Evaluación del estrés ambiental

Un tutorial

Por Lloyd W. Condra, Hanse Environmental, Inc.

Las pruebas de estrés ambiental (ESS, por sus siglas en inglés) son una de las pruebas de fiabilidad acelerada más utilizadas. Estas pruebas revelan defectos latentes , detectables únicamente mediante la aplicación de estrés. Los defectos latentes se introducen en el producto durante la fabricación, ya que los defectos relacionados con el diseño deberían haberse detectado y eliminado mediante pruebas de mejora de la fiabilidad durante la fase de diseño.

La Figura 1 ilustra el concepto ESS. El ESS es efectivo únicamente para productos con una región de mortalidad infantil, lo cual se indica mediante una tasa de fallos inicial decreciente en la Figura 1. El tiempo óptimo de ESS es t0, ya que en ese momento se han descartado todos los defectos que causan mortalidad infantil.

Si el ESS finaliza antes de t0, el producto aún presenta defectos que pueden causar mortalidad infantil y que serán detectados por el usuario. Si el ESS finaliza después de t0, se consume la vida útil sin que mejore la tasa de fallos.

La tasa de fallos puede no ser cero incluso después de t0. Sin embargo, los fallos que se producen después de t0 no son fallos de mortalidad infantil y deben abordarse de maneras distintas a ESS.

Se han realizado numerosos intentos para prescribir procesos ESS estándar, pero dado que estos procesos son específicos de cada producto, los más eficaces se basan en el conocimiento del producto, sus posibles defectos y las tensiones que los provocan.^1,2,3,4 Un proceso ESS eficaz genera datos valiosos que pueden utilizarse para mejorar el producto y detectar defectos. Lamentablemente, cuando el ESS se considera únicamente un requisito impuesto por el cliente o el mercado, no se aprovechan todos sus beneficios.

El enfoque basado en el cumplimiento normativo trata las pruebas de estrés eléctrico como un proceso preestablecido, en el que el producto se somete a un conjunto estándar de esfuerzos, a niveles estándar y durante periodos de tiempo estándar. Se presta poca atención a los mecanismos de fallo, a su distribución temporal o a cómo se pueden utilizar los datos de fallo para mejorar el producto. Las pruebas de estrés eléctrico basadas en el cumplimiento normativo ofrecen pocos beneficios, más allá de satisfacer un requisito impuesto por el cliente.

Los usuarios de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) basados en el cumplimiento normativo pueden incurrir en gastos innecesarios. Las tablas 1 y 2 muestran un programa ESS típico implementado por un fabricante de equipos electrónicos aeroespaciales.

Desde el punto de vista de la física de fallos, estas condiciones son prácticamente idénticas y, con pequeñas modificaciones, podrían realizarse todas en una única cámara de ensayo ambiental. Dado que el enfoque basado en el cumplimiento normativo no aporta este nivel de comprensión al proceso, cada condición se implementó tal como se describió, y se requirió una cámara de ensayo independiente para cada una.

El enfoque de física de fallas para ESS se basa en la comprensión de los tipos potenciales de defectos latentes en el producto, los mecanismos de falla y las tensiones que los causan.5,6,7 Las condiciones de ESS se establecen para precipitar esos defectos y los datos se utilizan para determinar sus causas y distribuciones.

Los datos de fallos se comunican al personal de diseño y fabricación correspondiente y se utilizan para realizar cambios que mejoren el producto. Si se configura y opera correctamente, un proceso ESS basado en la física de fallos puede resultar extremadamente rentable.

Configuración del proceso ESS

El proceso ESS es único para cada producto, ya que cada uno tiene su propio conjunto de defectos potenciales y las tensiones aplicadas afectan a cada uno de manera diferente. Si bien el proceso ESS debe configurarse individualmente para cada producto, existen muchas características comunes tanto en los productos como en las tensiones, lo que hace que muchos procesos ESS sean similares.

Se espera que las tensiones aplicadas en las pruebas de estrés eléctrico (ESS) provoquen defectos de fabricación. Estas tensiones no son necesariamente las mismas que el producto experimentará durante su uso. Las dos tensiones más comunes en las ESS para productos electrónicos son los ciclos de temperatura y la vibración. Pueden aplicarse de forma secuencial o simultánea.

Es fundamental supervisar los equipos electrónicos durante las pruebas de estrés eléctrico (ESS). Esta es la única manera de detectar fallos en condiciones extremas. Más importante aún, las tensiones utilizadas en las ESS pueden provocar daños reversibles que no se detectan en las pruebas realizadas en condiciones ambientales. Este daño inducido constituye un defecto latente, y el proceso de ESS puede provocar fallos prematuros en el campo.

Reducción o eliminación de ESS

Dado que ESS es una etapa de inspección, no agrega valor al producto y debe reducirse o eliminarse lo antes posible. Esto no puede hacerse sin una justificación adecuada, que requiere datos relevantes.

El ESS debe configurarse para proporcionar datos que puedan utilizarse para reducirlo o eliminarlo. Los siguientes ocho pasos ilustran lo que se debe hacer:

1. Recopile datos sobre la tasa de fallos durante el proceso ESS.

Los datos de fallos deben recopilarse no solo al principio y al final, sino durante todo el proceso ESS. No basta con saber que se produjeron fallos; es necesario registrar el momento en que ocurrieron. Deben recopilarse y registrarse los datos de todos los intentos de ESS, independientemente de si hubo o no un fallo.

2. Elabora un gráfico de tasa de fallos en función del tiempo.

Este es el tipo de gráfico que se muestra en la Figura 1. Si la tasa de fallos disminuye con el tiempo, existe la oportunidad de reducirla si se realizan las mejoras adecuadas en el producto.

Si la curva es constante o aumenta con el tiempo, el proceso ESS no puede ser efectivo, ya sea porque no existen defectos que causen mortalidad infantil o porque se están utilizando tensiones o niveles incorrectos. En tal caso, se debe modificar o suspender el proceso ESS y se deben implementar otros métodos para mejorar el producto.

ESS puede realizarse en cualquier punto del flujo del proceso de fabricación. La Tabla 2 muestra algunos ejemplos de los tipos de esfuerzos utilizados para ESS en los niveles de componente, subconjunto, ensamblaje y sistema para equipos electrónicos.8 La Tabla 3 8 muestra los tipos de defectos que pueden detectarse mediante ciclos de temperatura y vibración.

Los niveles específicos de estrés ESS se seleccionan para precipitar los defectos relevantes en un tiempo relativamente corto, sin consumir una parte significativa de la vida útil de los componentes no defectuosos. Para equipos electrónicos, el límite inferior del rango de ciclos de temperatura suele estar entre -40 °C y -50 °C, y el límite superior entre +75 °C y +85 °C.

La tasa de cambio de temperatura también puede ser importante. La Figura 2 ilustra los efectos de la tasa de cambio de temperatura en el levantamiento de transistores de montaje superficial.7 Seleccionar el nivel de vibración puede ser bastante difícil, especialmente si los defectos son susceptibles a un rango de frecuencias.

En general, la vibración de choque repetitiva multiaxial es mucho más efectiva y eficiente que la vibración monoaxial. La aplicación simultánea de ciclos de temperatura y vibración también resulta mucho más eficiente que la aplicación separada o secuencial de ambas tensiones.

3. Analizar las fallas y clasificarlas según el mecanismo de falla.

Es fundamental analizar todos los fallos para poder tomar medidas correctivas. Resulta sorprendente que muchas operaciones de sistemas de almacenamiento de energía no incluyan ningún método estructurado para analizar los fallos y proporcionar los resultados a quienes puedan tomar las medidas correctivas adecuadas.

4. Prepare gráficos de tasa de fallas en función del tiempo para cada mecanismo de falla.

Una vez hecho esto, se deben aplicar los criterios del Paso 2 a cada mecanismo de falla. Nuevamente, solo se pueden abordar con ESS los mecanismos de falla con tasas de falla decrecientes.

5. Mejorar el producto.

Sin utilizar los datos generados por ESS para mejorar el producto, incluyendo el diseño, los componentes, los materiales y los procesos, no hay posibilidad de reducir o eliminar el proceso ESS. Si el personal responsable del proceso ESS no es el mismo que diseña y fabrica el producto, es fundamental que exista una buena comunicación entre ambos grupos.

6. Recopilar y analizar datos ESS para el producto mejorado.

Si se han tomado las medidas adecuadas para mejorar el producto, el área bajo la curva de tasa de fallos en función del tiempo, correspondiente a la mortalidad infantil, debería ser menor. Esto puede deberse a una menor pendiente de la curva o a un menor tiempo para alcanzar una tasa de fallos constante.

7. Modificar las condiciones del ESS para reflejar las nuevas tasas de fallos.

Al eliminarse los mecanismos de falla, también pueden eliminarse las tensiones que los provocan. Si estos ocurren en tiempos más cortos, entonces la duración del proceso ESS puede acortarse.

En algunos casos, puede ser necesario introducir tensiones adicionales o aumentar los niveles para detectar mecanismos de fallo imprevistos. En tal caso, se debe tener cuidado de evitar la introducción de fallos irrelevantes.

8. Reduzca o elimine los ESS según sea necesario.

Si el proceso ESS se ha configurado correctamente y se recopilan y utilizan eficazmente los datos adecuados, el resultado será un producto en constante mejora. Con el tiempo, llegará un punto en el que el proceso ESS podrá reducirse significativamente o eliminarse por completo. También es posible reducir la frecuencia del ESS pasando de una revisión al 100 % a una revisión por muestreo.

La efectividad de ESS debe evaluarse económicamente. Este análisis se basa en el costo de realizar ESS, el costo de fallas en campo y la frecuencia de ocurrencia de fallas en campo.7,9,10,11,12,13,14 Los costos de ESS incluyen el costo del equipo capital, el costo recurrente de realizar el proceso, el costo de analizar y reparar fallas, y el riesgo de introducir nuevas fallas en el producto. El beneficio radica en la reducción de los costos de fallas en campo.

Eficacia de ESS

Las referencias contienen muchos ejemplos del uso exitoso de ESS. AT&T denominó a su proceso pruebas de estrés ambiental (EST) para enfatizar el hecho de que la empresa utilizó los resultados para realizar mejoras en el producto.15 El proceso combinó el estrés por pasos de temperatura y el ciclo de temperatura entre -20 (grado)C y +70 (grado)C para los ensamblajes de tarjetas de circuitos.

La Figura 3 muestra una gráfica de fallos frente al número de ciclos en el proceso EST. A partir de los datos de la Figura 3, los investigadores concluyeron que el número óptimo de ciclos de temperatura era 16.

Además de la mejora en la calidad del producto final, los investigadores realizaron un seguimiento de los resultados de las pruebas de campo. Informaron de una mejora de cinco veces en el producto que había sido expuesto a la prueba EST, en comparación con el producto que no había sido expuesto a ella.

Aunque algunos profesionales de ESS creen que el proceso siempre debe realizarse en el 100% del producto, se ha implementado con éxito un proceso EST de muestra.15

Un proceso ESS de dos etapas para diodos láser comprendía un proceso de calentamiento en estado estacionario a 165 °C y 10 kA/cm² durante 2 horas antes del ensamblaje, y un segundo proceso de calentamiento en estado estacionario a 70 °C durante 150 horas después del ensamblaje. Los resultados mostraron que los láseres sin protección tenían una vida útil media de aproximadamente 600 h, en comparación con aproximadamente 6000 h para los láseres protegidos.

En otro estudio sobre diodos láser, se expusieron diodos láser de AlGaAs a un proceso ESS que consistía en operar bajo potencia en atmósferas inertes.¹⁷ Los resultados se muestran en la Tabla 5. Nuevamente, se obtuvo una mejora significativa en la confiabilidad operativa para los productos que habían sido expuestos a ESS.

Si un producto tiene una tasa de fallos muy baja, el diseño y el funcionamiento del proceso ESS pueden ser bastante complejos. McClean informó sobre el uso de una técnica llamada auditoría de estrés altamente acelerada para evaluar ensamblajes de tarjetas de circuitos impresos.¹⁸ Las pruebas de estrés consistieron en ciclos de temperatura y vibración, con aplicación de energía durante el proceso. Como su nombre indica, la prueba se aplicó a muestras individuales.

Como se observa en estos ejemplos, el desarrollo y la operación de un proceso ESS deben adaptarse en gran medida al producto que se está evaluando. Quizás la mayor ventaja de ESS reside en el conocimiento práctico y la experiencia sobre el producto que adquieren quienes lo diseñan y fabrican. Por este motivo, no es recomendable asignar el proceso ESS a un departamento de confiabilidad o a una organización de evaluación externa con capacidad limitada para modificar el diseño o los procesos de fabricación.

Alternativas a ESS

El ESS solo es efectivo cuando el producto tiene una región de mortalidad infantil. De lo contrario, deben utilizarse otros métodos. Algunos otros métodos que también implican la aplicación de esfuerzos son las pruebas de confiabilidad continuas (ORT), las pruebas de vida aceleradas continuas y la recalificación periódica.

La prueba ORT somete una pequeña muestra, por ejemplo, menos del 1 % de la producción, a esfuerzos iguales o ligeramente superiores al rango operativo durante periodos que van desde unos pocos días hasta varias semanas. Se analizan todos los fallos y los datos se utilizan para mejorar el producto. Al finalizar la prueba, las muestras que superan las pruebas se comercializan como producto regular.

Las pruebas de vida acelerada continua son similares a las ORT, con la diferencia de que las tensiones son algo mayores y la prueba continúa hasta que las muestras fallan. Dado que se trata de una prueba destructiva, el tamaño de las muestras puede ser algo menor que el de las ORT, especialmente si el producto es costoso.

La recalificación periódica implica la repetición del procedimiento de calificación, o una versión abreviada del mismo, de forma periódica (generalmente una o dos veces al año). Este tipo de prueba tuvo su origen en algunos estándares militares estadounidenses. Dado que la recalificación periódica no abarca una amplia gama de lotes de muestras y resulta costosa, está perdiendo popularidad.

Resumen

El objetivo principal de ESS es asegurar que, una vez que un producto esté calificado, no se produzcan variaciones incontroladas en los artículos individuales durante la fase de producción. La aplicación de esfuerzos es necesaria para detectar algunos defectos que no pueden observarse mediante inspección funcional o visual.

La única forma realista de desarrollar y operar un proceso ESS eficaz es mediante el enfoque de la física de fallos. Esto requiere comprender el producto y conocer los tipos de defectos y las tensiones que los provocan.

Por definición, el desarrollo de procesos ESS eficientes implica un considerable proceso de ensayo y error; sin embargo, una vez adquiridos los conocimientos básicos, estos pueden aplicarse a una amplia gama de productos. En la mayoría de los casos en que se ha implementado ESS, ha demostrado ser muy eficaz para reducir los costos generales del producto.

Referencias

1. MIL-STD-2164 (EC), Norma militar para el proceso de evaluación de estrés ambiental en equipos electrónicos.

2. DoD-HDBK-344 (USAF), Evaluación de estrés ambiental de equipos electrónicos.

3. Guía de evaluación de estrés ambiental, Informe técnico n.° AD-A206, Ejército de los EE. UU., Ft. Belvoir, VA, enero de 1989.

4. Directrices para la evaluación del estrés ambiental en edificios, Instituto de Ciencias Ambientales, marzo de 1990.

5. Pecht, M., y Lall, P., "Un enfoque de física de fallas para el rodaje", Actas de la Reunión Anual de Invierno de la ASME, 1993.

6. Lambert, RG, "Historias de casos de criterios de selección para la evaluación aleatoria por vibración", The Journal of Environmental Sciences, enero-febrero de 1985, págs. 19-24.

7. Smithson, SA, "Eficacia y economía: criterios para la toma de decisiones sobre ESS", Actas del Instituto de Ciencias Ambientales, 1990.

8. Mandel, CEN, Jr., "Evaluación de estrés ambiental", Manual de materiales electrónicos, vol. 1, ASM International, Materials Park, OH, 1989, págs. 875-876.

9. Smith, WB y Khory, N., "¿Sigue siendo el rodaje de los circuitos integrados un camino significativo a seguir?" , Actas de la 38.ª Conferencia de Componentes Electrónicos, IEEE, 1988, págs. 507-510.

10. Pantic, D., "Beneficios del rodaje de circuitos integrados para obtener componentes de alta fiabilidad", IEEE Transactions on Reliability, vol. R-35, n.º 1, 1986, págs. 3-6.

11. Shaw, M., "Reconociendo el período óptimo de rodaje", Quality and Reliability Engineering International, Vol. 3, 1987, pp. 259-263.

12. Huston, HH, Wood, MH y DePalma, VM, "Eficacia del rodaje: teoría y medición", Actas del Simposio Internacional de Física de la Fiabilidad, IEEE, 1991, págs. 271-276.

13. Suydo, A., y Sy, S., "Desarrollo de un algoritmo de reducción del tiempo de rodaje utilizando los principios de los factores de aceleración", Actas del Simposio Internacional de Física de la Fiabilidad, IEEE, 1991, págs. 264-270.

14. Trindade, DC, "¿Pueden las pruebas de envejecimiento detectar los mecanismos de desgaste?: Modelado de confiabilidad de subpoblaciones defectuosas: un estudio de caso", Actas del Simposio Internacional de Física de la Confiabilidad, IEEE, 1991, págs. 260-263.

15. Parker, PT y Harrison, GL, "Mejora de la calidad mediante la evaluación del estrés ambiental", AT&T Technical Journal, julio-agosto de 1992, págs. 10-23.

16. Chik, KD y Devenyi, TF, "Los efectos del apantallamiento en la fiabilidad de los láseres semiconductores AlGaAs/GaAs", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 35, n.º 7, julio de 1988, págs. 966-969.

17. Tang, WC, Altendorf, EH, Rosen, HJ, Web, DJ y Vettiger, P., "Extensión de la vida útil de láseres de pozo cuántico único de AlGaAs sin recubrimiento mediante un proceso de envejecimiento acelerado de alta potencia en atmósferas inertes", Electronics Letters, vol. 30, n.° 2, 20 de enero de 1994, págs. 143-145.

18. McClean, H., "Pruebas de estrés altamente aceleradas de productos con tasas de falla muy bajas", Actas del Instituto de Ciencias Ambientales, 1992.

Acerca del autor

Lloyd Condra escribió este artículo mientras trabajaba como consultor para Hanse Environmental, Inc. Actualmente, es Ingeniero Principal en Boeing Company en Seattle. Anteriormente, trabajó en AT&T Bell Labs, Medtronic y Eldec. El Sr. Condra se graduó de la Universidad de Leigh con una maestría en ingeniería de materiales y es autor de dos libros de referencia técnica. Hanse Environmental, Inc., 235 Hubbard St., Allegan, MI 49010, (269) 673 8638.