Pendahuluan: Mengapa Perlu Prediksi Umur Komponen Elektronik?
Dalam sistem elektronik modern, khususnya pada industri aerospace dan otomotif, memastikan keandalan jangka panjang dari sebuah produk menjadi bagian vital dalam rantai desain dan manufaktur. Paper oleh Wileman, Perinpanayagam, dan Aslam (2021) mengusulkan pendekatan berbasis Physics of Failure (PoF) sebagai metode simulasi prediktif untuk menentukan lifetime komponen secara akurat, bahkan sebelum proses produksi dimulai.
1. Apa Itu Physics of Failure (PoF)?
PoF bukan sekadar metode uji ketahanan fisik. Ini adalah gabungan dari simulasi Finite Element Analysis (FEA) dan model fisik degradasi berdasarkan realita operasional—panas, getaran, kejutan, dan perubahan suhu. Dengan pendekatan ini, pengembang dapat:
- Memahami titik lemah desain sejak awal
- Memprediksi jenis kerusakan (solder fatigue, keausan semikonduktor, korosi)
- Menghemat biaya uji fisik lewat digital twin dan simulasi virtual
2. Platform Uji: PCB Evaluasi dari Infineon
Studi ini menggunakan evaluation board dari Infineon, berisi dua transistor IGBT, kapasitor besar, inductor toroidal, heatsink, dan beberapa konektor. Desain ini disimulasikan dengan skenario:
- Suhu ekstrem: −33°C sampai 63°C
- Getaran: 10–2000 Hz
- Guncangan mekanik: hingga 10g
- Siklus solder reflow: 260°C
- Durasi hidup yang ditargetkan: 30 tahun dengan toleransi 5% kegagalan
3. Metode: Dari eCAD ke Model FEA 3D
Data desain PCB (2D layout, pick-and-place, parts list, dan layer stack-up) dikonversi menjadi model FEA 3D menggunakan format ODB++. Model ini menganalisis:
- Deformasi struktur akibat panas (thermal strain)
- Ketahanan terhadap getaran acak dan harmonik
- Prediksi keretakan solder dan lelah material
- Keausan semikonduktor berdasarkan standar SAE ARP 6338
4. Hasil Uji dan Simulasi
A. Siklus Termal Mekanik
- Temperatur: −33°C ↔ 63°C
- Durasi: 3 siklus, masing-masing 24 jam
- Kegagalan dominan:
- Kapasitor besar, inductor, konektor plastik
- Transistor Q1, Q2 dekat heatsink → solder fatigue akibat ekspansi logam
- Strain maksimum: terjadi di sekitar heatsink dan komponen besar
B. Event Thermal
- Skema uji: 3 × 24 jam (30–63°C), 3 × 4 jam (−33°C)
- Hasil: Displacement tertinggi di soket power supply (2.82 mm)
- Rekomendasi: Monitoring kondisi setelah event ekstrem
C. Natural Frequency (Getaran Resonansi)
- Fokus frekuensi: 212.75 Hz dan 222.69 Hz
- Efek: resonansi tinggi menyebabkan risiko keretakan solder
- Solusi: tambahkan peredam atau ubah mounting PCB
D. Harmonik
- Frekuensi: 73.98 Hz (harmonik ke-3 dari 24.66 Hz)
- Efek: Tegangan maksimum di area heatsink
- Kesimpulan: Masih dalam ambang aman untuk 30 tahun umur
E. Getaran Acak (Random Vibration)
- Spektrum daya: 0.04 G²/Hz, total RMS 7.7 G
- Durasi: 1 jam, 3 axis
- Kegagalan: Komponen besar di bagian atas board
- Alasan: Massa besar → lebih menyerap energi → dislokasi
5. Solder Fatigue: Siapa yang Paling Tangguh?
Dalam pengujian keandalan solder terhadap kelelahan termal (solder fatigue), dua jenis solder diuji untuk menilai ketahanannya dalam kondisi ekstrem. Solder SAC305, yang merupakan tipe bebas timah (lead-free), menunjukkan performa unggul dengan lulus semua pengujian dan memiliki umur pakai yang memadai untuk penggunaan lebih dari 30 tahun. Sebaliknya, solder PB90SN10, yang berbasis timah, mengalami kegagalan pada dua komponen Schottky diode yang terletak di bawah heatsink—area yang memiliki tegangan termal (strain) tinggi akibat akumulasi panas. Temuan ini menegaskan pentingnya pemilihan material solder yang tepat untuk jangka panjang. Sebagai solusi, disarankan untuk mengganti jenis solder ke SAC305 atau merelokasi komponen sensitif seperti Schottky diode dari area dengan paparan panas tinggi, guna mengurangi risiko kegagalan akibat kelelahan termal dalam siklus hidup perangkat.
6. Wearout Semikonduktor
- Diuji 4 IC utama
- Analisis termasuk EM, TDDB, BTI, dan HCI
- Semua melebihi target umur board (30 tahun)
- Validasi pendekatan PoF untuk komponen aktif
7. Penilaian Umur Keseluruhan
- Prediksi umur total board: 30 tahun dengan probabilitas kegagalan 5%
- Kritikalitas kegagalan:
- Thermal expansion (utama)
- Random vibration (sekunder)
- Pemilihan solder (tersembunyi tapi krusial)
8. Insight dan Opini Kritis
Kelebihan Studi:
- Prediksi berbasis prinsip fisika → jauh lebih akurat dari pendekatan statistik tradisional
- Dapat digunakan sejak tahap desain awal
- Cocok untuk produk aerospace, militer, dan industri berat
Kekurangan & Potensi Peningkatan:
- Model FEA tidak menyertakan semua mitigasi nyata (misal: pengikat heatsink)
- Tidak menggabungkan data real-time atau AI/ML untuk pembelajaran dinamis
- Kurang diuji dalam skenario outdoor dengan variasi kelembaban atau tekanan
9. Relevansi Industri:
- Desain Berbasis Keandalan (DfR) jadi arus utama
- Cocok untuk implementasi Digital Twin dalam sistem avionik
- Dukung inisiatif green tech dengan mengurangi pengujian fisik berulang
Kesimpulan: Investasi Awal, Manfaat Besar
Pendekatan PoF menawarkan penghematan besar dalam pengembangan produk elektronik:
- Waktu desain lebih singkat
- Reliabilitas tinggi sejak awal
- Pengurangan uji destruktif yang mahal
Dengan menyatukan engineering fisik, simulasi digital, dan validasi standar militer, pendekatan ini membentuk standar baru dalam perancangan elektronik masa depan.
Sumber : Wileman, A.; Perinpanayagam, S.; Aslam, S. Physics of Failure (PoF) Based Lifetime Prediction of Power Electronics at the Printed Circuit Board Level. Applied Sciences, 2021, 11(6), 2679.