Proposta de novos fatores de controle da confiabilidade de hardware eletrônico aeronáutico na transição lead-free

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2021.Com o advento da Indústria 4.0 e a revolução tecnológica baseada em IoT (Internet of Things) e Inteligência Artificial, muitas empresas decidem pela customização do Hardware eletrônico assumindo a responsabilidade pelo projeto e industrialização, o que é desafiador e arriscado principalmente para àquelas empresas que não possuem domínio em manufatura eletrônica e desconhecem os riscos e mitigações devido à transição para a solda ?sem chumbo?. As empresas que projetam e industrializam Hardware eletrônico e que buscam a alta confiabilidade do produto e/ou atender ao mercado aeronáutico enfrentarão grandes desafios relacionados ao Desenvolvimento Integrado do Produto (DIP), ao projeto, à industrialização, e à certificação do produto. Alguns dos principais desafios são: definição de requisitos críticos, gerenciamento térmico, envolvimento antecipado da engenharia de manufatura no projeto conceitual, transição para a solda ?sem chumbo?, definição das atividades específicas para a confiabilidade, e permeação dos requisitos em toda a cadeia de parceiros e fornecedores. Portanto, o objetivo geral deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento de Hardware eletrônico de alta confiabilidade melhorando os processos e cultura de engenharia, reduzindo os custos associados à não-confiabilidade, e considerando a confiabilidade em toda a cadeia de industrialização e ciclo de vida do produto. O trabalho baseia-se em pesquisa exploratória, abordagem teórico-conceitual, e na elaboração de três artigos em sequência lógica; o que permitiu a aquisição de proficiência tecnológica, identificação dos desafios, perguntas a serem respondidas, gaps de conhecimento, e oportunidades de melhoria e inovação. O Artigo 01, entre os principais objetivos, identifica os desafios e responde ?o que fazer?. Os Artigo 02 e 03 indicam a priorização de ?o que fazer? através da criação de recomendações/questões de auditoria para a metodologia FIDES, e, pela elaboração de novas abordagens (fatores e equações) que melhoram a predição da confiabilidade considerando os efeitos da transição para a solda ?sem chumbo?. No Artigo 03, através da criação de uma ?Abordagem para Controle da Confiabilidade?, é indicado ?quando fazer? considerando o DIP e seus ?gates? de mudança de fase. Como resultado geral este trabalho identifica o que precisa ser feito considerando os requisitos de produto e mercado, prioriza as atividades mais impactantes e relevantes quanto a confiabilidade, e, demonstrando originalidade, cria abordagens e metodologias que merecem destaque quanto à inventividade. A nova abordagem para o ?LF (fator de processo lead-free) e a customização do ?Process (fator de processo) a ser utilizada na metodologia FIDES permitem uma predição mais acurada da taxa de falha, colaborando para justificar os investimentos nas atividades que visam ganho em confiabilidade. A nova ?Abordagem para Controle da Confiabilidade? do AEH (Airborne Electronic Hardware) permite aos Gestores de Projeto e/ou Líderes Técnicos identificar quando cada atividade precisa ser executada. A metodologia integra abordagens de DIP, certificação (DO-254), e a necessidade de permeação dos requisitos de confiabilidade no projeto e em toda a cadeia de industrialização; desta forma, proporciona a redução de falhas em campo provenientes da transição para solda sem chumbo, mais agilidade nos processos de auditorias sem perda de confiabilidade dos produtos, e a simplificação das predições iniciais de confiabilidade com foco nas atividades de cada fase do DIP.Abstract: With the advent of Industry 4.0 and the technological revolution based on IoT (Internet of Things) and Artificial Intelligence, many companies decide for the customization of Electronic Hardware taking responsibility for the design and industrialization, which is challenging and risky mainly for those companies that do not have know-how in electronic manufacturing and are unaware of the risks and mitigations due to lead-free soldering transition. Companies that design and industrialize Electronic Hardware and that desire high product reliability and/or serve the aeronautical market will face major challenges related to Integrated Product Development (IPD), design, industrialization, and product certification. Some of the main challenges are: definition of critical requirements, thermal management, early involvement of manufacturing engineering in the conceptual design, lead-free soldering transition, definition of specific activities for reliability, and permeation of requirements throughout the partner and supplier chain. Therefore, the general objective of this work is to contribute to the development of highly reliable Electronic Hardware by improving engineering processes and culture, reducing the costs associated with non-reliability, and considering the reliability throughout the whole industrialization chain and product life cycle. The work is based on exploratory research, theoretical-conceptual approach, and elaboration of three articles in logical sequence, which enabled the acquisition of technological proficiency, identification of challenges, questions to be answered, knowledge gaps, and opportunities for improvement and innovation. The Article 01, among the main objectives, identifies the challenges and answers ?what to do?. The Articles 02 and 03 indicate the prioritization of ?what to do? through the creation of recommendations/audit questions for the FIDES methodology, and, by the development of new approaches (factors and equations) that improve the prediction of reliability considering the effects of lead-free soldering transition. In Article 03, through the creation of a ?Reliability Control Approach?, the ?when to do? is addressed considering the IPD and its phase change gates. As a general result, this work identifies what needs to be done considering the product and market requirements, prioritizes the most impactful and relevant activities in terms of reliability, and, demonstrating originality, creates approaches and methodologies that stand out for its inventiveness. The new approach to the ?LF (lead-free process factor) and the customization of the ?Process (process factor) applied in the FIDES methodology allow a more accurate prediction of the failure rate, collaborating to justify investments in reliability activities. The new ?Reliability Control Approach? for AEH (Airborne Electronic Hardware) allows Project Managers and/or Technical Leaders to identify when each activity needs to be performed. The methodology integrates IPD, certification approaches (DO-254), and the need to permeate reliability requirements in the project and throughout the industrialization chain; therefore, it provides a reduction in field failures due to lead-free transition, more agility in auditing processes without loss of product reliability, and simplification of initial reliability predictions focusing on the activities of each phase of the DIP