Kritické oblasti, které určují životnost elektroniky

Podívejme se na čtyři hlavní zdroje selhávání elektronických zařízení a na to, jak je možné je včas identifikovat, analyzovat a řešit pomocí numerických simulací.

1/ Mechanická odolnost – vibrace, nárazy a únava materiálu

Elektronické komponenty jsou výrazně citlivé na mechanické namáhání. Nejčastěji selhávají:

• Pájené spoje (únava při tepelných cyklech / vibracích)
• Kabelové konektory
• BGA pouzdra
• MLC kondenzátory

Mechanické selhání bývá „tiché“ — neprojeví se ihned, ale postupně vede k trhlinám a mikroprasklinám.

Moderní simulační nástroje SW Ansys (Mechanical, LS-DYNA nebo Sherlock) umožňují detailně prověřit mechanickou odolnost elektroniky a detailně vyhodnotit:

• Životnost a únavu BGA spojů,
• Chování desky při vibracích a dynamickém zatížení,
• Pravděpodobnost prasknutí citlivých kondenzátorů,
• Reakci celého systému na pády, rázy či zrychlení.

Simulace poskytují jasnou představu o tom, kde se konstrukce může dostat na hranici svých možností a kde návrh upravit ještě před výrobou.

2/ EMC a EMI – elektromagnetické rušení jako nejčastější příčina selhání

Elektromagnetická kompatibilita není jen otázkou certifikace, je to jeden z nejčastějších důvodů, proč produkty neuspějí v reálném provozu.
Mezi její typické problémy patří:

• Mezivodičové vazby
• Signálová a napájecí integrita
• Interference komponent nebo celých zařízení mezi sebou
• Nekvalitní nebo nedostatečné stínění
• Přechody šasi, mezery a štěrbiny
• Neočekávané proudové špičky

Numerické simulace z oblasti elektra (HFSS, SIwave, EMC Plus) umožňují:

• Najít místa, kde rušení vzniká
• Simulovat přenos po kabelových svazcích
• Optimalizovat návratové cesty
• Validovat účinnost stínění
• Minimalizovat riziko selhání u finální certifikace

Díky těmto postupům lze odhalit klíčové zdroje elektromagnetických problémů dříve, než ovlivní funkci zařízení. Elektormagnetická kompatibilita se tak stává řízeným inženýrským úkolem, nikoli nepředvídatelným rizikem. Moderní simulace dávají vývojovým týmům jistotu, že návrh obstojí i v náročných provozních podmínkách.

3/ Tepelná odolnost – teplo jako největší nepřítel elektroniky

Teplota ovlivňuje elektronické součástky víc než jakýkoliv jiný faktor, protože přímo zasahuje do jejich materiálových vlastností i elektrického chování. S rostoucí teplotou se mění vodivost, zvyšují ztráty, roste vnitřní odpor a dochází k rychlejší degradaci polovodičových struktur. Opakované teplotní cykly navíc způsobují mechanické pnutí mezi různými materiály, což vede k únavě pájených spojů, delaminaci pouzder nebo praskání citlivých komponent. Výsledkem je postupné snižování životnosti i spolehlivosti celého zařízení.

Špatně řešené teplo vede k degradaci celého systému. Dnes se proto klade důraz na komplexní návrh s ohledem na tepelné účinky s přesahem do mechanických jevů i EMC.

Nástroje jako Ansys Icepak dokážou simulovat:

• Proudění vzduchu v uzavřeném prostoru
• Teplotní cykly a jejich dopad na PCB
• Kombinované účinky tepla a vibrací
• Výkonové špičky a jejich vliv na stárnutí součástek

Virtuální analýzy dokáží kvantifikovat únavové a teplotní zatížení součástek v různých provozních scénářích.

4/ Chemická odolnost – koroze, vlhkost a kontaminace

Moderní elektronika často selhává i kvůli problémům, které nejsou vidět pouhým okem. Patří mezi ně například:

• Elektrochemická migrace
• Koroze kontaktů
• Vlhkost uzavřená v pouzdrech
• Kontaminace při pájení
• Chemická degradace materiálů

Chemická odolnost se sice tradičně ověřuje fyzickými zkouškami, ale moderní simulační přístupy celý proces zásadně urychlují a zpřesňují. Metodika Reliability Physics Analysis (analýzy fyzikální spolehlivosti) umožňuje detailně modelovat chování materiálů ve vlhkém či teplotně proměnlivém prostředí, identifikovat místa s nejvyšším rizikem koroze a předpovídat postupnou degradaci po dobu celé životnosti zařízení. Zároveň dokáže odhalit poruchy způsobené kontaminací nebo změnou dodavatele materiálu, které by při klasickém testování často zůstaly skryté. Tento přístup je zvlášť důležitý v segmentech, kde je zásadní bezpečnost a dlouhodobá spolehlivost.

Spolehlivost není náhoda, ale řízený proces

Rychlé inovační cykly, časté změny v dodavatelských řetězcích a narůstající složitost elektronických systémů způsobují, že tradiční testování dnes ztrácí svou efektivitu. Fyzické zkoušky jsou nákladné, časově náročné a často přicházejí až ve chvíli, kdy je na změny v návrhu příliš pozdě.

Moderní simulační přístupy a metodika Reliability Physics však umožňují posunout řízení spolehlivosti do zcela nové roviny. Poruchy lze odhalit a vyhodnotit v řádu dnů místo měsíců, snížit závislost na prototypování a výrazně urychlit celý proces ověřování i certifikace. Výsledkem je konstrukce, jejíž kvalitu, životnost a odolnost lze předem kvantifikovat.

Simulace umožňují vývojovým týmům kontrolu nad klíčovými riziky a managementu vysokou míru jistoty, že finální produkt obstojí v reálných podmínkách i v dlouhodobém provozu.

Image

Dostupné webináře na toto téma

Přejít na webinář

Přejít na webinář