Progettare per affidabilità a lungo termine?


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Devo progettare una piccola scheda che entrerà in una grande infrastruttura pubblica destinata a durare molti decenni. Sto cercando documenti e simili che forniscano indicazioni su tale design sulla base di ricerche reali .

Questa scheda sarà molto più grande per motivi meccanici che deve essere anche per un circuito spazioso per ottenere la funzione con parti discrete. Cose come ampie tracce sono un gioco da ragazzi.

Il cliente desidera ridurre al minimo le parti totali e desidera che siano passanti. Vedo il punto sulla riduzione al minimo delle parti, ma qualeanche le parti contano molto ed è importante poter sostituire in futuro. Questa funzione può essere implementata con una manciata di transistor e resistori discreti, ma il cliente preferisce utilizzare un singolo CI logico nel pacchetto DIP. Pensa che il foro passante sia più affidabile, ma penso di ricordare di aver visto uno studio che dice il contrario. Inoltre, sono preoccupato per la disponibilità di un chip logico DIP a 16 o 20 pin in 20-50 anni. Ma i transistor SOT-23 e i resistori 0805 sono una scommessa migliore? Ci saranno alcuni optoisolatori. A me sembra che sommergeranno tutto il resto in termini di affidabilità e disponibilità futura. Sì, farò funzionare i LED ad una piccola frazione della valutazione per aumentare la durata.

Quindi, sto cercando informazioni reali basate sulla ricerca definitiva sulla progettazione per l'affidabilità a lungo termine. Questa è un'area in cui è facile pensare al problema del 10% ma manca il problema del 90% che rende irrilevante il problema del 10%.

Inserito il:

Sto cercando risposte basate sull'evidenza. Mi piace pensare di conoscere abbastanza bene l'elettronica, e posso trovare varie ragioni plausibili per cui un approccio può essere migliore di un altro, e sono sicuro che anche altri. Tuttavia, non mi fido di quelli perché ciò che sembra plausibile e basato sulla fisica del suono può essere corretto ma manca qualche altro effetto dominante. Sono preoccupato che sia qui che un'ipotesi educata potrebbe portare a conclusioni significativamente errate. Ecco perché sto chiedendo risposte basate su prove, articoli da studi reali, regole su cui la NASA potrebbe insistere, ecc.

Aggiunto 2:

Considerare l'ambiente "industriale". Non sono sicuro di quanto bene sia controllato l'ambiente. Le schede saranno protette dagli agenti atmosferici, ma possibilmente senza aria condizionata o riscaldamento. Non conosco le vibrazioni, probabilmente non molto.

Queste schede saranno installate in un armadio che ospita altre parti del sistema elettrico. I tecnici dell'assistenza possono raggiungere l'armadio quando necessario. La difficoltà di manutenzione non è il problema, ma i tempi di fermo sono. Questo non è ciò che sta succedendo, ma immagina se un'autostrada interstatale è stata chiusa fino a quando il sistema non è di nuovo funzionante. Naturalmente c'è già ridondanza, ma il fallimento è qualcosa che vuoi davvero evitare.


sul punto di foro passante rispetto a SMT: wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042513-011426/… (riepilogo esecutivo: SMT è più robusto contro il ciclo termico, le vibrazioni, ecc. a causa delle dimensioni ridotte )
Phil Frost,

Non posso rispondere alla tua domanda completa, ma c'è stata una raffica di ricerche alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 che hanno esaminato l'impatto del passaggio alla saldatura senza piombo e la conclusione è stata, sorprendentemente, che la saldatura senza piombo era in realtà più affidabile per parti tipiche su schede tipiche.
Edward

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Questa è una domanda davvero interessante, ma sembra essere molto ampia. Ci sono così tante cose a cui potresti voler pensare, ad esempio baffi di latta (specialmente con rohs). Molto sarà pura speculazione (ad es. Potremmo scappare completamente dalla spintronica tra 50 anni). Mi piacerebbe davvero vedere alcune risposte, ma probabilmente questa sarà una grande lista e molte risposte che daranno solo alcune idee e suggerimenti. Forse una wiki della community risponde che le persone modificano i loro punti, con collegamenti facoltativi ai documenti sarebbe un buon formato?
PlasmaHH,

Sei alla ricerca di studi / metodi predittivi come Belcore / Telcordia SR-332 e MIL-HDBK-217? Oppure stai cercando altri studi di ricerca reali condotti in 10-20 anni. Immagino che questo vada oltre il solito calcolo MTBF, e faccia l'approccio HALT ai test.
Some Hardware Guy,

Puoi dire qualcosa in più sull'ambiente? Ciclismo termico, Temperature estreme, vibrazioni, esposizione ad elementi, (Pioggia, Sole, acqua salata.) @PhilFrost, ho scremato solo il tuo link, sembra che tutti i modelli di computer abbiano fatto dei test "reali"? Ho sentito una voce secondo cui il foro passante potrebbe essere migliore nel ciclo termico, perché i cavi avrebbero assorbito un po 'della tensione .. (ma questo era per i transistor.)
George Herold,

Risposte:


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La NASA ha molto da dire sull'affidabilità a lungo termine dell'elettronica. Ecco un esempio -> https://nepp.nasa.gov/files/20223/09_109_1%20JPL_Spence%20Longterm%20Reliability%20of%20Hand%20Soldering%20M55365%20Ta%20Capacitors%2009_30%2011_09%203_2_10.pdf esempio uno (riferimenti sono alla fine).

Non posso darti un buon collegamento a tutto ciò che riguarda (il sito Web della NASA è piuttosto disordinato), tuttavia, cercare su Google "elettronica di affidabilità a lungo termine della NASA" fornisce molti collegamenti a documenti sull'argomento.


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Il documento collegato è utile per valutare la saldatura manuale rispetto ad altri metodi, ma non tocca componenti discreti rispetto a circuiti integrati o pacchetti di circuiti integrati, che ritengo sia stato il punto principale della domanda. Inoltre, sarebbe utile includere un riepilogo delle conclusioni nella risposta nel caso in cui il collegamento dovesse scomparire in futuro.
skrrgwasme,

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@skrrgwasme, non lo fa nemmeno. Come si dice in apertura, non avevano abbastanza campioni (solo 100) per ottenere buone statistiche.
George Herold,

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Aggiungerò a questa risposta ciò che so.

Per iniziare con la "corrosione da brividi", hai un'indagine qui

In realtà è correlato agli ambienti contenenti zolfo. Vale la pena leggere se non altro è un argomento interessante.

Ci sono molti articoli relativi a ROHS e baffi di stagno della NASA, link .

Un'altra cosa da considerare è il materiale FR4 stesso e CAFing. Questo non è uno studio, ma illustra il problema.

Sull'affidabilità di SMD, è stato condotto uno studio nel 1993 e ci sono alcune lettere interessanti nell'appendice. Link .

Per i condensatori direi di usare l'MLCC ceramico, ecco un confronto tra l'elettrodo in metallo prezioso e l'elettrodo in metallo base. È inclusa una tabella con unità testate.

Per la ceramica ci sono progetti di condensatori che hanno un "elettrodo morbido" e quelli che hanno più probabilità di fallire in "modalità aperta". In linea generale, si desidera ottenere parti che siano qualificate per il settore automobilistico.

Secondo il manuale del condensatore (Cletus J. Kaiser) i condensatori di vetro sono i più affidabili e ricordo che la NASA li ha usati. Non ho ancora trovato i dati di affidabilità.

Prova questo per i dati di affidabilità. Anche per altri tipi di condensatori.


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La mia risposta non si basa su una vera ricerca , ma piuttosto su una vera applicazione. Ti consiglio di utilizzare i componenti più affidabili e di creare una scheda con essi. Determina il suo MTBF. Sulla base di questo MTBF, assemblare abbastanza schede per coprire il tempo totale che questo design dovrebbe durare e raddoppiare quel numero. Ad esempio se l'MTBF è di 10 anni e il tempo in cui il progetto dovrebbe durare è di 50 anni, è necessario creare 10 schede.
Per ridurre al minimo i tempi di "down", è possibile attivare automaticamente una serie di "interruttori" per scollegare la scheda difettosa e collegarne una buona al suo posto. La scheda difettosa può quindi essere sostituita con una buona ed essere pronta per il successivo guasto della scheda. Non dovrai preoccuparti che le parti di riparazione non siano disponibili - le hai già!


Non credo che questo risponda alla domanda - questo spiega come gestire la bassa affidabilità, ma non parla di come ottenere un'alta affidabilità.
Greg d'Eon,
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