Spolehlivost v elektronice a software pro její analýzu

Když se mluví o spolehlivosti elektronického zařízení, mají se často na mysli problémy spojené s jeho výrobou. Na první pohled to má smysl, protože se předpokládá, že ve stadiu vývoje byly potřebné kontroly učiněny – schematické zapojení obvodů bylo zkontrolováno nástroji schematického editoru – ERC, stejně jako deska plošných spojů byla zkontrolována na dodržení návrhových pravidel – DRC. Problémy se spolehlivostí jsou potom připisovány na vrub použitým součástkám a výrobním procesům, jako jsou např. osazování a pájení.

Taková úvaha má ale několik nedostatků – kde se bere ohled na výkonové a teplotní zatížení součástek nebo třeba na vlastní typ součástky či provedení desky plošných spojů? Není těžké si představit, že součástka vytížená na hranu svých povolených hodnot představuje pro spolehlivost vyšší riziko než součástka předimenzovaná. Podobně je známé, že určité typy součástek jsou pro dané aplikace více spolehlivé než jiné, i když mají stejné jmenovité hodnoty. A co provedení desky plošných spojů, vibrace a způsoby pájení? Nemohou snad ohrozit její spolehlivost? Ve všech těchto a dalších případech nezaznamenají kontroly v návrhových programech žádné problémy, elektricky je vše v pořádku.

A přesto je mnoho situací, kdy výrobce daného zařízení potřebuje mít k dispozici alespoň kvalifikovaný odhad spolehlivosti. Není to jen proto, aby mohl zaručit dobu jeho bezproblémového chodu, ale i proto, aby měl vodítko už pro vývoj zařízení z pohledu požadované spolehlivosti. K tomu slouží analýzy spolehlivosti, které využívají tzv. fyziky selhání elektroniky. Článek [1] vysvětluje, proč a jak se spolehlivostí elektroniky zabývat.

V dnešní době, kdy bývají elektronická zařízení poměrně složitá, je analýza spolehlivosti jejich jednotlivých částí náročnou úlohou, která přesahuje možnosti manuálního zpracování. Jak by se dalo očekávat, existují pro tuto úlohu programy, které se dovedou s potřebným množstvím dat vypořádat. Jejich výsledkem bývá střední doba mezi poruchami (MTBF – Mean Time Between Failure) a celá řada hlášení o stavu analyzovaného návrhu z pohledu spolehlivosti – ty potom slouží jako zdroj informací pro případné zlepšení situace, a to ještě ve stadiu vývoje, před započetím vlastní výroby.

Spolehlivost celého zařízení je dána spolehlivostí nejslabšího článku v řetězci, který zahrnuje všechny možné vlivy na spolehlivost. Ty můžeme zjednodušeně rozdělit na elektrické a mechanické, kdy pod elektrickými rozumíme součástky z pohledu elektrického namáhání a pod mechanickými provedení součástek a desky plošných spojů včetně pájených spojů, mechanického zatížení v podobě vibrací, teplotních šoků atd. Ve skutečnosti není takovéto dělení jednoznačné a obě oblasti se částečně překrývají.

Na obr. 1 je znázorněn graf, který jako příklad ukazuje úroveň spolehlivosti v závislosti na elektrickém namáhání součástek a jejich teplotě. Spolehlivost je zde přitom obráceně vyjádřena pojmem Failure (selhání, porucha). Z obrázku je vidět, že součástky, jejichž provozní hodnoty (elektrické zatížení) se blíží jmenovitým, mohou selhat i při nízké teplotě, zatímco součástky zatížené zcela minimálně nebudou spolehlivé při nadměrných teplotách. Je zřejmé, že pro optimální spolehlivost platí určitý kompromis mezi elektrickým namáháním a teplotou, který je v grafu vyjádřen zelenými hodnotami.

Jedním ze softwarů pro analýzu spolehlivosti z pohledu elektrického namáhání je např. program fiXtress od izraelské firmy BQR [2], zatímco mechanickými aspekty spolehlivosti v elektronice se zabývá např. software Sherlock od americké firmy DfR Solutions [3]. Cílem obou skupin programů není jenom provést analýzu spolehlivosti, ale ovlivnit již vývoj zařízení tak, aby dosáhl požadované úrovně spolehlivosti (Design For Reliability – DFR). Problémy se spolehlivostí je rozhodně lepší řešit ve stadiu vývoje, protože potřebné změny je ještě možné efektivně implementovat.

I když tyto programy spadají do skupiny CAE (Computer Aided Engineering) nebo EDA (Electronic Design Automation) softwaru, vizuálně s nimi nemají příliš společného. Není tu žádný očekávaný grafický editor, místo toho software připomíná tabulkové procesory, kde jsou v jednotlivých polích výchozí a vypočtené hodnoty potřebné pro závěrečnou analýzu. Několik dílčích záběrů na prostředí programu fiXtress je vidět na obr. 2.

Program fiXtress od BQR

Protože je program fiXtress primárně zaměřen na analýzu elektrického namáhání použitých součástek, jsou v něm zobrazeny a analyzovány elektrické parametry až na úroveň jednotlivých vývodů v daném zapojení. Jako zdroj informací slouží netlist a výpis materiálu ze schématu, zatímco konkrétní informace o součástkách včetně IBIS modelů přichází z knihovny programu. Software vypočítává napěťové a proudové poměry na součástkách pomocí DC, AC a BUS simulací s využitím Ohmova a Kirchhoffova zákona a získaná data porovnává s hodnotami výrobce součástek. V případech, kdy některé výchozí hodnoty nejsou známé, např. napětí nebo teplota, je možné je dopsat. Čím více se vypočtená data součástek blíží k jejich jmenovitým hodnotám, tím větší je jejich elektrické namáhání a naopak menší spolehlivost. Nahrazením součástek s nevhodnými parametry nebo úpravou zapojení lze získat lepší spolehlivost vyvíjeného zařízení, na kterém lze dále stavět v návrhu desky a výrobě.

I když fiXtress je také schopen předpovědět MTBF desky plošných spojů ze základních dat desek, pro detailní analýzu dopadu provedení desky a okolních mechanických vlivů je lepší použít jiné programy, např. Sherlock od DfM Solutions. FiXtress je primárně analytickým nástrojem spolehlivosti, protože provádí analýzu ze schematického zapojení ještě před návrhem desky plošných spojů.

Program Sherlock od DfM Solutions

Jak už bylo zmíněno, program Sherlock, jako jedno z řešení společnosti DfR Solutions, se zabývá analýzou spolehlivosti na desce plošných spojů. Načítá data desky přímo z návrhového systému, analyzuje ji a stanovuje její předpokládanou spolehlivost. Automaticky modeluje každý detail desky, včetně všech plošných spojů, napájecích ploch, via otvorů, vývodů, chladičů, vybrání v desce atd. Podobně jako u programu fiXtress i zde se pracovní prostředí podobá tabulkovému procesoru s načtenými a vypočtenými daty. Pro potřeby simulace mechanického namáhání desky umožňuje zhotovit potřebný 3D model, na kterém jsou potom uplatněny analýzy metodou konečných prvků (FEA – Final Element Analysis). Mechanické namáhání desky zahrnuje vibrace a teplotní šoky.

Další řešení analýzy spolehlivosti od této firmy zahrnují zkoumání vlivu pájených spojů, odhalení falešných (nepůvodních) součástek atd.

Závěr

Protože analýza spolehlivosti je založena na porovnávání známých důvodů pro selhání elektronického výrobku se situací v daném návrhu, je její výsledek předpovědí možné spolehlivosti. I tak má ovšem smysl se jí zabývat, protože umožňuje navrhovat lepší, spolehlivější výrobky. Ty mají nejenom delší, bezproblémovou životnost, ale vedou i k lepšímu povědomí o značce výrobku a jménu výrobce.