Pendahuluan: Tantangan Keandalan Elektronik Modern
Dalam sistem kritis seperti pesawat terbang, kendaraan otonom, dan perangkat medis, komponen elektronik harus dirancang sejak awal dengan mempertimbangkan umur pakainya. Namun, pendekatan tradisional seperti pengujian fisik atau statistik tak cukup mampu mengantisipasi semua skenario degradasi. Oleh karena itu, pendekatan Physics-of-Failure (PoF) menjadi alternatif cerdas dan proaktif.
Makalah karya Andrew Wileman, Suresh Perinpanayagam, dan Sohaib Aslam memaparkan penerapan PoF berbasis simulasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk memprediksi umur perangkat elektronik daya di tingkat Printed Circuit Board (PCB). Ini memungkinkan pengujian virtual (digital twin) sebelum produksi, serta perencanaan umur komponen secara lebih akurat.
H2: Apa Itu Physics-of-Failure dan Mengapa Penting?
PoF adalah pendekatan berbasis mekanisme degradasi nyata seperti:
- Kejutan mekanis
- Getaran acak
- Kejadian termal ekstrem
- Keausan solder
- Fatigue pada sambungan dan lapisan logam
Dengan menggunakan simulasi digital dan data desain (seperti file ODB++ dan topologi PCB), engineer dapat menghitung:
- Stress-strain
- Displacement
- Probabilitas kegagalan
- Remaining Useful Life (RUL)
H2: Studi Kasus: PCB Pengujian Modul Evaluasi IGBT
Penelitian menggunakan modul evaluasi IGBT dari Infineon sebagai platform uji. Fitur penting:
- Layout optimasi (induktansi komutasi <35 nH)
- Komponen aktif: dua transistor IGBT (S1, S2)
- Dapat dikonfigurasi sebagai DC–DC step-up/down converter
Model FEA 3D dibuat dari:
- File ODB++
- Pick-and-place
- PCB stack-up
Simulasi dilakukan dengan dua tipe mesh: merged (PCB dan komponen menyatu) dan bonded (terpisah untuk fleksibilitas bentuk).
H2: Pendekatan Simulasi dan Standar Uji
Pengujian dilakukan dengan mencakup 8 kategori lingkungan ekstrem yang menguji ketahanan dan performa perangkat dalam kondisi yang sangat keras. Jenis tes yang digunakan antara lain siklus termal (MIL-STD-810G, IEC 60068) dengan rentang suhu -33°C hingga 63°C selama 30–60 menit per siklus, serta getaran acak (IEC 60068-2-64) pada frekuensi 20–2000 Hz dan 7.7 G RMS dalam tiga sumbu. Selain itu, pengujian frekuensi alami dilakukan dengan rentang 10–2000 Hz dan 10 G. Kejut mekanik (IEC 60068-2-27) menguji perangkat dengan 15 G selama 18 kejutan dengan durasi 6 ms. Fatigue solder mengikuti standar IPC-JEDEC J-STD-020D-01 dengan 3 siklus reflow pada suhu puncak 260°C. Keausan semikonduktor diuji menggunakan metode SAE ARP 6338 untuk TDDB, HCI, EM, dan NBTI. Thermal derating diuji dalam kisaran suhu −55°C sampai 125°C, sementara PTH fatigue dilakukan berdasarkan iterasi life yang dihitung berdasarkan regangan sesuai dengan SAE J3168 dan IPC TR-579.
H2: Hasil Simulasi dan Analisis Umur
1. Thermal Mechanical Cycling
- Komponen yang gagal: kapasitor box, inductor toroidal, transistor Q1/Q2
- Penyebab utama: perbedaan koefisien ekspansi termal + desain heatsink
- Regangan maksimum: 7.2 × 10⁻⁴ (transistor overmold-leaded)
- Prediksi life reduction: hingga 15% pada area kritis
2. Thermal Mechanical Events
- Displacement maksimum: 2.82 mm di soket power
- Rekomendasi: monitoring tegangan kontak saat operasi penuh
- Komponen dalam batas aman, belum gagal
3. Natural Frequency & Harmonics
- Frekuensi berbahaya: 212–223 Hz
- Kerusakan meningkat signifikan di atas 200 Hz
- Harmonik ke-3 (73.98 Hz) menyebabkan regangan tinggi di sekitar heatsink
4. Random Vibration
- Uji dengan spektrum daya: 0.04 G²/Hz → 7.7 G RMS
- Komponen besar di atas board (seperti kapasitor & toroidal) mengalami kegagalan
- Umur pakai turun drastis jika tidak dimitigasi
5. Mechanical Shock
- Shock 10 G, 6 ms
- Semua komponen lolos → waktu shock terlalu singkat untuk menyebabkan kerusakan struktural
H2: Analisis Solder Fatigue: Lead vs. Lead-Free
Diuji dua tipe solder:
- SAC305 (lead-free) → semua komponen aman
- PB90SN10 (lead-based) → gagal pada 2 Schottky diode
Rekomendasi: ganti solder PB90SN10 atau reposisi diode dari area strain tinggi.
H2: Wear-Out Semikonduktor
Menggunakan 4 model degradasi:
- EM (Electromigration)
- TDDB (Time-Dependent Dielectric Breakdown)
- BTI (Bias Temperature Instability)
- HCI (Hot Carrier Injection)
Hasil: semua komponen melewati simulasi wear-out → tidak gagal dalam umur pakai 30 tahun
H2: Hasil Akhir Prediksi Umur PCB
Probabilitas kegagalan kumulatif sebesar 5% dalam 30 tahun mengindikasikan risiko yang perlu diperhatikan dalam desain. Beberapa faktor kritis yang dapat menyebabkan kegagalan antara lain regangan termal di area heatsink, yang dapat mengakibatkan kegagalan transistor dan kapasitor. Solusi yang disarankan untuk mengatasi hal ini adalah dengan melakukan damping heatsink dan merancang ulang layout. Getaran acak juga menjadi faktor yang menyebabkan kegagalan pada komponen besar, yang dapat diatasi dengan pendekkan stand-off dan redaman getaran. Selain itu, fatigue solder pada material PB90SN10 dapat menyebabkan kegagalan solder, sehingga rekomendasinya adalah mengganti solder atau memindahkan posisi solder. Perlu dicatat bahwa retaining clip dan bolt yang ada pada desain fisik belum disimulasikan. Jika komponen tersebut ditambahkan ke dalam model, potensi kegagalan bisa dikurangi lebih lanjut.
H2: Kritik dan Pengembangan Lebih Lanjut
Kritik:
- Model simulasi belum menyertakan retensi mekanis tambahan
- Komponen hanya dari modul evaluasi, belum produk akhir
- Beban lingkungan hanya dari profil laboratorium
Saran Pengembangan:
- Uji dengan variasi profil misi nyata (flight hours, thermal shocks mingguan, dll)
- Integrasi sistem condition monitoring real-time
- Gunakan hasil simulasi untuk membuat database desain berbasis risiko
Kesimpulan
Penerapan Physics-of-Failure (PoF) melalui model simulasi FEA dan CFD terbukti:
- Mampu memprediksi umur pakai komponen elektronik daya pada PCB
- Menghasilkan validasi desain awal yang lebih akurat sebelum produksi
- Menurunkan biaya prototipe fisik dan waktu iterasi desain
Dengan menurunkan probabilitas kegagalan hingga <5% dalam 30 tahun, metode ini menjadi alat penting untuk desain sistem elektronik di industri kedirgantaraan, otomotif, dan perangkat kritikal lainnya.
Sumber : Wileman, Andrew; Perinpanayagam, Suresh; Aslam, Sohaib. Physics-of-Failure Based Lifetime Prediction of Power Electronics at the Printed Circuit Board Level. Applied Sciences, 2021, 11(6), 2679.