EP1828894A2 - Verfahren und vorrichtung zum vorhersagen einer lebenserwartung eines mehrere komponenten umfassenden produkts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum vorhersagen einer lebenserwartung eines mehrere komponenten umfassenden produkts

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Publication number
EP1828894A2
EP1828894A2 EP05813679A EP05813679A EP1828894A2 EP 1828894 A2 EP1828894 A2 EP 1828894A2 EP 05813679 A EP05813679 A EP 05813679A EP 05813679 A EP05813679 A EP 05813679A EP 1828894 A2 EP1828894 A2 EP 1828894A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
product
load
eol
components
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP05813679A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus VOIGTLÄNDER
Johannes Duerr
Rolf Becker
Reinhold Muench
Ivica Durdevic
Uwe Wostradowski
Christopher Hahn
Joerg Breibach
Philippe JÄCKLE
Hendrik Ehrhardt
Thomas Rupp
Antoine Chabaud
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1828894A2 publication Critical patent/EP1828894A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065—Monitoring tool breakage, life or condition
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37253—Fail estimation as function of lapsed time of use

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for predicting a life expectancy of a product comprising at least two components.
  • the life expectancy is determined as a function of a specifiable load of the product.
  • the invention relates to a computer program which is executable on a computing device, in particular on a microprocessor, a data processing system.
  • a product comprises several components.
  • a product can be a personal computer (PC), the components then the electrical components (power supply, motherboard, hard disk, Floppy disk drive, CD-ROM drive, DVD drive, etc.) of the PC. It would also be conceivable to consider, for example, the motherboard as the product, in which case the various electrical components, solder joints etc. on the board are the components.
  • a product could also be any motor vehicle component, in particular a motor vehicle control device, the components then being the various electrical components (for example resistors, capacitors, coils, operational amplifiers), solder joints, conductor tracks, etc.
  • a motor vehicle control device for example, which is arranged in the vicinity of an internal combustion engine of a vehicle, is exposed to a significantly higher thermal load than a control device arranged in the passenger compartment of the vehicle.
  • the thermal load can be an absolute temperature but also a temperature fluctuation.
  • the same control unit would therefore have a shorter service life in the engine area than in the passenger compartment.
  • the testing for providing the proof can be carried out on a plurality of identical products, so that the result of the proof is more representative.
  • the known method provides after testing a plurality of identical products, for example, statements such as: "The product achieved at absolute
  • the present invention based on the object to design a method and an apparatus of the type mentioned in such a way and further that within the shortest possible time and as close to the field as possible a particularly meaningful proof of reliability for the product provided or the lifetime of the product can be determined.
  • the following method steps are proposed starting from the method of the type mentioned: the components of the product are subjected to different loads; the components are operated at the different loads each to their failure; the downtimes achieved are stored for the respective component as a function of the load; depending on the load-dependent
  • Downtime of a component is added to an end-of-life (EoL) curve of the component; an EoL curve of the product is determined so that, at the various loads, it comprises that of the EoL curves of the components which, at the respective load, each have the shortest downtime; and the expected life of the product being determined as the functional value of the EoL curve of the product as a function of the given load on the product.
  • EoL end-of-life
  • each component of a product is first considered individually. Based on the EoL curves recorded for the individual components, an EoL curve is determined for the entire product. This corresponds to the different loads, so to speak, always the EoL curve of the worst component, ie the component with the lowest life at a given load. This results from the consideration that a product in its entirety fails as soon as only one of the components fails.
  • the consideration of the individual components has the advantage that if the structure of the product changes (replacement of one component by another, omission of a component, addition of a new component) it does not have to be determined again for the entire product, if the product of the given load for the given
  • Duration can withstand. It is sufficient if the EoL curve for the new or modified component is included and taken into account in the determination of the EoL curve of the entire product. When omitting a component, simply determining the EoL curve for the product simply ignores the EoL curve of the omitted component.
  • the EoL curve of the component can simply be passed through or approximated to the calculated values for the load-dependent downtime for that component.
  • the points of the EoL curve of a component between the determined values for the load-dependent downtimes of the component can be interpolated according to any method known per se. At the edge, d. H. at the beginning and end, the EoL curve can be extrapolated.
  • the method according to the invention enables particularly rapid checking of the durability of a product, in particular when the EoL curves for the individual components have already been recorded in advance of the check, stored in a database and, if necessary, only retrieved.
  • irrelevant errors due to excessive burden for the proof of reliability can be prevented.
  • the various burdens that are placed on the individual components are largely in the range of an assumed one
  • the loading of the components or of the entire product with the assumed field load was separated from the determination of the lifetime of the product and the examination of the durability. While the loading of the components with the assumed field load may take place in advance of the actual determination of the life and / or reliability of the product, the actual life of the product is determined based on the previously determined EoL curves during the running time of the method according to the invention.
  • the consideration of the individual components also has the advantage that, based on the EoL curves for the individual components, it can be checked whether the components are suitable for withstanding the assumed field load. If a component can not withstand the field load, it will be immediately recognized by the EoL curve of the component and the component can then be swapped for a more stable one. On the other hand, it is also possible components that are clearly much more stable than actually required (because the EoL curve of these components significantly above assumed field load) to replace with less stable less expensive components, without running the risk that the product of the assumed field load can no longer withstand.
  • the assumed EoL curve of the product can be used to determine an assumed field load (by magnitude of load and duration of load) which, from the point of view of minimizing the test duration and field irrelevant errors, allows optimal verification of product reliability.
  • the assumed field load is chosen so that the duration of the stress has a representative value (this corresponds to approximately 50 to 3,000 cycles).
  • the value for the field load is then selected as the load at which the selected duration of the load is just below the EoL curve of the product.
  • the duration and the stress are set for optimal test conditions. For safety reasons, it is not necessary to carry out the test at a higher load or to carry it out for longer than the determined duration.
  • the method according to the invention is not only suitable for determining the life of the product (how long does the product withstand a given load?) But can also be used to provide proof of the reliability of the product (keeps the product at a predetermined load for a given period of time was standing ?) . Therefore, it is proposed according to an advantageous embodiment of the invention that the method is used to provide a proof of reliability for the product and it is checked whether the EoL curve of the product is above a predetermined load for a predetermined period of time.
  • the proof of reliability for the Product is considered to be provided if the EoL curve of the product is above the load in the Statement of Reliability. In this case, at the given load, the failure of the component therefore occurs at a later point in time than the component has to withstand according to the specifications of the proof under this load.
  • the EoL curves of the components be extrapolated towards smaller loads.
  • a very long service life of the component up to its failure can occur, in particular for small loads, ie the test duration can be very long.
  • the test duration can be reduced and thus the detection accelerated by the failure time of the component is taken at higher loads and is extrapolated to smaller loads and longer test periods out.
  • the recorded downtimes at different loads put an approximation function, which is continued beyond the recorded downtimes to smaller loads and longer test periods.
  • an arbitrary exponential function e A (A + Bx); A (le A (-Bx)) + C; Ae A (B / x)
  • an equalizing polynomial of the xth order may be considered.
  • the EoL curves of the components be interpolated between the discrete values for the downtime at certain loads at which the EoL curves were taken.
  • the number of component tests to be performed operation of the component with a certain load to failure of the component
  • the component downtime only at a few discrete loads and interpolating the EoL curve therebetween.
  • interpolation there are a plurality of methods known per se. It is conceivable, for example, that one places an approximation function through the recorded failure durations at different loads, which is, for example, an arbitrary exponential function, a spline function or an offset polynomial of the xth order.
  • the load of the component can be any type of load, in particular a mechanical, thermal, chemical, electrical, magnetic or electromagnetic load.
  • Each kind of load has a life-changing, usually life-shortening, effect on the considered component.
  • the load is a certain absolute operating temperature of the component and / or a temperature fluctuation of a certain size within a certain period of time.
  • the downtime of the components of the product is absorbed at various discrete loads. Between the recorded downtimes, the EoL curve can be interpolated and extrapolated beyond the recorded downtime.
  • a first temperature class covers for example the temperature range from 100 0 C to 12O 0 C
  • a second temperature class the range from 12O 0 C to 14O 0 C.
  • the product must be 120 hours and in the first temperature class endure in the second temperature class for 20 hours. For example, if the tested product could run 150 hours to failure in the first temperature class and only 10 hours to failure in the second class, the product or component of the product would not meet the customer's specifications.
  • At least the under-dimensioned component needs to be replaced by a more stable one. Even if the product in the second temperature class can be operated for up to 25 hours before failure, ie longer than specified by the customer, the total allowable load of the product will be exceeded, so that it will reach the customer's required level minimum life of for example 180 hours fails.
  • the distance of the duration of a predetermined load (for example, the assumed field load) of a component to the corresponding value on the EoL curve of the component that is the corresponding downtime the component is determined and added to Palmgren-Miner.
  • Palmgren-Miner damage accumulation hypothesis the quotients from the value of the duration of a given load on the component and the corresponding downtime are summed up for all load classes. The component only meets the requirements if the sum is less than 1. If the sum is greater than or equal to 1 must be with the premature failure of the component can be expected.
  • the product the proof of reliability can provide.
  • the EoL curve of the product is determined.
  • a damage accumulation according to Palmgren-Miner is carried out.
  • the EoL curve of the product can even be used to determine a different (usually higher) load than the customer's intended load for a shorter period of time to still meet the required proof of reliability. In this way, the required time for providing the reliability proof can be reduced without disadvantages of the validity of the proof.
  • the finished product is exposed over its entire lifetime seen a certain load profile, that is, the product is loaded with different load classes each for a certain duration.
  • the actual load profile can not be traversed for reasons of time. For this reason, accelerated tests are used in which the load is increased and the duration of the test is reduced accordingly.
  • a certain temperature which is above a predeterminable field load of the product, for a a certain period of time, which is below the duration of the field load, an accelerated proof of reliability is carried out, wherein the determined temperature and the determined time period are coordinated with one another such that a mechanical test
  • Load of the product and a thermomechanical load of the product can be accelerated by about the same factor.
  • an EoL curve of a component includes at least two points resulting from the downtime of the component at different loads. If, for example, the load is the operating temperature of the component, the downtime of the component is recorded at at least two different discrete temperatures or in at least two different temperature classes, for example at 100 ° C. and 175 ° C.
  • the device comprises:
  • EoL end-of-life
  • each component is subjected to different loads individually and each operated until their failure. It can also be said that the components are operated in different load classes until failure. This results in load-dependent downtimes for each component, which are the interpolation points of the EoL curve
  • the interpolation points are interpolated or extrapolated in advance and the complete EoL curves for the components are stored.
  • the complete EoL curves for the components of the product are then immediately available, without first having to wait between runtimes during runtime
  • the at least one EoL curve for a component has been recorded in advance as a function of determined load-dependent downtimes of the component by a manufacturer of the component.
  • the EoL curve of a component can then be a manufacturer of the entire product, for example a datasheet or online.
  • the manufacturer of the product can then use the EoL curves of the various components that he may receive from different manufacturers to determine the EoL curve of the entire product and verify that the overall product meets the requirements set by his customers.
  • the device according to the invention serve to provide a proof of reliability for the product and means for checking whether the EoL curve of the product is above a predeterminable load for a predefinable period of time, and, if so, the proof of reliability for the product is considered to be supplied.
  • the method according to the invention can be realized in the form of a computer program that can run on a computing device, for example on a microprocessor or a microcontroller.
  • the computer program runs on the computing device and performs the inventive method fully automatically.
  • the invention is realized by the computer program, so that this computer program in the same way represents the invention as the method to whose execution the program is programmed.
  • the method according to the invention is divided into two parts.
  • a first part is responsible for recording the EoL curves for each component of the product. This can be done for example by the manufacturers of the components.
  • a second part of the method according to the invention is responsible for determining the EoL curve for the entire product and for determining the life expectancy of the product. This can be done, for example, by the manufacturer of the product, following his calculations based on component manufacturers' EoL curves.
  • Figure 1 is a method known from the prior art for providing a proof of reliability for a product at a given assumed field load
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a method known from the prior art for providing a reliability check in the case of an assumed field load increased compared with the embodiment of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a method known from the prior art for providing a reliability check in a compared to the embodiment of Figure 1 increased assumed field load;
  • Figure 5 is an end-of-life curve for a component of a
  • FIG. 8 shows the end-of-life curve for a component of a product from FIG. 5 with a distance plotted in a certain stress class between a predetermined duration of the field load and the corresponding downtime of the component for producing a lifetime prediction of the Palmgren-Miner component;
  • Figure 9 ways to define failure criteria and to design components of a product
  • FIG. 10 Realistic acceleration of the testing of a
  • the testing of products or certificates of reliability for products is carried out according to the state of the art using standards and standardized procedures proposed by customers or standards bodies. These standards describe accelerated tests that must be performed on a product for a specific service life t or a certain number of cycles N in order to demonstrate the reliability of the product. A test is said to be accelerated if it is performed under higher loads than the loads that occur in the field and only for a lesser time t or number of cycles N. The evaluation criterion for passing the reliability test is then usually proof of the functioning of the product after completion of the test. In this way, a yes / no statement can be made as to whether the product withstands the required load for the required period of time or not. However, a statement about the life of the product under any load can not be made in this way.
  • the assumed field load (AFB) is designated by the reference numeral 1 and the load specified in the reliability report (BZN) by the customer is designated by the reference numeral 2.
  • the load is plotted on the x-axis in the form of an operating temperature T or an operating temperature deviation ⁇ T and on the y-axis the duration of the load as time t or number of cycles N.
  • the assumed field load 1 corresponds to an estimated or empirically determined load of the product during normal operation.
  • the load 2 in the reliability check is an estimated load which is above the assumed field load 1.
  • the load 2 in the reliability check is an estimated load which is above the assumed field load 1.
  • the load is formed as an absolute operating temperature T or as a temperature deviation .DELTA.T.
  • T absolute operating temperature
  • ⁇ T temperature deviation ⁇ T
  • N Number of cycles
  • FIG. 2 shows the case in which the assumed field load 1 has been extended by an additional period of time 3 at different load values.
  • the burden 2 in the reliability check is increased by an additional time period 4, i.
  • the product must be operated for a longer period of time with the load 2 in the proof of reliability.
  • the additional increased field load 1, 3 is taken into account by not extending the time duration of the reliability check, but rather by increasing the load T, ⁇ T.
  • This is shown in Figure 3 on the basis of the new load 5 in the proof of reliability.
  • the field irrelevant failure mechanisms can prevent the release of the product, although they do not occur in practical operation.
  • An important aspect of the invention is the fact that several components of a product, preferably all components, are initially considered individually.
  • the components of the product are subjected to a predeterminable load. It is not necessary to apply all the components of the product, but it is advisable to include at least those components of the product in the process according to the invention and consequently to apply a predeterminable load which has an effect on the life of the product.
  • the components are operated at different loads (so-called load classes) until their failure. This results in load-dependent downtime for the various components.
  • Temperature range (eg up to 175 0 C, 200 0 C or 233 0 C).
  • the measurement of the downtimes is carried out in each load class preferably at the corresponding highest load, these are the points 19 in Figure 5. Of course, the measurement could also be at an average load within the respective load class or at a low load within the load class.
  • the measured values for the downtime of the component are shown as points 7. All measured and recorded in this way downtime 7 are on a so-called end-of-life (EoL) curve 8 of the component.
  • EoL end-of-life
  • the values of the EoL curve 8 between the measured downtimes 7 are determined by means of an interpolation. Some of the interpolated values are designated by reference numeral 9 in FIG.
  • the EoL curve 8 is extrapolated over the measured downtimes 7 in the direction of lower loads.
  • the extrapolated values of the EoL curve 8 are designated by the reference numeral 10 in FIG.
  • the component is accelerated from near field to strong at different loads, ie at higher loads, which shortens the test duration, up to operated their failure.
  • defect images are analyzed and combined so that a defect-specific EoL curve 8 is created for the component, which makes possible correlations to the field, ie for practical use of the component.
  • defects are cracking and creeping in solders, diffusion in boundary layers (eg Kirkendal in bonding wires), delamination of a so-called MoId compound, bond fatigue, increasing a transient thermal resistance Z_th, leakage in electrolytic capacitors, etc.
  • the various fault patterns are expressed in different EoL curves 8 of the components, as shown in FIG. There, the various EoL curves are exemplified for four components Kl, K2, K3 and K4. Of course, the inventive method can be used for less than four components or for any number of components Kl, K2, K3 to Kn. It can be clearly seen in FIG. 6 that the EoL curve 8 for the fourth component K4 can not withstand a load which lies approximately in the middle load range over the required period of time. The component K4 is thus unsuitable for the planned use in the field. Before using the product in the field, the component K4 must be replaced by a more stable or durable one.
  • an EoL curve 11 of the product is determined.
  • the EoL curve 11 of the product always comprises the EoL curves 8 of those components K1, K2,... K4, which have the shortest downtimes in the various load classes.
  • the EoL curve 8 for the fourth component K4 has the shortest downtimes in all load classes. For this reason, the EoL curve 11 of the product includes only the EoL curve 8 of the fourth
  • the EoL curve 11 of the product at low load classes comprises the EoL curve 8 of the fourth component K4, for medium load classes the EoL curve 8 of the first component K1, and finally for high Load classes of the EoL curve 8 of the second component K2.
  • the EoL curves 8 of all components Kl, K2,... K4 and the EoL curve 11 of the product all run at a distance from the assumed field load 1 or the additional field load 3, so that a first approximation can be assumed in that the components Kl, K2, ... K4 and the product meet the reliability requirements.
  • the proof of reliability would therefore be provided for all components Kl, K2, ... K4 (or Kl, K2, ... Kn) and thus also for the entire product.
  • failure criteria can be set product-specifically and adapted to the application.
  • the failure criteria need not be known a priori, but may even be determined after the end of the determination of the downtime and the EoL curves 8, 11 for the components and the product.
  • the optimal load 12 for the proof of reliability can be determined. What constitutes a major problem in the prior art, namely the determination of the load 12 in the reliability report (see Figure 2: relatively low load 2, 4, therefore too time-consuming; see Figure 3: relatively high load 5, therefore issue field irrelevant error) , According to the invention can be carried out without problems.
  • the load 12 in the proof of reliability must be chosen so that it lies below the EoL curve 11 of the product.
  • care should be taken that the test duration is chosen to be long enough (for example, between 50 and 3,000 hours or cycles N) that the test result is representative.
  • a specific load profile to which a finished product is exposed over its entire service life is designated by reference numeral 14.
  • the stress profile 14 is either estimated or simulated or recorded under realistic conditions.
  • the load profile 14 comprises in the simplified embodiment shown here relatively short periods of time .DELTA.ti, during which a relatively low load Ti is applied.
  • the load profile 14 includes longer periods of time ⁇ t2, during which a higher load T 2 is applied.
  • the load section 14 comprises a so with a certain frequency (1 / ( ⁇ ti + At 2)) recurring load change ⁇ Ti.
  • the stress on the product with the load profile 14 leads to both a thermal load and to a thermomechanical load of the product, with thermal and thermomechanical load in a certain relationship to one another.
  • the thermal stress occurs, for example, in the form of recrystallization or diffusion on the product.
  • the thermomechanical load is mainly due to different coefficients of thermal expansion of the substances and components of the product (so-called TCE mismatch).
  • the reference numeral 15 is an accelerated
  • Designated loading profile which includes in the simplified embodiment shown here, the relatively short periods of time .DELTA.ti, during which the relatively low load T 1 is applied.
  • the load profile 15 includes the longer periods of time ⁇ t 2 , during which a higher load T 3 is applied, which is greater than the load T 2 of the first load profile 14.
  • the exposure profile 15 thus comprises a at a specific frequency (1 / ( ⁇ ti + .DELTA.t 2)) recurring larger load change .DELTA.T.
  • the accelerated load profile 15 means that the thermal load is over-emphasized compared to the thermomechanical load.
  • the resulting acceleration factor of the thermal load or the degree of increase of the probability of failure due to the thermal load of the load profile 15 can be calculated according to the Arrhenius rule.
  • Reference number 16 in FIG. 10 designates a further accelerated load profile which, in the simplified exemplary embodiment illustrated here, comprises relatively short durations ⁇ t 3 during which the relatively low load Ti is present.
  • the time duration ⁇ t 3 is shorter than the time duration ⁇ ti of the load profiles 14 and 15.
  • the load profile 16 includes longer periods of time ⁇ t 4 during which the higher load T 2 is applied.
  • the time duration ⁇ t 4 is shorter than the time duration ⁇ t 2 of the load profiles 14 and 15.
  • the load profile 16 one with a higher frequency (1 / (At 3 + At 4 )) includes periodically recurring loading stroke ⁇ Ti.
  • the accelerated load profile 16 results in that the thermomechanical load is over-emphasized compared to the thermal load. The resulting
  • Acceleration factor of the thermomechanical load or the degree of increase in the probability of failure due to the thermo-mechanical loading of the load profile 16 can be calculated according to the Coffin-Manson rule. In order to provide a proof of reliability, the actual load profile 14 can not be completely traversed for reasons of time. For this reason, accelerated tests (see load profiles 15 and 16) are used in which the load is increased and the duration of the test is correspondingly reduced.
  • this method can not only be used for absolute loads (eg temperature T 1 ) but also for load cycles or load strokes (eg temperature strokes AT 1 ).
  • a certain temperature lift AT 3 which is greater than a predeterminable field load ATi of the product, with a specific frequency 1 / (At 5 + At 6 ) which is greater than the frequency 1 / ( ⁇ ti + At 2 ) the field load ATi is performed, an accelerated proof of reliability.
  • the increased temperature lift AT 3 and the greater frequency 1 / (At 5 + At 6 ) are coordinated in such a way that a mechanical load and a thermomechanical load of the product are accelerated by approximately the same factor.
  • the resulting acceleration factor for the thermal load is first determined according to Arrhenius. According to Coffin-Manson, the resulting reduced duration At 5 , At 6 or increased frequency 1 / (At 5 + At 6 ) for the test is then determined on the basis of the determined acceleration factor for the thermal load such that the acceleration factor for the thermomechanical load is approximately is equal to the acceleration factor for the thermal load.
  • test times can be shortened and the product costs can be reduced.
  • reliability can be increased.
  • accurate predictions can be made about the life expectancy of a component or the entire product.
  • the test conditions are chosen as close to the field as possible in order to be able to represent the correlation to the product in real terms. The generation of defect images that can not occur in the field is prevented as much as possible.
  • the termination criteria can be dynamically adapted to the respective site after the end of the test and need not be known a priori. This is a cost-effective, product-specific design of the products possible, at the same time increased reliability with sufficient life expectancy. So-called over- or under-engineering can be prevented. By avoiding recursions, the delivery quality of the products can be improved at the same time.
  • the evidence of reliability may be due to scalability (previously performed measurements and
  • the load 12 is determined in the proof of reliability BZN.
  • the determination of this load 12 can be optimized in the manner shown in FIG. 6 and described above, so that the optimum load 12 is obtained in the reliability statement BZN.
  • test load EB demanded by him, which the product must withstand from the perspective of the customer to secure a given quality standard.
  • the test load EB required by the customer is also greater than the burden on the proof of reliability BZN determined by the supplier.
  • the supplier had no arguments as to why the load 12 determined by the supplier was completely sufficient for the BZN certificate of reliability so that the product could meet the requirements demanded by the customer
  • observables observable quantities
  • these can be Delamination MoId Compound or Bonder Fatigue for an active device. Further examples are summarized in the following list. Of course, further observables are possible.
  • Microprocessor a microcontroller, a MOSFET, etc
  • MoId compounds which can be detected by means of ultrasound.
  • it could be a bonder fatigue or an increase in a thermal resistance Z th , an increase in the current I SU bthreshoid or an increase in the internal resistance R 0n .
  • the capacitance, the loss factor tan ⁇ or an electrical series resistance ESR is an observable variable; as well as the insulation resistance R 1SO at -40, +25, +125 and + 150 ° Celsius or other freely selectable temperatures. Also faulty images could be detected by optical control or by the drift evaluation of characteristics. In printed circuit boards, a resistance measurement, eg. The insulation resistance R 180 ⁇ be performed. Likewise, as observable quantities, delamination, cracks in the insulating lacquer or cracks in the glass fiber structure can be recognized optically.
  • connection technique AVT for example, in soldering
  • a resistance measurement, a shear force measurement or an X-ray inspection can be carried out to determine typical defect images.
  • the pulsed operation can be superimposed on the passive and active heating.
  • the operation of the components during the detection is limited to periodic processes and fixed corner temperatures.
  • varying temperatures and temperature strokes can be interleaved.
  • two near-field corner temperatures T bottom and T are selected above .
  • the mean minimum temperature in winter is averaged over populous regions with high motor vehicle content, resulting in -15.degree.
  • upper corner temperatures T above for the various EoL experiments for example, 100, 125, 150, 175 and 200 ° Celsius are selected.
  • the results obtained can be used in the development departments of the supplier or customer for:
  • the present invention has been further described in the context of a high temperature application. But it is also applicable to all other evidence of reliability at "normal" temperatures, mechanical stress, exposure to moisture and / or chemicals.
  • a device according to the invention is designated by the reference numeral 20.
  • EoL curves 8 are available for many different components from a database 21.
  • the database 21 can be connected to the device 20 directly or via a client-server network, for example the Internet.
  • the device 20 can access desired EoL curves 8 in the database 21 and load the desired EoL curves 8 in whole or in part.
  • an input 22 of the device 20 is a predetermined load collective or load profile for a particular component or a specific product.
  • the applied load profile is, for example, the assumed field load AFB 1 and optionally an additional load 3 in the sense of FIGS. 2 and 3.
  • An output 23 of the device 20 is connected to an output signal that provides information about the reliability and / or service life of a particular load Component or the entire product. While the evidence of reliability provides only "yes” or “no" statements, ie the component or the product may or may not provide evidence, the lifespan will provide an accurate statement of the durability of the component or product. For example, the life provides a value in hours, or a cycle number, after which the component or product is likely to fail when subjected to a given load.
  • Components are added and delivered to the customer together with the product, for example as additional information on a data sheet or as retrievable via the Internet information.
  • the customer can then use the device 20 according to the invention to assemble any products from the available components and to determine a corresponding EoL curve 11 for the components from these components from the EoL curves 8 of the components.
  • the provided or self-determined assumed field load 1 (AFB) and the additional field load 3 by means of a predetermined load 2 in the proof of reliability or a previously determined optimal load 12 in the proof of reliability can be checked whether the product meets the requirements.
  • a storage element 24 is provided, which is designed for example as a flash memory.
  • a computer program 25 is stored on a
  • Computing device 26 of the device 20 is executable.
  • the computing device 26 is designed, for example, as a microcontroller or as a microprocessor.
  • determined data can be transmitted in the opposite direction via the data link 27 from the computing device 26 to the memory element 24 and stored there.
  • the computer program 25 When the computer program 25 is executed on the computing device 26, it carries out the method according to the invention. In the illustrated embodiment, the computer program executes in particular the following method steps:
  • an EoL curve 11 is determined for a particular product, so that the EoL curve 11 at the various loads T, .DELTA.T includes that of the loaded into the device EoL curves 8 of the components which has the shortest downtime t, N at the respective load T, ⁇ T, respectively; and the expected life of the product is determined as the functional value of the EoL curve 11 of the product as a function of the load 1, 3 of the product given at the inlet 22.
  • a proof of reliability for the product can be provided by checking that the EoL curve 11 of the product is above a load 2 set at input 22; 12 for a predetermined period of time t; N is, and, if so, the
  • the following method steps can be carried out for the determination of the EoL curves 8 for the components K1 through Kn: the components K1 to Kn of the product are subjected to a predeterminable load T, ⁇ T; the components Kl to Kn are operated at different loads T, ⁇ T, respectively, until their failure; - The achieved downtime t, N are stored for each component Kl to Kn as a function of the load T, .DELTA.T;
  • an associated end-of-life (EoL) curve 8 of the component Kl to Kn is added and stored in the database 21.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Vorhersagen einer
Lebenserwartung eines mehrere Komponenten umfassenden Produkts
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.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, einer Datenverarbeitungsanlage ablauffähig ist.
Stand der Technik
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.
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.
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. 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.
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 .
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.
Das bekannte Verfahren liefert nach der Erprobung einer Mehrzahl von baugleichen Produkten beispielsweise Aussagen wie: "Das Produkt erreicht bei absoluten
Betriebstemperaturen von über 9O0C 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 ?) .
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.
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.
Vorteile der Erfindung
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.
Die Betrachtung der einzelnen Komponenten hat den Vorteil, dass bei einer Änderung des Aufbaus des Produkts (Austausch einer Komponente durch eine andere, 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.
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.
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 eines Betriebs des Produkts auch tatsächlich im Feld auftreten können.
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 .
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.
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.
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.
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 (eA(A+B-x); A(l-eA (-B-x) ) +C; A-eA(B/x)) oder ein Ausgleichspolynom x-ter Ordnung in Betracht.
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.
Die Belastung der Komponente kann jede beliebige Art von Belastung sein, insbesondere eine mechanische, thermische, chemische, elektrische, magnetische oder elektro- magnetische 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.
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 1000C bis 12O0C, eine zweite Temperaturklasse den Bereich von 12O0C bis 14O0C. 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.
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.
Wenn von dem Kunden 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.
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.
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 1000C und bei 1750C.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises für ein Produkt bei einer bestimmten angenommenen Feldbelastung;
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zum Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises bei einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus Figur 1 erhöhten angenommenen Feldbelastung;
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zum Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises bei einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus Figur 1 erhöhten angenommenen Feldbelastung;
Figur 4 mögliche Kommunikationswege zwischen Zulieferer und Kunde ermöglicht durch die vorliegende
Erfindung;
Figur 5 eine End-of-Life-Kurve für eine Komponente eines
Produkts;
Figur 6 End-of-Life-Kurven für vier Komponenten und für ein nicht zuverlässiges Produkt;
Figur 7 End-of-Life-Kurve für vier Komponenten und für ein zuverlässiges Produkt;
Figur 8 die End-of-Life-Kurve für eine Komponente eines Produkts aus Figur 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;
Figur 9 Möglichkeiten zur Definition von Ausfallkriterien und zur Auslegung von Komponenten eines Produkts;
Figur 10 realitätsnahe Beschleunigung der Erprobung eines
Produkts mit gleichen Beschleunigungsfaktoren für eine thermische und für eine thermomechanische
Belastung; und
Figur 11 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens . Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erprobung von Produkten oder Zuverlässigkeitsnachweise für Produkte werden nach dem Stand der Technik anhand von Normen und standardisierten Verfahren durchgeführt, die von 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.
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.
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.
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. In Figur 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 Figur 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.
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 Figur 1 dargestellte Verfahren Probleme. In Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 2 beschriebenen bekannten Verfahren die Testdauer verlängert wird (theoretisch auf bis zu einem Jahr) , werden bei dem bekannten Verfahren aus Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 5 schraffiert dargestellt und mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Es handelt sich um die Belastungswerte HO0C, 12O0C, 14O0C, 16O0C und 18O0C, oder 100°C, 1250C, 15O0C und 1750C oder jede andere äquidistante oder nicht-äquidistante Teilung im interessierenden
Temperaturbereich (z.B. bis 1750C, 2000C oder 2330C) . Die Messung der Ausfallzeiten erfolgt in jeder Belastungsklasse vorzugsweise bei der entsprechend höchsten Belastung, das sind die Punkte 19 in Figur 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 Figur 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 1000K bzw. 1000C) 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 Figur 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. MoId 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 Figur 6 ersichtlich. Dort sind die verschiedenen EoL-Kurven beispielhaft für vier Komponenten Kl, K2, K3 und K4 dargestellt. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren für weniger als vier Komponenten oder für beliebig viele Komponenten Kl, K2, K3 bis Kn eingesetzt werden. In Figur 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 Figur 7 sind die End-of-Life-Kurven 8 beispielhaft für vier Komponenten Kl, K2, ... K4 dargestellt, wobei die Komponente K4 bei dem in Figur 7 dargestellten Verlauf gegenüber dem Verlauf aus Figur 6 durch eine stabilere bzw. haltbarere Komponente K4 ersetzt wurde. Auf diese Weise wird ohne großen Aufwand aus dem nicht zuverlässigen Produkt aus Figur 6 ein zuverlässiges Produkt (vgl. Figur 7) . Eine eingehende Fehleranalyse und eine komplette Neukonstruierung des Produkts ist - anders als beim Stand der Technik - bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Auf einen Blick kann in Figur 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 Figur 6 beispielsweise die Komponente K4, werden einfach durch stabilere und/oder haltbarere ersetzt (vgl. Figur 7), so dass alle EoL-Kurven 8 für sämtliche Komponenten Kl bis K4 (bzw. Kl bis Kn) oberhalb der angenommenen Feldbelastung 1 zuzüglich der zusätzlichen Feldbelastung 3 liegen.
Anhand der EoL-Kurven 8 für die verschiedenen Komponenten Kl bis K4 (bzw. Kl bis Kn) wird eine EoL-Kurve 11 des Produkts ermittelt. Die EoL-Kurve 11 des Produkts umfasst stets die EoL-Kurven 8 derjenigen Komponenten Kl, K2, ... K4, welche in den verschiedenen Belastungsklassen jeweils die kürzesten Ausfallzeiten haben. Bei dem in Figur 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.
Bei dem in Figur 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 Kl und schließlich für hohe Belastungsklassen der EoL-Kurve 8 der zweiten Komponente K2. Die EoL-Kurven 8 aller Komponenten Kl, 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 Kl, K2, ... K4 und das Produkt die Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Der Zuverlässigkeitsnachweis wäre also für alle Komponenten Kl, K2, ... K4 (bzw. Kl, K2, ... Kn) und damit auch für das Gesamt-Produkt erbracht.
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 Figur 8 näher erläutert. Bei jeder Belastungsklasse (z.B. 60-700C, 70-800C, ... 180-190°C) wird der Abstand 13 der Dauer (Zeit t oder Anzahl der Zyklen N) N1 der angenommenen Feldbelastung einer Komponente zu dem entsprechenden Wert (der Ausfallzeit) N1 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 S1 der
Quotienten kleiner als 1 ist (S1 handelt es sich um eine zuverlässige Komponente. Falls die Summe S1 jedoch
Gefahr, dass die Komponente Kl, 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 R1 im Bereich der Verbindungstechnik ist dies beispielhaft in Figur 9 dargestellt. Die angenommene Feldbelastung ist wieder mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Für unterschiedlich dimensionierte Übergangswiderstände R1 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 R1 (Komponente) , für die in Figur 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 R1 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.
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 R1 auch problemlos nach dem Kriterium Kritl mit Ri=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 gemäß zusammengestellt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, kundenspezifische Belastungsprofile in eine entsprechende Lebensdauer des Produkts umzurechnen, präventive Lebensdaueraussagen sind möglich.
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. Figur 2: relativ niedrige Belastung 2, 4, deshalb zu zeitaufwendig; vgl. Figur 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. In Figur 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 Δti, während denen eine relativ geringe Belastung Ti anliegt. Außerdem umfasst das Belastungsprofil 14 längere Zeitdauern Δt2, während denen eine höhere Belastung T2 anliegt. Das Belastungsprofil 14 umfasst also einen mit einer bestimmten Frequenz (1/ (Δti + At2) ) periodisch wiederkehrenden Belastungshub ΔTi. 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) .
Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein beschleunigtes
Belastungsprofil bezeichnet, das in dem hier dargestellten vereinfachten Ausführungsbeispiel die relativ kurzen Zeitdauern Δti 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 > ΔTi) . Das Belastungsprofil 15 umfasst also einen mit einer bestimmten Frequenz (1/ (Δti + 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.
Mit dem Bezugszeichen 16 ist in Figur 10 ein weiteres beschleunigtes Belastungsprofil bezeichnet, das in dem hier dargestellten vereinfachten Ausführungsbeispiel relativ kurze Zeitdauern Δt3 umfasst, während denen die relativ geringe Belastung Ti anliegt. Die Zeitdauer Δt3 ist kürzer als die Zeitdauer Δti 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 ΔTi gegenüber dem Belastungsprofil 14 unverändert, allerdings wird der Test zeitlich beschleunigt, so dass das Belastungsprofil 16 einen mit einer höheren Frequenz (1/ (At3 + At4) ) periodisch wiederkehrenden Belastungshub ΔTi 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. 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 At6, 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 T1), sondern auch für Belastungszyklen bzw. Belastungshübe (z.B. Temperaturhübe AT1) angewandt werden. In diesem Fall wird dann bei einem bestimmten Temperaturhub AT3, der größer als eine vorgebbare Feldbelastung ATi des Produkts ist, mit einer bestimmten Frequenz 1/ (At5 + At6) , die größer als die Frequenz 1/ (Δti + At2) der Feldbelastung ATi ist, ein beschleunigter Zuverlässigkeitsnachweis durchgeführt. Dabei sind der erhöhte Temperaturhub AT3 und die größere Frequenz 1/ (At5 + At6) 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 AT3 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 At5, At6 oder erhöhte Frequenz 1/ (At5 + At6) 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.
Die Durchführung von feldnahen Tests, indem bei verschiedenen Temperaturen T und Temperaturhüben AT 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.
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.
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.
Auf Grundlage der vorliegenden Erfindung kann eine fundierte Kommunikation zwischen Zulieferer und Kunden durchgeführt werden. Die Kommunikationsabläufe sind beispielhaft in Figur 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 AFBi 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 AFBi 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.
Anhand der bzw. unter Berücksichtigung der angenommen Feldbelastung AFBi des Zulieferers wird die Belastung 12 beim Zuverlässigkeitsnachweis BZN ermittelt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ermittlung dieser Belastung 12 in der in Figur 6 dargestellten und oben beschriebenen Weise optimiert werden, so dass man die optimale Belastung 12 beim Zuverlässigkeitsnachweis BZN erhält.
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. 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 Figur 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 MoId 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 MoId Compounds, die mittels Ultraschall detektiert werden kann. Außerdem könnte es ein Bondermüdung oder eine Erhöhung eines thermischen Widerstandes Zth, eine Erhöhung des Stromes ISUbthreshoid oder eine Erhöhung des Innenwiderstandes R0n 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 R1SO 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 R180^ 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.
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%) .
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.
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.
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.
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. 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.
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.
In Figur 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.
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 Figuren 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.
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.
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.
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.
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.
Im Vorfeld der Abarbeitung des Computerprogramms 25 auf dem Rechengerät 26 können zur Ermittlung der EoL-Kurven 8 für die Komponenten Kl bis Kn noch folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: die Komponenten Kl bis Kn des Produkts werden mit einer vorgebbaren Belastung T, ΔT beaufschlagt; die Komponenten Kl bis Kn werden bei verschiedenen Belastungen T, ΔT jeweils bis zu ihrem Ausfall betrieben; - die erzielten Ausfallzeiten t, N werden für die jeweilige Komponente Kl bis Kn in Abhängigkeit von der Belastung T, ΔT gespeichert;
- in Abhängigkeit von den belastungsabhängigen Ausfallzeiten t, N einer Komponente Kl bis Kn wird eine dazugehörige End-of-Life (EoL) -Kurve 8 der Komponente Kl bis Kn aufgenommen und in der Datenbank 21 abgespeichert.
Die oben beschriebenen Interpolationen zwischen den Stützstellen der EoL-Kurven 8 und Extrapolationen über die Stützstellen hinaus sind ebenfalls möglich.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Vorhersagen einer Lebenserwartung eines Produkts, das mindestens zwei Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) umfasst, wobei die Lebenserwartung in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Belastung (1, 3) des Produkts ermittelt wird, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: die Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) des Produkts werden mit verschiedenen Belastungen (T, ΔT) beaufschlagt; - die Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) werden bei den verschiedenen Belastungen (T, ΔT) jeweils bis zu ihrem Ausfall betrieben;
- die erzielten Ausfallzeiten (t, N) werden für die jeweilige Komponente (Kl, K2, K3, ...Kn) in Abhängigkeit von der Belastung (T, ΔT) gespeichert; in Abhängigkeit von den belastungsabhängigen Ausfallzeiten (t, N) einer Komponente (Kl, K2, K3, ...Kn) wird eine dazugehörige End-of-Life (EoL) -Kurve (8) der Komponente (Kl, K2, K3, ...Kn) aufgenommen; - es wird eine EoL-Kurve (11) des Produkts ermittelt, so dass sie bei den verschiedenen Belastungen (T, ΔT) diejenige der EoL-Kurven (8) der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) umfasst, welche bei der entsprechenden Belastung (T, ΔT) jeweils die kürzeste Ausfallzeit (t, N) hat; und - es wird die voraussichtliche Lebensdauer des Produkts als Funktionswert der EoL-Kurve (11) des Produkts in Abhängigkeit von der vorgegebenen Belastung (1, 3) des Produkts ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Erbringen eines
Zuverlässigkeitsnachweises für das Produkt dient und überprüft wird, ob die EoL-Kurve (11) des Produkts oberhalb einer vorgebbaren Belastung (2; 5; 12) für eine vorgebbare Zeitdauer (t; N) liegt, und, falls dem so ist, der Zuverlässigkeitsnachweis für das Produkt als erbracht gilt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die EoL-Kurven (8) der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) zu kleineren Belastungen (T, ΔT) hin extrapoliert werden (10) .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die EoL-Kurven (8) der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) zwischen den diskreten Werten für die Ausfallzeiten (t, N) bei bestimmten Belastungen (T, ΔT) , bei denen die EoL-Kurven (8) aufgenommen wurden (7), interpoliert werden (9) .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung eine bestimmte absolute Betriebstemperatur (T) der Komponente (Kl, K2, K3, ...Kn) und/oder eine Temperaturschwankung (ΔT) einer bestimmten Amplitude innerhalb eines bestimmten Zeitraums ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Belastungsklasse der Abstand der Dauer einer vorgegebenen Belastung einer Komponente zu dem entsprechenden Wert auf der EoL-Kurve der Komponente bestimmt und nach Palmgren-Miner aufsummiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer thermischen Beanspruchung des Produkts 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.
8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine EoL-Kurve einer Komponente mindestens zwei Punkte umfasst, die sich aus den Ausfallzeiten der Komponente bei verschiedenen Belastungen ergeben.
9. Vorrichtung (20) zum Vorhersagen einer Lebenserwartung eines Produkts, das mindestens zwei Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) umfasst, wobei die Vorrichtung (20) die
Lebenserwartung in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Belastung (1, 3) des Produkts ermittelt, gekennzeichnet durch
Mittel zum Laden einer End-Of-Life (EoL) -Kurve (8) von mindestens zwei der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn), wobei die EoL-Kurven (8) im Vorfeld in Abhängigkeit von ermittelten belastungsabhängigen Ausfallzeiten (t, N) der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) aufgenommen worden sind; - Mittel zum Ermitteln einer EoL-Kurve (11) des Produkts, so dass sie bei verschiedenen Belastungen (T, ΔT) diejenige der EoL-Kurven (8) der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) umfasst, welche bei der entsprechenden Belastung (T, ΔT) jeweils die kürzeste Ausfallzeit (t, N) hat; und
Mittel zum Ermitteln der voraussichtlichen Lebensdauer des Produkts als Funktionswert der EoL-Kurve (11) des Produkts in Abhängigkeit von der vorgegebenen Belastung (1, 3) des Produkts.
10. Vorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei EoL-Kurven (8) für die Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) im Vorfeld in Abhängigkeit von ermittelten belastungsabhängigen Ausfallzeiten (t, N) der Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) aufgenommen worden sind.
11. Vorrichtung (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei EoL-Kurven (8) für die Komponenten (Kl, K2, K3, ...Kn) durch einen Hersteller der Komponente (Kl, K2, K3, ...Kn) aufgenommen worden sind.
12. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) zum
Erbringen eines Zuverlässigkeitsnachweises für das Produkt dient und Mittel zum Überprüfen aufweist, ob die EoL-Kurve (11) des Produkts oberhalb einer vorgebbaren Belastung (2; 5; 12) für eine vorgebbare Zeitdauer (t; N) liegt, und, falls dem so ist, der Zuverlässigkeitsnachweis für das Produkt als erbracht gilt.
13. Computerprogramm (25), das auf einem Rechengerät (26), insbesondere auf einem Mikroprozessor, einer Datenverarbeitungsanlage (20) ablauffähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm (25) zur
Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist, wenn es auf dem Rechengerät (26) abläuft.
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