Zuverlässige elektronische Systeme Von der Designphase bis zur Überwachung im Betrieb

Die System-Anforderungen in dem Produktentwicklungsprozess und Anwendungen möglicher Applikationen.
Welche Methoden helfen Entwicklern, um die Zuverlässigkeit eines elektronischen Systems im Betrieb von Beginn an einzuplanen?

Um die Zuverlässigkeit elektronischer Systeme abzusichern, stehen Entwicklern vielfältige Methoden zur Verfügung. Sie werden in diesem Beitrag entlang des Produktentwicklungsprozesses eingeordnet und anhand möglicher Applikationen diskutiert.

Bei der Entwicklung innovativer Produkte und Systeme kommt dem Aspekt der Sicherung der Zuverlässigkeit eine entscheidende Bedeutung zu. Dabei steht Entwicklern eine Vielzahl unterschiedlicher Bewertungsmethoden zur Verfügung, die zumeist erst am Ende der Entwicklung qualifizieren, ob die Anforderungen erfüllt werden. Daraus resultierende Sprünge in frühere Entwicklungsphasen sind mit einem hohen zeitlichen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Das bekannte V-Modell erklärt die Entwicklung komplexer Produkte schematisch, beginnend bei der Spezifikationsphase bis zur Realisierung des Produktes.

Dem gegenüber unterliegen Produkte immer kürzeren Innovationszyklen, aus denen sich kürzere Entwicklungszeiten ergeben. Ziel muss es daher sein, die Erprobungszeit neuer Produkte durch eine optimierte Entwicklungsarbeit sowie ganzheitliche Methoden zu reduzieren und Schwachstellen bereits während der Entwicklung aufzudecken.

Anforderungen an den Entwicklungsprozess mechatronischer Systeme

Die Zuverlässigkeit elektronischer Produkte spielt nicht nur beim Kunden eine entscheidende Rolle. Kommt es bei Produkten aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen im Betrieb zu Rückrufaktionen, bedeutet dies für den Hersteller neben einem wirtschaftlichen auch einen Image-Schaden. 60 % aller innerhalb der Gewährleistung auftretenden Ausfälle haben ihren Ursprung in der Entwicklung [1].

Mit zunehmender Dauer der Entwicklung eines Produktes und dessen Konkretisierung steigen die Kosten für Änderungen am Konzept. Wie wichtig aus wirtschaftlicher Sicht das frühe Auffinden von Fehlern ist, macht die Verzehnfachungsregel (Rule-of-Ten) deutlich. Diese besagt, dass mit jeder Phase der Entwicklung die Kosten für eine Behebung von Fehlern um den Faktor zehn ansteigen. Ebenso nimmt mit zunehmender Dauer der Produktentwicklung der Einfluss ab, potenzielle Fehler zu vermeiden, sodass Entwickler auf entdeckte Fehler nur reagieren können. Zudem werden durch Entscheidungen in der Entwicklung 80 % der Kosten des Endproduktes festgelegt [2].

Getrieben durch steigende Leistungs- und Komfortansprüche, nimmt der Anteil an Elektronik in allen Industriebranchen zu. Der Fortschritt der Halbleitertechnik ermöglicht kompaktere und leistungsfähigere Elektronik. Ein Trend geht dahin, Elektronik „vor Ort“ bei den Aktoren und Sensoren zu platzieren. Verbunden damit ist jedoch oft eine rauere Umgebung. Vorteile sind z.B. ein optimierter Verkabelungsaufwand, Reduzierung der Schnittstellen, eine Begrenzung von Gewicht und Bauraum sowie eine stärkere fertigungstechnische Integration.
Nur durch diese Zusammenführung kann oft die steigende Anzahl neuer Funktionen untergebracht werden. Diese Integration wird als mechatronisches System bezeichnet. Mechatronik nutzt die Synergien der Ingenieurwissenschaften Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik. Die Entwicklung setzt auf ein interdisziplinäres Arbeiten dieser drei Bereiche.

Neben der Zuverlässigkeit dieser mechatronischen Systeme steht oft auch der Aspekt der Sicherheit im Fokus. Bei Problemen mit der Zuverlässigkeit muss das System in einen Zustand übergehen, der zu keinem Schaden an Menschen und Sachgütern führt. Die Zuverlässigkeitsforderung ist die »Gesamtheit der betrachteten Einzelforderungen an die Beschaffenheit einer Einheit, die das Verhalten der Einheit während oder nach vorgegebenen Zeitspannen bei vorgegebenen Anwendungsbedingungen betreffen ...« [3]. Wird diese Forderung heute vielfach durch Testschleifen geprüft und gegebenenfalls das System neu konzipiert, verlangen kürzere Entwicklungszeiten ein frühzeitigeres Erkennen von Schwachstellen. Aus diesem Grund existiert eine Vielzahl an verschiedenen Methoden, die mögliche Schwachstellen im Systementwurf auffinden sollen. Die geringe Datenlage stellt in frühen Entwicklungsphasen dabei ein Problem dar [4].

Ausfallverhalten elektronischer Systeme

Die Ausfallrate elektronischer Produkte kann über die so genannte »Badewannenkurve« beschrieben werden (Bild 1). Wird die Ausfallrate einer Komponente über der Nutzungsdauer aufgetragen, ergeben sich drei Bereiche. Die erste Phase wird von Frühausfällen dominiert, die vor allem entwurfs- und fertigungsbedingt sind.

Die zweite Phase dominieren intrinsische Ausfälle, die zufällig und größtenteils durch Überbeanspruchung entstehen. Die Spätausfälle der dritten Phase kommen durch Alterung und Verschleiß des Produktes zustande. Jedes Produkt wird letztendlich ausfallen [2].

Ziel ist es, die Ausfallrate einer elektronischen Baugruppe so zu beeinflussen, dass bis zur vorgegebenen Lebensdauer keine bzw. so wenig Ausfälle wie möglich auftreten – im ppm-Bereich. Ein in der Automobilindustrie angestrebtes Ziel ist es zum Beispiel, Steuergeräte mit einer maximalen Ausfallrate von 50 ppm zu entwickeln, bezogen auf eine Zeitspanne von zehn Jahren bzw. eine Fahrleistung von 150.000 km [5].

Ableitung des Belastungsprofils während der Lebensdauer

Das Belastungsprofil (Mission Profile) eines abzusichernden Systems beinhaltet alle relevanten Anforderungen die sich aus der Produktion und Anwendung ergeben. Die Anforderungen lassen sich als Parameter verstehen, die notwendig sind, um Alterungsmodelle zu erstellen, und somit die Zuverlässigkeit maßgeblich beeinflussen. Zu den Parametern zählen beispielsweise die vorgesehene Lebensdauer, klimatische Umwelteinwirkungen, aktive und passive Betriebsdauer, Laufleistung.

Sind Parameter unbekannt, müssen diese aus den Nutzungsszenarien bestimmt werden. Anforderungen sind insbesondere abhängig vom Einsatzort bzw. dem Einbauort. Globale klimatische Anforderungen sind zum Beispiel Temperatur, Vibration, Feuchte, Schadstoffe, Chemikalien, UV-Strahlung, Höhenstrahlung. Aus dem Einbauort ergeben sich weitere lokale Einflüsse wie die Wechselwirkungen benachbarter Komponenten.

Ermittlung relevanter Fehlermechanismen und Alterungsmodelle

Physikalische, chemische, mechanische oder andere Vorgänge, die zum Ausfall einer Komponente führen, werden als Fehlermechanismen bezeichnet. Fehlermechanismen werden dabei sowohl von den zugrundeliegenden Materialparametern als auch von Art und Ausmaß der Beanspruchungen beeinflusst. Aufgrund eines Fehlermechanismus werden ein oder mehrere Merkmale einer Komponente verändert.

Alterungsmodelle beschreiben die systematische Degradation während des Einwirkens einer Last bis zum Erreichen eines festgelegten Ausfallkriteriums. Die dabei erreichte charakteristische Lebensdauer oder Ausfallrate ist dabei abhängig von der Lastintensität. Alterungsmodelle lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Empirische Modelle und Physics-of-Failure-Modelle. Empirische Modelle sind das Ergebnis statistischer Degradationsausfälle einer Stichprobe. Physics-of-Failure Modelle beschreiben die physikalische, zum Ausfall eines Systems führende Degradation.

Zur Ermittlung der relevanten Fehlermechanismen eines Systems hat sich die FMMEA-Methode (Failure Modes, Mechanisms and Effects Analysis) bewährt, mit der systematisch die Identifikation der relevanten Fehlerorte, -modi, -ursachen und Fehlermechanismen unter Berücksichtigung des Belastungsprofils aus der Anwendung erfolgt [6, 7]. Bild 2 stellt die Beziehung von Fehlerort und Fehlermechanismus dar.

Zuverlässigkeitsforderung während der Produktentwicklung

Die Entwicklung eines Produktes erfolgt mit Hilfe des sogenannten Produktentstehungsprozesses (PEP). Dieser umfasst in zeitlicher Abfolge neben den durchzuführenden Kernaufgaben die benötigten Ein- und Ausgangsdaten sowie die verantwortlichen Fachabteilungen. Insgesamt besteht der PEP aus den fünf Projektphasen Angebot, Konzept und Detaillierung, Betriebsmittelanfertigung, Qualifikation Produkt und Prozess, Serienanlauf. Grundlage des PEP ist die ISO 9000 ff [8, 9].

Die Entwicklung eines elektronischen Systems wird im PEP in fünf Phasen unterschieden: Aufgabenklärungs-, Konzept-, Entwicklungs-, Erprobungs-/ Bestätigungsphase sowie Produktionsstart (SOP, Start of Production) [2]. Am Ende jeder Phase liegt ein definiertes Ergebnis vor. Zum frühen Entwicklungsprozess zählen die Phasen Aufgabenklärung, Konzept und Entwicklung (Bild 3).

Das Ergebnis der Aufgabenklärungsphase stellt die Anforderungen an die Funktionen der Elektronik dar. Während der Konzeptphase erfolgt die Erarbeitung des Schaltungskonzeptes, das im Laufe der Entwicklungsphase in eine serienreife Schaltung umgesetzt wird. In den folgenden Phasen wird die Einhaltung aller Anforderungen in der Erprobungs-/Bestätigungsphase getestet und die Serienproduktion beginnt.

 

Seminar Zuverlässigkeit elektronischer Systeme

Das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin bietet am 8. und 9. November 2018 ein zweitägiges Seminar an, das die relevanten Methoden und Hintergründe zur Absicherung der Zuverlässigkeit im Entwicklungs- und Produktionsprozess elektronischer Systeme vermittelt. Es wird von der Abteilung Environmental and Reliability Engineering des Fraunhofer IZM durchgeführt und behandelt die Themenbereiche:

  • Definition und Einordnung wichtiger Begriffe
  • Umgang mit Normen und Standards
  • Methoden zur Systembewertung
  • Einflüsse von Belastungen und deren Ausfallmechanismen
  • Empirische und physikalische Alterungsmodelle
  • Simulationssystematik
  • Realitätsnahe Umsetzung von Belastungstests
  • Interpretation und Auswertung von Versuchsergebnissen
  • Umgang mit Zuverlässigkeitskennwerten
  • Absicherung der Zuverlässigkeit durch Zustandsüberwachung

Das Seminar findet in den Räumen des Fraunhofer IZM in Berlin, Gustav-Meyer-Allee 25, statt und richtet sich vorzugsweise an Ingenieure und Techniker aus den Bereichen Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung.

Zuverlässigkeit elektronischer Systeme
Berlin
8. – 9. November 2018
Fraunhofer IZM
www.izm.fraunhofer.de