безотказной работы?
MTBF, среднее время безотказной работы – это время, прошедшее между присущими механической или электронной системе отказами при условиях нормальной работы системы. Для такого анализа используется эмпирический расчет интенсивности отказов, основанный на исторических данных о компонентах. Эти данные собираются независимо друг от друга в различных справочниках, таких как Telcordia SR-332 и MIL-HDBK-217.
Существует ряд ограничений, возникающих, когда инженеры полагаются только на метод MTBF, опираясь на справочники данных и стандарты по надежности:
1. Завышение и занижение прогнозируемого времени между отказами
Метод MTBF предполагает, что отказы носят случайный характер и происходят с постоянной частотой. Это является одним из его недостатков, поскольку данное предположение не всегда верное. Исследования показали, что рассчитанная интенсивность отказов может сильно отличаться в разных справочниках (например, в MIL и Telcordia), причем данные справочника также могут отличаться и от фактических данных. Хуже того, они могут варьироваться в обе стороны, как завышая, так и занижая прогнозируемое время между отказами.
Таблица 1: Общий итоговый результат анализа MTBF
Failure rate (Failures/109 hours) – Интенсивность отказов (Кол-во отказов/109 ч)
MTBF (hours) – MTBF (часы)
MTBF (years) – MTBF (годы)
2. При расчете средней наработки на отказ учитываются не все проектные решения
Потенциально самым большим ограничением при анализе MTBF является то, что он не учитывает совместную взаимосвязанную работу рассматриваемого узла с другими деталями и узлами. Первоначальные исходные данные для анализа включают информацию о компонентах, которую можно найти в спецификациях материалов (BOM) и компонентов, а также в описании общих условий эксплуатации. Однако по мере изготовления изделия невозможно ввести более подробные данные, такие как детальная геометрия корпуса, компоновка платы, крепление и т.д., которые позволили бы инженерам оценить надежность в процессе проектирования платы. Это чрезвычайно ограничивает возможности. Анализ MTBF не учитывает критические особенности конструкции, которые потенциально могут оказать значительное влияние на отказ изделия – например, близость точек крепления (являющихся концентраторами напряжений) к чувствительным компонентам или влияние неправильно выбранного материала корпуса на механическую надежность.
3. Недостаточно полные входные данные об окружающей среде и нагрузках
В руководствах MIL и Telcordia определены строгие качественные условия, в которые должны быть помещены электронные узлы перед испытанием на надежность. Эти условия определены стандартом Telcordia и включают наземную стационарную среду (шкаф на производстве), наземную мобильную среду (при установке оборудования на устройстве), воздушную среду и т.д. Каждой из этих сред соответствует коэффициент Pi, который определяет общую интенсивность отказов каждой электронной детали. По мере ужесточения параметров окружающей среды увеличивается коэффициент Pi, а также растет и интенсивность отказов компонентов.
Таблица 2: При расчете среднего времени безотказной работы учитывается установившаяся температура окружающей среды (температурный коэффициент). Предполагается, что интенсивность отказов увеличивается с ростом температуры (предположение, которое не обязательно верно). MTBF может учитывать различные температурные режимы продукта и время работы при этих температурах, но обычно он не учитывает тепловые циклические нагрузки, как показано на рисунке. Источник: Ansys
Thermal profile – профиль температур
Temperature (С) – Температура (С)
Time (hr) – Время (ч)
К сожалению, при использовании этого метода невозможно учесть конкретные условия нагружения узла. Также при анализе MTBF на основе справочных данных трудно, если вообще возможно, учесть конкретные профили ударов, вибрации или подробные тепловые характеристики рабочей среды. Как правило, инженерам приходится выбирать в справочнике среду, которая лучше всего подходит в их случае. А поскольку справочник не может охватить нюансы каждой конкретной среды использования, могут возникать ошибки.
Преимущества анализа физики отказов на основе моделирования при проведении испытаний на надежность
RPA – это методология разработки технических изделий, при которой для создания безотказных продуктов и систем используются модели механизмов отказа и другие знания, разработанные теорией отказов (PoF). Опираясь на моделирование, RPA может предоставить инженерам практическую информацию о рисках отказа продукции, зачастую гораздо более точную и подробную, чем основанные на справочниках данные об MTBF.
Три основных преимущества RPA при испытаниях на надежность:
1. Надежные и эффективные данные
Методология теории надежности основывается на выявлении причинно-следственных связей между физическими процессами во время сборки. А методы MTBF на основе справочных данных в большей степени связаны с объединением данных в единое значение для сравнительных целей. RPA глубже изучает причины отказа определенных деталей в конкретных условиях, предоставляя инженерам ценные практические сведения, которые могут помочь при проведении последующих итераций разработки конструкции.
Таблица 3: Ansys Sherlock использует параметры геометрии для определения того, как расположение компонентов и размеры платы влияют на потенциальные типы отказов. Источник: Ansys
Кроме того, RPA предоставляет более практичные данные, поскольку при оценке надежности учитываются конкретные параметры геометрии и условия окружающей среды. Без оценки надежности, основанной на моделировании, инженеры-разработчики могут не обнаружить потенциальных проблем в конструкции до тех пор, пока не создадут прототип и не проведут физические испытания плат. Однако, проведя анализ механического удара методом конечных элементов и проанализировав полученные деформации платы с помощью теории надежности, можно определить компоненты с высоким риском и предложить методы снижения риска, такие как изменение расположения точек крепления или уменьшение плотности расположения компонентов на печатной плате.
Основная философия RPA заключается в том, чтобы помочь инженерам лучше понять, как и почему происходят потенциальные отказы устройств, чтобы они могли с большей эффективностью предотвратить эти риски – в отличие от метода MTBF, который может сообщить лишь то, с какой частотой устройство выходит из строя.
2. Подробные исходные данные для построения модели и данные о нагрузках
Одним из недостатков метода MTBF является ограниченный набор критериев для входных данных для построения модели и применения нагрузки. Именно здесь наглядно видны преимущества RPA на основе моделирования. С помощью моделирования инженеры могут построить трехмерную модель изделия и включить в нее такие важные параметры, как форма и вес компонентов, условия установки платы и ее толщина. Кроме того, это дает инженерам возможность усовершенствовать процесс проектирования и учесть влияние корпусов или других опорных конструкций, спуститься на уровень ниже и рассмотреть отдельные компоненты и то, как такие внутренние особенности, как крепление кристалла или форма выводной рамки, влияют на надежность всего изделия.
Таблица 4: Пример результатов RPA-анализа блока печатных плат (PCBA), показывающий ударные деформации, рассчитанные с помощью моделирования, и оценку надежности. Источник: Ansys
Включение таких характеристик в анализ позволяет инженерам учесть эффекты, потенциально влияющие на поведение изделия при отказе – например, критический уровень деформаций из-за чрезмерных нагрузок, а также формы колебаний и собственные частоты в системе.
3. RPA позволяет выполнять множество итераций
Последнее важное преимущество RPA заключается в том, что благодаря своей итерационной природе оно позволяет инженерам пересчитывать надежность на протяжении всего процесса проектирования. В процессе оценки надежности фиксируется геометрия и конкретные условия эксплуатации, которые могут непосредственно влиять на надежность сборки. Кроме того, появляется возможность быстро выполнять итерации и вносить изменения в конструкцию, например, менять расположение точек крепления, условия эксплуатации или расположение компонентов. Этот тип анализа позволяет оптимизировать такие изменения, определить, как они повлияют на риски отказа изделия, и сделать вывод о том, какие изменения принесут наибольшую пользу общей конструкции изделия. Именно это делает моделирование физики отказов чрезвычайно мощным инструментом, гораздо более эффективным по сравнению с анализом MTBF.
Узнать больше о возможностях Ansys Sherlock вы можете на вебинаре:
Применение решений Ansys для повышения надежности электроники
Оригинал статьи: https://www.ansys.com/blog/3-reasons-why-you-should-use-reliability-physics-analysis-over-mean-time-between-failure