今日のデジタル依存の世界でのシステム障害コストの削減

白書

電子システムがより小さくなり、より複雑になり、そして私たちの日常生活に深く埋め込まれるようになるにつれて、失敗の結果は指数関数的により深刻になっています。 コストのかかるダウンタイム、製品の回収、評判の低下を招く前にこれらの障害を見つけて修正するには、特殊なツールと専門知識を含む、エレクトロニクスシステムの障害分析に対する包括的かつ学際的なアプローチが必要です。

非常に困難な課題

難易度の高まりに寄与する要因は数多くあります。 電子システム故障解析。 これらには、電子システムの複雑化、急速な小型化、高度な技術プロセスの特殊な特性、システムの誤動作の断続的な性質、および今日の部品の設計および製造に使用される特殊材料に関する課題が含まれます。

システムの複雑さが増しています ボード、IC、パッケージおよびダイ レベル。 プロセステクノロジは、初期の10の1970ミクロンプロセスから今日の28ナノメートルノード以下まで進歩し、プロセッサおよびシステムオンチップ(SoC)デバイスは、1980および1990の数百万から数十億トランジスタまで成長することができます。 同時に、以前はディスクリート部​​品と独立したサブシステムが統合されていましたが、FinFET、メタルゲート、low-k誘電体、その他の先進プロセスノードを使用した電子部品の急速な小型化が続いています。 SIP、MCM、SiSub、積層ダイ、TSV、Cuワイヤなどのパッケージもより複雑になっており、パッケージやボード、さらにはコーティングや成形材料にもより複雑な材料が使用されています。 最後に、根本的な原因に関係なく、断続的な性質のために診断が非常に困難になる障害の発生率が上昇しています。

ネットワーク環境における今日の典型的なシステムを考えてみましょう。 ネットワークシステムには、多数の複雑なICやSoC、RF、電源、高速デジタルおよび記憶媒体が混在するなど、複数のボードのそれぞれに複雑さが変化する何千ものコンポーネントが含まれています。専門的なドメイン知識が必要です。

自動車システムも同様に複雑で、ドアのロックとロック解除だけで30台近くの電子制御ユニットを含む80〜20台のコンピューターがボンネットの下に含まれていることがよくあります。 Frost&Sullivanによると、特定の車両には100台以上のECUが搭載されています。 車の各電子システムまたはデバイスは、50〜100個のマイクロプロセッサと100個を超えるセンサーで構成できます。 バックアップカメラと車線変更警告システムはすでに広く使用されており、自動車メーカーは、バンパーからバンパーへの交通のナビゲート、通行料の運転などのタスクを実行する電子アシスト運転およびセンサーガイド自動パイロットシステムも検討しています。ブース、速度制限と道路標識の認識、混雑したガレージ内のスペースの検索、または狭い駐車場への押し込み。 これらのシステムには、XNUMX個の超音波検出器、および複数のカメラとレーダーセンサーを含めることができます。

複雑さが増すと失敗のリスクが高まり、それがますます高価な結果をもたらします。 以下は、電子システムへの依存度が高まる世界における潜在的な失敗のコストを示す例です。

  • ハードウェア障害は、ネットワークのダウンタイムの72%の原因となります(出典:「データセンターでのネットワーク障害の理解:測定、分析、および影響」、Microsoftおよびトロント大学、2011)。
  • 通信事業者やEコマース企業など、サービス提供に依存している組織では、計画外のデータセンター停止のコストは1分あたり$ 11,000に達する可能性があります(出典:「データセンターのダウンタイムコストの理解:インフラストラクチャの経済的影響の分析」脆弱性、「Ponemon InstituteおよびEmerson Network Power、2011)。
  • Virgin Blue Holdingsは2010で、予約とチェックインシステムの完全な機能停止が最大$ 20百万ドルの利益を犠牲にしたと発表した。
  • 消費者レポートは2010の製品信頼性について読者を調査し、それを見つけました ラップトップコンピュータの36パーセント、デスクトップコンピュータの32パーセント、LCD TVの15パーセント、およびプラズマテレビの10パーセント 4年目までに失敗する(出典:「何が壊れ、何が起きないのか」、消費者レポート、2011)。
  • 消費者製品安全委員会(CPSC)は59の間に2012百万個の製品を思い出しました。
  • マイクロソフトは2007で、Xbox 1.05の故障、および以前に出荷されたコンソールと将来販売される新しいシステムに対する追加の保証を実装するために、推定$ 1.15から$ 360 10億を支払うと発表した。
  • エレクトロニクスは、コストの40%以上を占めると予想されます
    将来の自動車は、現在の25%以上から増加しています(出典:「自動車試験産業のフロスト&サリバン分析」、7年2013月XNUMX日)。

問題を解決する

包括的な根本原因の障害分析と解決のための選択肢はほとんどありません。主に社内テスト、または問題の一部だけに焦点を当てたサードパーティのサービスで、システムレベルの障害分析とデバッグを扱う明確な方法はありません。 社内チームには、今日の最先端エレクトロニクス製品の完全な因果分析を実行するための専門知識とツールセットがありません。 サードパーティのプロバイダに目を向けることはより良い選択ですが、歴史的に厄介な調査以上のものを実行することができたものはほとんどなく、さらにどこから始めればよいかを知るのに十分な範囲の失敗にさらされたことはありません。 。 光学検査やタスクベースの断面分析ははるかに簡単です - しかし多くの場合根本原因を特定することはできず、今日の製品で使用されている先進技術には適していません。

問題を解決する唯一の方法は、根本原因の特定、関連する障害メカニズム、および将来の障害を防ぐ方法を強化するための電気的および物理的分析の両方を含む、包括的かつ学際的アプローチをとるプロバイダーと協力することです。 電子トランジスタから材料まで、ICトランジスタレベルで発生する故障メカニズムまで、システム全体に焦点を当てる必要があります。 図1は、電子システムの故障メカニズムとその根本原因を発見、分析、解決するために必要なさまざまなレベルの分析を示しています。

図1効果的な障害分析アプローチでは、潜在的な根本原因と障害メカニズムの各カテゴリに注意を払う必要があります。

図1 効果的な障害分析アプローチでは、潜在的な根本原因と障害メカニズムの各カテゴリに注意を払う必要があります。

さらに、専門的な専門知識と設備が必要です。 設計から製造、そして現場への返品まで、あらゆる範囲の故障解析調査を実施した実績のある、熟練したスタッフが、コンポーネントからシステムレベルまで専門知識を広げなければなりません(図2参照)。

図2エンドツーエンドの故障解析方法

図2 エンドツーエンドの故障解析方法

以下は、典型的な調査の範囲全体にわたって必要とされる分析の専門知識のリストです。

  • はんだ接合部の完全性
  • PCBとボードの故障
  • エレクトロマイグレーション
  • 汚染と腐食
  • 電気的オーバーストレス
  • モールドコンパウンド層間剥離
  • 製造不良
  • フィールド/顧客返品
  • ESDの失敗
  • X線および非破壊検査
  • 光学的検査
  • 材料のキャラクタリゼーション
  • 電気的特性評価
  • 熱抵抗測定
  • 温度マッピング
  • 抵抗ビア
  • リソグラフィーパターン欠陥
  • ダイアタッチフィレットの高さ
  • フィルボイドの下のフリップチップ
  • ゲート酸化膜破壊

備品はパズルのもう一つの重要な部分です。 これには、資本設備投資に$ 150 100万ドルを必要とする可能性がある高度なツールセットが含まれます。 大規模で包括的な機器のセットを持つプロバイダを選択することは、問題に対する正しい解決策を確実にし、規模と需要が変動するにつれて拡大する能力を備えた大規模プロジェクトの並列処理を実行するために重要です。 システムの冗長性、および次のような高度に専門化された機器に対する要件もあります。 先進の高解像度顕微鏡イメージングシステム (SEM, TEMデュアルビームFIB)コンポーネントレベルまで分析を容易にします。 さらに、リアルタイム、無負荷、非接触信号波形の集録をサポートするレーザータイミングプロービングを介して障害を特徴付けることができることが重要です。 故障を単一の装置に限局させる能力には、28nm以下の高度なプロセスノード用のナノプロービング機能と、TEM画像上の関心のある任意の機能の測定を可能にする特殊なソフトウェアツールも必要です。

適切な専門知識とツールが用意されたら、最適な分析には、電気的および物理的な障害分析にまたがる包括的な方法論と計画が必要です。 図3 電気的故障シグネチャの定義から始まり、故障メカニズムの識別と問題の解決までの典型的なステップとワークフローを示しています。

図3分析計画は、エレクトロニクスから材料まで、ICトランジスタレベルで発生する故障メカニズムまで、システム全体を対象としなければなりません。

図3 分析計画では、電子部品から材料まで、ICトランジスタレベルで発生する故障メカニズムまで、システム全体に対処する必要があります。

カスタマイズも重要です。 今日の失敗の問題の90パーセントは、問題ごとに似ているかもしれませんが、すべての違いを生むのは最後の10パーセントです。 あらゆる状況、顧客、製品、および障害メカニズムには、それぞれ固有の特性と問題があります。 「フリーサイズ」のアプローチはありません。 障害の特定、分析、および解決には、適切な質問を前もって依頼してからワークフローをカスタマイズ/設計することから始まる体系的なアプローチが必要です。 ワークフローが特定されたら、ソリューションを迅速に実行できます。

電子システムの故障はますます高価になっています。 同時に、これらの失敗を見つけて修正するプロセスは、エキゾチックな材料と高度な技術プロセスを使用して構築されるより小さくより複雑なシステムへの傾向と共に困難になっています。 失敗も本質的に断続的になりました、そしてそれでもそれらがすぐにそれらを見つけて修正するためにそれらが高価なダウンタイム、リコールと評判の損害を引き起こすことができる前に高くなりませんでした。 これには、広範囲にわたる専門的な専門知識とさまざまな高度な機器およびツールセットを活用しながら、コンポーネントからシステムレベルまでの考えられるすべての根本原因を考慮する、包括的で学際的な電子システム障害分析方法とワークフローが必要です。

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