QUANTITATIVE)LIFE)TESTING,)THE) … Straka Quantitative... · QUANTITATIVE)LIFE)TESTING,)THE)...

24
QUANTITATIVE LIFE TESTING, THE CHALLENGES BEYOND ACCELERATION FACTORS Frank Straka Reliability Manager CommScope ASTR 2015, Sep 9 11, Cambridge, MA 1

Transcript of QUANTITATIVE)LIFE)TESTING,)THE) … Straka Quantitative... · QUANTITATIVE)LIFE)TESTING,)THE)...

QUANTITATIVE  LIFE  TESTING,  THE  CHALLENGES  BEYOND  

ACCELERATION  FACTORS  Frank  Straka  

Reliability  Manager  -­‐  CommScope  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   1  

INTRODUCTION  •  Although  accelerated  life  models  are  base  on  Physic  of  Failure  

Approach,  there  are  sQll  qualitaQve  aspects  to  consider:  –  The  same  product  has  different  operaQonal  profile  depending  on  the  user.  –  The  same  product  operates  in  different  environments  –  Product  variability  in  weakness  will  impact  Qme  to  failure  –  under  the  same  

accelerated  stress  different  samples  of  the  same  DUT  will  fail  at  different  Qmes.  

–  The  baseline  stress  one  uses  will  influence  the  predicQon.  •  Other  qualitaQve  aspects  include  

–  The  objecQve  of  the  predicQon  such  as  warranty,  worse  case,  or  safety  –  Risks  that  one  is  willing  to  take  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   2  

OVERVIEW  Discuss  influences  of  baseline  model  on  accelerated  life  test  predicQons.    •  How  these  impact  acceleraQon  models  •  Explore  baseline  variaQons  •  Explore  methods  of  handling  variaQons  •  Use  case  example  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   3  

COMMENTS  ON  ACCELERATION  MODELS  •  Different  type  of  accelerated  tests  generally  address  different  failure  

mechanisms  –  this  allows  tests  to  be  done  on  different  or  the  same  samples.  

•  To  obtain  the  overall  Reliability  of  various  tests,  the  –  %  reliability  performance  can  be  mulQplied  together  to  achieve  an  overall  

reliability  esQmate.  –  AcceleraQon  factors  from  different  tests  should  not  be  mulQplied  together  

unless  there  is  interacQon.  •  Compliance  or  standard  tests  are  not  necessarily  reliability  tests.  •  The  more  complex  the  product  being  tested,  the  more  difficult  it  is  to  

conduct  accelerated  tests.    Typically  done  on  components  or  system  elements.  

•  Basis  for  Model  -­‐  IEC  62506  ED.  1.0:  (CDV)  Methods  for  Product  Accelerated  TesQng.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   4  

AcceleraQon  Models  •  the  following  acceleraQon  models  will  be  discussed  to  illustrate  

how  baseline  can  influence  the  acceleraQon  model.  –  VibraQon  –  FaQgue  TesQng  –  Thermal  Cycle  –  Time  Compression  

•  The  basic  informaQon  can  be  extrapolated  to  other  acceleraQon  models.  

 

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   5  

THERMAL  CYCLE  •  The  purpose  of  this  test  is  to  accelerate  the  stresses  caused  by  repeated  

heaQng  and  cooling  of  the  product.  •  Variability  

–  For  product  with  long  operaQonal  Qmes,  the  actual  temperature  above  ambient  will  be  used.    However,  different  components  inside  may  operate  at  different  temperatures.  

–  For  product  with  short  operaQonal  Qmes  where  the  ulQmate  temperatures  are  not  reached,  one  needs  to  determine  the  operaQonal  Qme  to  determine  temperatures.  

–  Number  of  cycles  per  day.  •  Typically  the  transiQon  Qme  also  needs  to  be  measured,  but  has  small  

variability.  •  Some  failures  may  interact  with  vibraQon.  •  Not  influenced  by  ambient.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   6  

THERMAL  CYCLE  

•  Nuse Number of life cycles required •  NTest Number of accelerated test cycles required •  ΔTUse Temperature change in use •  ΔTTest Temperature change of test •  m1 exponent for DUT for temperature rate of change •  m2 exponent for DUT for difference ΔT •  𝜹↓𝑻𝒆𝒔𝒕  ramp rate of transition in use •  𝜹↓𝑼𝒔𝒆  ramp rate of test (use max of 30°C/min)

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   7  

𝐴𝐹= 𝑁↓𝑈𝑠𝑒 /𝑁↓𝑇𝑒𝑠𝑡  = (∆𝑇↓𝑇𝑒𝑠𝑡 /∆𝑇↓𝑈𝑠𝑒  )↑𝑚2 ×   (𝛿↓𝑇𝑒𝑠𝑡 /𝛿↓𝑈𝑠𝑒  )↑𝑚1   

VIBRATION  •  VibraQon  baseline  profile  varies  by  use  

– Frequency  – Severity  Level  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   8  

VIBRATION  𝐴𝐹=   {𝑉↓𝑇𝑒𝑠𝑡 /𝑉↓𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙  }↑𝑚   •  m=exponent  that  ranges  between  2  to  7;when  unknown,  typically  4  

is  used  •  Vactual  (Grms)=  vibraQon  profile  in  use  or  base  line  test  •  Vtest  (Grms)  =  replicaQon  of  actual  use  profile  at  higher  G  forces  

 

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   9  

FATIGUE    •  Stress  that  is  considerably  higher  than  normal  use  is  conducted  on  mulQple  samples  and  mulQple  stress  levels.    

•  The  Qme  to  failure  at  a  specific  reliability  objecQve  such  as  L1  (1  %  failure)  is  determined  at  each  stress  level  through  Weibull  analysis.  

•  These  L1  informaQon  is  ploied  on  an  SN  curve  and  this  data  is  extrapolated  to  the  stress  level  in  normal  use  and  the  Qme  to  failure  is  determined.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   10  

TIME  COMPRESSION  •  Low  annual  usage  products  can  be  evaluated  by  reducing  the  

“off”  duraQon  to  accumulate  equivalent  years  of  test  Qme.  •  Consumer  products  such  as  lawnmowers,  exercise  equipment,  

popcorn  maker,  etc.  fall  into  this  category.  –  For  example  a  product  that  has  operates  for  1  hour  75  Qmes  a  year,  can  easily  be  tested  by  conducQng  tests  that  total  75  hours.  

–  Switches  are  another  example,  where  on-­‐off  cycles  may  be  only  a  few  Qmes  a  day  whereas  many  of  these  cycles  can  be  accomplished  in  a  day.      

•  The  variability  in  this  test  is  the  operaQonal  profile  environment.    •  Environmental  consideraQons  of  the  off  duraQon  may  impact  the  

product  reliability.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   11  

REALITY  •  Each  test  shares  the  same  dilemma  to  varying  degree  –  what  is  the  actual  baseline  that  should  be  use.  

•  Each  product  operates  in  a  different  environment  and  operaQonal  characterisQcs  and  are  not  necessarily  constant  between  each  product.  

Therefore,  a  product  could  be  very  reliability  in  one  environment  and  unreliability  in  another.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   12  

ENVIROMENTAL  VARIABILITY  EXAMPLES  •  Switches  

–  Generally  does  not  control  at  maximum  raQng  –  Number  of  on-­‐off  cycles  per  day,    –  Environmental  impact  of  off  cycle  

•  Television  sets  –  Hours  of  use  per  day  –  Indoor  use,  but  not  always  in  a  climate  controlled  room  –  On-­‐off  cycles  

•  Automobiles  –  City,  country,  off  road  and  expressway  –  Speed  –  Hours  of  use  and/or  miles  driver  –  Wide  range  of  operaQonal  environments  –  Mechanical,  hardware,  sonware  

•  Treadmills  –  User  weights  vary  –  OperaQonal  speed  is  different  –  Usage  per  year  varies  –  Indoor  use,  but  not  always  in  a  climate  controlled  room  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   13  

METHOD  OF  HANDLING  •  ObjecQves  

–  Reliability  level  desired  –  May  be  mulQple  objecQves  

•  Test  severity  Baseline  Decisions  –  Use  85%  profile  –  If  operaQonal  usage  profile  is  known,  the  acceleraQon  tests  can  be  divided  into  percentages.  

–  What  is  failure  •  Defining  the  failure  mode  and  how  will  it  be  detected.  •  SomeQmes  Judgement  was  used  when  data  was  not  available  

or  incomplete.  •  InteracQons  with  other  stress  factors  are  not  always  be  known.    

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   14  

INFLUENCES  •  Risks  to  achieve  objecQves.  

–  ConservaQve  vs  opQmisQc  esQmate  –  Failure  severity  –  StaQsQcal  Confidence  –  Test  severity  baseline  –  May  have  mulQple  objecQves  depending  on  risk  

•  StaQsQcal  Confidence  –  High  degree  of  confidence  may  not  always  be  possible  –  ExtrapolaQng  data  based  on  confidence  limits  may  not  be  accurate  –  Resources  may  limit  what  can  be  achieved  

•  Time,  Cost,  People    

•  User  interface  issues  were  handled  by  field  tests  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   15  

Treadmill  Case  Example  

ASTR  2015,  Sep  9  –  11,  Cambridge,  MA   16  

ApplicaQon  •  Commercial  •  Consumer  fitness  clubs  

OperaQonal  CharacterisQcs  •  User  weight:    80  to  350  lbs  •  Speed:  1  to  15  MPH    •  Temperature:    15  to  35°C  •  RelaQve  Humidity:    up  to  90%  •  Hours  per  year  usage:    2200  hours  •  Warranty:  2  year  parts  and  1  year  labor    

Comments  •  It  is  not  anQcipated  that  a  350  lb  user  will  run  at  15  MPH  •  Average  speed  is  5.5  MPH  &  85%  profile  75%.  •  Hours  per  usage  range  between  500  hours  and  3600.  

Typically  around  2200  hours  

ESTABLISHING  BASELINE  SEVERITY  •  Base  line  severity  

–  85%  users  weight:  230  lbs  –  85%  work  out  Qme:    45  minutes  –  85%  speed:  7.5  miles  per  hour  –  Hours  of  use  per  year:    2200  

•  Period  of  interest:      –  2  year  warranty  –  Product  life  Qme  10  years  

•  Product  requirements  – Maintenance,  C70R95  at  2  years  –  Non  repairable  failure,  C70R99  at  5  years;  C90  if  possible  

ASTR  2015,  Sep  9  –  11,  Cambridge,  MA   17  

THERMAL  CYCLE  ACCELERATION  •  For  electronic  components  

– Measured  temperature  at  45  minute  duraQon  to  determined  baseline  delta  –  resulted  in  40°C  rise  

– USED  maximum  measured  temperature  of  components.  – Used  6  cycles  per  day  

•  We  explored  and  determined  what  high  and  low  temperature  we  could  stress  product  without  failure  –  able  to  use  -­‐40  /  80°C  or  120  change  test  condiQon.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   18  

VIBRATION  WITH  TIME  ACCELERATION  •  Electronic  board  applicaQons  

– Established  85%  profile  by  having  230  lb  user  run  at  7.5  MPH  and  measured  vibraQon  profile.  

– Broke  vibraQon  profile  into  x,  y,  and  z  parameters  and  placed  profile  into  field  data  replicaQon  sonware.  

– Use  Qme  truncaQon  to  eliminate  dead  spots.  

•  We  then  adjusted  vibraQon  stress  to  4  Qmes  the  levels.  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   19  

FaQgue  TesQng  •  Frame  tesQng  –  welds  

– Again  with  230  lb  user  running  at  7.5MPH,  we  evaluated  the  stresses  that  were  occurring  in  the  frame.  

– Determined  the  maximum  force  with  the  frequency  of  occurrence.    Established  this  as  the  baseline  along.    

•  Test  acceleraQon  factors  – MulQple  loads  from  450  to  700  lbs.  – Frequency  of  applied  load  10  Qmes  per  second  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   20  

FATIGUE  TEST  •  Tape  belt  life  is  based  on  operaQon  miles  or  distance  traveled.  •  Baseline  was  230  lb  user  at  7.5  MPH  •  Goal  was  to  obtain  12,000  miles  unQl  replacement  or  1  year  to  

get  through  warranty  •  For  acceleraQon,  we  established  a  simulated  user  loading  at  500  

lb  and  belt  speed  to  10MPH.    –  10  MPH  allowed  us  to  achieve  miles  quicker  –  Weight  accelerated  belt  wear  –  Conducted  at  400  lbs  to  be  able  to  extrapolate  to  230  lbs  and  7.5MPH  

•  IniQal  failure  point  was  mechanical  failure  of  belt  –  actually  it  turnout  to  be  wear  which  increase  fricQon  and  caused  slowdown  of  the  speed.  

 

ASTR  2015,  Sep  9  –  11,  Cambridge,  MA   21  

SUMMARY  Establish  Framework  for  baseline  

– Handle  on  Risks  – Understand  operaQonal  environment  product  –  Know  where  accelerated  life  tests  may  not  be  appropriate  – Agreed  upon  objecQves  –  Breakdown  into  simplest  elements  to  test  – May  need  to  research  operaQonal  characterisQcs  to  establish  baseline  condiQons  

–  Similarity  to  exisQng  products  may  reduce  aspects  of  this  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   22  

   

Thank  you      

QuesQons?  

ASTR  2015,  Sep  9  -­‐  11,  Cambridge,  MA   23  

BIOGRAPHICAL  INFORMATION  •  Frank  Straka  has  been  involved  in  the  Quality  &  Reliability  of  products  for  over  25  years.    This  experience  

covers  the  tesQng  and  analysis  of  electronic  hardware,  sonware,  and  mechanical  products  to  evaluate  their  performance  and  reliability.    He  has  worked  in  RF  design,  RF  filters,  consumer  electronics,  and  the  telecommunicaQons  industries.  

•  Mr.  Straka’s  responsibiliQes  have  included:  –  Reliability  program  management.    –  Accelerated  test  methods  for  electronics,  mechanical,  and  sonware  systems.  –  Reliability  Growth  –  Root  cause  analysis  and  correcQve  acQon  –  DFMEA  and  PFMEA  –  Reliability  predicQons  –  Environmental  tesQng.  –  StaQsQcal  methods  

•  Mr  Straka  also  represents  Andrew  CorporaQon  as  Deputy  technical  advisor  to  US  Technical  Advisory  Group  for  Dependability  (IEC  TC  56)  and  member  of  US  Technical  Advisory  Group  on  Quality  (ISO  TC  176).    He  holds  professional  memberships  in  IEEE,  IEST,  and  ASQ  

•  Mr.  Straka  has  a  Bachelor  of  Science  degree  in  Electrical  Engineering  from  the  University  of  Illinois  and  a  Master  of  Business  AdministraQon  from  Northwestern  University.  

•  Mr.  Straka  is  ASQ  cerQfied  as  a  Reliability  Engineer,  Quality  Engineer,  and  Quality  Auditor.    He  is  cerQfied  as  a  six  sigma  black  belt  and  is  a  registered  professional  engineer.  

•  Mr.  Straka  is  currently  employed  as  Reliability  Manager  for  CommScope  –  A  manufacture  of  telecommunicaQon  components  for  the  mobile  market.  

 

ASTR  2015,  Sep  9  –  11,  Cambridge,  MA   24