Reliability Analysis Of Electronic Boards: Analyzing Of Field Return Data And The Impact Of Varistor Degradation

Abstract

Elektroniğin hızlı gelişmesiyle, özellikle son on yılda, elektronik güvenilirliği önemli bir rol taşıyor. Beyaz eşya gibi kamu hizmeti olarak üreticiler, havayolu ve askeri güvenilirliğin önemini ve maliyetlerini göz önünde bulundurmalılar. Bunlar genellikle garanti kapsamında başarısızlıktan dolayı yüksek maliyetlere maruz kalıyorlar. Güvenilirlik analizi sayesinde, ürünü sahaya sürmeden, ürünün hata eğilimleri giderilebilir ve böylece gerek garanti masrafları gerekse ürünün ve üreticinin piyasadaki itibarı üst seviyelere çıkartılabilir. Saha dönüş verileri veya garanti verileri, gelecekteki ürün bozunma tahmini, saha güvenilirlik tahmini, kalite ve güvenilirlik iyileştirme amaçları için kullanılabilir. Saha dönüş verileri bazen bize alandaki kullanım esnasında en başarısız bileşenler hakkında değerli bilgiler verir. Saha verilerin üzerinde bildirilen belirli bileşenler için başarısızlık nedenini inceleyerek, tasarımcılar ve güvenilirlik mühendisleri bu bileşen ve tüm sistemin güvenilirliği hakkında üstün bir vizyona sahip olabilirler. Ancak, sorun genellikle şu ki bu veriler uygun şekilde kayıt edilmemişler. Gerçekte, saha dönüş verisi uygunsuz korelasyon, eksik ve kötü toplanan verilere karşılık gelen hatalar içeriyor. Böyle hatalar yanlış güvenilirlik tahminine neden olabilir. Yanlış dosyalanmış saha dönüş veri analiz etkilerine ilişkin ve dolayısıyla elektronik kart güvenilirliği tahmini için, çok az sayıda literatür var. Bu çalışmanın ilk bölümü olasılık dağılım fonksiyonu dayalı bir filtreleme ve modelleme metodolojisi sunmaktadır. Bu çalışmada tüm saha dönüş verilerinden yanlış, eksik ve kötü toplanan veriler, ortadan kaldırmak için yeni bir teknik öneriliyor. İkinci modelleme aşamasında, güvenilirlik modelini geliştirmek için filtrelenmiş veriler kullanılıyor. Bu çalışmada , geleneksel tüm servis süreleri için tek dağılım kullanmak aksine farklı servis zaman aralıkları için farklı dağılımlar kullanılmaktadır. Zira tek dağlım elektronik kartların güvenilirlik performansı zaman üzerinde önemli değişiklikleri tüm servis süreleri için doğru ve tam olarak modelleyemez. Modelleme kısımında, istenen dağılımı daha doğru belirlemek için, bu çalışmada ileri ve geri yönde bir veri analiz yöntemini öneriyoruz. Bir örnek olay saha dönüş verisinde en çok hata veren ve hataya neden olan elemanlardan varistör elemanıdır. ZnO varistörler yüksek doğrusal olmayan elektrik özelliğine sahip olmaları ve mükemmel bir enerji işleme yetenekleri için, elektrik ve elektronik sistemlerinde aşırı gerilim, dalgalanmaları karşı yaygın olarak kullanılmaktadır. Uygun bir varistör seçme sistemin güvenlik ve güvenilirlik konularında önemli bir rol oynar. ZnO varistörler, kullanımda, genellikle uzun süreli AC veya DC gerilim stresi ve dalgalanmalara tabi tutulur. Bu yüzden varistör Vv geriliminin artış ile bozulmasına neden olabilir. Buna yaşlanma olgusu adı verilir ve sonunda varistör bozulmuş ve hatta termal kırılmasına veya tahrip olmasına neden olur. Bozulmuş varistörler sistem güvenilirliğini ve güvenliğini etkiler. Varistör bozulması çalışmalara dayanarak, araştırmacılar varistör bozulmasının elektronik güvenilirliğinde etkisini tek bir arıza mekanizmasını takip ettiğini savunuyorlar. Yani bu mekanizma kaçak akımın artışı veya Vv parametresinin azalmasına bağlıdır. Ancak, deneysel sonuçların olmaması için ve varistör yapısının karmaşıklığı nedeniyle, kaçak akımın azalması yani Vv değerinin artma argümanı tamamen göz ardı edilir. Varistör farklı bozulma etkilerine ilişkin çok az sayıda bildiri ve literatür bulunmaktadır ki bu çalışmaların çoğu varistörün yerleştirildiği sistemi ile ilişkisini dikkate almadan, varistör bozulmasını belirli bir test yaparak inceliyorlar. Uygulamada, ticari bir ZnO varistör degradasyon deneylerinde örnek olarak kullanılmaktadır. Bu araştırmada, varistör örnekleri beyaz eşya elektronik kartları örnek verilerinden kullanılmıştır. Hızlandırılmış degradasyon testleri farklı AC akım seviyeleri için uygulanır; daha sonra gerilim değerleri ölçülmüştür. Literatürde yaygın bir uygulamadan, sadece Vv değerlerini azalan bozunması önemsemekten farklı olarak, bu çalışma Vv parametresinde artma ve düşüş eğilimi göstermektedir. Bunun nedeniyse, artan bir kaçak akımı olan bozunma mekanizması karşı, düşen kaçak akımı varistörün bozulmasına ve patlamasına sebep olmaz. Bu yüzden düşen kaçak akıma veya yükselen Vv değerine, artan kaçak akımı veya azalan Vv değeri gibi önem verilmemiştir. Bildiğimiz kadarıyla, bu araştırma ZnO varistörinde modelleme ve karakterizasyonu üzerine her iki buzunma süreçlerini dikkate alarak ilk çalışmadır. Bozunma faktörü tanımlayarak varistör bozunma modeli tarif ediliyor. bozunma faktörü değiştirerek aşırı gerilim ne tür sistem tarafından tolere edilebilirliğini gösterilmektedir. Farklı bozunma faktörleri için farklı giriş gerilimi şekilleri inceleniyor. Simülasyon sonuçları varistör bozunmaya maruz kaldığında, kurulu aynı güç bloğundaki diğer bileşenler için ciddi hatalara neden olduğunu göstermektedir. Bu çalışmada test süresi ve test cihazları açısından hem de maliyet etkin olduğundan, AC hızlandırılmış testleri kullanılmıştır. Hızlandırılmış AC sinyalleri uygulayarak, Vv parametresinde artan ve düşen bir eğilim görmekteyiz. Vv parametresi varistörden geçen akım seviyelerine bağlıdır. Testler, akım seviyeleri belli bir eşiğin üzerinde olduğu zaman Vv de bir düşme eğilimi ve bu eşiğin altında olduğu zaman, artan bir eğilimi göstermektedir. Bu çalışmada orta ve ağır aşırı gerilimlere sınır belirlemek için bir eşik değeri belirleniyor. SPICE yazılımında ilgili devreyi farklı analizleriyle, farklı gerilim türleri için simüle ediyoruz. Simülasyon sonuçlarından Sonuç olarak, ZnO varistör buzundukca (Vv parametresinin artması), ilgili sistemin aşırı voltaj işlemek için yeteneği azalıyor. Bu yüzden yeni bir aşırı gerilim geldiği zaman sistem her an bozulabilir. Sonra AC hızlandırılmış testlerinde gözlenen bozunma süreçlerinin fiziksel temellerini araştırıyoruz.Bu bozunma mekanizmalarının her ikisini de göz önünde bulundurarak, bu çalışma bir matematiksel bozunma modeli sunuyor. Önerilen model, ZnO varistörlerin çekirdek yapısı olan tek bir tane sınırı için bozunma fiziğini inceliyor. Sonra, önerilen modeli doğrulamak için, Monte Carlo simülasyonlarını uygulayarak, sonuçları hızlandırılmış AC testlerle karşılaştırılıyor. Simülasyonların sonuçları hızlandırılmış AC testlerinden elde edilen sonuçlar ile iyi maç ediyorlar. matematiksel simülasyon ki her iki mekanizmalarını sergiliyor, ayrıca deney sonuçlarının uygulanabilirliğini teyit etmektedir.Bu çalışmanın bir özeti olarak sonunda, kavramsal hızlandırılmış AC test metodolojisini yeni bir ZnO varistörün güvenilirliğini analiz yapması için tanıtıyor.

The rapid developments in electronics, especially in the last decade, have initiated the inception of electronics reliability. Manufacturers such as public utilities like white appliances, the airline and the military are conscious of the costs of unreliability. They usually suffer high costs of failure under warranty. Field return data or warranty data can be used for variety of purposes that include the prediction of future claims, the estimation of field reliability, and the identification of opportunities for quality and reliability improvement. Filed return data sometimes gives us valued information about most failed components during their usage in the field. By examining the cause of failure for a specific components reported on the filed return data, designers and reliability engineers can have a superior vision about reliability of that component and whole system. However, the problem is usually these data are not well recorded. In reality, field return data contains errors corresponding to improper, correlated, incomplete, and poorly collected data that result in misleading reliability predictions. Very few literatures concerning the impact of improper filed return data analyzing and consequently prediction of electronic cards reliability. The first part of this study presents filtering and modeling based on probabilistic distribution function. We propose a new technique to eliminate improper data, correlated to incomplete and poorly collected data, from the whole field return data. In the second step of modeling, we use the filtered data to develop our reliability model. Rather than conventionally using a single distribution for all service times that does not accurately model the substantial changes of the electronic boards reliability performance over time, we use different distributions for different service time intervals. In order to determine the distributions we propose a technique that deals with forward and backward time analysis of the data. One of the most field reported data was for varistior and related failures. ZnO varistors have been widely used in electrical and electronics systems against overvoltage surges for their high nonlinear electrical properties (non-Ohmic current-voltage characteristics) and excellent energy handling capabilities. Choosing an appropriate varistor plays an important role in system safety and reliability. If ZnO varistors are used within their well-defined specifications, degradation due to the environment is not likely. ZnO varistors in-use are usually subjected to a long-term AC or DC voltage stress and surge which may lead to degradation of the varistors with an increase of the varistor clamping voltage Vv. This is called ageing phenomenon and will eventually make the varistors degraded and even thermally broken down or destructed. Degraded varistors affect system reliability and safety. Based on studies on varistor degradation, researchers have argued that the impact of varistor degradation in reliability of electronics is following one-failure mechanisms, which is dependent on increasing of lekage current or decreasing in Vv parameter. However, due to the lack of experimental results and the complexity of varistor structure, the argument decreasing leakage current that results in an increase of Vv, is totally disregarded. Very few papers concerning the impact of different degradation of varistor can be found in the literature. Further, most of these studies perform a specific test on the varistor degradation without considering its relationship with the system where the varistor is placed. In practice, commercial varistor are used as a sample for degradation in experiments. In this research, varistor samples were as same as the real field used application of white appliances. Accelerated degradation tests are applied for different AC current levels; then voltage values are measured. Different from the common practice in the literature that considers a degradation with only decreasing Vv values, we demonstrate either an increasing or a decreasing trend in the Vv parameter. The tests show us a decreasing trend in Vv for current levels above a certain threshold and an increasing trend for current levels below this threshold. We find a threshold value to determine the border of moderate and heavy overvoltages. We simulated the related circuit in SPICE software for different analysis and different overvoltage types. As a conclusion from simulation results, we observed that as a ZnO varistor degrading (Vv parameter increasing), the related system capability to handle the overvoltage is decreasing. It means that, if we consider a typical overvoltage type for a specific environment, the designed circuit maybe stand against this overvoltage, but in case of the degradation the failing is possible. Considering both of these degradation mechanisms, we present a mathematical degradation model. The proposed model exploits physics of the degradations for a single grain boundary that is the core structure of ZnO varistors. To validate the proposed model, we perform Monte Carlo simulations and the results are compared with those obtained from accelerated AC tests. At the end as a summary of this study, we introduce a conceptual accelerated AC test methodology to analyze the reliability of a new ZnO varistor.