Industri elektronik saat ini menghadapi tantangan besar: bagaimana menjamin keandalan sistem yang semakin kompleks, sensitif, dan beroperasi dalam berbagai lingkungan ekstrem? Jawabannya ada pada pendekatan Prognostics and Health Management (PHM) berbasis Physics-of-Failure (PoF) yang dikembangkan oleh CALCE (Center for Advanced Life Cycle Engineering), University of Maryland.
Artikel ini merangkum secara mendalam bagaimana pendekatan PoF diterapkan, manfaat nyatanya di berbagai sektor industri, serta bagaimana integrasinya dengan teknologi data-driven dan AI membentuk masa depan prediksi kerusakan elektronik.
Mengapa Harus Beralih ke Prognostik Berbasis PoF?
Kelemahan Pendekatan Tradisional:
- Mengandalkan data statistik umur kegagalan (seperti MIL-HDBK-217)
- Tidak mempertimbangkan kondisi lingkungan nyata
- Tidak mampu memberikan prediksi waktu nyata terhadap kondisi komponen
Pendekatan PoF:
- Berdasarkan pemahaman mekanisme kerusakan fisik pada level material
- Menggabungkan model fisika dengan data sensor in-situ
- Memberikan prediksi yang dinamis, akurat, dan berbasis realita
CALCE dan Visi Besar PHM Elektronik
CALCE didirikan sebagai pusat keunggulan untuk sistem keandalan elektronik, dengan lebih dari 150 mitra industri global dan dukungan ratusan peneliti.
Fokus mereka adalah:
- Pengembangan sensor ePrognostics
- Pemodelan keausan komponen seperti solder, wire bond, kapasitor
- Analisis data dan algoritma pembelajaran mesin
- Implementasi PHM untuk militer, luar angkasa, kendaraan, dan konsumer
Physics-of-Failure: Landasan Dasar Keandalan Sistem
Apa itu PoF?
Metodologi yang menghubungkan konfigurasi perangkat, beban siklus hidup, dan mekanisme kerusakan aktual untuk memprediksi dan memperpanjang masa pakai sistem elektronik.
Komponen Analisis PoF:
- Identifikasi profil siklus hidup (thermal, mekanik, listrik)
- Analisis stres material dan transformasi beban
- Pemodelan kerusakan dan estimasi waktu ke kegagalan
- Integrasi ke dalam sistem desain, manufaktur, dan logistik
Contoh Kasus: Kegagalan pada Inverter Daya
Elemen Kritis:
- Wirebond: mengalami fatigue akibat power cycling
- Die attach: mengalami fracture akibat thermal cycling
- Substrat DBC: delaminasi antara keramik dan tembaga
Mekanisme Kegagalan:
- Cracking, electromigration, solder fatigue, corrosion
- Failure mode disebabkan oleh vibrasi, suhu tinggi, dan kelembaban
FMMEA (Failure Modes, Mechanisms, and Effects Analysis): Contoh SMPS
FMMEA (Failure Modes, Mechanisms, and Effects Analysis) pada Switch Mode Power Supply (SMPS) bertujuan untuk mengidentifikasi potensi kegagalan komponen dan menganalisis mekanisme serta dampaknya terhadap kinerja keseluruhan sistem. Berikut adalah contoh analisis FMMEA untuk beberapa komponen SMPS:
- Kapasitor: Salah satu mode kegagalan yang umum adalah penurunan kapasitansi, yang disebabkan oleh penuaan elektrolit dalam kapasitor. Proses penuaan ini termasuk dalam kategori wearout dan memiliki risiko tinggi, karena dapat menyebabkan ketidakstabilan tegangan dan gangguan pada kinerja SMPS.
- Dioda: Mode kegagalan pada dioda dapat berupa hubung singkat, yang disebabkan oleh migrasi kontak internal. Ini adalah kegagalan yang terjadi seiring penggunaan, termasuk dalam kategori wearout, dan memiliki tingkat risiko tinggi karena dapat menyebabkan kerusakan sistem secara keseluruhan jika tidak terdeteksi.
- MOSFET: Breakdown pada gate oxide MOSFET, yang merupakan hasil dari dielectric breakdown, adalah mode kegagalan yang sering terjadi pada perangkat semikonduktor ini. Kerusakan ini juga tergolong wearout dan memiliki risiko tinggi, karena MOSFET sangat penting dalam mengatur aliran daya di dalam SMPS.
- IC: Pada IC, mode kegagalan yang mungkin terjadi adalah putusnya wirebond, yang disebabkan oleh kelelahan termal akibat fluktuasi suhu. Meskipun kerusakan ini tergolong dalam kategori wearout, tingkat risikonya lebih sedang dibandingkan dengan komponen lainnya.
- PCB: Mode kegagalan pada PCB dapat berupa short circuit, yang disebabkan oleh filamen konduktif yang terbentuk akibat keausan atau kerusakan isolasi. Meskipun kegagalan ini tergolong wearout, tingkat risikonya lebih rendah dibandingkan dengan komponen-komponen aktif seperti kapasitor atau MOSFET, meskipun tetap dapat memengaruhi fungsionalitas SMPS.
Dengan melakukan FMMEA, kita dapat memahami lebih baik potensi risiko dan mengimplementasikan strategi pemeliharaan atau desain ulang untuk meningkatkan keandalan SMPS dan meminimalkan dampak kegagalan.
Studi Kasus: NASA Solid Rocket Booster (SRB)
- Umur desain: 20 tahun
- Data diambil: getaran selama peluncuran hingga pendaratan
- Hasil: Komponen elektronik masih sehat dan dapat digunakan hingga 40 misi lagi
- Metode: Kombinasi sensor, analisis beban, dan model PoF untuk evaluasi kerusakan kumulatif
Pendekatan Data-Driven & Fusion Prognostics
Selain PoF, CALCE menggabungkan machine learning dan AI untuk deteksi anomali:
Data-Driven Prognostics:
- Membentuk profil sehat
- Menghitung residual dari data aktual
- Melakukan analisis tren terhadap penyimpangan
Fusion Prognostics:
- Kombinasi PoF dan algoritma data
- Digunakan dalam uji percepatan dan alarm dini
- Memberikan estimasi sisa umur secara real-time
Implementasi & Manfaat PHM dalam Industri
Manfaat Utama:
- Peringatan dini sebelum kerusakan terjadi
- Perpanjangan garansi berdasarkan data aktual
- Deteksi fault efisien
- Perawatan prediktif
- Optimasi desain berdasarkan data kerusakan lapangan
Sektor Penerapan:
- Militer: Prognostik wajib sejak 2003
- Semikonduktor: Masuk dalam roadmap ITRS sejak 2007
- Konsumen: Laptop, LED, kipas pendingin, dan lainnya
Model Kerusakan: Tinjauan Singkat
Model kerusakan dalam keandalan produk elektronika mencakup berbagai mekanisme yang terjadi pada lokasi dan model yang berbeda, masing-masing dipengaruhi oleh jenis beban tertentu. Berikut adalah tinjauan singkat mengenai beberapa model kerusakan utama:
- Fatigue solder (PCB, PTH): Kerusakan akibat kelelahan pada solder biasanya terjadi pada PCB (Printed Circuit Board) dan PTH (Plated Through Hole). Model yang digunakan untuk menganalisis kerusakan ini adalah Coffin–Manson, yang berfokus pada pengaruh siklus termal terhadap solder. Beban terkait dengan fenomena ini adalah thermal cycle atau perubahan suhu yang berulang, yang menyebabkan keausan material solder seiring waktu.
- Elektromigrasi (Interkoneksi): Elektromigrasi terjadi pada interkoneksi logam (misalnya, kabel atau jalur PCB), di mana arus listrik yang melewati material menyebabkan pergerakan atom, yang dapat merusak struktur interkoneksi. Model yang digunakan untuk memodelkan kerusakan ini adalah Black/Eyring, yang memperhitungkan pengaruh arus dan suhu terhadap laju kerusakan. Beban terkait adalah arus yang melewati interkoneksi dan suhu yang tinggi, yang mempercepat proses degradasi.
- Korosi (Permukaan): Korosi pada permukaan komponen elektronik disebabkan oleh kelembaban dan kontaminasi lingkungan, yang dapat merusak lapisan pelindung dan struktur material. Model yang sering digunakan untuk fenomena ini adalah Eyring, yang memperhitungkan faktor lingkungan dalam memperkirakan kecepatan korosi. Beban terkait adalah kelembaban dan kontaminasi, yang mempengaruhi laju korosi pada permukaan komponen.
- Cracking (Substrat): Retak pada substrat komponen elektronik umumnya disebabkan oleh beban mekanik, seperti tekanan fisik atau tegangan termal. Model yang digunakan untuk memprediksi kerusakan ini adalah Paris Law, yang menggambarkan hubungan antara panjang retakan dan siklus pembebanan. Beban terkait dengan cracking adalah beban mekanik yang menyebabkan keretakan dan deformasi pada substrat.
Dengan pemahaman tentang mekanisme dan model-model kerusakan ini, kita dapat mengoptimalkan desain dan perawatan produk elektronik untuk meningkatkan keandalannya dan memperpanjang masa pakai produk.
Riset Berjalan oleh CALCE: Fokus Teknologi Masa Depan
Komponen:
- Evaluasi degradasi Multilayer Ceramic Capacitors (MLCCs)
- Prediksi keausan solder, resistor, dan PCB
Sistem:
- Prognostik pada laptop, kendaraan militer, produk aging
- Analisis data lapangan untuk sistem returned electronics
- Model ROI PHM untuk pembenaran bisnis
Kesimpulan: Strategi Terbaik Menuju Produk Elektronik yang Andal dan Tahan Lama
Pendekatan PoF yang dikombinasikan dengan data-driven prognostics menjadi solusi paling menjanjikan untuk meramalkan, mencegah, dan mengelola kerusakan elektronik di era digital ini. Dengan manfaat yang sudah terbukti—mulai dari misi luar angkasa hingga perangkat harian—PHM adalah investasi masa depan dalam keandalan dan efisiensi sistem.
Untuk sektor industri apa pun yang mengandalkan elektronik, PHM bukan lagi pilihan—ini adalah kebutuhan.
Sumber : Diganta Das. Technology Advances to Improve Reliability – A Broad View. Center for Advanced Life Cycle Engineering (CALCE), University of Maryland, 2011.