Pendahuluan: Mengapa Kita Perlu Meramal Umur Elektronik?
Dalam dunia teknologi tinggi seperti penerbangan, otomotif, dan sistem energi, desain elektronik bukan hanya soal performa—tapi soal ketahanan jangka panjang. Artikel oleh Andrew Wileman, Suresh Perinpanayagam, dan Sohaib Aslam ini menawarkan solusi berbasis Physics of Failure (PoF) yang memungkinkan prediksi masa pakai komponen langsung dari desain awal, bahkan sebelum dibuat secara fisik.
1. Apa Itu Physics of Failure (PoF)?
PoF adalah pendekatan prediktif berbasis mekanisme degradasi nyata. Ia menjawab pertanyaan: Mengapa dan kapan komponen elektronik gagal? Dengan menggabungkan simulasi Finite Element Analysis (FEA), model degradasi, dan kondisi lingkungan operasional (panas, getaran, kejut mekanik), kita bisa meramal waktu gagal suatu sistem, bahkan pada level solder.
2. Uji Platform: Evaluation Board Infineon
Board yang diuji berasal dari Infineon, dengan struktur:
- 2 transistor IGBT
- Kapasitor elektrolit & keramik
- Induktor toroidal
- Heatsink, konektor plastik & logam
- PCB dari FR4 multilayer
Tujuan uji:
- Prediksi umur hingga 30 tahun
- Toleransi kegagalan maksimal: 20%
- Simulasi kondisi ekstrem: suhu, getaran, kejutan, dan siklus reflow solder
3. Model FEA: Dari eCAD ke Simulasi 3D
Data desain PCB (ODB++) dikonversi ke model 3D FEA dalam dua bentuk:
- Merged Mesh: PCB & komponen digabung → node sama
- Bonded Mesh: terpisah → bentuk elemen lebih seragam
Model ini disimulasikan terhadap:
- Siklus termal: −33°C ↔ 63°C
- Getaran harmonik dan acak
- Kejut mekanik (shock)
- Siklus reflow solder (260°C)
- Wear-out semikonduktor
4. Hasil Uji: Simulasi Berbasis Standar Internasional
A. Thermal Mechanical Cycling
- Siklus 1×: −33°C ↔ 63°C
- Komponen gagal:
- Kapasitor plastik, inductor toroidal, konektor
- Transistor Q1 & Q2 (karena strain heatsink)
- Strain tertinggi: bagian sekitar heatsink
- Rekomendasi: perkuat mounting & isolasi panas
B. Thermal Events
- Simulasi 24 jam siklus suhu & penyimpanan
- Displacement tertinggi: 2.82 mm di power supply socket
- Potensi masalah: peningkatan resistansi → penurunan tegangan
C. Getaran Alamiah (Natural Frequency)
- Frekuensi kritis: 212.75 Hz & 222.69 Hz
- Resonansi menyebabkan risiko keretakan fatal
- Rekomendasi: peredam getaran atau ganti stand-off
D. Getaran Acak (Random Vibration)
- 0.04 G²/Hz, 7.7 G RMS selama 1 jam, 3 axis
- Komponen besar (atas board) gagal
- Alasan: massa besar → serap energi lebih tinggi
- Saran: kurangi ukuran stand-off & tambahkan penyangga
E. Kejut Mekanik (Shock)
- 10 G, 6 ms, 6 arah
- Semua komponen lulus uji
- Durasi pendek → tidak cukup memicu kerusakan permanen
F. Solder Fatigue
- Dua jenis solder diuji:
- SAC305 (bebas timah): lolos semua
- PB90SN10 (berbasis timah): gagal di 2 Schottky diode
- Titik gagal: di bawah heatsink → strain tinggi
- Rekomendasi: pindahkan komponen atau gunakan solder lain
G. Semiconductor Wear-out
- Model: elektro-migrasi, TDDB, HCI, dan BTI
- 4 IC diuji → semua melebihi umur target (30 tahun)
- Validasi model SAE ARP 6338
5. Analisis Umur Total: Simulasi Jadi Penyelamat
- Probabilitas kegagalan total selama 30 tahun: 5%
- Faktor dominan kegagalan:
- Strain termal
- Getaran acak
- Pemilihan solder
Beberapa elemen mitigasi di dunia nyata (seperti klip pengikat IGBT atau baut inductor) tidak dimodelkan, tapi disarankan untuk dimasukkan di iterasi desain berikutnya.
6. Insight Kritis & Opini
Kelebihan:
- Prediksi berbasis fisika lebih kuat dari data historis
- Bisa dilakukan sejak fase desain awal
- Meminimalisir pengujian destruktif
Kelemahan:
- Tidak semua simulasi masukkan faktor real-world (kelembaban, variasi tekanan)
- Belum integrasi dengan pembelajaran mesin atau data sensor real-time
Potensi Integrasi Masa Depan:
- AI untuk optimasi material & layout
- Digital twin untuk sistem avionik & otomotif
7. Relevansi untuk Industri dan Tren Global
- Aerospace & Defense: desain tahan lama wajib
- Green Tech: kurangi pengujian fisik → efisiensi energi & sumber daya
- Manufaktur Pintar (Industry 4.0): digitalisasi proses desain lewat simulasi
Kesimpulan: Merancang untuk Umur Panjang, Bukan Sekadar Fungsi
Simulasi berbasis Physics of Failure bukan sekadar alat validasi teknis, tapi juga strategi bisnis. Dengan mengadopsi pendekatan ini:
- Risiko kegagalan bisa diidentifikasi & diminimalkan sejak awal
- Proses desain jadi lebih efisien & hemat biaya
- Produk elektronik jadi lebih tahan lama & kompetitif
Bagi industri dengan siklus hidup produk panjang, seperti transportasi, pertahanan, dan energi, pendekatan ini adalah investasi cerdas jangka panjang.
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.