Compliance gemäß ISO 26262 durch Einbezug von EMS-Dienstleistern

Risiko erkannt, Unfall gebannt

25. Februar 2016, 15:14 Uhr | Von Bernd Enser

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Design für die Fertigung

Robustness Validation bei Sanmina: Analyse, Test und Qualifizierung von elektronischen Komponenten für den Automo­tive-Bereich
Robustness Validation bei Sanmina: Analyse, Test und Qualifizierung von elektronischen Komponenten für den Automo­tive-Bereich.
© Sanmina

Ein durchdacht entworfener Fertigungsprozess kann einige Funktionale-Sicherheits-Probleme beseitigen oder zumindest kontrolliert beherrschbar machen. Wird beispielsweise ein komplexer integrierter Grafiktreiber-Schaltkreis betrachtet, der ursprünglich nicht für eine automobile Anwendung entworfen wurde und ein Einsatzprofil mit einer bestimmten Betriebstemperaturspanne aufweist – zum Beispiel zwischen –5 °C und +80 °C –, so kann das Einsatzprofil für die automobile Anwendung zum Beispiel eine breitere Betriebstemperaturspanne mit einer höheren Maximaltemperatur erfordern (zum Beispiel +125 °C). Im ersten Schritt würde dieses Bauteil als Charakterisierungsproblem identifiziert. Die Ingenieure können nun entscheiden, welche Belastungen zu einem Versagen des Bauteils führen könnten. Die Wahrscheinlichkeit, dass die erhöhte Temperatur ein derartiger Belastungsfaktor ist, ist dabei hoch. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beseitigen, ist die Modifizierung des Designs mit einem zusätzlichen Kühlkreis oder integrierter Redundanz. Durch ein entsprechendes Design für die Fertigung und die Zuverlässigkeit kann es aber unter Umständen auch möglich sein, Wärme von der Leiterplatte abzuleiten. Wenn bei der Entwicklung des Fertigungsprozesses bekannt ist, dass eine potenzielle Belastung durch höhere Temperaturen eliminiert werden muss, können sich Ingenieure auf das Pad-Design, die Menge an Lötpaste für das Bauteil und die genaue Platzierung konzentrieren. Zum Beispiel können der Einsatz spezieller Lotpasten und eine engere Platzierungstoleranz die Wärmeleitfähigkeit gut konzipierter Leiterplatten erhöhen, indem optimale Pfade für den Wärmetransfer bereitgestellt werden. Ein weiteres Beispiel, wie Funktionale-Sicherheits-Probleme eliminiert werden können, findet sich im Bereich des mechanischen Versagens. Bei einigen Anwendungen können Variationen bezüglich der Lötpastendicke unter Einsatz einer Stufenschablone einen ausreichenden Puffer liefern, der ein Versagen durch mechanische Vibration eliminiert oder zumindest reduzieren kann.

Validierung der Robustheit

Nachdem die theoretische funktionale Sicherheit charakterisiert wurde und Lösungen für den Produkt-Design- und Fertigungsprozess entwickelt wurden, wird die Robustheit validiert. Dieser Prozess stellt sicher, dass Design und Fertigungsprozess die Anforderungen an das Einsatzprofil des Produkts über die erwartete Lebensdauer hinweg erfüllen und nicht selbst Belastungsquellen enthalten, die zu einem Versagen führen können. Normalerweise kommen hoch beschleunigte Tests zum Einsatz, um die gesamte Lebensdauer des Produkts in einer viel kürzeren Zeit zu simulieren. Der wahrscheinliche Stressfaktor, der zu einem bestimmten Fehlermechanismus führt, wird identifiziert. Anschließend wird eine Methode gewählt, um das Eintreten des Versagens zu beschleunigen. Beispiele derartiger Methoden sind die Erhöhung der Temperatur am Schaltkreis durch eine gesteigerte Stromzufuhr, Temperaturwechsel, um ein Versagen aufgrund von dynamischen Temperaturveränderungen herbeizuführen, oder der Einsatz von Vibrationstests, um ein mechanisches Versagen zu erreichen.

Falls die Zunahme der statischen Temperatur einen möglichen Stressfaktor für ein bestimmtes Bauteil darstellt, kann der Ingenieur zum Beispiel entscheiden, die Temperatur im Gerät durch eine erhöhte Stromzufuhr zu erhöhen. Die Hersteller der Bauteile liefern Übersichten, die die Profiländerungen beschreiben, wenn sich Parameter wie die Temperatur verändern. Ein Parameter, der vor und nach der Temperaturerhöhung gemessen werden kann, ist zum Beispiel der Ruhestrom. Die Ergebnisse werden anschließend mit den Datenblättern und Funktionskurven des Bauteilherstellers verglichen. Abweichungen, die größer sind als gemäß den Spezifikationen des Herstellers zu erwartende Werte, können ein Anlass zur Sorge sein.

Mechanische Vibration ist ein weiteres Beispiel für einen möglichen Stressfaktor. Ein Versagen durch mechanische Vibration kann aber wesentlich schwieriger durch beschleunigte Tests herbeigeführt werden. Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, die Ergebnisse von Messungen bei verschiedenen Frequenzen zu betrachten. Ein Röntgengerät lässt sich beispielsweise einsetzen, um zu beobachten, wie sich die Bonddrähte in einem integrierten Schaltkreis oder einer Baugruppe bei mechanischer Vibration verhalten. Diese Beobachtungen ermöglichen eine Bewertung, wie viel „mechanische Vibration“ oder welche spezifischen mechanischen Belastungen ein bestimmtes Gerät aushalten kann, bevor es versagt. Das lässt sich dann mit dem entsprechenden Einsatzprofil vergleichen – und falls notwendig können Lösungen erarbeitet werden.

Beschleunigte Lebensdauertests sind ebenfalls notwendig, um zu prüfen, ob der operative Betrieb während des geplanten Einsatzprofils aufrechterhalten werden kann. Ein Produkt mehrere tausend Male ein- und auszuschalten ist eine Möglichkeit. Der Zeitaufwand für eine reale Einsatzsimulation wäre dabei allerdings immens, weil beispielsweise auch Zeit für das Abkühlen der Bauteile berücksichtigt werden muss. Stattdessen kann eine erheblich geringere Anzahl an Ein-/Aus-Zyklen, zum Beispiel 30 Mal, sorgfältig überwacht und Schlüsselparameter wie der Betriebstemperaturanstieg gemessen werden. Die Parameter lassen sich auf einer modifizierten Charakterisierungskurve darstellen. Mit Hilfe der empirischen Daten aus der geringeren Anzahl von Ein-/Aus-Zyklen kann unter Einsatz von Interpolationsverfahren das Verhalten eines Bauteils oder eines Untersystems während der erwarteten Lebensdauer bestimmt werden. Dieses Verfahren kann während der Design-Phase eingesetzt werden, um die erwarteten Ein-/Aus-Zyklen für das Einsatzprofil des Fahrzeugs zu simulieren und die Fehlermöglichkeiten sowie die Zeit bis zum Versagen vorherzusagen. Darüber hinaus lassen sich diese Verfahren während der Massenfertigung einsetzen, um schwache Bauteile ohne ein definitives Testversagen zu identifizieren. Gemeinsam mit anderen Ansätzen für Temperaturwechsel und mechanische Vibration wird diese Technik für beschleunigte Lebensdauertests eines Produkts eingesetzt und ermöglicht es so, die Robustheit des Einsatzprofils zu validieren.

Compliance im Bereich funktionale Sicherheit ist äußerst komplex. Auf jeder Stufe der Lieferkette sind Analysen und Risikomanagement notwendig. Dabei müssen alle Umwelt- und funktionalen Belastungen während der Lebensdauer eines Fahrzeugs sowie die Fertigungs-, Test- und Versandprozesse betrachtet werden. Bauteil- und Verfahrensingenieure eines EMS-Partners hierbei frühzeitig miteinzubeziehen ist von großer Bedeutung. Auch ein integrierter, multidisziplinärer Ansatz ist ein entscheidender Faktor. Wird das umgesetzt, können EMS-Ingenieure die Interaktionen zwischen Design- und Fertigungsprozess bewerten, die wichtigsten Risiken priorisieren und den Fertigungsprozess so gestalten, dass die Risiken unter Kontrolle gebracht werden können. Der richtige Partner kann zudem während der Design-Phase beschleunigte Lebensdauertests durchführen, um Fehlermöglichkeiten im Kontext des geforderten Einsatzprofils vorherzusagen oder zu bestätigen. Die resultierenden Daten lassen sich auch einsetzen, um schwache Bauteile während der Massenfertigung zu identifizieren – auch wenn diese funktionale Tests bestanden haben.

 

Der Autor

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Bernd Enser
 
studierte Elektrotechnik und Betriebswirtschaft. Nach zwölf Jahren bei Alcatel trat er 2002 bei Sanmina ein und leitete dort elf Jahre das Qualitäts­management. Seit 2014 ist er als Vice President für das weltweite Automotive-Geschäft des EMS-Dienstleisters tätig. Darüber hinaus leitet er die Technische Kommission beim ZVEI.


 

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