5 gode råd til sikring af elektronikprodukters pålidelighed og robusthed

Af Jan Bjerre Christensen, Martin Randrup Villadsen og Susanne Otto

”Man kan ikke teste sig til pålidelighed” er et udsagn, som de fleste er enige i. FORCE Technology har mange års erfaring med tilfælde, hvor den modsatte strategi er gået galt. Pålidelighed skal designes ind fra starten. Derfor har vi udviklet følgende 5 råd til at øge pålideligheden og robustheden af et nyt elektronik- eller mekatronikprodukt:

1. Definér kravspecifikation, standarder og succeskriterium

En stærk kravspecifikation, der er kendt af alle projektmedlemmer og kommunikeret til eventuelle underleverandører, er et vigtigt værktøj til at udvikle pålidelige og robuste produkter, som opfylder relevante krav fra myndigheder, kunder og virksomheden selv. I specifikationsfasen er det afgørende, at der er ressourcer og kompetencer til at sikre, at kravene er verifikations-/testbare. Megen tid og mange penge kan spares i udviklingsforløbet, ved at man vælger klare succeskriterier og konkrete procedurer i standarderne for hvert krav til:

• hardware
• software
• mekanik
• levetid
• brugsmiljø.

2. Udarbejd product mission profile

I specifikationsfasen bør der laves en mission profile for produktet. Forudsætningen for et pålideligt elektronikdesign er, at man fastlægger produktets funktion, levetid og omgivelsesmiljø i såvel transport-, lager- og driftsfasen. Det vil sige produktets mission profile. For at vurdere indflydelsen af påvirkningerne fra mission profile, skal princippet for mekanisk indkapsling lægges fast for:

• fysisk størrelse 
• varmeafgivelse 
• temperaturgrænserne under drift, lagring og transport
• temperaturskift under drift, lagring og transport
• kølingsbehov
• EMC-forhold
• mekanisk robusthed (håndteringspåvirkninger, vibration og chok)
• fugt-, støv- og vandbeskyttelse. 

3. Definér pålidelighedsmål

Det er meget vigtigt, at pålidelighedsmål for produktet er veldefinerede og kendt af udvikleren, salgsorganisationen samt kunden. Eksempler på pålidelighedsmål kan være:

• hvor stor en procentdel af de producerede produkter, der forventes at virke efter en given tid
• fejlrate under et bestemt niveau over en bestemt tidsperiode.

4. Gennemfør design review

Design review gennemføres gerne flere gange i forløbet i forbindelse med milepæle. Review’ene kan have forskellige fokus som fx:

• softwarearkitektur, design og kode (kode reviewes gerne som walk through)
• el-diagram (komponentvalg, derating af komponenter, levetid og EMC-robusthed i overensstemmelse med produktets mission profile)
• mekanisk og termisk design.

5. Gennemfør tidlige 'pretests'

Hvis produktet fejler under verifikationstest eller akkrediteret test, forlænger det udviklingstiden og kræver nye tests. Der kan spares mange penge og udviklingstid i et udviklingsforløb, hvis man tidligt fokuserer på de kritiske områder. Her er nævnt nogle af de tests, der erfaringsmæssigt kan give stor værdi, hvis de udføres tidligt i et udviklingsforløb:

• EMC-immunitetstest og -udstrålingstest
• Resonanssøgning (vibration)
• Faldtest
• Cyklisk fugt med kondens
• Korrosionstest
• Høj temperaturtest
• Store temperaturskift.

Den rigtige test til formålet

Ingen tests dækker alle formål. Figur 1 fortæller en historie om, hvordan funktionen af et produkt typisk degraderes af miljøpåvirkninger over tid. Figuren viser også, hvordan tests kan opdeles i forskellige testtyper som funktionstest, miljøtest og pålidelighedstest med HALT (Highly Accelerated Limit Testing) som et specialtilfælde af en miljøtest.

Med udgangspunkt i 360 graders tilgangen, mission profile og kravspecifikationen defineres de relevante miljøtests for et givent produkt. Miljøkrav opdeles traditionelt i bl.a. følgende:

EMC:  Emission og immunitet (felt- og ledningsbåret), ESD
Klimatiske: Temperatur, fugt, vand, lufttryk, sol
Mekaniske: Vibration, chok, fald, vridning, bukning, slag
Kemiske: Sved, salttåge, rengøringsmidler
Andre: Flora (svampe), fauna.

360 graders tilgangen er vigtig for at sikre, at alle relevante aspekter dækkes, og der ikke er noget, som falder mellem to stole, selv om nogle aspekter er dækket af myndighedskrav og andre aspekter bunder i ønsket om pålidelighed og robusthed for at opnå kundetilfredshed og begrænse service og garantiomkostninger.

Formålet med en miljøtest kan være meget forskelligt afhængigt af, om det drejer sig om design verifikationstest, godkendelsestest, accelereret levetids- eller robusthedstest. Design verifikationstest og godkendelsestest sigter på at simulerede miljøforhold, som produktet oplever i livscyklus, mens de accelererede levetids- og robusthedstest sigter på at stimulere relevante fejlmekanismer.

HALT – ikke kun klassisk termomekanisk test

HALT (Highly Accelerated Limit Testing) er et af de mest effektive værktøjer til at finde potentielle svagheder i et produkt, før det sendes på markedet. HALT kan med fordel udføres flere gange i udviklingsforløbet af elektronikprodukter, hvilket kan spare mange penge og meget tid. Ofte er det kun en eller to dages HALT, det drejer sig om. Tidligt i udviklingsfasen kan en HALT endog fremprovokere potentielle software timing-problemer. Når et nyt produkt i mekanisk indkapsling er fuldt funktionsdygtigt, og alle funktioner kører, udføres en klassisk termomekanisk HALT ud fra devisen ”find de 5 svageste punkter, fix dem, og robustheden/pålideligheden af produktet forbedres markant”. Ved fejl fundet på et PCB-layout, som kræver rettelser, kan man på en dag lave en klassisk termomekanisk HALT på samtlige øvrige funktioner.

Men HALT er meget mere end klassiske termomekaniske påvirkninger. Igen er 360 graders tilgangen afgørende for, at vi ikke rutinemæssigt griber ud efter termomekanisk HALT i værktøjskassen, men også overvejer om de svagheder, vi kunne forestille os i produktet, og alle dem vi ikke kan forestille os, kunne blive stimuleret af andre påvirkninger. Det kunne fx være EMC-HALT i reverberation chamber, HACT (Highly Accelerated Corrosion Testing) eller noget helt andet. HALT-filosofien drejer sig jo om at finde relevante svagheder uanset hvilke påvirkninger, det kræver.

Vi foreslår at overveje følgende, når man skal finde frem til den eller de relevante HALT-påvirkninger:

• Erfaringer – enten egne eller andres
• Top-10-liste over fejl fra markedet på lignende produkter
• Teknologien – hvilke fejlmekanismer forventes
• Litteraturen, fx SPM-174: Advanced HALT.

360 graders-tilgangen hjælper også med at finde fuldstøbte løsninger, hvis det er nødvendigt at ændre på produktet i løbet af udviklingsforløbet eller på grund af fejl under test.

Testfaciliteter målrettet 360 graders pålidelighed og robusthed

En 360 graders-tilgang til pålidelighed og robusthed, hvor alle relevante påvirkninger inkluderes, er afgørende for helstøbte produkter, der opfylder markedets og kundernes forventninger.

FORCE Technologys faciliteter i Aarhus er målrettet dette med en længe ønsket udvidelse af EMC-testlaboratoriet med klimatiske og mekaniske testudstyr og kompetencer (se fotos 1, 2 og 3).