» Analizy niezawodności układów elektronicznych

Analizy niezawodności układów elektronicznych

ANSYS Sherlock to oprogramowanie wykorzystujące metodę Physics-of-Failure (PoF) do analiz niezawodności (reliability engineering) urządzeń elektronicznych – od wyboru optymalnych komponentów pod kątem zmęczenia termicznego po analizę harmoniczną pełnego układu elektronicznego. Dzięki temu możliwa jest walidacja produktu, materiałów i technologii oraz znajdywanie kompromisu w architekturze układów elektronicznych na wczesnym etapie projektu.

Physics-of-failure

Układ elektroniczny zawiera często kilkaset, a nawet kilka tysięcy elementów które należałoby uwzględnić w tradycyjnej symulacji MES aby określić ich trwałość mechaniczną. Jest tak ponieważ każde złącze lutownicze ma znaczenie. Jednak różnica skal (konieczność uwzględnienia bardzo małych elementów w stosunkowo dużej geometrii) powoduje, że siatka elementów skończonych w takim modelu byłaby gigantyczna i obliczenia trwałyby bardzo długo. A to dopiero siatka z warunkami brzegowymi mielibyśmy jeszcze większy problem. Dlatego też numeryczne metody wybaczania trwałości okładów nie cieszą się popularnością u elektroników.

Physics-of-failure (PoF) to dziedzina nauki zajmująca się modelowaniem fizycznej degradacji w elementach elektronicznych w wyniku działania określonych obciążeń (naprężeń, drgań, temperatury). PoF pozwala np. na zidentyfikowanie szkodliwych częstotliwości drgań własnych, poznanie mechanizmu tworzenia się uszkodzeń oraz określenie obszarów o zwiększonym prawdopodobieństwie awarii. Metoda ta została stworzona, aby precyzyjniej oszacować żywotność układów elektronicznych i poszczególnych komponentów bez konieczności modelowania każdego fizycznego elementu układu elektronicznego.

Uwzględnienie np. współczynnika rozszerzalności cieplnej cyny pozwoliło określić ilość cykli obciążenia termicznego, które wywołają uszkodzenie złącza lutowniczego.

ANSYS sherlock
Model zmęczenia połączenia lutowniczego na skutek działa rozszerzalności cieplnej cyny i po
ANSYS Sherlock
Uszkodzenie zmęczeniowe połączenia lutowniczego

Dlaczego warto korzystać z ANSYS Sherlock?

ANSYS Sherlock był pionierem i pozostaje czołowym oprogramowaniem w dziedzinie wykorzystania PoF w ocenie żywotności elektroniki. Na każdym etapie ANSYS Sherlock pozwala szybko i dokładnie przewidzieć czas życia badanego urządzenia i wybrać najlepszy zestaw komponentów i materiałów. Prosty interfejs i szybkość działania sprawiają, że ANSYS Sherlock idealnie się sprawdza na wczesnym etapie projektowania.

ANSYS Sherlock
Symulacja drgań harmonicznych na płytce PCB

Około 70% kosztów rozwoju produktów elektronicznych pochłania proces iteracyjnego eliminowania problemów pojawiających się w fazie budowania prototypu. Przyczyną jest brak symulacji komputerowej w procesie walidacji projektu. Zamiast tego często stosuje się pętlę: test – niepowodzenie – naprawa – powtórzenie. ANSYS Sherlock pozwala znacząco skrócić ten proces, ponieważ umożliwia konstruktorom dokładne modelowanie zjawisk mechanicznych, termicznych i procesów produkcyjnych, mających kluczowy wpływ na żywotność obwodów drukowanych, płytek PCB, układów scalonych itp.

Ze względu na gigantyczną liczbę elementów w płytkach PCB wykonanie standardowej analizy mechanicznej zawsze się wiązało ze sporym wysiłkiem ze strony elektroników. Właśnie dlatego powstał ANSYS Sherlock, którego kluczowymi zaletami są szybki import i automatyczne przekształcenie geometrii typu ECAD w modele numeryczne, pozwalające na wykonanie np. symulacji mechanicznych. ANSYS Sherlock korzysta z zabudowanej bazy ponad 500 tys. komponentów, która jest ciągle aktualizowana, co dodatkowo skraca czas przygotowania modelu. Każdy komponent ma automatycznie przypisane dane materiałowe – takie rozwiązanie nawet przy małych układach elektronicznych jest dużym ułatwieniem.

ANSYS Sherlock biblioteka
ANSYS Sherlock posiada kompletną bazę komponentów elektronicznych

ANSYS Sherlock to jedyne na rynku oprogramowanie, które dostarcza całościowych informacji o przewidywanej żywotności badanej konstrukcji. Zamiast robić kilka testów zmęczeniowych po tysiące godzin każdy, w ANSYS Sherlock można w kilka minut oszacować żywotność produktu z uwzględnieniem połączeń lutowanych oraz poszczególnych elementów. W efekcie uzyskuje się ogromną oszczędność czasu i pewność, że test walidacyjny się powiedzie. Dodatkowo modele ANSYS Sherlock można wykorzystać do dalszych analiz w środowisku ANSYS Workbench.

Sporą przewagą ANSYS Sherlock jest możliwość uwzględnienia w analizach tzw. technologiczności konstrukcji (design for manufacturability – DFM). Dzięki temu finalny projekt zawiera informacje np. o maksymalnych możliwych naprężeniach w procesie produkcji, co pozwala uniknąć uszkodzeń lutów, płytki drukowanej i komponentów.

ANSYS Sherlock
Wykres prawdopodobieństwa uszkodzenia w zależności od działających czynników oraz ich całkowita suma (czerwony wykres).

Program ułatwia i usprawnia ocenę niezawodności, korzystając z unikatowego procesu podzielonego na trzy etapy: definicji danych wejściowych, wykonywania obliczeń oraz generowania raportu wraz z rekomendowanymi zmianami.

Możliwości w zakresie symulacji niezawodności elektroniki

Na podstawie danych wejściowych z pliku EDA (schematów, layoutu, komponentów) Sherlock automatycznie buduje model obliczeniowy, identyfikując komponenty i zadając odpowiednie własności materiałowe (dostępna biblioteka obejmuje: komponenty laminaty, układy scalone i spoiwa lutownicze).

W programie można wykonać kompleksową analizę niezawodności. Umożliwia on konstruktorom przeprowadzenie kompleksowej symulacji z uwzględnieniem pracy w różnych warunkach, transportu urządzenia, a także mechanizmów awarii, które mogą się pojawić w trakcie życia produktu.

Symulacje w ANSYS Sherlock obejmują m.in.:

  • thermal cycling,
  • mechanical shock,
  • natural frequency,
  • harmonic vibration,
  • bending,
  • integrated circuit/semiconductor wearout,
  • thermal derating,
  • condictive anodic filament (CAF) qualification,
  • high-fidelity PCB modeling.

Dostępne raporty z symulacji i zalecenia obejmują:

  • life curve,
  • red-yellow-green risk indicators,
  • tabular display,
  • graphical overlay,
  • binned results based on reliability goals,
  • automated report generation,
  • locked IP model for review by suppliers/customers.

ANSYS Sherlock to nie dodatek do procesu projektowego, ale kluczowe narzędzie dla inżynierów i specjalistów elektroników. Pozwala uniknąć budowy nieudanych prototypów oraz precyzyjnie oszacować żywotność elementów i układów elektronicznych bez konieczności wykonywania testów fizycznych (które często bardzo długo trwają). Przy tym jest bardzo prosty w obsłudze, a zabudowana biblioteka komponentów nie tylko przyspiesza czas budowy modelu, lecz również minimalizuje prawdopodobieństwo popełnienia błędu przy ustawianiu symulacji. Dodatkowo ANSYS Sherlock współpracuje z flagowymi modułami ANSYS, poszerzając obszar badań symulacyjnych, które można przeprowadzić na etapie projektowania produktu.

ANSYS Sherlock
Widok interfejsu ANSYS Sherlock

Autorzy:

Tomasz Kądziołka, MESco sp. z o.o.
Jacek Maj, MESco sp. z o.o.