Mało znane błędy w projektowaniu układów elektronicznych

Pękanie zgięciowe

Jednym z takich błędów jest pękanie zgięciowe, które najczęściej następuje w wyniku nadmiernego wygięcia płytki drukowanej pod kondensatorem ceramicznym. Kruchy kondensator w odpowiedzi na naprężenie może pęknąć, nawet w sposób niewidoczny. Zjawisko to może nastąpić podczas testowania płytek, wskutek instalowania złączy i kart w slotach oraz w wyniku przypadkowego upadku lub uderzenia.

Podejście do tego problemu zależy od ograniczeń projektowych, kosztowych oraz akceptowalnego poziomu ryzyka. Możliwe jest użycie krótszego kondensatora (jeśli istnieje odpowiednik o tej samej pojemności i napięciu), zastosowanie węższego pola kontaktowego, obrót kondensatora o 90 stopni, przeniesienie go o 45–60 milimetrów od punktu zgięcia, jak również użycie kondensatora typu otwartego lub z elastycznymi wyprowadzeniami.

Podobne problemy występują przy elementach typu BGA, które po umieszczeniu w pobliżu punktu zgięcia (np. wtyku) mogą doświadczyć pęknięcia laminatu lub połączeń. Rozwiązaniem może tu być przemieszczenie układu BGA, użycie grubszej płytki lub dodanie żeber do płytki PCB w celu zwiększenia jej sztywności. Pękanie zgięciowe jest zjawiskiem częstszym w przypadku układów BGA niż kondensatorów ceramicznych, gdyż coraz więcej firm stosuje bardziej sztywne i kruche spoiwo SAC305 w postaci stopu cynowo-srebrowo-miedziowego. Pękanie zgięciowe dotyczy też rezystorów, diod, tranzystorów i innych elementów.

Zużycie złączy oraz własnych połączeń lutowanych

Część kwestii związanych z projektowaniem dla niezawodności skupia się na zapobieganiu zużycia połączeń lutowanych. Najlepszym podejściem do tego problemu jest ocena ich odporności podczas fazy projektowania poprzez predykcję bazującą na metodzie elementów skończonych lub modelach pierwszego i drugiego rzędu. Możliwe jest również przeprowadzenie przyspieszonych testów zużycia w oparciu o modele opracowane w 1969 roku przez Norrisa i Landzberga w laboratorium IBM. Jednak kwalifikacja produktu z reguły występuje w cyklu projektowym zbyt późno, w związku z czym niemożliwe staje się znalezienie błędów. Dlaczego więc zdarza się, że połączenia lutowane czasem ulegają zużyciu, jeśli dostępne są te proste narzędzia do predykcji niezawodności?

Jest kilka powodów takiego stanu rzeczy. Istnieją trudności z uzyskaniem modeli niezawodnościowych oraz zastosowaniem metod przyspieszonego testowania. Ponadto, problemy wynikają często z nadmiernego poboru mocy, stosowania przyległych źródeł ciepła czy własnych połączeń lutowanych. W niektórych aplikacjach zewnętrzne źródła ciepła mogą być na tyle gorące lub znajdować się na tyle blisko układu, że wywołają znaczący miejscowy wzrost temperatury niektórych komponentów. Pominięcie tych źródeł podczas modelowania i testowania może doprowadzić do zużycia połączeń lutowanych już po kilku miesiącach pracy.

Nadmierny pobór mocy niesie ze sobą dwa problemy. Po pierwsze, jeśli projektant podczas modelowania niezawodności poświęca zbyt mało uwagi komponentom o wyższym zużyciu mocy lub nie uwzględnia ich w fazie testowania, wydzielone ciepło może przyspieszyć zużycie złącza poprzez wzrost temperatury. Problem ten dotyczy głównie elementów znajdujących się poza układem, takich jak silniki, generatory czy szyny wysokoprądowe. Po drugie, projektant może wybrać nieodpowiedni lub źle oznakowany komponent.

Szczególnie wrażliwe na taką sytuację są rezystory. Na przykład zastąpienie rezystora 0,25W rezystorem 0,125W może przyczynić się do takiego wzrostu temperatury, który przyśpieszy zużycie połączeń lutowanych.

Miejscem ulegającym częstym uszkodzeniom są własne połączenia lutowane. Projektanci często je stosują do mechanicznego lub termicznego łączenia komponentów lub płytek PCB z obudową lub elementami wspomagającymi. Podobnie, jak w przypadku zewnętrznych źródeł ciepła, projektantom zdarza się czasem zapomnieć o przetestowaniu własnych połączeń lutowanych, pomijając tę kwestię podczas kwalifikacji produktu. Tanim rozwiązaniem jest utrzymanie temperatury połączeń lutowanych poniżej 80 stopni, szczególnie w sytuacji, gdy temperatura komponentów zmienia się w czasie. Jednak lepszym podejściem jest wykorzystanie modeli uszkodzeń fizycznych do zrozumienia zagrożeń przed finalizacją projektu.

Kondensatory elektrolityczne

Projektanci cenią sobie kondensatory elektrolityczne za ich wysokie pojemności. Niestety, ich wadą jest krótki czas bezawaryjnej pracy. Powstały różne metody wydłużania czasu życia kondensatorów. Każda z nich zależy od tego, które parametry elektryczne będą zmniejszane: napięcie, prąd pulsacji czy temperatura. Choć w ciągu ostatnich kilku lat znacznie polepszono niezawodność kondensatorów elektrolitycznych w niskich napięciach, należy unikać stosowania napięć niższych niż 25% wartości znamionowej. Zdarza się, że projektanci podają nawet od 150 do 200% wyższe napięcia niż znamionowe, co ma znaczny wpływ na żywotność kondensatora. Dobrą wskazówką jest zmniejszenie napięcia do maksymalnie 80% wartości znamionowej.

Po określeniu pożądanego czasu życia projektu, należy wybrać odpowiedni poziom ograniczenia temperatury. Stosowana w przemyśle zależność mówi o podwojeniu czasu życia dla spadku temperatury o 10ºC. Chociaż dokładność tego modelu jest dyskusyjna, należy mieć świadomość trzech kwestii. Po pierwsze, równanie określające żywotność jest dość konserwatywne, przynajmniej dla renomowanych producentów kondensatorów.

Firmy przeważnie definiują żywotność urządzenia na maksymalnie 1 lub 0,1% uszkodzonych elementów w przeciwieństwie do bardziej standardowego parametru MTTF (Mean Time To Failure), opisującego średni czas międzyawaryjny, który może prowadzić do 63% uszkodzonych części. Oczekiwana żywotność powinna znajdować się między tymi skrajnymi wartościami. Po drugie, stała temperatura występuje w bardzo niewielu aplikacjach. Przy każdej kalkulacji czasu życia produktu należy upewnić się, że zostały uwzględnione wahania temperatur.

Należy również unikać sąsiadujących rezystorów albo MOSFET-ów powodujących podniesienie temperatury. Według niektórych wytycznych, miejscowy wzrost temperatury powoduje uszkodzenia szybciej niż wynika to z predykcyjnych modeli niezawodnościowych stosowanych w przemyśle, dlatego należy utrzymywać gorące komponenty z dala od kondensatorów elektrolitycznych. Dość osobliwym parametrem elektrycznym jest prąd pulsacji kondensatora elektrolitycznego, dlatego może się zdarzyć, że zostanie zapomniany lub zignorowany przy kalkulacji kosztów materiałowych.

Należy pamiętać, że kondensator można określić mianem równoważnego tylko wtedy, gdy uwzględni się także jego poziomy prądów pulsacji, które jednak mogą być zawyżane przez producentów. Część firm stosuje prądy pulsacji na poziomie od 150 do 200% wartości znamionowej. Taka elastyczność jest możliwa dzięki temu, że prąd pulsacji powoduje przede wszystkim wzrost temperatury kondensatora, a producenci często określają jego żywotność w dopuszczalnej temperaturze i przy maksymalnym prądzie pulsacji. Im niższa jest minimalna dopuszczalna temperatura pracy danego projektu, tym wyższy jest margines bezpieczeństwa związany z maksymalnym prądem pulsacji.

Podsumowanie

Projektowanie pod kątem zwiększenia niezawodności odgrywa znaczną rolę w ostatecznym sukcesie produktu i zyskach firmy. Dlatego niezbędna jest ocena każdego projektu oraz znalezienie i rozwiązanie problemów zanim ulegną nasileniu. Rozpoznanie potencjalnych słabości może pomóc w rozwiązaniu kwestii jakościowych pojawiających się na etapie produkcji lub dostaw.

Grzegorz Michałowski