Храбрый новый мир надежности Физика

Это вторая часть статьи Крейга Хиллмана о надежности в электронном дизайне. Нажмите здесь, чтобы прочитать его первую статью: «Конец близок к MIL-HDBK-217 и другим устаревшим справочникам».

Добро пожаловать в 21 ^год Век! Теперь что?

От смартфонов и носителей до самозанятых автомобилей и беспилотных летательных аппаратов электроника — это не просто повседневная жизнь. Они также все больше влияют на безопасность потребителей. По мере того, как электроника становится меньше, они становятся более горячими и попадают в «настоящий» мир (не более мягкий центр обработки данных или домашний офис!), Они также становятся более восприимчивыми к отказу. Как вы гарантируете, что электронное оборудование, работающее практически во всем, сегодня безопасно и надежно работает в течение срока службы продукта? Существует только один ответ: выбросить устаревшие справочники и присоединиться к миру физики надежности надежности (RPA).

Что такое анализ надежности надежности (RPA)?

Надежность Физический анализ — это научный подход, который использует то, что мы знаем о механизмах отказа, чтобы прогнозировать надежность и улучшать производительность продукта. Мощные инструменты моделирования используются на этапе проектирования продукта для моделирования возможных причин отказа, таких как удар, вибрация, циклирование температуры, износ и коррозия. Хотя эта методология является практически здравым смыслом в других отраслях промышленности (хотите проехать через мост, надежность которого основана только на статистике?), Физика надежности только недавно приобрела значительную тягу в электронной промышленности

РПА раньше называлась «Физика неудач» или «PoF». Тем не менее, евангелизаторы РПА должны знать, что PoF стал устаревшей терминологией, которая больше не является предпочтительной из-за ее непреднамеренных последствий. Обоснование RPA против PoF может ввести в заблуждение инженеров, но это совершенно понятно для руководства. Проще говоря, слова имеют значение. Внедрение нового процесса, такого как РПА, почти всегда требует поддержки и принятия во всей организации, чтобы оно стало стандартизированным и широко принятым. RPA подразумевает приверженность передовым методам обеспечения производительности продукта. К сожалению, использование термина «Физика отказа» может означать, что организация охватывает неудачу, которой трудно даже победить лучшего исполнителя.

История физики надежности

Несмотря на то, что методология физики надежности только сейчас набирает значительную тягу в электронной промышленности, концепция физики надежности была впервые спонсирована военными США старше 60 лет назад. Его цель состояла в том, чтобы решить проблему плохой работы оружия и других систем электроники во время Второй мировой войны. К сожалению, история этой инициативы довольно запутана, о чем свидетельствует график ниже.

Концепция физики надежности впервые была поддержана американскими военными более 60 лет назад для решения проблемы плохой работы оружия и электроники во Второй мировой войне. (Источник изображения: Решения DfR)

Министр обороны США спонсировал две взаимодополняющие (конкурирующие?) Инициативы в 1950-х годах. Центр развития воздуха в Риме (RADC) начал серию мероприятий и отраслевых форумов, которые в конечном итоге привели к устойчивой практике РПА, проводимой в настоящее время в полупроводниковой промышленности. Специальная группа по надежности электрооборудования (AGREE) прошла совершенно по-другому, в конечном итоге решив, что основополагающая надежность в физике слишком сложна. Вместо этого они направили военную цепочку поставок на статистический подход, основанный на эмпирическом справочнике. По какой-то причине RADC согласился с этой предпосылкой и родился первый эмпирический справочник MIL-HDBK-217.

Но РПА никогда не уходила. В то время как RPA явно стала мощным инструментом в области полупроводникового дизайна, новаторские инженеры из разных организаций, в том числе Engelmaier в Bell Labs, Steinberg в Litton Industries и Gasperi в Rockwell Automation, усердно работали над разработкой методик RPA на уровне правления. Они были мотивированы, потому что РПА всегда лучше, чем справочники. Превосходство в методологии РПА особенно можно увидеть с помощью четырех конкретных преимуществ:

Пособие № 1: RPA точно прогнозирует фактические сбои поля с течением времени.

Обоснование эмпирических справочников заключается в том, что они основаны на данных с поля. (Это не совсем так, см. Предыдущую статью.) Но они делают ужасную работу по прогнозированию фактических сбоев поля, потому что информация не основана на том, что может потерпеть неудачу. Во многих отраслях РПА будет описываться как здравый смысл. Узнайте, почему что-то не удается, а затем спроектируйте продукт, чтобы избежать этих сбоев. Это особенно важно для приложений безопасности, где тип сбоя почти так же важен, как и вероятность отказа. Дополнительные скидки (плавкие предохранители, схемы мониторинга) могут быть реализованы на основе результатов RPA. RPA также не заявляет, что показатели отказов являются «случайными» с течением времени, поэтому они могут обеспечить четкое понимание требований, действий и сроков обслуживания.

Пособие № 2: RPA может прогнозировать эффективность технологии, которую вы никогда не использовали.

Вопиющим недостатком эмпирических справочников является то, что с помощью новых технологий кто-то должен идти первым. То есть, если надежность может быть предсказана только на основе предыдущего использования, какова надежность того, что никогда не использовалось? К сожалению, поскольку в справочниках не рассматривается этот фундаментальный недостаток, организации, использующие справочники, должны разрабатывать произвольные подходы, такие как надежность по подобию (RBS), практически без оправдания (также известный как «усиление»). Значение РПА является основой фундаментальных механизмов, не зависящих от технологии. В то время как эволюция изменения урона может меняться, в зависимости от конкретного материала, поведение базы редко бывает. И метод получения новых параметров выполняется с помощью набора хорошо известных характеристик и ускоренных проверок.

Примеры изобилуют согласованностью физики надежности как старых, так и новых технологий. Для полупроводниковых приборов диэлектрический пробой был известным отказоустойчивым механизмом с самых ранних интегральных схем. Основополагающее поведение было относительно последовательным (включая чрезвычайно интересную толщину против наблюдения Вейбулла). Дискуссии по моделям E, 1 / E и V в основном основаны на конкретном механизме, с помощью которого происходит пробой, и необходимости более расширенного тестирования. Для упаковки низкоуглеродистая усталость SnPb, SAC305 и новые надежные припои могут быть точно предсказаны на основе выполняемой работы / энергии деформации, рассеиваемой в каждом температурном цикле (не нужно бояться электроники без свинца).

Основным преимуществом этой возможности является то, что она позволяет принимать решения о надежности активно участвовать в дорожных картах технологий. Высоконадежные отрасли промышленности, такие как военная, аэрокосмическая и промышленная, должны использовать только новые технологии, если они достаточно надежны для их применения на основе надежной RPA. Поэтому необходимость выяснить, что делают все остальные, эффективно испаряется. Как идеальное резюме, RPA обеспечивает надежную основу для оценки надежности, независимо от предшествующего опыта.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Десять самых надежных моделей автомобилей на 2018 год
Как автопроизводители справляются с надежностью
Вы не можете просто сказать, что это надежный

Преимущество №3: RPA позволяет надежно быть частью процесса проектирования.

Одним из самых больших ограничений подхода справочника является то, что он не является частью процесса проектирования. Проекты редко меняются из-за сбоев, рассчитанных в справочнике. («Корректировки» в расчете гораздо более вероятны.) Фактически, эта деятельность часто выполняется после того, как проект был завершен (или близко к нему). В результате вычисления справочника становятся упражнением «check-the-box», а не активностью добавления стоимости.

Для сравнения, RPA является фундаментальной частью надежной конструкции для процесса надежности (DfR). Интерес к DfR разрастается во всем мире, поскольку руководители и руководители высшего звена испытывают существенную отдачу от инвестиций (ROI) по сравнению с традиционными методами проектирования и тестирования. (Если мир никогда не увидит другую кривую Дуэйн снова, будет слишком поздно). Наиболее критически, организационная направленность на проектирование надежности (DfR) позволяет команде разработчиков оборудования перейти к реальному гибкому или полупроворному процессу разработки , Если вам не нужно создавать физический прототип каждый раз, когда вы вносите изменения, «давайте попробуем его и посмотрим» станет гораздо более реалистичным подходом. (И это соответствует гибкому процессу, который команда разработчиков программного обеспечения реализовала 10 лет назад!)

Пособие №4: РПА меняет настроение, позволяя упреждающую стратегию обслуживания.

Наибольшее преимущество RPA заключается в том, что он выравнивает всю команду разработчиков (включая надежность) и цепочку поставок с понятием, что вероятность отказа, место отказа, отказ и механизм отказа могут быть предсказаны и смягчены. Благодаря этим знаниям появляется возможность вводить более активные стратегии обслуживания. Фактический подход зависит от организации и технологии. Некоторые компании используют слабые связи, а другие контролируют условия окружающей среды, в то время как другие собирают данные о производительности системы.

Независимо от подхода ни один из трех подходов не эффективен, если выполняется слепой статистический анализ. RPA имеет решающее значение для выявления следующих факторов: лучшей методологии, параметрических данных, которые должны контролироваться, как анализировать данные и должны ли выполняться точки отказа, указывающие на техническое обслуживание.

Самая большая проблема: внедрение RPA в процесс проектирования

Если РПА предоставляет такие явные преимущества, почему он не принят во всем мире? Задача многогранна, но она включает в себя инерцию, требования, цепочку поставок и наборы инструментов. Инерция является явным победителем в плане обоснования, применимого к нескольким отраслям. Мы должны помнить, что RPA предотвращает сбои, но не делает продукт напрямую функционально лучше, дешевле или меньше. (Это может сделать косвенно, но это труднее измерить.) Лучше / дешевле / меньше — это мантра технологической отрасли, и основное внимание каждого руководителя аппаратного обеспечения заключается в том, чтобы двигаться быстрее, чем их конкуренты по любому или всем из этих трех атрибутов , Таким образом, если RPA не требуется, для подтверждения ROI может потребоваться намного больше времени и намного больше данных.

RPA также не требуется (по крайней мере, не так много, как справочники). Отсутствие требований РПА затрудняет использование РПА не только внутри организации, но и по цепочке поставок. Например, если FAA не требует или не принимает RPA, то Boeing или Airbus может быть сложнее требовать RPA от своей цепочки поставок. И если производители деталей не предоставляют результаты RPA или информацию, необходимую для выполнения RPA, в первую очередь потому, что маркетинг сказал им, что это не обязательно, это может задушить весь процесс.

Наконец, неожиданное отсутствие наборов инструментов сдерживало внедрение РПА. Исторически, когда многие компании выполняют какой-то вариант RPA, инструменты являются внутренними или используют простые электронные таблицы. Использование этих внутренних инструментов приводит к непоследовательным подходам от компании к компании. (Это снова связано с цепочкой поставок.) Это также приводит к потере знаний, когда владелец инструмента уходит в отставку или переходит к другой компании. Это большой нежелательный риск для управления.

Но эта нехватка инструментов RPA, наконец, меняется. В настоящее время существуют инструменты RPA, которые используют основные достижения в области программного обеспечения и вычислительной мощности в течение последних 20 лет. Веб-библиотеки предоставляют доступ к обширному набору сведений о части и уровне пакета, необходимых для выполнения RPA. Движение к приложениям CAD / CAE, использующее взрыв мобильных приложений, позволило широкому кругу инженеров получить доступ к мощным симуляторам и возможностям моделирования. И закон Мура, несомненно, был полезен. Время моделирования сократилось с нескольких дней до нескольких минут, что позволяет RPA-активности делать следующее: оценивать несколько частей, а не только одну; выполнить несколько итераций в течение разумного периода времени; и включить все соответствующие детали.

Эти усовершенствованные инструменты позволяют RPA на краю дизайна, при этом электрические и механические команды проектирования выполняют RPA с последовательным подходом, который поощряет обмен результатами вверх и вниз по цепочке поставок. В результате команды дизайнеров более последовательно используют графики проектов, а OEM-производители начинают принимать RPA как методологию для квалификации продукта. Может быть, просто, может быть, RPA, наконец, повернула за угол.

Крейг Хиллман, PhD, является генеральным директором DfR Solutions.