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Confiabilidade de Sistemas Eletrônicos

1. Confiabilidade de Componentes Eletrônicos;1. Dispositivos microeletrônicos;2. Integrados específicos;3. Encapsulamento;4. Encapsulamento de Circuitos Híbridos;5. Uso de soquetes;6. Modos de falha da microeletrônica;7. Seleção de componentes na microeletrônica;8. Outros componentes eletrônicos;9. Conectores elétricos;10. Modos de falha de componentes eletrônicos.

2. Predição da confiabilidade de sistemas eletrônicos;

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Confiabilidade de Sistemas Eletrônicos

3. Confiabilidade no projeto de sistemas eletrônicos;1. Proteção contra transientes de tensão elétrica;2. Projeto térmico;3. Sub-solicitação;4. Redundância;5. Simplificação do projeto;6. Análise de circuitos ocultos;

4. Interferência e Compatibilidade eletromagnética;5. Variação de parâmetros e tolerâncias;

1. Projeto de tolerâncias;2. Métodos de análises;

6. Projeto para produção, teste e manutenção

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Confiabilidade de Sistemas Eletrônicos

Sistemas eletrônicos podem apresentar falhas causadas por mecanismos além do tradicional, onde a carga excede a resistência. Por exemplo, desvio de parâmetros dos componentes, curto circuito devido a defeitos de soldagem ou inclusões, alta resistência de relês, contatos de conectores, desvios de tolerâncias e interferência eletromagnética são exemplos de falhas que não são causadas por cargas.

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1) Confiabilidade de Componentes Eletrônicos

A crescente necessidade de integração dos componentes com objetivos de redução do volume, diminuição do consumo e aumento da velocidade de operação, tem causado problemas para controlar a temperatura das junções.

1. Dispositivos microeletrônicos;

As principais tecnologias utilizadas nos circuitos integrados de silício são a lógica de transistor-transistor ou TTL a base para integrados série 5400 e 7400 e a do semicondutor de óxido metálico (metal oxide semiconductor) e também a MOS complementar (CMOS), base da série 4000 e os mais modernos VLSI.

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TTL Alta velocidade

Requer grande dissipação de calor

Sensível à eletricidade estática

Baixa imunidade a ruídos eletromagnéticos

Baixa Sensibilidade à umidade superficial / contaminação

MOS e CMOS

Baixa velocidade

Pequena dissipação de calor

Mais sensível que o TTL à estática

Alta imunidade a ruídos eletromagnéticos

Alta sensibilidade a umidade superficial / contaminação

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2. Integrados específicos;

Há um crescente uso de circuitos integrados específicos, chamados de (ASICS – Application Specific ICs).

Testes preliminares devem verificar: Operação adequada sobre valores de entrada e saída; Diferentes modos de falhas e seus efeitos no sistema; Efeitos do software na operação do sistema; Necessidades de redundâncias; Testabilidade do projeto;

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3. Encapsulamento;

Os encapsulamentos mais comuns são os plásticos (PEICs ou PEDs) que usam epoxi ou silicone.A distribuição de terminais mais comum é de duas linhas (DIL ou DIP – dual in line or package) com espaçamento de 0,1 polegadas ou 2,5 mm.Os PEICs são mais baratos mas não são adequados para altas temperaturas (acima dos 85 ºC), ou para usos militares. Podem sofrer absorção de umidade que provoca corrosão eletrolítica.Disposições de terminais tipo leadless ou PGA (pin grid array) são preferidas por diminuir a área da placa nas montagens SMD em até 4 vezes. Toda esta compactação pode trazer problemas de dissipação térmica. Os processos de soldagem devem evitar refluxos e alguns ensaios de burn-in podem garantir boas conexões.

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4. Encapsulamento de Circuitos Híbridos;

Técnica de encapsulamento de semicondutores e outros dispositivos no mesmo substrato. Na microeletrônica híbrida consegue-se densidades muito superiores à da montagem com placa impressa convencional.Circuitos híbridos são usados em mísseis, no controle de motores de automóveis, em condições industriais severas e muitas outras aplicações onde a montagem compacta seja necessária com em altas freqüências.Os circuitos híbridos estão muito sujeitos a contaminações e aos efeitos da umidade, requerendo um controle de qualidade muito apurado.

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5. Uso de soquetes;

Vantagens: Os componentes falhos podem ser facilmente substituídos sem danos às placas impressas; O teste e diagnóstico é facilitado;Facilita a substituição de componentes sujeitos a atualizações, tais como memórias programáveis e ASICs.Desvantagens: A transferência de calor é dificultada; Pode haver problemas de contato elétrico em altas vibrações, em choques mecânicos e ambientes corrosivos;

De maneira geral os soquetes não são usados em circuitos de alta confiabilidade tais como naves espaciais, aviação e equipamentos militares móveis.

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6. Modos de falha da microeletrônica;

Como não há desgaste, não existe uma relação temporal ente as possíveis falhas.A única forma de haver falha é a superação das características de projeto (temperatura, tensão e corrente), ou caso haja um defeito que cause progressivo enfraquecimento do componente.Assim a confiabilidade é muito dependente do controle de qualidade do processo de manufatura e de técnicas de separação de componentes ruins.Apesar dos muitos modos de falha dos circuitos integrados, os modernos processos de manufatura provêem altos níveis de qualidade, tipicamente 0-100 por milhão.

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Modo de Falha Causado por Prevenção

Circuito aberto internamente

-eletromigração;

-corrente acima do limite;

- corrosão das trilhas;

-Limitar a corrente;

- Controle de qualidade da metalização e encapsulamento;

- Proteção do circuito;

Curto circuito interno -Espaços vazios;

-Tensão superior;

- Inclusões no encapsulamento;

-Controle de qualidade do dielétrico;

- Circuito de proteção;

- CQ do encapsulamento;

Funcionamento incorreto do transistor

-Defeitos do substrato;

- Desalinhamento da máscara, impurezas, inclusões;

-C Q do processo;

- Seleção de tecnologia confiável;

Destruição das entradas e saídas

- Transientes de corrente; -Circuitos de proteção internos;

- Proteção externa controle do encapsulamento;

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Modo de Falha Causado por Prevenção

Corrupção dos dados - Emissão de partículas alfa do encapsulamento;

- Refresh da memória, técnicas de software, proteção contra EMI

Circuito aberto (conexão interna)

-Quebra fio de conexão;

- Corrosão;

-C Q da colagem;

-C Q do encapsulamento;

Circuito intermitente ou aberto (conexão externa)

- Solda quebrada ou ruim;

- C Q do processo de soldagem;

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7. Seleção de componentes na microeletrônica;

A seleção é justificável quando: A proporção de defeituosos é grande; O custo da seleção é baixo comparado às conseqüências das falhas;Há três categorias de falhas em componentes,sendo :A maioria dos componentes são bons e produzidos de acordo com as especificações.Defeitos iniciais causados por mortalidade infantil;Defeitos ocultos aos testes iniciais, que se manifestarão futuramente, populações anômalas;

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Testes de Burn-In submetem os componentes a altas temperaturas por um período para estimular falhas. A temperatura usada é 125 ºC (temperatura do encapsulamento) por 168 horas, em condições elétricas específicas.No caso de encapsulamentos plásticos temperaturas menores são usadas, sendo também feitos testes de unidade a 85 ºC / 85% de UR.A tendência é estes testes sejam incluídos no processo produtivo, evitando-se manipulações e degradação da capacidade de soldagem dos componentes.

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8. Outros componentes eletrônicos;

Outros componentes sejam ativos tais como diodos e transistores, ou passivos tais como resistores, indutores e placas impressas, são muito confiáveis não apresentando mecanismos de degradação (exceção para diodos emissores de luz, relês e alguns componentes que usam vácuo.Os principais fatores que podem afetar a confiabilidade são solicitações térmicas e elétricas, controle de qualidade e processos de manufatura e montagem.A seleção de componentes não é normalmente aplicada, com exceção dos testes funcionais dos fabricantes.

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9. Conectores elétricos

Conectores são críticos particularmente quando a vibração, mudança de temperatura, umidade estão presentes. Devem estar protegidos de contaminação, impactos e vibração, tendo fácil acesso para montagem e manutenção.Conectores óticos têm sido usados crescentemente utilizando-se fibra ótica para a conexão de dados em sistemas de telecomunicações, militar e aviação. Requerem montagem cuidadosa para assegurar o alinhamento preciso dos dispositivos óticos.

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Tipo Principal modo de falha Percentagens típicas %

Circuito integrado lógica digital

-Saída em nível alto ou baixo;

- Não funcionamento;

80

20

Lineares -Desvio dos parâmetros; - Saída abaixo do esperado;

-Sem saída;

20 10

70

Transistores -Baixo ganho; - Curto circuito;

-Circuito aberto; - Alta fuga corrente coletor –base;

20 20

30 30

Diodo retificador de uso geral

-Curto circuito; - Corrente reversa alta;

-Circuito aberto;

10 70

20

Resistores de filme, fixo

-Circuito aberto;

- Mudança de parâmetros;

30

70

Resistor compósito, fixo

- Circuito aberto;

- Mudança de parâmetros;

10

90

Resistores variáveis

-Circuito aberto; - Ruído;

- Intermitência; - Mudança de parâmetros;

30 10

10 50

Capacitores Fixos -Curto circuito; - Circuito aberto;

- Fuga excessiva; - Mudança de parâmetro;

60 20

10 10

Relês - Não aciona; - Intermitência; - Curto circuito; 20 70 10

10. Modos de falha de componentes eletrônicos

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2. Predição da confiabilidade de sistemas eletrônicos

A base de dados mais comum de componentes eletrônicos foi desenvolvida nos EUA pelo USAF – Rome Air Development Center e publicado como US-HDBK-217 (Reliability Prediction for Electronic Systems). A base de dados informa modelos de taxa de falha constante para todos os tipos de componentes eletrônicos, tomando em conta fatores que podem afetar a confiabilidade.O modelo de taxa de falha genérico tem a forma:

...,,,

,,

;

......

etcaplicadaosolicitaçãambientequalidadedenívelcomotais

osconsideradserdevemquefatores

básicafalhasdetaxa

AEQ

b

AEQbp

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3. Confiabilidade no projeto de sistemas eletrônicos;

Os seguintes aspectos devem ser considerados para um projeto confiável: Solicitações elétricas, térmicas (principalmente) nos componentes,

assegurando que nenhum componente seja sobre solicitado durante a operação ou teste;

Variação da tolerância dos componentes, assegurando que os circuitos funcionem corretamente;

Fatores de não solicitação, como interferência eletromagnética, sincronismo e parâmetros parasitas. Estes são particularmente importantes em alta freqüência e circuitos de ganhos elevados;

Fácil manufatura, manutenção e testes.

Outros aspectos são a redução dos tipos de componentes, que favorecem os esforços de seleção e checagem, gerando economia na produção e uso. Redundâncias podem ser projetadas. Deve-se evitar ajustes e tolerâncias estreitas.

Deve-se equilibrar o aumento de dispositivos de proteção, com o aumento da complexidade do circuito, analisando-se a eficácia, custo e conseqüências das falhas.

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1. Proteção contra transientes de tensão elétrica;

Componentes eletrônicos são sensíveis a transientes de alta tensão causados pelo chaveamento de cargas, efeitos capacitivos e indutivos, descargas eletrostática, teste incorreto etc... Pequenos componentes semicondutores tais como circuitos integrados e transistores de baixa potência, são particularmente vulneráveis, devido às suas inércias térmicas baixas.Dispositivos MOS são muito sensíveis a descargas eletrostáticas e requerem proteção especial externa ao chip.Dispositivos lógicos que se interligam a cargas indutivas e capacitivas requerem proteção contra transientes de tensão. Isto pode ser provido por um capacitor entre a linha de tensão e terra, para transientes de alta freqüência, diodo de proteção para picos de tensão acima de um valor fixo e resistores em série para limitar a corrente.

(Figuras livro O’Connor pag 232)

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A proteção também pode ser feita utilizando-se uma interface ótica, os chamados acopladores óticos.Os níveis de tensão transientes que podem causar falha de dispositivos semicondutores são especificados nos manuais e conhecidos como VZAP. Dispositivos passivos também podem ser danificados por transientes, mas requerem níveis muito maiores.Potenciais de tensões eletrostáticas de 5000 V podem ser gerados por roupas, materiais de embalagem, dispositivos de manipulação e montagem automática. Desta forma a preocupação com descargas eletrostáticas deve estar presente no projeto, produção, teste e montagem.

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2. Projeto térmico;

É importante controlar a temperatura dos sistemas eletrônicos, de forma que a máxima temperatura de operação não seja excedida, nas piores situações ambientais e de carga.Altas temperaturas podem acelerar os modos de falha de componentes marginais, variações de temperatura bruscas podem causar fadiga térmica de conexões e estruturas de componentes, particularmente se há altos gradientes de temperatura local.Algumas dicas são: Uso de dissipadores de calor para componentes especiais; Circuitos de desativação quanto determinadas temperaturas são atingidas; Áreas de cobre nas placas para dissipação; Contato térmico entre componente e dissipador; Uso de líquido refrigerante; Posicionamento dos componentes; Placas impressas na vertical para facilitar o fluxo de calor; Uso de ventiladores para remoção do calor.

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3. Sub-solicitação;

É a prática de super dimensionar os parâmetros de solicitação do componente com o objetivo de melhorar a confiabilidade.A sub solicitação melhora a confiabilidade por: Reduzir a probabilidade que componentes marginais possam falhar durante a vida do sistema; Reduzir os efeitos das variações dos parâmetros; Reduzir o desvio térmico dos valores dos parâmetros; Prover uma margem de segurança para as incertezas das solicitações; Prover proteção contra transitórios, tais como surtos de tensão.

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4. Redundância;

Pode ser aplicada em qualquer nível desde componentes individuais até subsistemas. A decisão de aplicar a redundância depende do quão crítico é o sistema e o modo de falha, e deve ser balanceada com a necessidade de reduzir custos e diminuir a complexidade.Deve-se considerar o modo de falha mais provável do componente para escolher a forma da redundância.

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5. Simplificação do projeto;

Projetos eletrônicos devem ser o mais simples possível, com a redução do número de componentes para executar as funções.A redução do número de componentes e suas conexões melhora a confiabilidade e reduz custos, contudo circuitos de proteção, sub solicitação e redundâncias necessárias têm prioridade sobre a redução do número de componentes.A diminuição dos tipos de componentes é um importante aspecto na simplificação do projeto. Este aspecto deve ser administrado quando diferentes projetistas são responsáveis por determinadas partes do projeto. A redução dos tipos de componentes favorece o controle de qualidade.

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6. Análise de circuitos ocultos;

Circuitos ocultos são conexões elétricas indesejadas que ocorrem sem falha de nenhum componente. A análise de circuitos ocultos é a técnica desenvolvida para identificar tais conexões em circuitos eletro-eletrônicos e software.Os circuitos ocultos podem ser de cinco tipos: Sneak paths. A corrente flui por uma rota inesperada; Sneak opens. A corrente não flui por uma rota esperada; Sneak timing. A flui em tempo errado ou não flui no tempo certo; Sneak indications. Indicação falsa ou ambígua; Sneak labels. Falsas indicações ou indicações incompletas.

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4. Interferência e Compatibilidade eletromagnética;

Interferência eletromagnética (EMI) é um ruído não desejado em um sistema eletrônico causado por uma radiação eletromagnética que afeta a operação do sistema.A EMI pode ser gerada por muitas fontes tais como: Chaveamento de cargas indutivas e capacitivas, tais como motores, lâmpadas e relês; Emissões eletromagnéticas de outros sistemas ou de outras partes do sistema; Radiação de alta freqüência de circuitos digitais rápidos e condutores. Como operam em 5-20 M Hz conexões indesejadas são possíveis; EMI também pode ser transmitida pela rede de energia, gerada por outros equipamentos no mesmo circuito, lâmpadas fluorescentes ou chaveamento de cargas.

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Sistemas eletro-eletrônicos devem ser projetados para evitar a transmissão de ruídos eletromagneticamente ou por meio da rede elétrica, como também devem ser imunes a ruídos. Os métodos para este fim são chamados de compatibilidade eletromagnética EMC. O uso de filtros de desacoplamento de ruídos e transientes da rede elétrica; Circuitos e condutores podem usar blindagens (gaiolas de Faraday), no caso de cabos pode-se usar cabos blindados ou trançados; O uso de circuitos balanceados de forma a cancelar ruídos; Todo o terra deve estar a mesmo potencial, e as conexões devem ser de baixa impedância. Isto é particularmente importante para sistemas digitais de alta freqüência; Contatos e relês devem ser selecionados de forma a minimizar a EMI; Filtros de ruídos em sistemas digitais, na entrada da fonte e em cada CI. O valor mais usado 0,01 µ F para desacoplamento do CI e 1 µF para desacoplamento da fonte de tensão; O software pode ser escrito de forma a evitar problemas de EMI.

Figura pag 240 O’Connor

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5. Variação de parâmetros e tolerâncias;

Todos os parâmetros dos componentes estão sujeitos a variações de componentes para componentes bem como a desvios ao longo do tempo. Os valores dos parâmetros podem variar de acordo com outros fatores, particularmente com a temperatura.A importância ou não da variação do componente depende da função do componente. A variação de parâmetros com o tempo está associada a mudanças de condutância como de performance do dielétrico, as variações dependem do tipo de material e construção, temperatura de operação e tempo.Outra fonte de variações são os parâmetros parasitas, que são função da construção e layout. Por exemplo, resistores são indutivos (a indutância depende do tipo de construção), trilhas de placas têm mútua indutância e capacitivas, e terminais de circuitos integrados são indutivos. Efeitos parasitas são importantes e difíceis de controlar, em sistemas de alto ganho e alta freqüência.

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O projeto de um circuito eletrônico baseado nos parâmetros nominais é chamado de projeto de parâmetros. Uma vez criado um novo projeto deve-se avaliar os efeitos da variação dos parâmetros no rendimento, estabilidade e confiabilidade, isto é chamado de projeto de tolerâncias.O primeiro passo no projeto de tolerâncias é determinar os parâmetros críticos.O segundo passo é determinar a amplitude das variações possíveis, assim como os efeitos parasitas.O terceiro passo é compensar algumas variações, usando-se componentes de compensação da temperatura tais como termistores e potenciômetros, contudo isto adiciona complexidade e degrada a confiabilidade. Até quando possível o projeto deve ser feito para a mínima variação possível pela cuidadosa seleção de parâmetros e tolerâncias.

1. Projeto de tolerâncias;

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2. Métodos de análises;

Vários métodos podem ser empregados na análise das variâncias, tais como: Análise dos piores casos, que nos fornece uma análise não muito realista; Análise do circuito equivalente, onde um circuito equivalente é modelado e as variações dos componentes críticos são estudadas de acordo com a variação da saída; Simulação de Monte Carlo, muito softwares permitem verificar a variação do desempenho do circuito em função da variação de componentes críticos.

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6. Projeto para produção, teste e manutenção

A testabilidade de um produto afeta a confiabilidade, uma vez que os defeitos de produção não detectados por testes podem ocasionar falhas em campo e circuitos que são de difícil diagnostico, são mais prováveis de serem inadequadamente ou incorretamente reparados.Vários tipos de equipamentos podem ser concebidos para testes de placas e circuitos integrados (mesmo os ASICs). Modernos softwares CAE incluem facilidades de análise de testabilidade.Aspectos de projeto que contribuem para produção, teste e manutenção são: Evite a necessidade de ajustes; Evite situações em que os componentes precisem ser selecionados por medidas prévias; Verifique se os ajustes são acessíveis ao nível de montagem; Divida os circuitos de forma que montagens possam ser testadas e diagnosticadas separadamente, levando-se em conta os custos e espaço disponível.