Sådan beregnes levetiden for et elektronisk produkt

Af Susanne Otto og Kim Schmidt

Elektronik spiller en stor rolle omkring korrekt funktion af stort set alle moderne produkter og systemer. Kendskab til elektronikkens levetid er derfor vigtig, når systemernes pålidelighed skal vurderes og dokumenteres.

Vi får til stadighed flere og bedre muligheder for at lave detaljerede beregninger og simuleringer, når vi udvikler nye produkter. Selvom vi dermed ikke behøver så mange fysiske tests, som i ”de gode gamle dage”, er der stadig brug for fysiske test for at finde praktiske data for levetid af elektronik. I denne artikel fortæller vi om nogle af de spændende tiltag, som FORCE Technology arbejder med omkring brug af fysiske test for at fastlægge levetid af elektronik brugt i vidt forskellige situationer.

Forstå årsagerne til produkter fejler

Det overordnede begreb for dette arbejde kaldes for Physics of Failure. Kort fortalt kan man sige, at dette handler om at forstå de grundlæggende mekanismer (failure mechanisms), som ligger bag fejlet elektronik, når årsagen undersøges helt til bunds. Ordet ’physics’ skal forstås ret bredt, da vi fx også arbejder med kemiske årsager. Når vi kender de måder, et nyt produkt kan fejle på (failure modes), kan vi finde de grundlæggende fejlmekanismer, og sammen med en analyse af de stressfaktorer produktet udsættes for gennem dets levetid kan vi bruge såkaldte Accelerations Modeller til at finde en sammenhæng mellem levetid i ’virkeligheden’ og under en Accelereret Levetids Test (ALT) udført i laboratoriet. Kortlægning af de stressfaktorer et produkt udsættes for i løbet af dets levetid kaldes for en Mission Profile analyse. Der kan naturligvis sagtens være tale om flere forskellige scenarier for stressfaktorer for et givet produkts levetid (mine børns mobiltelefoner bliver nok udsat for mere stress end min mobil).

Det er netop test med de forskellige relevante stressfaktorer, der skal udføres i det Lean Mean ALT Lab, FORCE Technology er ved at opbygge under vores arbejde med Physics of Failure. Lean Mean ALT Lab er egentlig en arbejdstitel, hvor Lean indikerer, at det skal være et effektivt laboratorium og Mean indikerer, at vi skal kunne testet med meget kraftige stressfaktorer – og det gerne samtidigt! ALT betyder, at formålet med laboratoriet er at bruge Accelererede Tests til at finde Levetiden.

Flere typer pålidelighedstest

Der findes forskellige typer tests, der kan teste elektronikprodukters robusthed og pålidelighed – her er en lille opsummering:

Ved udførelse af de såkaldte Design Verifikations Test (DVT) koncentrerer vi os om eksterne stressorer, dvs. stressfaktorer som bestemmes af omgivelserne (environment). Det kan fx være den maksimale lufttemperatur inklusiv ekstra varme fra solen for udendørs udstyr eller vibrationsniveauet i en arbejdende traktor. Formålet med denne type test er at verificere, at udstyret overholder et sæt givne minimumskrav.

Ved de såkaldte robusthedstest vil vi ofte lave en voldsom forcering af de eksterne stressfaktorer, da vi populært sagt ønsker at finde produktets svage punkter så hurtigt som muligt. Et eksempel på dette er en termomekanisk Highly Accelerated Limit Test (HALT), hvor vi hurtigt skruer op for hidsige temperaturændringer samtidigt med, at vi vibrerer produktet hårdere og hårdere. Formålet med disse test er at finde produktets svage punkter, så vi kan forbedre designet.

Når vi laver ALT-test, ser vi på alle stressfaktorer, som er med til at slide på levetiden (wear-out), dvs. både udefra kommende stressfaktorer (external loads) og fra det stress, som produktet påfører sig selv (functional loads). Man kan sige, at ALT-test ligger et sted mellem DVT og robusthedstest. Formålet med ALT-tests er at finde levetiden som funktion af et eller flere sæt givne brugsscenarier.

Figur 1 illustrerer, hvorledes et Lean Mean ALT Lab kan siges at befinde sig mellem et DVT lab og et HALT-Lab, men at der også skal bruges generelt instrumenteringsudstyr og bygges ad-hoc udstyr, der kan tilpasses det specifikke produkt og de ’functional loads’, der er relevante.

For at undgå, at Lean Mean ALT Lab bliver et abstrakt begreb og dermed delvist uforståeligt, kommer her et par eksempler på udførte opgaver:

Eksempel 1: LED belysning inklusiv strømforsyning

Selvom belysningssystemer med LED lys i starten blev præsenteret som glødelampens afløser med en stort set uendelig levetid, ved vi egentlig godt, at lysdioder slides ligesom al anden elektronik og udviser et faldende lysudbytte over tid. Det vil sige, at LED lys har en begrænset levetid, som afhænger af hvor meget lysudbyttetab, man kan acceptere. Man skal huske, at levetiden af den strømforsyning, der næsten altid findes mellem 230 VAC lysnettet og selve lysdioderne, også skal have en levetid, der passer til lyskilden. Dette har vi ALT-testet ved at udsætte selve LED lyskilden og den tilhørende strømforsyning for en test med 3 forskellige høje temperaturer, imens vi laver mange tænd/sluk-operationer. De hyppige tænd/sluk-operationer vil give mange hurtige temperaturændringer for elektronik og lyskilder, da disse naturligvis bliver varme, når der afsættes effekter. Stressfaktorerne her er høj temperatur og hurtige temperaturændringer. Ved at bruge en relativ simpel måling af lysudbyttet, udført med jævne mellemrum, kan vi finde parametrene for en passende accelerationsmodel, således at vi kan finde levetiden for forskellige brugsscenarier. Levetiden vil her være tid indtil en bestemt nedgang i lysudbyttet opstår. Dette kan fx være, når lysudbyttet er faldet til 80 % af det, som en ny lyskilde har. Accelerationsmodellen er her baseret på Arrheninus lov. Der blev naturligvis testet med flere eksemplarer for at få et indtryk af spredningen mellem de forskellige eksemplarer, så der kunne laves en vurdering af den statistiske usikkerhed på resultaterne (confidence).

Eksempel 2: Slæberingssystem

Man bruger ofte et slæberingssystem til at overføre elektriske forsyningsspændinger fra en stationær del til en roterende del via nogle børster eller kul, som glider på en kommutator. Dette kan fx være på en generator eller i en DC-motor, som man kender det på startmotoren fra en bil. Da kullene bevæger sig i forhold til kommutatoren, vil der naturligvis være tale om slid af kullene over tid. Bliver kullene slidt for langt ned, kan den elektriske forbindelse blive ustabil eller helt forsvinde. De vigtigste stressfaktorer i den aktuelle sag blev vurderet til at være den strøm, der løber gennem kullene og den kraft, hvormed kullene blev trykket ind mod kommutatoren. Der blev derfor lavet et testprogram med forskellige kombinationer af strøm og fjederkræfter. Temperaturen spiller også en rolle, men den blev kun indirekte øget pga. de forhøjede strømme og et forhøjet omdrejningstal under testen. Levetiden blev defineret som nedslidning til en given minimumstykkelse af kullene. Der blev testet med 4 værdier af strøm og 4 værdier af fjederkraft, og der blev i alt anvendt 20 testemner (sæt af kul). Testen blev udført som en Dual Stressor Calibrated Accelerated Life Test (CALT), så vi kunne finde indflydelse af strøm og fjederkraft på levetiden både hver for sig og i kombinationer. Den første kurve herunder viser levetid som funktion af fjederkraft med konstant strøm.

Da alle testresultaterne var opnået, blev der lavet en samlet analyse af parametrene for accelerationsmodellen for strøm og fjederkraft. Accelerationsmodellen var her baseret på den såkaldte Inverse Power Law, som ofte passer fint med mekaniske slidfænomener. Resultatet af en sådan analyse, kan vises på mange forskellige måder – den viste kurve i figur 3 er én af de mest anvendte. Den viser forventet antal fejl (angivet som en procentdel) for alle testresultater regnet om til den normale driftstilstand som funktion af timer i drift. Fejl er stadig defineret som nedslidning af kul til en bestemt grænse. De blå prikker repræsenterer de enkelte testresultater, den sorte linje det bedste fit, de stiplede linjer indikerer den statistiske usikkerhed, og den røde prik er det ønskede mål for levetiden. Resultaterne kan bruges direkte til at definere passende serviceintervaller. Den fulde beskrivelse af dette eksempel kan i øvrigt findes i SPM-rapport 181 ”Practically applicable reliability tools”, udgivet af SPM i juni 2013.

I eksempel 1 og eksempel 2 er der vist, hvordan vi har brugt temperatur, temperaturændringer, strøm og kraft som stressfaktorer. I vores kommende Lean Mean ALT Lab, vil vi også kunne teste med mange andre stressfaktorer og kombinationer af disse. Dette kan fx være: bevægelse, moment, tryk, elektrisk spænding, elektriske transienter, vibration og fugt. Alt sammen med det formål at finde levetiden for et specifikt produkt anvendt under forskellige driftsbetingelser.