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Serma Technologies Reliability Method APRIL 2011

The classical bath curve…

Usual reliability view

Défauts aléatoires

Random failure

Failure Rate

time

Défauts de jeunesse

Early fails

Fin de vie

Wear out

1 Decrease early fails rate

Usual Tools

Adapted Qualification Process

Process management

Efficient manufacturing test

Adapted Screening


Random failure

Failure rate

time

2 Decrease random failure rate

Early fails Wear out

ONE AIM REDUCE THE SENSIBILITY OF THE PRODUCT TO NO-QUALITY PEAKS


Usual Tools

Component quality management

Process management (control & repetitivity)

Permanent improvement of the product

Adapted evolutive Screening / sampling?

3 Is wear out a fear?


Random failure

Failure rate

Time

Early fails Wear out

Life duration of the

product


Usual Tools

Reliability tests (durability tests)

Permanent control of the “really aged”

product from the field

Maintenability

5

ARGP ADAPTED RELIABILITY GROWTH PLAN

ADPATED RELIABILITY GROWTH PLAN DEFINITION

RELIABILITY GROWTH PLAN

Qualification Robustness Durability Process

Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing

SYNTHESIS OF THE RISKS : A RISK IS LINKED TO A

TECHNICAL ISSUE COMING FROM THESE 4 FIELDS

MISSION PROFILE ANALYSIS

AND

LESSONS LEARNT SYHTESIS

RISK

ANALYSIS

MITIGATION

PLAN

Stress

Probability

Stress level

Resistance

Potential failure

Reliability overview

How decrease this failure rate

probability?

Improve the

robustness and the

durability

Decrease the variability

Screen weakest parts

Reliability growth by product improvment

Improve the robustness and the durability

Stress

Probability

Stress level

Resistance

Potential failure

10







Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing


AND


RISK

ANALYSIS

MITIGATION

PLAN

11

Profil de mission

Détermination du profil de mission des utilisateurs finaux et du profil industriel

(depuis l’approvisionnement jusqu'à la livraison du produit)

ENVIRONNEMENT

UTILISATEUR

Grandeurs

Physiques

Thermique

Mécanique

Electrique

Chimique

Radiatif

...

OBJECTIFS

FIABILITE

CONDITIONS

UTILISATIONS

Grandeurs

Physiques

Questionnaire

Support Techn.

Durée de vie

Taux de défaillance

Conditions de fct

Maintenabilité

Sécurité

...

ENVIRONNEMENT

INDUSTRIEL

Questionnaire

Support Techn

Description du

processus

industriel

ESD

Chocs T° et Humidité

type de brasage

profil de brasage

...

12





Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing




AND


RISK

ANALYSIS

MITIGATION

PLAN

BOM ANALYSES

Objective verify the “good” (or less risky?) choice of

component

Why ? designer is sometimes alone for this important

and technological choice

How by verifying each line of the BOM with different

parameters defined with the project team :

References Obsolete

Temperature specification Technology

Qualification Plating

ESD MSL level

BOM ANALYSES

Each line of the BOM is analyzed versus criteria defined

depending on the project MSL, temperature

specification, qualification, technology, obsolete status,…

15





Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing




AND


RISK

ANALYSIS

FAILURE MECHANISMS

Famille technologique Principaux mécanismes de défaillance Commentaire vs profil de vie

Condensateur

céramique

multicouche,

cms

Vide entre couches, mauvaise qualité des

terminaisons …

Possible en cas de choix de source non qualifiée

Possible en cas de choix de composants en limite

de gamme

Fissure de la céramique induite par un stress

mécanique et courant de fuite entre les couches

internes, en présence d’humidité et de tension,

entraînant une dérive des valeurs ou un court

circuit

Stress mécanique possible lors des phases process

Humidité et tension présentes en utilisation

Courant du fuite ou migration dendritique

entre les électrodes en présence de résidus,

humidité et tension

Résidus issus du process (flux, particules diverses,

trace de doigt…)

Humidité et tension présentes en utilisation

Réduction dans le temps de 10 à 20% de la

capacité (Y5V et X7R) ; phénomène annulé lors

des phases on/off

Possible car produit 100% du temps sous tension

Dérive des paramètres en température (Y5V) Possible ponctuellement (si composant près d’un

point chaud et température ambiante extrême…)

Component by component, listing of the well know failure

mechanisms (state of the art, company experience,

lessons learnt) and proposal of preventive actions

17





Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing




AND


RISK

ANALYSIS

DESIGN with PRODUCT FMEA

Bus CAN Moteur

Capteur

Alimentation Température

Calculateur

…

Analyse

fonctionnelle

Grille d’analyse

-Mise à jour / ajout de précisions dans les spécifications produit

-Ajout d’actions de vérification (revue de conception, spécification

composant, analyse de risque composant, AMDEC composants…)

-Amélioration du plan de validation (ajout d’essais, sévèrisation…)

-Implémentation d’essais de robustesse / vieillissement accéléré

-Alimentation des plans de surveillance process (paramètres critiques)

-Etc.

Exemples d’actions

correctives

DESIGN par le biais d’AMDEC composant

L’objectif est d’analyser en détail les dysfonctionnements des sous ensembles critiques et d’évaluer quantitativement leur probabilité d’occurrence

L’approche est matérielle (analyse des schémas) et nécessite l’utilisation d’un recueil de fiabilité pour l’analyse de criticité

Grille d’analyse Exemples d’actions

correctives

•Amélioration design (positionnement /combinaison des

composants ; dérating)

•Choix de composants plus sûr (capacité céramique à structure

série)

•Choix de composants plus fiables

•Mise en place de mécanismes de détection de panne

•Rebouclage avec d’autres analyses de sûreté (Arbres de

défaillances)

•Implémentation de tests périodiques (maintenance)

• Etc.

20





Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing




AND


MITIGATION

PLAN

Pre test

Assessment

Conception Validation

Robustness

Reliability

Growth

Plan

Qualification

Qualification Test Plan

Manufacturing

Screening

Life

Lessons learnt

QUALIFICATION OVERVIEW (Board & system)

Number of parts available

Standard Robustness Durability Other

Railways EN50155, …

No No

Functional validation

and safety / availability

are primordial

Automotive

No worldwide standard

but specific to car

manufacturer (Renault,

PSA,…)

Punctual Yes

Robustness is

becoming more and

more a requirement

Aeronautic DO160 No No

Robustness is required

but out of the scope of

the qualification

document

Industrial

IEC are available but

not gathered in a

global approach

No No

Reliability and

robustness are put in

place for new important

development

Samples Generally 1 to 5 samples by individual test


Some suppliers use « reliability method » for life duration assessment but many equipments

are used with low qualification. Functional validation is only performed (performance)

Process Qualification

Supplier

qualification

Risk analysis

(PFMEA…)

Design Qualification

Risk analysis (DFMEA…) Robustness

Manufacturing qualification

Variability Follow-up

PCQM

QUALIFICATION OVERVIEW

Technology Qualification PERMANENT RESEARCH

Lead free Press fit Conductive polymer Planar PCB

Component Qualification

PPAP CA Reliability Tests

Supplier audit Robustness Tests

Product Qualification

Reliability Robustness

QTP



Supplier

qualification

Risk analysis

(PFMEA…)





PCQM

Technology Qualification PERMANENT RESEARCH







QTP


Supplier qualification

Risk analysis (PFMEA…)





PCQM

RELIABILITY MANAGEMENT


Technology Qualification







QTP

HTOL T&H Thermal

cycling Vibration

Railways Some hours

T max

Some hours

55°C / 85%RH

+ dew

Specific Critical frequency research +

dependant to application

Automotive X 000 h

95/125°C

> 500 h

85°C/85%RH

> 1 000 cycles

Tmin >160°C

Resonance up to 1kHz (1g)

Sine(powertrain) 1kHz (10g)

Random 1kHz

Shocks up to 100g 6ms

Aeronautic Some hours

Tmaxspec

> 200 h

65°C/95%RH

Some cycles

T 160°C

Yes but dependant to

application

Comments -

Generally low

humidity in

use

- -


29

ARGP ADVANCED RELIABILITY GROWTH PLAN

Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing






MISSION PROFILE

AND

LESSONS LEARNT ANALYSIS

Principle

Increase the stress progressively (by step)

Go over mission profile / specification values

Identify weaknesses of the product

Measure functional or destructive margins

Stress

T°, DT, V, I , P ….

Mission profile

Specification

Operating limit

Destruct limit

TEST

Why the robustness ?


Stress HIGH

TEMPERATURE

(°C)

Stress BIAS

(V)

Stress HUMIDITY

Stress

VIBRATION /

SHOCKS

(G rms)

Stress THERMAL

CYCLING (°C/mn)

Usual

qualification?


Stress HIGH

TEMPERATURE

(°C)

Stress BIAS

(V)

Stress HUMIDITY

Stress

VIBRATION /

SHOCKS

(G rms)

Stress THERMAL

CYCLING (°C/mn)

PROSPECTING OF THIS AREA

Stress

T°, DT, V, I , P ….

Results discussion

- Failure mode analysis Action ?

- Operating limit ?

- What about quality dispersion?

MARGIN

Mission profile

Specification

Operating limit

Destruct limit

Stress

T°, DT, V, I , P ….

Results discussion

- Failure mode analysis action ?

- Destruct margin ?

MARGIN

Mission profile

Specification

Operating limit

Destruct limit

– System analysis (Technolgical limit, thermal limitation,…)

– Technological risk analysis (what could be the weaknesses?)

– Stress choice (linked to technologies, to mission profile

or…to nothing? PROSPECTING ?)

– Tests choice

– Fixation study

– Monitoring study

– Implementation of the tests

– Results analysis and improvement

– Screening definition ?

The different steps of the method

36

ARGP ADVANCED RELIABILITY GROWTH PLAN

Failure

Mechanism

Technologies

BOM Analyses Design

Design for

Manufacturing






MISSION PROFILE

AND

LESSONS LEARNT ANALYSIS

Défauts aléatoires

Random failure

Taux de défaillance

temps

Défauts de jeunesse Early fails

Fin de vie

Wear out

Durée de vie ciblée

Is the life duration sufficient?

Durability

38

Méthodes principales

• MIL-HDBK217 ()

• RDF2000 du CNET - UTE 80810 / septembre 2000 / CEI 62 380

• FIDES

• ….

Principe

• Recueil de fiabilité basée sur le retour d ’expérience

• Somme des taux de défaillance des composants, de leurs connexions et du

support (PCB)

Inconvénients

• Résultats pessimistes / hypothèses de calcul (quelques contraintes)

• Mises à jour non récentes

• Pas de prise en compte du process

Les méthodes théoriques

39

Principe

Collecter et analyser toutes les défaillances apparues en

clientèle ( + intégration système & assemblage carte…)

Avantage

Meilleure évaluation du niveau de fiabilité

Inconvénients

• Mode réactif et non préventif

• Logistique pour la collecte des informations

• Pertinence des informations recueillies ( durée d’utilisation,

contexte de la défaillance, quantité de pièces en service,

« pollution » des résultats par la maintenance système, …)

• Fiabilité prévisionnelle ?

Retour d’expérience REX

40

Analyse / définition

Du profil de vie

Analyse de risques

(FMEA, composants, Process, …)

Construction et réalisation du plan

de levée de risques

Analyses et synthèse des résultats

+ Déverminage + définition

Politique d’assurance qualité

composant + actions process

• Axe « Qualification » (performances)

• Axe « Robustesse » (contraintes)

• Axe « Durabilité » (vieillissement)

• Axe « Process » (variabilité)

L’ approche Serma Technologies

41

Durabilité

et essais de vieillissement

Principe :

• Identification des modes de défaillance

• Modélisation des facteurs d’accélération

• Définition et réalisation des essais

BUT :

Provoquer des pannes potentielles dans un temps plus court que le temps d ’utilisation

Les mécanismes de défaillances sont accélérés par :

La température

La variation de température

La tension / le courant / la puissance

L ’humidité associée à la température

Durabilité

Accelerated ageing tests

Examples of failures mechanisms

Conditions

Load Life, High Temperature Operating Life

(Arrhénius)

oxyde defect, ionic contamination, electromigration, interface degradation (current density) card dysfunction because of electrical parameter drift at component level

Temperature from 50°C to 125 °C Duration depends on mission profile Polarization System powered with dynamic electrical stimulations same as use

Baking (storage) at high Temperature

(Arrhénius)

Oxide breakdown, intermetallic growth Data retention, …

Cycles/ Thermal shocks

(Coffin-Manson)

thermo-mechanical fatigue, cracks / delamination / degradation interfaces, solder joints, plastic packages, ceramic capacitor …

Temperature from –55°C to +150°C Gradient from some °C /min to x * 10 °C/min Polarization many times without power

Temperature & Humidity PCT / HAST

(Peck-Bell Lab)

Corrosion die, substrate, pins, card, housing Metallic Migration between polarized lines (component / card)

Humidity from 60% to 95 % HR Temperature from 40°C to 95°C Duration depends on mission profile Polarization static (no power) Temperature to 130°C Humidity to 100% Pressure to 3 atmosphere

Durability

Example of solder joint ageing on Sn Pb (tin lead) solder (solder coarsening):

Example of

« corrosion »

On PCBA due to

Flux residues

Example of « metallic

migration» on PCBA

Initial state

After 1000 cycles of thermal shocks

-55°C / +125°C (1 cycle / h)

QUESTIONS

Thank you / Merci

Sylvain DULPHY Phone : +33 (0)6 77 10 37 40

E-mail : [email protected]

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