Confiabilidade em Revisão de Projeto de Montagem Eletrônica
Uma revisão do projeto é uma avaliação abrangente do projeto de um produto com a confiabilidade como fator principal. Portanto, a revisão do projeto nos estágios iniciais de desenvolvimento do produto é essencial. Desta forma, é possível garantir que um produto será totalmente operacional antes dos estágios finais de desenvolvimento. Isto conserva os recursos da empresa, reduz os custos e, o mais importante, agiliza o tempo de colocação do produto no mercado.
Entretanto, não é possível atingir estes objetivos comerciais sem uma metodologia de revisão de projeto em vigor que garanta que seu produto, desde sua fase inicial até a fase final, funcione como planejado. Por isso, a revisão do design deve ocorrer o mais cedo possível na fase de projeto. Logo, o objetivo é eliminar qualquer necessidade de redesenho ou retrabalho mais tarde no processo de design ou depois que o produto chegar a fase de protótipo.
Este guia serve para fornecer às empresas uma visão do processo de revisão de design. Com foco principal nas indústrias de eletrônicos e de fabricação, traz a abordagem da Ansys para revisões de design. Além disso, vamos abordar como superar as falhas comuns de design de produtos para hardware eletrônico.
“O objetivo de uma empresa de classe mundial é produzir um produto ou serviço que ofereça aos clientes a mais alta qualidade ao menor custo no menor espaço de tempo”.
Takashi Ichida
Como funciona uma revisão de projeto?
O principal objetivo de uma revisão de projeto é prever os riscos e falhas potenciais de um produto ou componente específico. Por exemplo, uma revisão de projeto típica deve começar com a descoberta do máximo de informações possíveis sobre o produto em questão. Isto inclui, portanto, determinar o usuário de seu produto, as condições a que o produto será submetido, como o produto deverá funcionar, sua expectativa de vida desejada e muito mais. Isto informará e facilitará seu processo de revisão de projeto e esclarecerá as condições que o produto provavelmente encontrará ao longo de seu ciclo de vida.
Assim sendo, em geral, o processo de revisão do projeto segue uma série de nove etapas:
- Estabelecer um objetivo de confiabilidade
- Quantificar o ambiente de uso
- Análise de circuitos
- Revisão do stress ao qual os componentes da Lista de Material (BOM) são submetidos
- Análise da placa de circuito impresso (PCB)
- Projeto para a fabricação (DfM)
- Análise Automatizada de Projeto Sherlock (ADA)
- Desenvolvimento de um plano de teste de confiabilidade
- Análise de falhas
Uma vez concluídas estas etapas, o cliente recebe uma análise das condições que causam o fracasso. Além disso, também recebe soluções potenciais para essa falha, tais como colocação de peças revisadas, seleção de novos materiais e muito mais.
O Processo de Revisão de Projeto
O processo de revisão do projeto segue uma série de nove passos para determinar a confiabilidade do projeto de um produto. Vamos entrar em mais detalhes sobre cada etapa:
1. Estabelecendo uma Meta de Confiabilidade
Criar uma meta de confiabilidade do produto deve ser exaustivo no sentido de que a expectativa de vida desejada de seu produto, suas funções operacionais e seus objetivos de desempenho devem ser identificados de forma clara e com especificidade para as metas comerciais.
Você precisa fazer mais do que declarar que a meta de confiabilidade de seu produto é ser “melhor que o produto do ano passado”, ou “ter uma vida útil de 5 anos”. Portanto, as metas de confiabilidade devem ser robustas e detalhadas, incluindo o desempenho de campo dos produtos do passado, posicionamento no mercado, custo das falhas, capacidades técnicas e muito mais.
As melhores práticas para confiabilidade incluem:
Em primeiro lugar, estabelecer metas de confiabilidade com base na capacidade de tempo de vida. Em geral, isto é vinculado por níveis de confiança, tais como 95% de confiabilidade com um nível de confiança de 90% em 15 anos.
Evitar o tempo médio até a falha (MTTF) e o tempo médio entre falhas (MTBF) que não medem a confiabilidade. Historicamente, o MTBF tem sido calculado utilizando manuais de previsão empírica, que assumem uma taxa de falhas constante que nem sempre é correta.
Empregar a física da falha (PoF) para adquirir uma compreensão mais profunda de como a vida útil e o ambiente desejados de seu produto afetam seu projeto. Isto requer um esforço substancial, mas você recebe um valioso retorno sobre o investimento.
O que é Física da Falha (PoF)?
O conhecimento e a compreensão dos processos e mecanismos que induzem à falha para prever a confiabilidade e melhorar o desempenho do produto.
O que é o tempo médio até a falha (MTTF)?
O período de tempo que um dispositivo ou outro produto deve durar em operação.
O que é o tempo médio entre falhas?
O tempo previsto entre falhas inerentes de um sistema mecânico ou eletrônico durante o funcionamento normal do sistema.
2. Quantificar o Ambiente de Uso
Sem dúvida, a quantificação do ambiente de uso continua sendo um passo fundamental para garantir a confiabilidade do produto. Por isso, os engenheiros de projeto devem examinar todos os cenários de uso possíveis e as tensões ambientais que o produto poderá encontrar. Isto inclui condições térmicas e mecânicas, como, por exemplo, temperatura e umidade, bem como choques e vibrações, quedas, dobras mecânicas, armazenamento e carcaça do produto.
Por exemplo, se um fabricante desenvolve um smartphone, ele deve levar em conta que o produto provavelmente sofrerá grandes variações de temperatura. Também sofrerá uma série de choques de queda ao longo de seu ciclo de vida e suportará condições ambientais adversas, incluindo submersão. Assim sendo, quantificar estes cenários potenciais e ambientes de uso será essencial para desenvolver um produto confiável e avaliar com eficiência o projeto de um produto.
3. Análise de Circuito
Muitas vezes um cliente solicita uma revisão com detalhes de seu esquema como parte da revisão do projeto. Na Ansys, começamos revendo as especificações do produto para entender completamente os requisitos e ambientes. Com frequência fazemos perguntas como:
- Temos uma faixa de temperatura de operação suficiente?
- Existem padrões apropriados e níveis altos o suficiente?
- Os ambientes estão envolvidos em choque e vibração?
Uma análise de circuito inclui uma avaliação para garantir que o circuito irá funcionar como pretendido. Os riscos de compatibilidade eletromagnética (EMC) e de descarga eletrostática (ESD) são identificados. Além disso, o derating dos componentes é verificado através da avaliação da dissipação de potência, dos níveis de tensão, dos níveis de dV/dt para transistores de efeito de campo (FETs), da ruptura Vgs dos FETs e dos níveis de temperatura das peças.
Para examinar a estabilidade do circuito, os engenheiros verificam os circuitos feedback, os low dropout regulators (LDOs) e as configurações dos capacitores. Os capacitores eletrolíticos são conhecidos por serem um elo fraco nos projetos, em particular, no fornecimento de energia. Portanto, avalia-se a expectativa de vida em função dos níveis de tensão do circuito. Além disso, os campos magnéticos também são avaliados, analisando as correntes de saturação e a perda do núcleo.
Como resultado desta análise, são sinalizados os componentes que apresentam um risco. A análise então foca na colocação dos componentes para inclusão na análise do projeto para fabricação (DfM).
Leia mais sobre Compatibilidade eletromagnética.
4. Revisão de Stress da BOM (Componente)
Antes de submeter uma montagem a testes e avaliação, em primeiro lugar, você deve saber como os componentes individuais se comportam sob tensão. Todos os componentes de uma placa são compatíveis? Há algum componente que você possa eliminar da consideração desde o início? Como nas metas de confiabilidade, uma revisão de tensão dos componentes representa um pequeno passo que ajuda sua revisão de projeto a operar de forma rápida e sem problemas.
Esta etapa envolve o exame de data sheets para cada componente que compreende sua montagem. Isto permite que você:
- Determine a faixa de temperatura de operação de seus componentes para identificar a(s) peça(s) que tenha(m) a menor margem em relação às condições operacionais.
- Identifique uma peça de reposição com margens melhores.
- Analise os materiais utilizados na fabricação de seus componentes, já que materiais diferentes têm compatibilidades diferentes dentro da placa de circuito.
- Examine componentes críticos – isto inclui optoeletrônica, peças personalizadas, dispositivos de memória, componentes eletromecânicos e capacitores MLCC de cerâmica – para garantir, como resultado, que a expectativa de vida útil do produto seja atendida.
- Avalie novos dispositivos de tecnologia (por exemplo, características de dispositivos pequenos). O objetivo é determinar se as novas e mais refinadas geometrias irão funcionar durante a duração pretendida da operação. Todos os componentes da lista técnica são examinados quanto a critérios de derating. Também são analisados os níveis de sensibilidade à umidade (Moisture Sensitivity Level – MSL). Por último, analisa-se o nível de sensibilidade à temperatura ( Temperature Sensitivity Level – TSL). Estas análises identificam, com frequência, peças onde deve-se tomar extremo cuidado na fabricação para garantir que não ocorra penetração de umidade.
Além disso, muitas vezes pode ser realizada uma análise de tin whisker. Na Ansys, exploramos o acabamento nos cabos dos componentes e no acabamento superficial da printed wiring board (PWB) com o propósito de avaliar o grau de suscetibilidade. O Whiskering ocorre devido à presença de uma tensão compressiva (ou, mais para ser mais preciso, um gradiente de tensão) dentro do estanho. Esta tensão compressiva impulsiona a difusão preferencial dos átomos de estanho.
Da mesma forma, deve-se examinar a suscetibilidade à descarga eletrostática (ESD). Portanto, recomendamos que o usuário conheça a classificação de ESD para cada peça e selecione as peças (quando possível).
5. Análise de PCB
A velocidade e a complexidade dos componentes eletrônicos continuam a crescer. Por isso, a importância de uma análise da PCB detalhada no processo de projeto geral tem se tornado cada vez mais importante. Em síntese, a prática comum de deixar o projeto de layout da PCB nas mãos dos engenheiros de produção da empresa contratada para fabricação da PCB traz consigo riscos significativos. Dessa forma, uma abordagem muito melhor inclui a capacitação da equipe de projeto para fornecer ao fabricante todas as informações necessárias para criar uma printed wiring board (PWB) que esteja de total acordo com as especificações.
Por exemplo, dependendo do produto, os projetistas podem precisar considerar os atributos de acabamento superficial aplicados por um fabricante de placas de circuito impresso. Afinal, o acabamento de superfície influencia o rendimento do processo, a quantidade de retrabalho necessária, a taxa de falhas de campo, a capacidade de teste e, é claro, o custo. De fato, os projetistas podem cometer erros ao selecionar o acabamento superficial de menor custo apenas para aprender que o custo total do projeto é muito maior.
Em suma, a seleção de um acabamento de superfície deve ser completada considerando todos os aspectos importantes da montagem, incluindo:
- Sensibilidade aos custos
- Volume do produto (disponibilidade de acabamento)
- Processos de solda (SnPb) ou de acabamento de carga (LF)
- Preocupações com o choque/queda
- Preocupações com a cosmética
- Ambiente do usuário (preocupações com corrosão)
- Montagem de passo fino (<0,5 mm)
- Wave solder (PCB > 0,062″)
- Teste de alto rendimento em circuito (ICT)
A tabela abaixo fornece informações úteis quando você considera os atributos de acabamento superficial e seu desempenho com base no uso pretendido. Sobretudo, é possível identificar os aspectos positivos e negativos associados a cada acabamento. Além disso, o ambiente de aplicação e as condições operacionais também devem ser considerados para garantir a melhor seleção da superfície. O projetista deve identificar todas as peças sensíveis a ESD nos desenhos e marcar a localização das peças na placa com o símbolo ESD. Por fim, o usuário deve estar ciente de que a localização das peças, em particular com relação aos I/O signals, guia a classificação ESD apropriada.
6. Design para fabricação (Design for Manufacturability – DfM)
Na busca da confiabilidade ideal, os engenheiros de projeto devem considerar as capacidades e limitações do fabricante. Por isso, os engenheiros podem simular, testar e projetar o produto perfeito, mas se o fabricante não puder produzir o projeto completo ou adquirir materiais ótimos, os engenheiros de projeto podem projetar um produto que não possa ser construído, bem como um que fique fora das expectativas de confiabilidade.
A revisão do DfM avalia as geometrias dos pads utilizados no layout para determinar a confiabilidade a longo prazo. A colocação dos componentes determina o potencial de shadowing durante a operação de reflow ou revestimento isolante. Esta ação envolve a análise da proximidade das peças com as bordas da placa de circuito impresso, conectores de pressão e os efeitos potenciais da fixação imprópria da ICT.
A medição da separação de traços assegura que os níveis de tensão aplicados cumprem com a IPC-2221. Por fim, é feita a análise da limpeza e a contaminação. Observa-se o fluxo utilizado, os procedimentos de manuseio e qualquer outra fonte potencial de contaminação.
O IPC-2221 é um padrão genérico para o projeto de placas de circuito impresso estabelecido em 1998. Esta norma inclui requisitos com o objetivo de estabelecer princípios e recomendações de projeto para projeto de PCB.
Por fim, a análise DfM examina o fluxo de fabricação através de várias perguntas:
- A placa utiliza tecnologia de montagem de superfície de um ou dois lados (SMT)?
- Há peças through-hole?
- Elas são soldadas por processo de wave ou selective?
- Alguma peça é soldada à mão?
- Estamos empregando um processamento sem limpeza?
- A montagem requer revestimento conforme?
- Que tipo de revestimento?
- Como se compara a diferentes ambientes térmicos?
- Os produtos químicos cáusticos estão no ambiente de uso?
- Como podemos aplicar o revestimento?
7. Análise Automatizada de Projeto Sherlock (Sherlock Automated Design Analysis ADA)
Em síntese, a qualificação virtual avalia o desempenho funcional e de confiabilidade do projeto do produto sem testes físicos. Especificamente, a qualificação virtual usa engenharia assistida por computador (CAE) e simulação baseada em análise física de confiabilidade (RPA) para modelar como um produto funcionará sob aplicações de carga específicas.
Você pode aproveitar o Ansys Sherlock (ADA) neste ponto em sua revisão de projeto.
O Sherlock usa uma abordagem trifásica que consiste em:
- Entrada de dados
- Análise
- Relatórios e recomendações
Além de modelar seu produto, o Sherlock simula ambientes especificados para determinar possíveis falhas. Também fornece dados para melhorar o projeto de seu produto.
De fato, os testes físicos muitas vezes consomem orçamentos e tempo de desenvolvimento. Dessa forma, a simulação permite que as equipes de projeto compreendam a funcionalidade de um projeto sem desperdiçar componentes físicos. Também evita a utilização em demasia materiais e equipamentos de teste. A simulação não substitui totalmente os testes físicos, mas limita o temido ciclo de ” teste-falha-conserto-repetição”.
PoF (Physics of Failure – Física da Falha): No geral, realiza-se uma análise de falhas em um formato de pesquisa. Procura-se identificar os mecanismos e processos de causa final que podem resultar na falha de materiais, componentes e sistemas.
Versus
RPA (Reliability Physics Analysis – Análise de Física de Confiabilidade): Um método de desenvolvimento de produtos de engenharia que aplica modelos de mecanismos de falha. Além disso, aplica também os conhecimentos desenvolvidos pela pesquisa da PoF para produzir produtos e sistemas sem falhas.
O software de análise de projeto automatizado (ADA) Ansys Sherlock é o único software de projeto eletrônico baseado em física/física de falhas (PoF) que fornece previsões rápidas e precisas da vida útil do hardware eletrônico nos níveis de componente, placa e sistema nos estágios iniciais de projeto.
8. Desenvolvimento do Plano de Teste de Confiabilidade
Os testes de estresse avaliam a capacidade de seu produto de manter um certo nível de funcionalidade sob condições desfavoráveis, por exemplo, temperaturas extremas ou outros estressores ambientais/físicos.
Os testes de tensão incluem:
- Testes de vida altamente acelerados (HALT)
- Tensões altamente aceleradas (HASS)
- Choque mecânico
- Vibração
Dessa forma, eles revelam fraquezas dentro de um projeto de produto muito mais rápido do que no campo.
Ao utilizar testes de tensões para definir as margens de operação, são feitas medições das temperaturas de operação (ou outros riscos especificados) e das classificações dos componentes individuais. Se os componentes individuais estiverem operando perto de seus limites superiores, então testa-se uma variedade de peças em várias capacidades. O objetivo é determinar qual peça sustentará margem suficiente para evitar falhas precoces.
Os testes de tensões são importantes, pois podem ser iniciados com relativa rapidez para avaliar a expectativa de vida (ciclo de temperatura) e desempenho sob umidade (viés temperatura-humidade). Isto é feito utilizando um nível de estresse com um fator de aceleração que pode ser traduzido para o ambiente de uso. Por exemplo, 168 horas (1 semana) de ciclo térmico podem equivaler a três anos em um ambiente de campo. Se você completar as 168 horas com sucesso, você pode informar que seu produto também atenderá à expectativa de vida de três anos. Além disso, outros testes, tais como choque mecânico, vibração, névoa salina, teste de umidade, etc., também podem estar envolvidos no desenvolvimento da parte do plano de teste da revisão.
168 horas (1 semana) de ciclo térmico podem equivaler a três anos em um ambiente de campo. O uso de testes de estresse como parte da revisão do projeto pode reduzir significativamente o tempo em testes e no mercado.
9. Realizar análise de falhas em falhas de teste e retornos de campo para iniciar o ciclo de avaliação.
Ao realizar a análise de falhas, é importante não limitar a análise a montagens que falharam nos testes preliminares. Em tal cenário, o teste só determinaria o que não funciona antes que o produto chegue ao campo. Porém, seu objetivo final é determinar a confiabilidade de um produto em seu ambiente de uso. A análise de falhas deve incluir o estudo de falhas nos testes, bem como os retornos de campo (se existirem). Deste modo, poderemos compreender com precisão os ambientes de campo, além de identificar exaustivamente casos de uso que podem não ter sido considerados nas qualificações iniciais de confiabilidade.
Em uma revisão de projeto, o histórico de falhas pode muitas vezes fornecer uma visão significativa da causa raiz do fracasso. Por exemplo, se as falhas ocorrem de forma rápida no campo, a causa raiz pode estar ligada à uma questão relacionada à fabricação.
As falhas durante um protocolo de teste precisam ser analisadas para que a causa raiz possa ser averiguada. Por exemplo, o teste HALT procura por falhas, corrige-as e retoma o teste. Isso ajuda a determinar as margens do projeto com relação aos parâmetros do teste.
Exemplos de revisão de projeto
Exemplo 1
A Ansys trabalhou com inúmeras empresas para fornecer revisões de projeto de produtos e componentes eletrônicos. Estes trabalhos ajudam nossos clientes a revisar seus planos de projeto para criar produtos de grande sucesso com ciclos de vida mais longos.
Por exemplo, na figura acima, a Ansys determinou que um nó de comutação dentro da PCB de um cliente é acoplado capacitivamente a qualquer trilha, plano e até mesmo ao chassi próximo. Isto ocorre quando o plano de aterramento digital reside sob o nó de comutação. Isto resulta em uma corrente que fluirá para o plano digital e de volta ao ground no circuito integrado de alimentação. Como consequência, o aterramento digital será ruidoso.
Além disso, o nó pode se acoplar magneticamente em circuitos, causando perturbação. Nossa revisão de projeto ajudou nosso cliente a determinar erros de projeto com potencial de levar à falha do produto. Além disso, fornecemos recomendações chave para melhorar o plano geral do projeto e o layout do circuito. Isto inclui a configuração do plano de terra e do plano de sinal para evitar o crosstalk.
Exemplo 2
Também, em outro exemplo, revisamos uma placa de circuito e notamos uma série de problemas na colocação de componentes e seleção de material, incluindo uma solda tocando um corpo de componente. Não recomendamos isto, pois poderia levar a juntas de solda não otimizadas e danos potenciais aos componentes durante o retrabalho. Além disso, na Figura acima, não recomendamos o uso de um corpo de vidro MELF devido à sua tendência de deslocamento e sua fragilidade em geral. Dessa forma, a revisão do projeto ajudou nosso cliente a determinar se continuaria usando este fornecedor em particular ou se mudaria para outras opções.
Falhas comuns de projeto e recomendações
A Ansys continua na vanguarda do projeto para o setor de confiabilidade por mais de vinte anos. Como tal, descobrimos falhas de projeto recorrentes que afetam a confiabilidade do produto.
As questões comuns incluem:
- Aquisição de peças de má qualidade
- Falta a revisão da lista de materiais
- Derating pouco confiável
Aquisição de peças de má qualidade
Para conseguir uma boa aquisição de peças, recomendamos a observação da suscetibilidade dos componentes ESD na lista técnica antes da aquisição. Isto se aplica de forma especial aos componentes ativos na lista técnica. Em suma, deve ser abordado durante o processo de aquisição de componentes:
- Conheça a classificação ESD para cada peça e selecione as peças (quando possível) para a melhor classificação ESD
- Identificar todas as peças sensíveis a ESD em desenhos
- Marcar a localização das peças sensíveis na placa com o símbolo ESD
- Esteja ciente de que a localização da peça determinará a classificação adequada de ESD
Falta de informação durante a revisão da lista de materiais
Além disso, ao examinar a lista de materiais, é importante observar se algum dos vários tipos de dispositivos tem problemas de confiabilidade conhecidos. Por exemplo, sabe-se que peças como capacitores têm taxas de falha significativamente mais altas do que o mesmo valor do dielétrico da peça.
Da mesma forma, quando se usa peças em um circuito de calibração ou sensoriamento, muitas vezes recomendamos a troca de resistores. Principalmente quando os níveis de resistência são maiores que 1 Mohm por 1 ou mais componentes de baixa resistência.
Derating pouco confiável
Por fim, a Ansys recomenda um derating confiável para diferentes tipos de dispositivos. Por exemplo, resistores devem ser avaliados de forma agressiva em relação à dissipação de energia, especialmente para os componentes de maior potência (1/4W, 1/8W, e 1W). Recomendamos o seguinte: reduzir a 60% da tensão máxima aplicada, 70% da potência em estado estacionário, 80% do pico potência e 20ºC abaixo da temperatura máxima de operação. Isto irá maximizar a confiabilidade.
Conclusão
Para que um produto seja totalmente confiável, a comunicação para cima e para baixo na cadeia de fornecimento continua essencial. Seguir as melhores práticas do setor e conhecer as normas e especificações de confiabilidade continua a ser o primeiro passo para fabricar um produto que será bem sucedido desde as primeiras etapas do projeto até o produto final pronto para ser lançado no mercado.
A realização de uma revisão formal o mais cedo possível na fase de projeto impulsiona a confiabilidade geral do produto. As etapas fornecidas neste blog post fornecem uma visão do fluxo de trabalho básico de revisão do projeto.
