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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Vorhersagen einer Lebenserwartung eines Produkts, das mindestens
zwei Komponenten umfasst. Die Lebenserwartung wird in Abhängigkeit
von einer vorgebbaren Belastung des Produkts ermittelt.
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Außerdem betrifft
die Erfindung ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere
auf einem Mikroprozessor, einer Datenverarbeitungsanlage ablauffähig ist.
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In
verschiedenen technischen Bereichen werden Produkte eingesetzt oder
benutzt, die in Abhängigkeit
von der Belastung, der sie während
ihres Betriebs ausgesetzt sind, eine bestimmte Lebensdauer haben.
Ein Produkt umfasst mehrere Komponenten. Ein Produkt kann ein Personal
Computer (PC) sein, wobei die Komponenten dann die elektrischen
Bauteile (Netzgerät,
Hauptplatine, Festplatte, Diskettenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk, DVD-Laufwerk,
etc.) des PC sind. Denkbar wäre
auch, dass man beispielsweise die Hauptplatine als das Produkt betrachtet,
wobei dann die verschiedenen elektrischen Bauteile, Lötstellen
etc. auf der Platine die Komponenten sind. Ein Produkt könnte auch
eine beliebige Kraftfahrzeugkomponente, insbesondere ein Kraftfahrzeugsteuergerät sein,
wobei die Komponenten dann die verschiedenen elektrischen Bauteile (zum
Beispiel Widerstände,
Kondensatoren, Spulen, Operationsverstärker), Lötstellen, Leiterbahnen, etc. sind.
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Die
Lebensdauer eines Produkts ist stark abhängig von der Belastung, der
das Produkt während seines
Lebens ausgesetzt ist. Ein Kraftfahrzeugsteuergerät beispielsweise,
das in der Nähe
einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs angeordnet ist, ist einer
wesentlich höheren
thermischen Belastung ausgesetzt als ein im Fahrgastraum des Fahrzeugs
angeordnetes Steuergerät.
Die thermische Belastung kann eine absolute Temperatur aber auch
eine Temperaturschwankung sein. Das gleiche Steuergerät hätte im Bereich
des Motors deshalb eine kürzere
Lebensdauer als im Fahrgastraum. Das gleiche gilt auch für mechanische
und chemische Belastungen sowie für jede andere Form von Belastung.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Zuverlässigkeitsnachweis
für ein
Produkt zu erbringen, indem es für
eine bestimmte vorgebbare Zeitdauer oder nach vorgebbaren Intervallen
einer bestimmten vorgebbaren absoluten oder zyklischen Belastung
ausgesetzt wird. Zum Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises wird also
ermittelt, ob ein Produkt bzw. die Komponenten des Produkts einer vorgebbaren
Belastung für
eine vorgebbare Zeitdauer standhalten kann.
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Derartige
Zuverlässigkeitsnachweise
werden nach hersteller- oder
kundenspezifischen Normen oder nach gesetzlichen Normen erbracht.
Zum Erbringen des Nachweises für
ein Produkt sollte das Produkt idealerweise die ihm im Rahmen seines
bestimmungsgemäßen Gebrauchs
oder Einsatzes bevorstehende Belastung über eine geforderte Mindestlebensdauer
ausgesetzt sein. Übersteht
das Produkt unter diesen Belastungen die Mindestlebensdauer, so
ist der Zuverlässigkeitsnachweis
für dieses Produkt
erbracht. Fällt
es vor Erreichen der Mindestlebensdauer aus, konnte der Nachweis
nicht erbracht werden. Die Erprobung zum Erbringen des Nachweises
kann an einer Mehrzahl baugleicher Produkte ausgeführt werden,
so dass das Ergebnis des Nachweises repräsentativer ist.
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Aus
Zeitgründen
ist es in der Regel jedoch nicht möglich, die gesamte geforderte
Mindestlebensdauer des Produkts (beispielsweise 15 bis 20 Jahre
bei einem Kraftfahrzeugsteuergerät)
in Echtzeit unter den im Rahmen seines bestimmungsgemäßen Gebrauchs
oder Einsatzes bevorstehenden Belastungen abzufahren. Aus diesem
Grund ist es bekannt, die Belastungen über die wahrscheinlich bevorstehenden
Belastungen hinaus zu erhöhen
und im Gegenzug die Erprobungsdauer zu reduzieren. Diesbezüglich spricht
man auch von einem beschleunigten Zuverlässigkeitsnachweis.
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Der
genaue Zusammenhang zwischen Erhöhung
der Belastung und Verkürzung
der Erprobungsdauer ist jedoch nicht bekannt und kann sich für unterschiedliche
Belastungen und für
verschiedene Produkte völlig
unterschiedlich verhalten. Außerdem führt dieses
Vorgehen zu einer Anhäufung
von Fehlern, die eine Folge der erhöhten Belastungen sind und während des
bestimmungsgemäßen Betriebs oder
Einsatzes des Produktes in der Realität nicht auftreten. Solche Fehler werden
auch als feldirrelevante Fehler bezeichnet. Andererseits kann es
aufgrund der verkürzten
Erprobungsdauer dazu kommen, dass bestimmte Fehler, die in der Realität infolge
langfristiger jedoch betragsmäßig geringer
Belastungen auftreten, während
der verkürzten
Erprobungsdauer nicht auftreten. Mit anderen Worten, je mehr die
Erprobungsdauer verkürzt
wird, desto weniger realitätsnah
oder feldnah ist das Ergebnis des Nachweises. Es besteht also ein
Zielkonflikt zwischen einer Verkürzung
der Erprobungsdauer einerseits und der Feldnähe des Ergebnisses der Erprobung
andererseits.
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Das
bekannte Verfahren liefert nach der Erprobung einer Mehrzahl von
baugleichen Produkten beispielsweise Aussagen wie: "Das Produkt erreicht bei
absoluten Betriebstemperaturen von über 90°C mit einer Wahrscheinlichkeit
von 97% eine Mindestlebensdauer von 5.000 Betriebsstunden." Darüber hinaus
gehende Aussagen kann das bekannte Verfahren jedoch nicht liefern.
Solche Aussagen betreffen beispielsweise die Fragen, wie lange die
Lebenserwartung des Produkts bei einer vorgegebenen Belastung ist,
wie lange das Produkt bei einer geringeren bzw. höheren Belastung
lebt und welche Komponenten wie dimensioniert werden müssen, damit
das Produkt eine höhere
Mindestlebensdauer erreicht (Welche Komponenten müssen stabiler
ausgebildet werden ?) bzw. kostengünstiger gefertigt werden kann
(welche Komponenten können
weniger stabil ausgebildet werden ?).
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass
innerhalb möglichst
kurzer Zeit und möglichst
feldnah ein besonders aussagekräftiger
Zuverlässigkeitsnachweis
für das
Produkt erbracht bzw. die Lebensdauer des Produkts ermittelt werden
kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe werden ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten
Art die nachfolgenden Verfahrensschritte vorgeschlagen:
- – die
Komponenten des Produkts werden mit verschiedenen Belastungen beaufschlagt;
- – die
Komponenten werden bei den verschiedenen Belastungen jeweils bis
zu ihrem Ausfall betrieben;
- – die
erzielten Ausfallzeiten werden für
die jeweilige Komponente in Abhängigkeit
von der Belastung gespeichert;
- – in
Abhängigkeit
von den belastungsabhängigen Ausfallzeiten
einer Komponente wird eine End-of-Life (EoL)-Kurve der Komponente aufgenommen;
- – es
wird eine EoL-Kurve des Produkts ermittelt, so dass sie bei den
verschiedenen Belastungen diejenige der EoL-Kurven der Komponenten umfasst, welche
bei der entsprechenden Belastung jeweils die kürzeste Ausfallzeit hat; und
- – wobei
die voraussichtliche Lebensdauer des Produkts als Funktionswert
der EoL-Kurve des Produkts in Abhängigkeit von der vorgegebenen Belastung
des Produkts ermittelt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß wird also
zunächst
jede Komponente eines Produkts einzeln betrachtet. Anhand der für die einzelnen
Komponenten aufgenommenen EoL-Kurven wird einen EoL-Kurve für das gesamte
Produkt ermittelt. Diese entspricht bei den verschiedenen Belastungen
sozusagen immer der EoL-Kurve der schlechtesten Komponente, d. h.
der Komponente mit der geringsten Lebensdauer bei einer bestimmten
Belastung. Dies ergibt sich aus der Überlegung heraus, dass ein
Produkt in seiner Gesamtheit ausfällt, sobald auch nur eine der
Komponenten ausfällt.
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Die
Betrachtung der einzelnen Komponenten hat den Vorteil, dass bei
einer Änderung
des Aufbaus des Produkts (Austausch einer Komponente durch eine
andre, Weglassen einer Komponente, Hinzufügen einer neuen Komponente)
nicht für
das gesamte Produkt erneut ermittelt werden muss, ob das Produkt
der vorgegebenen Belastung für
die vorgegebene Zeitdauer standhalten kann. Es genügt, wenn
die EoL-Kurve für
die neue oder geänderte Komponente
aufgenommen wird und bei der Ermittlung der EoL-Kurve des gesamten
Produkts berücksichtigt
wird. Beim Weglassen einer Komponente wird bei der Ermittlung der
EoL-Kurve für
das Produkt einfach die EoL-Kurve der weggelassenen Komponente nicht
mehr berücksichtigt.
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Beim
Aufnehmen der EoL-Kurve für
eine der Komponenten des Produkts kann die EoL-Kurve der Komponente
einfach durch die ermittelten Werte für die belastungsabhängigen Ausfallzeiten
für diese Komponente
hindurch gelegt oder an diese Werte angenähert werden. Die Punkte der
EoL-Kurve einer Komponente zwischen den ermittelten Werten für die belastungsabhängigen Ausfallzeiten
der Komponente können
nach beliebigen an sich bekannten Verfahren interpoliert werden.
Am Rand, d. h. am Anfang und Ende, kann die EoL-Kurve extrapoliert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine besonders schnelle Überprüfung der
Haltbarkeit eines Produkts, insbesondere dann wenn die EoL-Kurven
für die
einzelnen Komponenten bereits im Vorfeld der Überprüfung aufgenommen, in einer Datenbank
abgespeichert und bei Bedarf nur noch abgerufen werden müssen. Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
feldirrelevante Fehler aufgrund einer zu hohen Belastung für den Zuverlässigkeitsnachweis
verhindert werden. Die verschiedenen Belastungen, mit denen die
einzelnen Komponenten beaufschlagt werden, liegen zum überwiegenden
Teil im Bereich einer angenommenen Feldbelastung und nur geringfügig darüber. Die Überprüfung der
Haltbarkeit des Produkts, d. h. ob das Produkt der vorgegebenen
Belastung für
die vorgegebene Zeitdauer standhalten kann, erfolgt also mit Belastungen,
die während
eins Betriebs des Produkts auch tatsächlich im Feld auftreten können.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wurde gewissermaßen die Beaufschlagung der
Komponenten bzw. des gesamten Produkts mit der angenommenen Feldbelastung
getrennt von der Ermittlung der Lebenszeit des Produkts und von
der Überprüfung der Haltbarkeit.
Während
die Beaufschlagung der Komponenten mit der angenommenen Feldbelastung
im Vorfeld der eigentlichen Ermittlung der Lebensdauer und/oder
Zuverlässigkeit
des Produkts stattfinden kann, erfolgt die eigentliche Ermittlung
der Lebensdauer des Produkts auf Grundlage der im Vorfeld ermittelten
EoL-Kurven während
der Laufzeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Betrachtung der einzelnen Komponenten hat auch den Vorteil, dass
anhand der EoL-Kurven für
die einzelnen Komponenten geprüft
werden kann, ob die Komponenten geeignet sind, der angenommenen
Feldbelastung standzuhalten. Falls eine Komponente der Feldbelastung
nicht standhalten kann, wird dies anhand der EoL-Kurve der Komponente
sofort erkannt, und die Komponente kann dann gezielt gegen eine
stabilere ausgetauscht werden. Andererseits ist es auch möglich, Komponenten
die ersichtlich viel stabiler sind als eigentlich erforderlich (weil
die EoL-Kurve dieser Komponenten deutlich oberhalb der angenommenen
Feldbelastung liegt), durch weniger stabile kostengünstigere
Komponenten zu ersetzen, ohne dass man Gefahr läuft, dass das Produkt der angenommenen
Feldbelastung nicht mehr standhalten kann.
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Schließlich kann
mit der vorliegenden Erfindung anhand der EoL-Kurve des Produkts
eine angenommene Feldbelastung (nach Größe der Belastung und Dauer
der Beanspruchung) ermittelt werden, welche unter dem Gesichtspunkt
einer Minimierung der Testdauer und der feldirrelevanter Fehler
eine optimale Überprüfung der
Zuverlässigkeit
des Produkts ermöglicht.
Dazu wird die angenommene Feldbelastung so gewählt, dass die Dauer der Beanspruchung einen
repräsentativen
Wert hat (dies entspricht in etwa 50 bis 3.000 Zyklen). Der Wert
für die
Feldbelastung wird dann als diejenige Belastung gewählt, bei
der die gewählte
Dauer der Beanspruchung gerade noch unterhalb der EoL-Kurve des
Produkts liegt. Somit sind die Dauer und die Beanspruchung für optimale
Testbedingungen festgelegt. Es ist nicht erforderlich, den Test
aus Sicherheitsgründen
bei einer darüber
hinaus gehenden höheren
Belastung auszuführen
oder für
eine längere
als die ermittelte Dauer durchzuführen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich nicht nur zur Ermittlung der Lebensdauer des Produkts
(Wie lange hält
das Produkt einer vorgegebenen Belastung stand ?), sondern kann
auch zum Erbringen eines Nachweises der Zuverlässigkeit des Produkts eingesetzt
werden (Hält
das Produkt einer vorgegebenen Belastung für eine vorgegebene Zeitdauer
stand ?). Deshalb wird gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass das
Verfahren zum Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises für das Produkt
dient und überprüft wird, ob
die EoL-Kurve des Produkts oberhalb einer vorgebbaren Belastung
für eine
vorgebbare Zeitdauer liegt. Der Zuverlässigkeitsnachweis für das Produkt gilt
als erbracht, falls die EoL-Kurve des Produkts oberhalb der Belastung
im Zuverlässigkeitsnachweis liegt.
In diesem Fall tritt bei der vorgegebenen Belastung der Ausfall
der Komponente also zu einem späteren
Zeitpunkt ein als die Komponente gemäß den Vorgaben des Nachweises
bei dieser Belastung aushalten muss.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die EoL-Kurven der Komponenten
zu kleineren Belastungen hin extrapoliert werden. Insbesondere bei
kleinen Belastungen kann sich unter Umständen eine sehr lange Betriebsdauer
der Komponente bis zu deren Ausfall ergeben, d. h. die Testdauer
kann sehr lange sein. Mit der Weiterbildung kann die Testdauer reduziert
werden und damit der Nachweis beschleunigt werden, indem die Ausfalldauer
der Komponente bei höheren Belastungen
aufgenommen wird und zu kleineren Belastungen und größeren Testdauern
hin extrapoliert wird. Zum Extrapolieren gibt es eine Mehrzahl von
an sich bekannten Verfahren. Denkbar ist beispielsweise, dass man
durch die aufgenommenen Ausfalldauern bei verschiedenen Belastungen
eine Approximationsfunktion legt, die über die aufgenommenen Ausfalldauern
hinaus zu kleineren Belastungen und größeren Testdauern hin weitergeführt wird. Als
Approximationsfunktion kommt beispielsweise eine beliebige Exponentialfunktion
(e^(A+B·x); A(1-e^(-B·x))+C;
A·e^(B/x))
oder ein Ausgleichspolynom x-ter Ordnung in Betracht.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die EoL-Kurven der Komponenten
zwischen den diskreten Werten für
die Ausfallzeiten bei bestimmten Belastungen, bei denen die EoL-Kurven
aufgenommen wurden, interpoliert werden. Mit der Ausführungsform
kann die Anzahl der auszuführenden Komponententests
(Betrieb der Komponente mit einer bestimmten Belastung bis zum Ausfall
der Komponente) reduziert werden, indem die Ausfalldauer der Komponente
nur bei einigen wenigen diskreten Belastungen aufgenommen wird und
die EoL-Kurve dazwischen interpoliert wird. Zum Interpolieren gibt es
eine Mehrzahl von an sich bekannten Verfahren. Denkbar ist beispielsweise,
dass man durch die aufgenommenen Ausfalldauern bei verschiedenen
Belastungen eine Approximationsfunktion legt, die beispielsweise
eine beliebige Exponentialfunktion, eine Spline-Funktion oder ein
Ausgleichspolynom x-ter Ordnung ist.
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Die
Belastung der Komponente kann jede beliebige Art von Belastung sein,
insbesondere eine mechanische, thermische, chemische, elektrische, magnetische
oder elektromagnetische Belastung. Jede Art von Belastung wirkt
lebensdauerverändernd,
in der Regel lebensdauerverkürzend,
auf die betrachtete Komponente. Vorteilhafterweise ist die Belastung
jedoch eine bestimmte absolute Betriebstemperatur der Komponente
und/oder eine Temperaturschwankung einer bestimmten Größe innerhalb
eines bestimmten Zeitraums. Neben mechanischen Belastungen sind
dies die häufigsten
und größten Belastungen
für Produkte,
die im Automobilbereich eingesetzt werden.
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Die
Ausfallzeit der Komponenten des Produkts wird bei verschiedenen
diskreten Belastungen aufgenommen. Zwischen den aufgenommenen Ausfallzeiten
kann die EoL-Kurve interpoliert und jenseits der aufgenommenen Ausfallzeiten
extrapoliert werden. Man spricht auch von verschiedenen Belastungsklassen,
bei denen die Ausfallzeiten der Komponenten erfasst werden. Der
Hersteller eines Produkts bekommt konkrete Vorgaben von seinem Kunden,
in welcher Belastungsklasse das Produkt wie lange standhalten muss.
Wenn beispielsweise die Belastung die Betriebstemperatur der Komponenten ist,
können
die Ausfallzeiten der Komponente in verschiedenen diskreten Temperaturklassen
Eine erste Temperaturklasse umfasst beispielsweise den Temperaturbereich
von 100°C
bis 120°C,
eine zweite Temperaturklasse den Bereich von 120°C bis 140°C. Laut Vorgabe des Kunden muss
das Produkt beispielsweise in der ersten Temperaturklasse 120 Stunden
und in der zweiten Temperaturklasse 20 Stunden aushalten. Wenn beispielsweise
das getestete Produkt in der ersten Temperaturklasse 150 Stunden
bis zum Ausfall und in der zweiten Klasse jedoch nur 10 Stunden
bis zum Ausfall betrieben werden konnte, genügt das Produkt bzw. eine Komponente
des Produkts den Vorgaben des Kunden nicht. Zumindest die zu schwach
dimensionierte Komponente muss durch eine stabilere ersetzt werden. Selbst
wenn das Produkt in der zweiten Temperaturklasse 25 Stunden bis
zum Ausfall betrieben werden kann, also länger als vom Kunden vorgegeben,
dann es in der Summe doch zu einer Überschreitung der zulässigen Belastung
des Produkts kommen, so dass dieses noch vor Erreichen der vom Kunden
geforderten minimalen Lebensdauer von beispielsweise 180 Stunden
ausfällt.
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Um
dies feststellen zu können,
wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgeschlagen, dass bei jeder Belastungsklasse der Abstand
der Dauer einer vorgegebenen Belastung (beispielsweise der angenommenen
Feldbelastung) einer Komponente zu dem entsprechenden Wert auf der
EoL-Kurve der Komponente
das heißt
der entsprechenden Ausfallzeit der Komponente bestimmt und nach
Palmgren-Miner aufsummiert wird. Gemäß der sogenannten Hypothese
zur Schadensakkumulierung nach Palmgren-Miner werden für alle Belastungsklassen
die Quotienten aus dem Wert der Dauer einer vorgegebenen Belastung
der Komponente und der entsprechenden Ausfallzeit aufsummiert. Die Komponente
genügt
nur dann den Anforderungen, wenn die Summe kleiner als 1 ist. Ist
die Summe größer oder
gleich 1 muss mit dem vorzeitigen Ausfall der Komponente gerechnet
werden.
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Wenn
von dem Kurden eines Herstellers eines Produkts als Zuverlässigkeitsnachweis
eine bestimmte Belastung vorgegeben wird, der das Produkt für eine ebenfalls
vorgegebene Zeitdauer standhalten muss (sogenannte Belastung im
Zuverlässigkeitsnachweis),
kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einfache Weise nachgewiesen werden, dass das Produkt den Zuverlässigkeitsnachweis
erbringen kann. Zunächst
wird die EoL-Kurve des Produkts ermittelt. Dann wird eine Schadensakkumulierung
nach Palmgren-Miner durchgeführt.
Anhand der EoL-Kurve des Produkts kann sogar eine andere (in der
Regel höhere)
als die vom Kunden vorgegebene Belastung ermittelt werden, mit der
das Produkt für
eine kürze
Zeitdauer beaufschlagt werden muss, um dennoch den geforderten Zuverlässigkeitsnachweis
zu erfüllen.
Auf diese Weise kann die erforderliche Zeitdauer zum Erbringen des
Zuverlässigkeitsnachweises
reduziert werden, ohne Nachteile der Aussagekraft des Nachweises.
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Das
fertige Produkt wird über
seine gesamte Lebensdauer gesehen einem bestimmten Belastungsprofil
ausgesetzt, das heißt
das Produkt wird mit verschiedenen Belastungsklassen jeweils für eine bestimmte
Dauer beaufschlagt. Um einen Zuverlässigkeitsnachweis zu erbringen,
kann das tatsächliche Belastungsprofil
aus zeitlichen Gründen
nicht abgefahren werden. Aus diesem Grund wird auf beschleunigte
Tests zurückgegriffen,
bei denen die Belastung erhöht
und die Dauer des Tests entsprechend verringert ist. Um auch bei
beschleunigten Tests eine möglichst
realitätsnahe
Simulation einer thermischen Beanspruchung des Produkts über seinen
Lebenszyklus zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass bei einer bestimmten
Temperatur, die oberhalb einer vorgebbaren Feldbelastung des Produkts
liegt, für
eine bestimmte Zeitdauer, die unterhalb der Dauer der Feldbelastung
liegt, ein beschleunigter Zuverlässigkeitsnachweis
durchgeführt
wird, wobei die bestimmte Temperatur und die bestimmte Zeitdauer
derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine mechanische Belastung
des Produkts und eine thermomechanische Belastung des Produkts in
etwa um den gleichen Faktor beschleunigt werden.
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Vorteilhafterweise
umfasst eine EoL-Kurve einer Komponente mindestens zwei Punkte,
die sich aus den Ausfallzeiten der Komponente bei verschiedenen
Belastungen ergeben. Wenn die Belastung beispielsweise die Betriebstemperatur
der Komponente ist, wird die Ausfallzeit der Komponente also bei
mindestens zwei verschiedenen diskreten Temperaturen bzw. in mindestens
zwei unterschiedlichen Temperaturklassen aufgenommen, beispielsweise bei
100°C und
bei 175°C.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Vorrichtung
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Vorrichtung umfasst:
- – Mittel
zum Laden einer End-Of-Life (EoL)-Kurve für mindestens eine der Komponenten,
wobei die EoL-Kurve im Vorfeld in Abhängigkeit von ermittelten belastungsabhängigen Ausfallzeiten
der Komponente aufgenommen worden ist;
- – Mittel
zum Ermitteln einer EoL-Kurve des Produkts, so dass sie bei verschiedenen
Belastungen diejenige der EoL-Kurven
der Komponenten umfasst, welche bei der entsprechenden Belastung jeweils
die kürzeste
Ausfallzeit hat; und
- – Mittel
zum Ermitteln der voraussichtlichen Lebensdauer des Produkts als
Funktionswert der EoL-Kurve des Produkts in Abhängigkeit von der vorgegebenen
Belastung des Produkts.
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Die
EoL-Kurven für
die Komponenten des Produkts werden im Vorfeld der Ermittlung der
Lebensdauer des Produkts aufgenommen. Zur Aufnahme der EoL-Kurven
der Komponenten wird jede Komponente einzeln mit verschiedenen Belastungen beaufschlagt
und jeweils bis zu ihrem Ausfall betrieben. Man kann auch sagen,
die Komponenten werden in verschiedenen Belastungsklassen bis zum Ausfall
betrieben. Daraus ergeben sich für
jede Komponente belastungsabhängige
Ausfallzeiten, welche die Stützpunkte
der EoL-Kurve der Komponente bilden. Diese Stützpunkte werden abgespeichert.
Zur eigentlichen Ermittlung der Lebensdauer des Produkts werden
die abgespeicherten Stützpunkte
der EoL-Kurven für
die Komponenten des Produkts einfach aufgerufen, durch Interpolation
bzw. Extrapolation werden die EoL-Kurven ermittelt und zur Ermittlung
der Lebenserwartung des Produkts herangezogen.
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Es
ist aber auch denkbar, dass die Stützpunkte noch im Vorfeld interpoliert
bzw. extrapoliert werden und die vollständigen EoL-Kurven für die Komponenten
abgespeichert werden. Zur eigentlichen Ermittlung der Lebensdauer
des Produkts stehen dann unmittelbar die vollständigen EoL-Kurven für die Komponenten des Produkts
zur Verfügung, ohne
dass zunächst
noch während
der Laufzeit zwischen den Stützpunkten
interpoliert oder jenseits der Stützpunkte extrapoliert werden
müsste.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die mindestens eine EoL-Kurve
für eine
Komponente im Vorfeld in Abhängigkeit
von ermittelten belastungsabhängigen
Ausfallzeiten der Komponente durch einen Hersteller der Komponente
aufgenommen worden ist. Die EoL-Kurve einer Komponente kann einem
Hersteller des gesamten Produkts dann, bspw. auf einem Datenblatt
oder online, zur Verfügung
gestellt werden. Der Hersteller des Produkts kann dann anhand der
EoL-Kurven der verschiedenen Komponenten, die er unter Umständen von
verschiedenen Herstellern erhält,
die EoL-Kurve des
gesamten Produkts ermitteln und prüfen, ob das Gesamtprodukt die
von seinen Kunden gestellten Anforderungen erfüllt.
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Des
weiteren wird vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises
für das
Produkt dient und Mittel zum Überprüfen aufweist,
ob die EoL-Kurve des Produkts oberhalb einer vorgebbaren Belastung
für eine
vorgebbare Zeitdauer liegt, und, falls dem so ist, der Zuverlässigkeitsnachweis
für das
Produkt als erbracht gilt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in Form eines Computerprogramms realisiert sein, das auf einem
Rechengerät,
bspw. auf einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller ablauffähig ist. Das
Computerprogramm läuft
auf dem Rechengerät ab
und führt
das erfindungsgemäße Verfahren
vollautomatisch aus. In diesem Fall wird also die Erfindung durch
das Computerprogramm realisiert, so dass dieses Computerprogramm
in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu
dessen Ausführung
das Programm programmiert ist. Streng genommen wird das erfindungsgemäße Verfahren
in zwei Teile unterteilt. Ein erster Teil ist für die Aufnahme der EoL-Kurven
für die
einzelnen Komponenten des Produkts verantwortlich. Dies kann beispielsweise
bei den Herstellern der Komponenten erfolgen. Ein zweiter Teil des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist
für die
Ermittlung der EoL-Kurve für
das gesamte Produkt und für
die Ermittlung der Lebenserwartung des Produkts verantwortlich.
Dies kann beispielsweise bei dem Hersteller des Produkts erfolgen,
der seinen Berechnungen von den Herstellern der Komponenten erhaltene
EoL-Kurven für
die Komponenten zu Grunde legt.
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Wenn
man davon ausgeht, dass in Zukunft standardmäßig für jede hergestellte Komponente EoL-Kurven
aufgenommen und Kunden zur Verfügung
gestellt werden, kommt insbesondere dem zweiten Teil des Verfahrens
eine besondere Bedeutung zu. Demnach wird es in Zukunft nämlich möglich sein,
schnell, einfach und besonders zuverlässig für beliebige Produkte Zuverlässigkeitsnachweise
zu erbringen und die Lebenserwartung abzuschätzen. Änderungen oder Anpassungen
des Produkts können schnell
und einfach in die Zuverlässigkeits-
und Lebenserwartungsberechnung einfließen.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Erbringen eines
Zuverlässigkeitsnachweises
für ein
Produkt bei einer bestimmten angenommenen Feldbelastung;
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2 eine
erste Ausführungsform
eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zum Erbringen
eines Zuverlässigkeitsnachweises
bei einer gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
aus 1 erhöhten
angenommenen Feldbelastung;
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3 eine
zweite Ausführungsform
eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zum Erbringen
eines Zuverlässigkeitsnachweises
bei einer gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
aus 1 erhöhten
angenommenen Feldbelastung;
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4 mögliche Kommunikationswege
zwischen Zulieferer und Kunde ermöglicht durch die vorliegende
Erfindung;
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5 eine
End-of-Life-Kurve für
eine Komponente eines Produkts;
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6 End-of-Life-Kurven
für vier
Komponenten und für
ein nicht. zuverlässiges
Produkt;
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7 End-of-Life-Kurve
für vier
Komponenten und für
ein zuverlässiges
Produkt;
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8 die
End-of-Life-Kurve für
eine Komponente eines Produkts aus 5 mit in
einer bestimmten Belastungsklasse eingezeichnetem Abstand zwischen
einer vorgegebenen Dauer der Feldbelastung und der entsprechenden
Ausfallzeit der Komponente zum Erstellen einer Lebensdauerprognose
der Komponente nach Palmgren-Miner;
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9 Möglichkeiten
zur Definition von Ausfallkriterien und zur Auslegung von Komponenten
eines Produkts;
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10 realitätsnahe Beschleunigung
der Erprobung eines Produkts mit gleichen Beschleunigungsfaktoren
für eine
thermische und für
eine thermomechanische Belastung; und
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11 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
Erprobung von Produkten oder Zuverlässigkeitsnachweise für Produkte
werden nach dem Stand der Technik anhand von Normen und standardisierten
Verfahren durchgeführt,
die vor Kunden oder Normengremien vorgeschlagen werden. In diesen
Normen werden beschleunigte Tests beschrieben, die an einem Produkt
bis zu einer bestimmten Betriebsdauer t oder einer bestimmten Zyklenzahl
N durchgeführt
werden müssen,
um die Zuverlässigkeit des
Produkts nachweisen zu können.
Ein Test wird dann als beschleunigt bezeichnet, wenn er unter höheren Belastungen
als die Belastungen, die im Feld auftreten, und dafür nur für eine geringere
Zeit t bzw. Zyklenzahl N durchgeführt wird. Das Bewertungskriterium
für das
Bestehen des Zuverlässigkeitstest
ist dann in der Regel der Nachweis des Funktionierens des Produktes
nach Abschluss des Tests. Auf diese Weise kann eine Ja/Nein-Aussage getroffen
werden, ob das Produkt der geforderten Belastung über den geforderten
Zeitraum standhält
oder nicht. Eine Aussage über
die Lebensdauer des Produkts unter einer beliebigen Belastung kann
auf diese Weise jedoch nicht getroffen werden.
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Die
Tests werden dadurch beschleunigt, dass die auf die zu testenden
Produkte wirkende Belastung höher,
z.T. sogar deutlich höher
als eine angenommene Feldbelastung für das Produkt ist, gewählt wird.
Das führt
jedoch dazu, dass mit zunehmendem Anstieg der Belastung im Zuverlässigkeitsnachweis
immer mehr feldirrelevante Fehler auftreten. Das heißt es treten
Fehler auf, die während
eines bestimmungsgemäßen Betriebs
des Produkts in der Praxis nicht auftreten. Mit anderen Worten,
mit zunehmender Belastung im Zuverlässigkeitsnachweis über die
angenommene Feldbelastung hinaus sinkt die Aussagekraft des Tests
für die
Praxis. Das führt dazu,
dass die Produkte bzw. die Komponenten der Produkte wesentlich stabiler
und haltbarer ausgebildet werden, um den Zuverlässigkeitsnachweis auf jeden
Fall auch noch bei der erhöhten
Belastung erbringen zu können,
d.h. um auch das Auftreten der feldirrelevanten Fehler des Produkts
während
des Zuverlässigkeitsnachweises
zu vermeiden. Das ist jedoch mit zusätzlichem Gewicht, zusätzlichem
Bauraum und vor allem zusätzlichen
Kosten für
die Komponenten verbunden.
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Andererseits
würde eine
Verringerung der Belastung im Zuverlässigkeitsnachweis, so dass
weniger feldirrelevante Fehler während
des Tests auftreten, zu einer deutlichen Verlängerung der erforderlichen
Testdauer führen.
In der Praxis wurde deshalb bisher immer versucht, einen geeigneten
Kompromiss zwischen einer möglichst
kurzen Testdauer einerseits und einer möglichst geringen Anzahl an
feldirrelevanten Fehlern andererseits zu finden.
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In
letzter Zeit werden von Kunden aufgrund der höheren Qualitätsanforderungen,
der geforderten längeren
Lebensdauern der Produkte und der höheren Belastungen, denen die
Produkte während
des Praxisbetriebs ausgesetzt sind, immer schärfere Anforderungen an die
Zuverlässigkeitsnachweise
gestellt. Dies führt
zu erhöhten
Testkosten und Testzeiten, sowie zu Ausfällen während der Erprobungstests aufgrund
von feldirrelevanten Fehlern. Das hat häufig zur Folge, dass Produkte
kurz vor der Serieneinführung
nachgebessert werden müssen,
da der geforderte Zuverlässigkeitsnachweis
nicht erbracht werden kann und der Kunde die Freigabe des Produkts verweigert.
Durch das Nachbessern bedingt finden aufwendige Rekursionen (Neuentwurf
des gesamten Produkts) statt, wobei die Qualität des Produkts aufgrund des
dann herrschenden Zeitdruckes oft minderwertig ist.
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In 1 ist
der heutige Stand der Technik eines Zuverlässigkeitsnachweises beispielhaft
beschrieben. Der Kunde spezifiziert den Zuverlässigkeitstest bzw. die Bedingungen
(Belastung und Dauer der Belastung), unter denen der Test zu erfolgen hat.
In 1 ist die angenommene Feldbelastung (AFB) mit
dem Bezugszeichen 1 und die von dem Kunden vorgegebene
Belastung im Zuverlässigkeitsnachweis
(BZN) mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Auf der x-Achse
ist die Belastung in Form einer Betriebstemperatur T oder eines
Betriebstemperaturhubes ΔT
und auf der y-Achse die Dauer der Belastung als Zeit t oder Zyklenzahl
N aufgetragen.
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Die
angenommene Feldbelastung 1 entspricht einer geschätzten oder
durch Versuche empirisch ermittelten Belastung des Produkts während des
bestimmungsgemäßen Betriebs.
Die Belastung 2 im Zuverlässigkeitsnachweis ist eine
geschätzte Belastung,
die oberhalb der angenommenen Feldbelastung 1 liegt. Die
Belastung 2 im Zuverlässigkeitsnachweis
wird so gewählt,
dass wenn das Produkt nach dem Probebetrieb mit der Belastung 2 im
Zuverlässigkeitsnachweis
für die
angegebene Dauer noch funktionsfähig
ist, davon ausgegangen werden kann, dass das Produkt auch den praktischen
Einsatz mit der angenommenen Feldbelastung 1 für die gewünschte Zeitdauer überstehen
würde.
-
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Belastung als absolute Betriebstemperatur T oder als Temperaturhub ΔT ausgebildet.
Selbstverständlich
sind auch beliebig andere Arten von Belastungen denkbar. Für die Betriebstemperatur
T entspricht die Dauer der Belastung einer Zeit t. Für den Temperaturhub ΔT entspricht
die Dauer der Belastung der Zyklenzahl N, die angibt, wie oft ein
bestimmter Temperaturhub ΔT
durchlaufen wird.
-
Wenn
nun die angenommene Feldbelastung 1 bspw. aufgrund gesteigerter
Qualitätsanforderungen
steigt, ergeben sich für
das in 1 dargestellte Verfahren Probleme. In 2 ist
der Fall dargestellt, bei dem die angenommene Feldbelastung 1 bei
verschiedenen Belastungswerten um eine zusätzliche Zeitdauer 3 verlängert worden
ist. Um dieser erhöhten
angenommenen Feldbelastung 1, 3 Rechnung zu tragen,
wird die Belastung 2 im Zuverlässigkeitsnachweis um eine zusätzliche
Zeitdauer 4 erhöht, d.h.
das Produkt muss für
eine längere
Zeitdauer mit der Belastung 2 im Zuverlässigkeitsnachweis betrieben
werden. Dies führt
jedoch zu einer unangemessenen Verlängerung der Testdauer, die
in der Praxis nicht praktikabel ist.
-
Bei
dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird der zusätzlichen
erhöhten Feldbelastung 1, 3 dadurch
Rechnung getragen, dass nicht die Zeitdauer des Zuverlässigkeitsnachweises
verlängert,
sondern die Belastung T, ΔT
erhöht
wird. Dies ist in 3 anhand der neuen Belastung 5 im
Zuverlässigkeitsnachweis
dargestellt. Dabei ist es jedoch nachteilig, dass aufgrund der Belastung 5 im
Zuverlässigkeitsnachweis
weit oberhalb der Feldbelastung 1, 3 während der
Erprobungsphase des Produkts verstärkt feldirrelevante Fehler
auftreten können.
Die feldirrelevanten Fehlermechanismen können die Freigabe des Produktes
verhindern, obwohl sie im Praxisbetrieb nicht auftreten. Durch die Beseitigung
der feldirrelevanten Fehler, die in der Regel eine Überarbeitung
oder Neukonstruktion des Produkts bedeutet, kommt es zu erhöhten Produktkosten.
Während
bei dem in 2 beschriebenen bekannten Verfahren
die Testdauer verlängert
wird (theoretisch auf bis zu einem Jahr), werden bei dem bekannten
Verfahren aus 3 aufgrund extrem hoher Belastungen
eine große
Zahl feldirrelevante Fehler erzeugt.
-
Außerdem führt die
einfache Erhöhung
der Testzeiten oder der Belastung nicht zu der gewünschten
Korrelation mit den Feldbelastungen 1, 3, da diese
aus dem Ausgangszustand, nicht analysiert werden können. Damit
ist bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auch keine
Lebensdauerprognose möglich.
Belastungen können
nicht differenziert ausgelegt werden.
-
Deshalb
wird erfindungsgemäß ein Verfahren
zum Ermitteln der Lebensdauer eines Produktes vorgeschlagen, dessen
Verfahrensschritte nachfolgend anhand der 5 näher erläutert werden.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass mehrere
Komponenten eines Produkts, vorzugsweise alle Komponenten, zunächst einzeln
betrachtet werden. Die Komponenten des Produkts werden mit einer
vorgebbaren Belastung beaufschlagt. Es müssen nicht alle Komponenten
des Produkts beaufschlagt werden, sinnvollerweise werden aber zumindest
diejenigen Komponenten des Produkts in das erfindungsgemäße Verfahren
aufgenommen und folglich mit einer vorgebbaren Belastung beaufschlagt,
die Auswirkungen auf die Lebensdauer des Produktes haben. Die Komponenten
werden bei verschiedenen Belastungen (sogenannten Belastungsklassen)
jeweils bis zu ihrem Ausfall betrieben. Es ergeben sich belastungsabhängige Ausfallzeiten
für die
verschiedenen Komponenten.
-
Die
Ergebnisse dieser Messung sind in 5 für eine bestimmte
Komponenten dargestellt. Diejenigen Blöcke (sog. Belastungsklassen)
der Feldbelastung 1, bei denen die Komponente bis zu ihrem
Ausfall betrieben wurde und bei denen eine Messung der Ausfallzeiten
vorgenommen wurde, sind in 5 schraffiert
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Es handelt
sich um die Belastungswerte 110°C,
120°C, 140°C, 160°C und 180°C, oder 100°C, 125°C, 150°C und 175°C oder jede
andere äquidistante
oder nicht-äquidistante
Teilung im interessierenden Temperaturbereich (z.B. bis 175°C, 200°C oder 233°C). Die Messung
der Ausfallzeiten, erfolgt in jeder Belastungsklasse vorzugsweise
bei der entsprechend höchsten
Belastung, das sind die Punkte 19 in 5.
Selbstverständlich
könnte
die Messung auch bei einer mittleren Belastung innerhalb der jeweiligen
Belastungsklasse oder bei einer niedrigen Belastung innerhalb der
Belastungsklasse erfolgen. Die gemessenen Werte für die Ausfallzeiten
der Komponente sind als Punkte 7 dargestellt. Alle auf
diese Weise gemessenen und erfassten Ausfallzeiten 7 liegen
auf einer sogenannten End-of-Life (EoL)-Kurve 8 der Komponente.
-
Die
Werte der EoL-Kurve 8 zwischen den gemessenen Ausfallzeiten 7 werden
mittels einer Interpolation ermittelt. Einige der interpolierten
Werte sind in 5 mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet.
Je geringer die Belastungen werden, desto länger müsste die Komponente eigentlich
bis zu ihrem Ausfall betrieben werden. Um zu lange Testzeiten zu
vermeiden, werden die Ausfallzeiten nur bis zu einer minimalen Belastung
(im dargestellten Ausführungsbeispiel
bis 100°K
bzw. 100°C)
erfasst. Um die Werte der EoL-Kurve 8 auch unterhalb dieser
Belastung zu erhalten, wird die EoL-Kurve 8 über die
gemessenen Ausfallzeiten 7 in Richtung niedrigerer Belastungen extrapoliert.
Die extrapolierten Werte der EoL-Kurve 8 sind in 5 mit
dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
-
Die
Komponente wird bei verschiedenen Belastungen von feldnah bis stark
beschleunigt, d.h. bei höheren
Belastungen, wodurch die Testdauer verkürzt wird, bis zu ihrem Ausfall
betrieben. Dabei werden Fehlerbilder analysiert und zusammengefasst, so
dass für
die Komponente eine fehlerspezifische EoL-Kurve 8 entsteht,
die Korrelationen zum Feld, d.h. zum praktischen Einsatz der Komponente,
möglich
macht. Beispiele für
Fehlerbilder sind: Rissbildung und Kriechen in Loten, Diffusion
in Grenzschichten (z.B. Kirkendal bei Bonddrähten), Delamination eines sog.
Mold Compounds, Bond-Ermüdung,
Erhöhung
eines transienten Wärmewiderstandes
Z_th, Auslaufen bei Elektrolytkondensatoren, etc.
-
Die
verschiedenen Fehlerbilder äußern sich in
unterschiedlichen EoL-Kurven 8 der Komponenten, wie aus 6 ersichtlich.
Dort sind die verschiedenen EoL-Kurven beispielhaft für vier Komponenten K1,
K2, K3 und K4 dargestellt. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren
für weniger als
vier Komponenten oder für
beliebig viele Komponenten K1, K2, K3 bis Kn eingesetzt werden.
In 6 ist deutlich zu erkennen, dass die EoL-Kurve 8 für die vierte
Komponente K4 einer Belastung, die in etwa im mittleren Belastungsbereich
liegt, nicht über
die geforderte Zeitdauer hinweg standhalten kann. Die Komponente
K4 ist somit für
den geplanten Einsatz im Feld ungeeignet. Vor dem Einsatz des Produktes im
Feld muss die Komponente K4 durch eine stabilere bzw. haltbarere
ersetzt werden. In 7 sind die End-of-Life-Kurven 8 beispielhaft
für vier
Komponenten K1, K2,... K4 dargestellt, wobei die Komponente K4 bei
dem in 7 dargestellten Verlauf gegenüber dem Verlauf aus 6 durch
eine stabilere bzw. haltbarere Komponente K4 ersetzt wurde. Auf
diese Weise wird ohne großen
Aufwand aus dem nicht zuverlässigen
Produkt aus 6 ein zuverlässiges Produkt (vgl. 7).
Eine eingehende Fehleranalyse und eine komplette Neukonstruierung
des Produkts ist – anders als
beim Stand der Technik – bei
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
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Auf
einen Blick kann in 6 erkannt werden, dass die Komponente
K4 die an sie gestellten Anforderungen nicht erfüllt, da die EoL-Kurve 8 der Komponente
K4 die angenommene Feldbelastung 1 bzw. die zusätzliche
Feldbelastung 3 schneidet. Diejenigen Komponenten des Produkts,
welche die Anforderungen nicht erfüllen, in 6 beispielsweise die
Komponente K4, werden einfach durch stabilere und/oder haltbarere
ersetzt (vgl. 7), so dass alle EoL-Kurven 8 für sämtliche
Komponenten K1 bis K4 (bzw. K1 bis Kn) oberhalb der angenommenen
Feldbelastung 1 zuzüglich
der zusätzlichen
Feldbelastung 3 liegen.
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Anhand
der EoL-Kurven 8 für
die verschiedenen Komponenten K1 bis K4 (bzw. K1 bis Kn) wird eine
EoL-Kurve 11 des Produkts ermittelt. Die EoL-Kurve 11 des
Produkts umfasst stets die EoL-Kurven 8 derjenigen Komponenten
K1, K2,... K4, welche in den verschiedenen Belastungsklassen jeweils
die kürzesten
Ausfallzeiten haben. Bei dem in, 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel
hat die EoL-Kurve 8 für
die vierte Komponente K4 in allen Belastungsklassen die kürzesten
Ausfallzeiten. Aus diesem Grund umfasst die EoL-Kurve 11 des Produkts nur die
EoL-Kurve 8 der vierten Komponente K4. Somit schneidet
auch die EoL-Kurve 11 des Produkts die angenommene Feldbelastung 1 bzw.
die zusätzliche
Feldbelastung 3 und erfüllt
somit nicht die an sie gestellten Zuverlässigkeitsanforderungen.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die
EoL-Kurve 11 des Produkts bei niedrigen Belastungsklassen
der EoL-Kurve 8 der vierten Komponente K4, für mittlere
Belastungsklassen der EoL-Kurve 8 der ersten Komponente
K1 und schließlich
für hohe Belastungsklassen
der EoL-Kurve 8 der zweiten Komponente K2. Die EoL-Kurven 8 aller
Komponenten K1, K2,... K4 und die EoL-Kurve 11 des Produkts
verlaufen alle oberhalb in einem Abstand zu der angenommenen Feldbelastung 1 bzw. der
zusätzlichen
Feldbelastung 3, so dass in erster Näherung davon ausgegangen werden
kann, dass die Komponenten K1, K2,... K4 und das Produkt die Zuverlässigkeitsanforderungen
erfüllen.
Der Zuverlässigkeitsnachweis
wäre also
für alle
Komponenten K1, K2,... K4 (bzw. K1, K2,... Kn) und damit auch für das Gesamt-Produkt
erbracht.
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Um
jedoch letzte Sicherheit zu haben, die Komponenten, deren EoL-Kurven
8 oberhalb
in einem Abstand zu der angenommenen Feldbelastung
1 bzw.
zu der zusätzlichen
Feldbelastung
3 verlaufen, den Anforderungen tatsächlich gewachsen
sind, kann eine Schadensakkumulierung nach Palmgren-Miner durchgeführt werden.
Diese wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
8 näher erläutert. Bei
jeder Belastungsklasse (z.B. 60-70°C, 70-80°C, ... 180-190°C) wird der
Abstand
13 der Dauer (Zeit t oder Anzahl der Zyklen N)
N
i der angenommenen Feldbelastung einer
Komponente zu dem entsprechenden Wert (der Ausfallzeit) N
i auf der EoL-Kurve
8 der Komponente
bestimmt und nach Palmgren-Miner aufsummiert. Die entsprechenden
Werte auf der EoL-Kurve
8 der Komponente wurden entweder
gemessen (Erfassen der Ausfallzeit) (Punkte
7), zwischen
gemessenen Werte interpoliert (Punkte
9) oder jenseits
gemessener Werte extrapoliert (Punkte
10). Falls die Summe
S
i der Quotienten kleiner als 1 ist
handelt es sich um eine zuverlässige Komponente. Falls
die Summe S
i jedoch größer oder gleich 1 ist
genügt die Komponente den Anforderungen
nicht. Es besteht die Gefahr, dass die Komponente K1, K2,... Kn
vor Erreichen ihrer vorgegebenen Mindest-Lebensdauer vorzeitig ausfällt. Deshalb
muss die Komponente durch eine stabilere bzw. haltbarere ersetzt werden.
-
Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
beruht darin, dass die Ausfallkriterien produktspezifisch festgelegt
und der Applikation angepasst werden können. Die Ausfallkriterien
müssen
nicht a priori bekannt sein, sondern können sogar noch nach dem Ende
der Ermittlung der Ausfallzeiten und der EoL-Kurven 8, 11 für die Komponenten
und das Produkt festgelegt werden.
-
Für Übergangswiderstände Ri im Bereich der Verbindungstechnik ist dies
beispielhaft in 9 dargestellt. Die angenommene
Feldbelastung ist wieder mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.
Für unterschiedlich
dimensionierte Übergangswiderstände Ri sind verschiedene EoL-Kurven 8.1 bis 8.3 dargestellt.
Die verschiedene EoL-Kurven 8.1 bis 8.3 befinden
sich in einem unterschiedlichen Sicherheitsabstand zu der angenommenen
Feldbelastung 1. Wenn also bspw. daran gedacht ist, ein
Steuergerät
(Produkt), in dem der Übergangswiderstand
Ri (Komponente), für die in 9 die
verschiedenen EoL-Kurven 8.1 bis 8.3 dargestellt
sind, in einem wärmeren Umfeld
einzusetzen als ursprünglich
geplant, bspw. näher
an der Brennkraftmaschine, sollte der Übergangswiderstand Ri vorzugsweise nach dem Kriterium Krit3 mit
R3=20mΩ ausgelegt
sein, so dass der Sicherheitsabstand der EoL-Kurve 8.3 zu
der angenommenen Feldbelastung 1 ausreichend groß dimensioniert
ist.
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Wenn
jedoch sichergestellt werden kann, dass die Komponente ausschließlich in
der vorgesehenen Umgebung eingesetzt wird, so dass die tatsächliche
Feldbelastung die angenommene Feldbelastung 1 nicht wesentlich überschreiten
wird, kann der Übergangswiderstand
Ri auch problemlos nach dem Kriterium Krit1
mit R1=5mΩ ausgelegt werden. So können mit
der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von dem geplanten
Einsatz bzw. in Abhängigkeit
von sich ändernden
Einsatzbedingungen jeweils die optimalen Komponenten ausgewählt und
das Produkt dem gamäß zusammengestellt
werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, kundenspezifische Belastungsprofile
in eine entsprechende Lebensdauer des Produkts umzurechnen, präventive
Lebensdaueraussagen sind möglich.
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Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung kann nicht nur ein Produkt auf
Zuverlässigkeit
geprüft,
sondern auch die optimale Belastung 12 für den Zuverlässigkeitsnachweis
ermittelt werden. Was im Stand der Technik ein großes Problem
darstellt, nämlich
die Ermittlung der Belastung 12 im Zuverlässigkeitsnachweis
(vgl. 2: relativ niedrige Belastung 2, 4, deshalb
zu zeitaufwendig; vg1. 3: relativ hohe Belastung 5,
deshalb Ausgabe feldirrelevanter Fehler), kann erfindungsgemäß ohne Probleme
ausgeführt
werden. Die Belastung 12 im Zuverlässigkeitsnachweis muss so gewählt werden,
dass sie unterhalb der EoL-Kurve 11 des Produkts liegt.
Außerdem sollte
darauf geachtet werden, dass die Testdauer so lange gewählt wird
(bspw. zwischen 50 und 3.000 Stunden bzw. Zyklen N), dass das Testergebnis
repräsentativ
ist. Mit der auf diese Weise ermittelten Belastung 12 beim
Zuverlässigkeitsnachweis
könnten
diese Produkte zukünftig überprüft werden,
wobei sichergestellt wäre,
dass die Überprüfung so
kurz wie möglich
ist und das Auftreten feldirrelevanter Fehler soweit wie möglich verhindert
wird.
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In 10 ist
ein bestimmtes Belastungsprofil, dem ein fertiges Produkt über seine
gesamte Lebensdauer gesehen ausgesetzt ist, mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet.
Das Belastungsprofil 14 ist entweder abgeschätzt oder
simuliert oder wurde unter realistischen Bedingungen aufgenommen.
Das Belastungsprofil 14 umfasst in dem hier dargestellten vereinfachten
Ausführungsbeispiel
relativ kurze Zeitdauern Δt1, während
denen eine relativ geringe Belastung T1 anliegt.
Außerdem
umfasst das Belastungsprofil 14 längere Zeitdäuern Δt2,
während
denen eine höhere
Belastung T2 anliegt. Das Belastungsprofil 14 umfasst
also einen mit einer bestimmten Frequenz (1/(Δt1 + Δt2)) periodisch wiederkehrenden Belastungshub ΔT1. Die Beanspruchung des Produkts mit dem
Belastungsprofil 14 führt
sowohl zu einer thermischen Belastung als auch zu einer thermomechanischen
Belastung des Produkts, wobei thermische und thermomechanische Belastung
in einem bestimmten Verhältnis
zueinander stehen. Die thermische Belastung tritt beispielsweise
in Form von Rekristallisation oder Diffusion am Produkt auf. Die thermomechanische
Belastung hat ihre Ursache vornehmlich in unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
der Stoffe und Komponenten des Produkts (sogenannter TCE-Missmatch).
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Mit
dem Bezugszeichen 15 ist ein beschleunigtes Belastungsprofil
bezeichnet, das in dem hier dargestellten vereinfachten Ausführungsbeispiel
die relativ kurzen Zeitdauern Δt1 umfasst, während denen die relativ geringe
Belastung T1 anliegt. Außerdem umfasst das Belastungsprofil 15 die
längeren Zeitdauern Δt2, während
denen eine höhere
Belastung T3 anliegt, die größer als
die Belastung T2 des ersten Belastungsprofils 14 ist.
Auf diese Weise bleibt gegenüber
dem ersten Belastungsprofil 14 zwar die Frequenz der Belastungsschwankungen gleich,
es ergibt sich aber ein größerer Belastungshub ΔT2 als bei dem ersten Belastungsprofil 14 (ΔT2 > ΔT1). Das Belastungsprofil 15 umfasst
also einen mit einer bestimmten Frequenz (1/(Δt1 + Δt2)) periodisch wiederkehrenden größeren Belastungshub ΔT2. Das beschleunigte Belastungsprofil 15 führt dazu,
dass die thermische Belastung im Vergleich zur thermomechanischen
Belastung überbetont
ist. Der resultierende Beschleunigungsfaktor der thermischen Belastung
bzw. der Grad der Erhöhung
der Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der thermischen Belastung
des Belastungsprofils 15 lässt sich nach der Arrhenius-Regel
berechnen.
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Mit
dem Bezugszeichen 16 ist in 10 ein weiteres
beschleunigtes Belastungsprofil bezeichnet, das in dem hier dargestellten
vereinfachten Ausführungsbeispiel
relativ kurze Zeitdauern Δt3 umfasst, während denen die relativ geringe
Belastung T1 anliegt. Die Zeitdauer Δt3 ist kürzer
als die Zeitdauer Δt1 der Belastungsprofile 14 und 15.
Außerdem
umfasst das Belastungsprofil 16 längere Zeitdauern Δt4, während
denen die höhere
Belastung T2 anliegt. Die Zeitdauer Δt4 ist kürzer
als die Zeitdauer Δt2 der Belastungsprofile 14 und 15.
Auf diese Weise bleiben zwar die Belastungsschwankungen ΔT1 gegenüber
dem Belastungsprofil 14 unverändert, allerdings wird der Test
zeitlich beschleunigt, so dass das Belastungsprofil 16 einen
mit einer höheren
Frequenz (1/(Δt3 + Δt4)) periodisch wiederkehrenden Belastungshub ΔT1 umfasst. Das beschleunigte Belastungsprofil 16 führt dazu,
dass die thermomechanische Belastung im Vergleich zur thermischen
Belastung überbetont ist.
Der resultierende Beschleunigungsfaktor der thermomechanischen Belastung
bzw. der Grad der Erhöhung
der Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der thermomechanischen Belastung
des Belastungsprofils 16 lässt sich nach der Coffin-Manson-Regel berechnen.
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Um
einen Zuverlässigkeitsnachweis
zu erbringen, kann das tatsächliche
Belastungsprofil 14 aus zeitlichen Gründen nicht vollständig abgefahren werden.
Aus diesem Grund wird auf beschleunigte Tests (vgl. Belastungsprofile 15 und 16)
zurückgegriffen,
bei denen die Belastung erhöht
und die Dauer des Tests entsprechend verringert ist. Um auch bei beschleunigten
Tests eine möglichst
realitätsnahe
Simulation der tatsächlichen
Beanspruchung des Produkts über
seinen Lebenszyklus zu erzielen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass bei einer bestimmten Temperatur T4,
die oberhalb einer vorgebbaren Feldbelastung T2 des
Produkts liegt, für
eine bestimmte Zeitdauer Δt6, die unterhalb der Dauer Δt2 der Feldbelastung T2 liegt,
ein beschleunigter Zuverlässigkeitsnachweis
durchgeführt
wird. Dabei sind die erhöhte
Temperatur T4 und die verkürzte Zeitdauer Δt6 derart aufeinander abgestimmt, dass eine
mechanische Belastung des Produkts und eine thermomechanische Belastung
des Produkts in etwa um den gleichen Faktor beschleunigt werden.
Dieses Verfahren kann selbstverständlich nicht nur für absolute
Belastungen (z.B. Temperatur Ti), sondern
auch für
Belastungszyklen bzw. Belastungshübe (z.B. Temperaturhübe ΔTi) angewandt werden. In diesem Fall wird
dann bei einem bestimmten Temperaturhub ΔT3,
der größer als
eine vorgebbare Feldbelastung ΔT1 des Produkts ist, mit einer bestimmten
Frequenz 1/(Δt5 + Δt6), die größer als die Frequenz 1/(Δt1 + Δt2) der Feldbelastung ΔT1 ist,
ein beschleunigter Zuverlässigkeitsnachweis
durchgeführt.
Dabei sind der erhöhte
Temperaturhub ΔT3 und die größere Frequenz 1/(Δt5 + Δt6) derart aufeinander abgestimmt, dass eine
mechanische Belastung und eine thermomechanische Belastung des Produkts
in etwa um den gleichen Faktor beschleunigt werden.
-
Für eine erhöhte Temperatur
T4 oder einen erhöhten Temperaturhub ΔT3 wird zunächst nach Arrhenius der resultierende
Beschleunigungsfaktor für die
thermische Belastung ermittelt. Nach Coffin-Manson wird dann anhand
des ermittelten Beschleunigungsfaktors für die thermische Belastung
die resultierende verringerte Zeitdauer Δt5, Δt6 oder erhöhte Frequenz 1/(Δt5 + Δt6) für
den Test derart ermittelt, dass der Beschleunigungsfaktor für die thermomechanische
Belastung in etwa gleich dem Beschleunigungsfaktor für die thermische
Belastung ist.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
die Testzeiten verkürzt
und die Produktkosten gesenkt werden. Außerdem kann die Zuverlässigkeit erhöht werden.
Des Weiteren können
präzise
Voraussagen zur Lebenserwartung einer Komponente bzw. des gesamten
Produkts getätigt
werden. Die Testbedingungen werden möglichst feldnah gewählt, um
die Korrelation zu dem Produkt real darstellen zu können. Die
Erzeugung von Fehlerbildern, die im Feld nicht auftreten können, wird
soweit wie möglich verhindert.
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Die
Durchführung
von feldnahen Tests, indem bei verschiedenen Temperaturen T und
Temperaturhüben ΔT Komponenten
bzw. Bauelemente bis zum Ausfall betrieben werden, die Ausfallmechanismen
analysiert werden und mit vorbestimmten Kurvenverläufen und
Funktionen korreliert werden, ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
Die Testkriterien werden feldnah gewählt, um die Korrelation zu
der tatsächlichen
Belastung im Feld (im realen Einsatz) sicherzustellen.
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Die
Abbruchkriterien können
dabei nach Testende dynamisch dem jeweiligen Einsatzort angepasst
und festgelegt werden und müssen
nicht a priori bekannt sein. Damit ist eine kostengünstige,
produktspezifische Auslegung der Produkte möglich, bei gleichzeitig erhöhter Zuverlässigkeit
mit ausreichender Lebenserwartung. Ein sogenanntes Over- oder Under-Engineering
kann verhindert werden. Durch Vermeidung von Rekursionen kann gleichzeitig
die Auslieferqualität
der Produkte verbessert werden.
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Bei
erhöhter
Feldbelastung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine unzureichende Auslegung
der Produkte sicher vermieden werden. Der Zuverlässigkeitsnachweis kann wegen
der Skalierbarkeit (vorher durchgeführte Messungen und Aufstellen
der Testbedingungen) innerhalb einer angemessen kurzen Zeit durchgeführt werden,
ohne Tests an dem neuen Produkt selbst durchführen zu müssen. Es reichen die beschriebenen
stark vereinfachten Tests an Prototypen.
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Auf
Grundlage der vorliegenden Erfindung kann eine fundierte Kommunikation
zwischen Zulieferer und Kunden durchgeführt werden. Die Kommunikationsabläufe sind
beispielhaft in 4 dargestellt. Während des
bestimmungsgemäßen Betriebs eines
Produktes ist dieses einer tatsächlichen
Feldbelastung (TFB) ausgesetzt, bei der es sich um eine objektiv
feststellbare Größe handelt
und die deshalb aus Sicht der Zulieferer und aus Sicht der Kunden gleich
ist. Allerdings ist die tatsächliche
Feldbelastung TFB vor dem Einsatz eines Produkts, d.h. zum Zeitpunkt
der Entwicklung des Produkts, noch nicht bekannt. Ausgehend von
der erwarteten tatsächlichen
Feldbelastung TFB ermittelt der Zulieferer eine angenommene Feldbelastung
AFB1 die sich unter Umständen deutlich von einer angenommenen
Feldbelastung 1 unterscheidet, die von dem Kunden ermittelt
wurde. Das hängt
insbesondere damit zusammen, dass Zulieferer und Kunde in der Regel
unterschiedliche Zielsetzungen verfolgen. Während der Kunde (bspw. ein
Automobilhersteller) eine möglichst hohe
Qualität
wünscht
und deshalb von einer relativ hohen angenommenen Feldbelastung AFB2 ausgeht, liegen beim Zulieferer neben Qualitätsanforderungen auch
geringe Kosten im Vordergrund, so dass der Zulieferer in der Regel
von einer geringeren angenommenen Feldbelastung AFB1 ausgehen
wird. Ursache für
die aus Zulieferer- und Kundensicht verschiedenen angenommenen Feldbelastungen
AFB ist insbesondere die Tatsache, dass bei Produktentwicklung die
tatsächliche
Feldbelastung TFB für
das Produkt im Feld noch unbekannt ist.
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Anhand
der bzw. unter Berücksichtigung
der angenommen Feldbelastung AFB1 des Zulieferers wird
die Belastung 12 beim Zuverlässigkeitsnachweis BZN ermittelt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Ermittlung dieser Belastung 12 in der in 6 dargestellten
und oben beschriebenen Weise optimiert werden, so dass man die optimale Belastung 12 beim
Zuverlässigkeitsnachweis
BZN erhält.
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Der
Kunde ermittelt aus der angenommenen Feldbelastung AFB2 eine
von ihm geforderte Erprobungsbelastung EB, welcher das Produkt aus
Sicht des Kunden zur Sicherung eines vorgegebenen Qualitätsstandards
standhalten muss. In der Regel ist auch die vom Kunden geforderte
Erprobungsbelastung EB größer als
die vom Zulieferer ermittelte Belastung beim Zuverlässigkeitsnachweis
BZN. Bisher fehlten dem Zulieferer Argumente, warum die vom Zulieferer
ermittelte Belastung 12 beim Zuverlässigkeitsnachweis BZN völlig ausreichend
ist, damit das Produkt die von dem Kunden geforderten Qualitätsanforderungen
erfüllt;
erfüllte
das Produkt darüber
hinaus die von dem Kunden vorgegebene Erprobungsbelastung EB wäre das Produkt
unter Umständen überdimensioniert.
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Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung ist dem Zulieferer nun ein Mittel
an die Hand gegeben, mit dem er gegenüber dem Kunden nachvollziehbare und
rekonstruierbare Argumente vorbringen kann, warum die nach dem Verfahren
aus 6 ermittelte Belastung 12 beim Zuverlässigkeitsnachweis
BZN zum Erbringen des Zuverlässigkeitsnachweises
völlig
ausreichend ist.
-
Die
Bestimmung des Lebensendes von Bauelementen oder Komponenten geschieht
durch die Messung und Beobachtung von Observablen (beobachtbaren
Größen). Diese
können
zum Beispiel bei einem aktiven Bauelement die Delamination Mold Compound
oder die Bondermüdung
sein. Weitere Beispiele sind in folgender Aufzählung zusammengefasst. Selbstverständlich sind
weitere Observablen möglich.
-
Nachfolgend
werden einige Fehlerbilder mit ihren Observablen (beobachtbaren
Größen) beschrieben.
Dies sind bspw. bei aktiven Bauelementen (z.B. einer integrierten
Schaltung IC, einem Operationsverstärker OP, einem Mikroprozessor,
einem Mikrocontroller, einem MOSFET, etc) die Delamination eines
sogenannten Mold Compounds, die mittels Ultraschall detektiert werden
kann. Außerdem
könnte es
ein Bondermüdung
oder eine Erhöhung
eines thermischen Widerstandes Zth, eine
Erhöhung
des Stromes Isubthreshold oder eine Erhöhung des
Innenwiderstandes Ron sein.
-
Bei
passiven Bauelementen (z.B. einem ohmschen Widerstand, einer Spule
oder einer Kapazität,
etc.) ist bspw. die Kapazität,
der Verlustfaktor tan α oder
ein elektrischer Serienwiderstand ESR eine observable Größe; ebenso
der Isolationswiderstand Riso bei -40, +25,
+125 und +150° Celsius
oder anderen frei wählbaren
Temperaturen. Ebenfalls könnten
Fehlerbilder durch optische Kontrolle oder durch die Driftauswertung
von Kennlinien erkannt werden.
-
Bei
Leiterplatten kann eine Widerstandsmessung, bspw. des Isolationswiderstandes
Riso, ausgeführt werden. Ebenso können als
observable Größen eine
Delamination, Risse im Isolationslack oder Risse in der Glasfaserstruktur
auf optischem Wege erkannt werden.
-
In
der Aufbauverbindungstechnik AVT (z.B. beim Löten) kann zur Ermittlung typischer
Fehlerbilder eine Widerstandsmessung, eine Scherkraftmessung oder
eine Röntgenprüfung durchgeführt werden.
Außerdem
ist es möglich,
die Verbindungsstelle abzuschleifen und auf diese Weise Fehlerbilder
zu detektieren.
-
Die
Zuverlässigkeitstests
müssen
sich an den im Feld auftretenden Belastungsarten orientieren, bei
denen eine passive Erwärmung,
eine aktive Erwärmung
und Impulslasten auftreten können. Nachfolgend
werden diese Belastungsarten erläutert und
exemplarisch aufgezeigt, mit welchen Testprozeduren diese Belastungen
nachgebildet werden können.
-
Passive Erwärmung:
-
Diese
wird bspw. verursacht durch Temperaturänderungen während des Fahrbetriebs in einem Kraftfahrzeug.
In einem Einkammer-Temperatatur-Wechsel-System (mit z.B. +5 K/min)
können
diese Belastungen nachgebildet werden.
-
Aktive Erwärmung:
-
Diese
wird verursacht durch eine mittlere Verlustleistung, z.B. eines
Halbleiters, während
des Fahrbetriebs. Die experimentelle Nachbildung findet durch aktives
Aufheizen der Komponente mit 0,1 bis 0,001 Hz (Periodendauer 10
bis 1.000 Sekunden) und 5 bis 10 W Verlustleistung statt. Die aktive
Erwärmung
ist der passiven Erwärmung überlagert.
-
Impulslasten:
-
Diese
verursachen Temperaturwechsel mit Frequenzen zwischen 1 bis 50 Hz
(Periodendauer von 20ms bis 1 Sekunde) als Folge von Schaltvorgängen mit
kurzfristig anfallenden Verlustleistungen bis zu einigen 100 W.
Die experimentelle Nachbildung erfolgt durch einen Impulsbetrieb
der Bauelemente. Der Impulsbetrieb kann der passiven und aktiven
Erwärmung überlagert
sein.
-
Zur
Vereinfachung und besseren Reproduzierbarkeit des Zuverlässigkeitsnachweises
wird der Betrieb der Komponenten während des Nachweises auf periodische
Vorgänge
und feste Ecktemperaturen beschränkt.
Selbstverständlich
können
auch variierende Temperaturen und Temperaturhübe ineinander verschachtelt
werden. Zu diesem Zweck werden zwei feldnahe Ecktemperaturen Tunten und Toben ausgewählt. Bei
der unteren Ecktemperatur Tunten wird die mittlere
minimale Temperatur im Winter über
bevölkerungsreichen
Regionen mit hohem Kraftfahrzeug-Anteil gemittelt, so dass sich
-15° Celsius
ergeben. Als obere Ecktemperaturen Toben für die verschiedenen
EoL-Versuche werden bspw. 100, 125, 150, 175 und 200° Celsius
gewählt.
-
Im
Gegensatz zu vielen Standard-Testverfahren werden diese Versuche
mit langsamen Temperaturwechseln durchgeführt, da sie hauptsächlich durch
passive Erwärmung
verursacht werden. Die Haltezeiten bei der unteren Ecktemperatur
Tunten wird auf ein Minimum beschränkt, sofern
keine Fehlerbilder bei Tieftemperatur vorliegen. Bei den oben angegebenen
Ecktemperaturen Toben müssen
die bereits bekannten Fehlermechanismen (z.B. Kriechen von Loten,
diffuse Stofftransporte, etc.) in der Auslegung der Haltezeiten
grundsätzlich
berücksichtigt
werden. Dies kann dazu führen,
dass für
verschiedene Fehlermechanismen auch unterschiedliche Haltezeiten notwendig
werden. Es ist bspw. denkbar, dass die obere Ecktemperaturen Toben
für 15
oder auch 60 Minuten anliegen.
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Aus
den EoL-Kurven 8 für
die Komponenten können
folgende Ergebnisse gewonnen werden:
- – ausschließlich feldrelevante
Mechanismen werden erfasst,
- – eine
Ausfallverteilung, und
- – der
Ausfallzeitpunkt (N 63%).
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Die
Auswertung der EoL-Kurven 8 der Komponenten ergibt eine:
- – Ermittlung
der Aktivierungsenergien,
- – Ermittlung
von Coffin-Manson Koeffizienten,
- – Bestimmung
der Korrelation zwischen feldnaher Erprobung und Standard-Erprobung,
und
- – produktspezifische
Auslegungen durch variable Ausfallkriterien.
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Die
vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
- – kürzere Entwicklungsdauer
für die
Produkte,
- – Vermeidung
von Rekursionen bei der Entwicklung von Produkten,
- – kein
Over-Engineering: es können
die jeweils günstigsten
Komponenten, Technologien und Bauteile ausgewählt werden,
- – ein
bestimmtes Produkt kann auch für
höhere technische
Einsatzprofile angeboten werden, wenn seine Komponenten ausreichend
stabil und haltbar ausgebildet sind, und
- – es
werden ausschließlich
feldrelevante Fehlermechanismen erfasst.
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Während die
Erbringung eines Zuverlässigkeitsnachweises
für ein
bestimmtes Produkt nach dem Stand der Technik bis zu einem Jahr
dauern kann, ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, die
gleichen zuverlässigen
und repräsentativen
Aussagen bereits nach wenigen Stunden zu machen. Die Erfindung ermöglicht es
außerdem,
bessere Kundenbeziehungen aufzubauen, da zentrale Fragen und Probleme
bezüglich
der Lebensdauer und Auslegung von Komponenten und Produkten schneller
beantwortet werden können.
Außerdem
können
durch die End-of-Life-Erprobung die Technologiegrenzen der Produkte
und Komponenten explizit aufgezeigt werden. Eine Beschleunigung
der Erprobung ist möglich, wobei
sich die Beschleunigungsfaktoren (von Feld und Labor) präzise bestimmen
lassen. Eine Lebensdauerabschätzung
kann ebenfalls durchgeführt
werden, wobei die Lebensdauer der Komponenten aus der End-of-Life-Kurve 8 direkt
gegeben ist und die Lebensdauer des gesamten Produkts anhand der EoL-Kurve 11 für das Produkt
ermittelt werden kann.
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Die
gewonnene Resultate können
in den Entwicklungsabteilungen beim Zulieferer oder Kunden verwendet
werden zur:
- – besseren Verwertung und Einschätzung der
Zuverlässigkeit
der Komponenten und Produkte;
- – applikationsspezifischen
Auslegung der Komponenten und Produkte; und
- – optimierten
Charakterisierung zukünftiger
Entwicklungen.
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Außerdem sind
fundierte Risikobewertungen in Krisenfällen und Sonderfreigaben für bestimmte Produkte
und Komponenten möglich.
Es können
bestimmte Lebensdauermodelle der Produkte aufgebaut werden, so dass
verbesserte und zuverlässigere
Lebensdauermodelle für
die Simulation zur Verfügung
stehen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Rahmen einer Hochtemperaturanwendung
näher erläutert. Sie
ist aber auch bei allen andere Zuverlässigkeitsnachweisen bei "normalen" Temperaturen, mechanischer
Belastung, Belastung durch Feuchte und/oder Chemikalien anwendbar.
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In 11 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. In der Vorrichtung 20 stehen
EoL-Kurven 8 für
viele verschiedene Komponenten aus einer Datenbank 21 zur Verfügung. Die
Datenbank 21 kann unmittelbar oder über ein Client-Server-Netzwerk,
beispielsweise das Internet, an die Vorrichtung 20 angeschlossen
sein. Die Vorrichtung 20 kann auf gewünschte EoL-Kurven 8 in
der Datenbank 21 zugreifen und die gewünschten EoL-Kurven 8 ganz
oder teilweise laden.
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An
einem Eingang 22 der Vorrichtung 20 liegt ein
vorgebbares Lastkollektiv oder Lastprofil für eine bestimmte Komponente
oder ein bestimmtes Produkt an. Das anliegende Lastprofil ist bspw.
die angenommene Feldbelastung AFB 1 und gegebenenfalls eine zusätzliche
Belastung 3 im Sinne der 2 und 3.
An einem Ausgang 23 der Vorrichtung 20 liegt ein
Ausgangssignal an, das eine Aussage über die Zuverlässigkeit
und/oder die Lebensdauer einer bestimmten Komponente oder des gesamten
Produkts liefert. Während
der Zuverlässigkeitsnachweis
lediglich "ja"- oder "nein"-Aussagen liefert,
d.h. die Komponente oder das Produkt können den Nachweis erbringen
oder nicht, liefert die Lebensdauer eine genaue Aussage über die
Haltbarkeit der Komponente oder des Produkts. Die Lebensdauer liefert
bspw. einen Wert in Stunden oder eine Zyklusanzahl, nach der die
Komponente oder das Produkt wahrscheinlich ausfällt, wenn es mit einer vorgegebenen
Belastung beaufschlagt wird.
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Es
ist denkbar, dass die EoL-Kurven 8 für die verschiedenen Komponenten
von den Herstellern und Lieferanten der Komponenten aufgenommen und
zusammen mit dem Produkt, bspw. als zusätzliche Information auf einem
Datenblatt oder als über das
Internet abrufbare Information an den Kunden liefern. Der Kunde
kann dann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 beliebige
Produkte aus den zur Verfügung
stehenden Komponenten zusammenstellen und für diese Komponenten aus den EoL-Kurven 8 der
Komponenten eine entsprechende EoL-Kurve 11 für das Produkt
bestimmen. Mit Hilfe der zur Verfügung gestellten oder selbst
ermittelten angenommenen Feldbelastung 1 (AFB) und der
zusätzlichen
Feldbelastung 3, mittels einer vorgegebenen Belastung 2 beim
Zuverlässigkeitsnachweis
oder einer zuvor ermittelten optimalen Belastung 12 beim Zuverlässigkeitsnachweis
kann geprüft
werden, ob das Produkt den Anforderungen gerecht wird.
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In
der Vorrichtung 20 ist ein Speicherelement 24 vorgesehen,
das beispielsweise als ein Flash-Speicher ausgebildet ist. Auf dem
Speicherelement 24 ist ein Computerprogramm 25 abgespeichert,
das auf einem Rechengerät 26 der
Vorrichtung 20 ablauffähig
ist. Das Rechengerät 26 ist
beispielsweise als ein Mikrocontroller oder als ein Mikroprozessor
ausgebildet. Zum Abarbeiten des Computerprogramms 25 auf
dem Rechengerät 26 wird
es über eine
Datenverbindung 27 befehlsweise oder als ganzes an das Rechengerät 26 übermittelt.
Im Rahmen der Abarbeitung des Computerprogramms 25 ermittelte
Daten können
in der Gegenrichtung über
die Datenverbindung 27 von dem Rechengerät 26 an
das Speicherelement 24 übertragen
und dort abgespeichert werden.
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Wenn
das Computerprogramm 25 auf dem Rechengerät 26 abgearbeitet
wird, führt
es das erfindungsgemäße Verfahren
aus. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
führt das
Computerprogramm insbesondere die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:
- – anhand
der EoL-Kurven 8 aus der Datenbank 21 wird eine
EoL-Kurve 11 für
ein bestimmtes Produkt ermittelt, so dass die EoL-Kurve 11 bei
den verschiedenen Belastungen T, ΔT
diejenige der in die Vorrichtung geladenen EoL-Kurven 8 der Komponenten
umfasst, welche bei der entsprechenden Belastung T, ΔT jeweils
die kürzeste Ausfallzeit
t, N hat; und
- – die
voraussichtliche Lebensdauer des Produkts wird als Funktionswert
der EoL-Kurve 11 des Produkts in Abhängigkeit von der am Eingang 22 vorgegebenen
Belastung 1, 3 des Produkts ermittelt.
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Zusätzlich kann
noch ein Zuverlässigkeitsnachweis
für das
Produkt erbracht werden, indem überprüft wird,
ob die EoL-Kurve 11 des
Produkts oberhalb einer am Eingang 22 vorgegebenen Belastung 2; 12 für eine vorgebbare
Zeitdauer t; N liegt, und, falls dem so ist, der Zuverlässigkeitsnachweis für das Produkt
als erbracht gilt.
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Im
Vorfeld der Abarbeitung des Computerprogramms 25 auf dem
Rechengerät 26 können zur Ermittlung
der EoL-Kurven 8 für
die Komponenten K1 bis Kn noch folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- – die
Komponenten K1 bis Kn des Produkts werden mit einer vorgebbaren
Belastung T, ΔT
beaufschlagt;
- – die
Komponenten K1 bis Kn werden bei verschiedenen Belastungen T, ΔT jeweils
bis zu ihrem Ausfall betrieben;
- – die
erzielten Ausfallzeiten t, N werden für die jeweilige Komponente
K1 bis Kn in Abhängigkeit von
der Belastung T, ΔT
gespeichert;
- – in
Abhängigkeit
von den belastungsabhängigen Ausfallzeiten
t, N einer Komponente K1 bis Kn wird eine dazugehörige End-of-Life
(EoL)-Kurve 8 der Komponente K1, bis Kn aufgenommen und
in der Datenbank 21 abgespeichert.
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Die
oben beschriebenen Interpolationen zwischen den Stützstellen
der EoL-Kurven 8 und Extrapolationen über die Stützstellen hinaus sind ebenfalls möglich.