V tomto dokumente sa študujú spôsoby zlyhania a mechanizmy zlyhania elektronických komponentov a ich citlivé prostredia sú uvedené s cieľom poskytnúť určitý odkaz na dizajn elektronických produktov.
1. Typické režimy zlyhania komponentov
Sériové číslo
Názov elektronického komponentu
Režimy zlyhania súvisiace s prostredím
Environmentálny stres
1. Elektromechanické komponenty
Vibrácie spôsobujú únavové lámanie cievok a uvoľnenie káblov.
Vibrácie, šok
2. Polovodičové mikrovlnné zariadenia
Vysoká teplota a teplotný šok vedú k delaminácii na rozhraní medzi materiálom obalu a čipom a medzi materiálom obalu a rozhraním držiaka čipu plastom utesneného mikrovlnného monolitu.
Vysoká teplota, teplotný šok
3. Hybridné integrované obvody
Šok vedie k prasknutiu keramického substrátu, teplotný šok vedie k prasknutiu elektródy na konci kondenzátora a teplotné cykly vedú k zlyhaniu spájky.
Šok, teplotný cyklus
4. Diskrétne zariadenia a integrované obvody
Tepelný rozpad, porucha spájkovania čipu, porucha spojenia vnútornej elektródy, šok vedúci k prasknutiu pasivačnej vrstvy.
Vysoká teplota, otrasy, vibrácie
5. Odporové komponenty
Pretrhnutie substrátu jadra, pretrhnutie odporového filmu, zlomenie olova
Šok, vysoká a nízka teplota
6. Obvod úrovne dosky
Prasknuté spájkované spoje, prasknuté medené otvory.
Vysoká teplota
7. Elektrické vákuum
Únavový zlom horúceho drôtu.
Vibrácie
2, analýza typického mechanizmu zlyhania komponentov
Poruchový režim elektronických súčiastok nie je jediný, len reprezentatívna časť analýzy limitov tolerancie typického prostredia citlivého na komponenty, aby sa dosiahol všeobecnejší záver.
2.1 Elektromechanické komponenty
Typické elektromechanické komponenty zahŕňajú elektrické konektory, relé atď. Spôsoby porúch sú podrobne analyzované so štruktúrou dvoch typov komponentov.
1) Elektrické konektory
Elektrický konektor podľa plášťa, izolátora a telesa kontaktu troch základných jednotiek, spôsob poruchy je zhrnutý do poruchy kontaktu, poruchy izolácie a mechanického zlyhania troch foriem poruchy.Hlavná forma poruchy elektrického konektora pre poruchu kontaktu, porucha jeho výkonu: kontakt na okamžitom prerušení a prechodový odpor sa zvyšuje.V prípade elektrických konektorov v dôsledku existencie prechodového odporu a odporu materiálového vodiča, keď cez elektrický konektor preteká prúd, kontaktný odpor a odpor vodiča kovového materiálu budú generovať Joule teplo, Joule teplo zvýši teplo, čo vedie k zvýšeniu teplota kontaktného bodu, príliš vysoká teplota kontaktného bodu spôsobí, že kontaktný povrch kovu zmäkne, roztopí sa alebo dokonca vrie, ale tiež zvýši prechodový odpor, čo spôsobí zlyhanie kontaktu..V úlohe prostredia s vysokou teplotou sa na kontaktných častiach objaví aj jav tečenia, čím sa kontaktný tlak medzi kontaktnými časťami zníži.Keď sa kontaktný tlak do určitej miery zníži, prechodový odpor sa prudko zvýši a nakoniec spôsobí slabý elektrický kontakt, čo vedie k poruche kontaktu.
Na druhej strane, elektrický konektor pri skladovaní, preprave a práci bude vystavený rôznym vibračným zaťaženiam a nárazovým silám, keď frekvencia budenia externého zaťaženia vibráciami a elektrické konektory blízke vlastnej frekvencii spôsobia, že elektrický konektor bude rezonovať. jav, v dôsledku ktorého sa medzera medzi kontaktnými kusmi zväčší, medzera sa do určitej miery zväčší, kontaktný tlak okamžite zmizne, čo vedie k „okamžitému prerušeniu“ elektrického kontaktu.Pri vibráciách, nárazovom zaťažení, elektrický konektor vytvorí vnútorné napätie, keď napätie presiahne medzu klzu materiálu, spôsobí poškodenie materiálu a zlomenie;v úlohe tohto dlhodobého namáhania dôjde aj k únavovému poškodeniu materiálu a nakoniec k poruche.
2) Relé
Elektromagnetické relé sa vo všeobecnosti skladajú z jadier, cievok, armatúr, kontaktov, jazýčkov atď.Pokiaľ sa na oba konce cievky pridá určité napätie, v cievke bude prúdiť určitý prúd, čím sa vytvorí elektromagnetický efekt, kotva prekoná elektromagnetickú príťažlivú silu, aby sa vrátila k ťahu pružiny k jadru, čo na oplátku poháňa pohyblivé kontakty kotvy a statické kontakty (normálne otvorené kontakty), aby sa zatvorili.Po vypnutí cievky zmizne aj elektromagnetická sacia sila, kotva sa pod reakčnou silou pružiny vráti do pôvodnej polohy, takže pohyblivý kontakt a pôvodný statický kontakt (normálne uzavretý kontakt) sajú.Toto nasávanie a uvoľnenie, čím sa dosiahne účel vedenia a prerušenia v okruhu.
Hlavné režimy celkového zlyhania elektromagnetických relé sú: relé normálne otvorené, relé normálne zatvorené, dynamická pružina relé nespĺňa požiadavky, zopnutie kontaktu po prekročení elektrických parametrov relé.Vzhľadom na nedostatok procesu výroby elektromagnetického relé, mnohé zlyhania elektromagnetického relé vo výrobnom procese na položenie kvality skrytých nebezpečenstiev, ako je doba odľahčenia mechanického namáhania, je príliš krátka, čo vedie k mechanickej štruktúre po deformácii častí výlisku, odstránenie zvyškov nie je vyčerpané výsledkom je zlyhanie alebo dokonca zlyhanie testu PIND, testovanie vo výrobnom závode a používanie tienenia nie je prísne, takže zlyhanie zariadenia pri používaní atď. Nárazové prostredie pravdepodobne spôsobí plastickú deformáciu kovových kontaktov, čo vedie k poruche relé.Pri návrhu zariadení obsahujúcich relé je potrebné zamerať sa na prispôsobivosť vplyvu prostredia.
2.2 Polovodičové mikrovlnné súčiastky
Mikrovlnné polovodičové zariadenia sú komponenty vyrobené z Ge, Si a III ~ V zložených polovodičových materiálov, ktoré pracujú v mikrovlnnom pásme.Používajú sa v elektronických zariadeniach, ako sú radary, systémy elektronického boja a mikrovlnné komunikačné systémy.Mikrovlnné diskrétne balenie zariadenia Okrem poskytovania elektrických spojení a mechanickej a chemickej ochrany jadra a kolíkov by pri návrhu a výbere krytu mal zohľadňovať aj vplyv parazitných parametrov krytu na charakteristiky mikrovlnného prenosu zariadenia.Súčasťou obvodu je aj kryt mikrovlnky, ktorý sám o sebe tvorí kompletný vstupný a výstupný obvod.Preto by tvar a štruktúra krytu, veľkosť, dielektrický materiál, konfigurácia vodiča atď. mali zodpovedať mikrovlnným charakteristikám komponentov a aspektom aplikácie obvodu.Tieto faktory určujú parametre, ako je kapacita, odpor elektrického vedenia, charakteristická impedancia a straty vodiča a dielektrika puzdra trubice.
Environmentálne relevantné spôsoby porúch a mechanizmy mikrovlnných polovodičových súčiastok zahŕňajú najmä záchyt kovu hradla a degradáciu odporových vlastností.Kovový drez brány je spôsobený tepelne zrýchlenou difúziou kovu brány (Au) do GaAs, takže k tomuto poruchovému mechanizmu dochádza najmä pri zrýchlených skúškach životnosti alebo pri extrémne vysokej teplote prevádzky.Rýchlosť difúzie hradlového kovu (Au) do GaAs je funkciou difúzneho koeficientu materiálu hradlového kovu, teploty a gradientu koncentrácie materiálu.Pre dokonalú mriežkovú štruktúru nie je výkon zariadenia ovplyvnený veľmi nízkou rýchlosťou difúzie pri normálnych prevádzkových teplotách, avšak rýchlosť difúzie môže byť významná, keď sú hranice častíc veľké alebo ak existuje veľa povrchových defektov.Rezistory sa bežne používajú v mikrovlnných monolitických integrovaných obvodoch pre spätnoväzbové obvody, nastavenie bodu predpätia aktívnych zariadení, izoláciu, výkonovú syntézu alebo koniec väzby, existujú dve štruktúry odporu: odpor kovového filmu (TaN, NiCr) a jemne dotovaný GaAs odpor tenkej vrstvy.Testy ukazujú, že degradácia odolnosti NiCr spôsobená vlhkosťou je hlavným mechanizmom jeho zlyhania.
2.3 Hybridné integrované obvody
Tradičné hybridné integrované obvody, podľa povrchu substrátu silnovrstvovej vodiacej pásky, proces tenkovrstvovej vodiacej pásky je rozdelený do dvoch kategórií hrubých hybridných integrovaných obvodov a tenkovrstvových hybridných integrovaných obvodov: určitý obvod malých dosiek s plošnými spojmi (PCB), vďaka tlačenému obvodu je vo forme filmu na plochom povrchu dosky, aby vytvoril vodivý vzor, ktorý je tiež klasifikovaný ako hybridné integrované obvody.S objavením sa viacčipových komponentov tento pokročilý hybridný integrovaný obvod, jeho unikátna viacvrstvová elektroinštalačná štruktúra a procesná technológia s priechodnými otvormi spôsobili, že sa komponenty stali hybridným integrovaným obvodom v štruktúre prepojenia s vysokou hustotou, ktorá je synonymom pre použitý substrát. vo viacčipových komponentoch a zahŕňajú: viacvrstvový tenký film, viacvrstvový hrubý film, spoluvypaľovaný pri vysokej teplote, spoluvypaľovaný pri nízkej teplote, viacvrstvový substrát na báze kremíka, PCB atď.
Režimy zlyhania environmentálneho stresu hybridných integrovaných obvodov zahŕňajú najmä zlyhanie elektrického otvoreného obvodu spôsobené prasknutím substrátu a poruchou zvárania medzi komponentmi a hrubovrstvovými vodičmi, komponentmi a tenkovrstvovými vodičmi, substrátom a krytom.Mechanický náraz pri páde produktu, tepelný šok z operácie spájkovania, dodatočné napätie spôsobené nerovnomernosťou deformácie substrátu, bočné ťahové napätie spôsobené tepelným nesúladom medzi substrátom a kovovým puzdrom a spojovacím materiálom, mechanické namáhanie alebo koncentrácia tepelného napätia spôsobená vnútornými defektmi substrátu, potenciálne poškodenie spôsobené vŕtaním do substrátu a rezaním substrátu lokálne mikrotrhliny, prípadne vedú k vonkajšiemu mechanickému namáhaniu väčšiemu, než je vlastná mechanická pevnosť keramického substrátu, čo má za následok poruchu.
Spájkované štruktúry sú náchylné na opakované teplotné cyklické namáhania, ktoré môžu viesť k tepelnej únave vrstvy spájky, čo má za následok zníženú pevnosť spojenia a zvýšený tepelný odpor.Pre triedu tvárnej spájky na báze cínu je úloha teplotného cyklického napätia, ktorá vedie k tepelnej únave vrstvy spájky, spôsobená tým, že koeficient tepelnej rozťažnosti dvoch štruktúr spojených spájkou je nekonzistentný, je deformácia posunu spájky alebo deformácia v šmyku, po opakovanom, vrstva spájky s únavovou trhlinou expanzia a rozšírenie, prípadne vedie k únavovému porušeniu vrstvy spájky.
2.4 Diskrétne zariadenia a integrované obvody
Polovodičové diskrétne zariadenia sú rozdelené na diódy, bipolárne tranzistory, elektrónky s efektom poľa, tyristory a bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom podľa širokých kategórií.Integrované obvody majú širokú škálu aplikácií a možno ich rozdeliť do troch kategórií podľa ich funkcií, a to na digitálne integrované obvody, analógové integrované obvody a zmiešané digitálno-analógové integrované obvody.
1) Diskrétne zariadenia
Diskrétne zariadenia sú rôznych typov a majú svoju vlastnú špecifickosť v dôsledku ich rôznych funkcií a procesov, s významnými rozdielmi v poruchovom výkone.Avšak, ako základné zariadenia tvorené polovodičovými procesmi, existujú určité podobnosti vo fyzike ich porúch.Hlavnými poruchami súvisiacimi s vonkajšou mechanikou a prírodným prostredím sú tepelné poruchy, dynamická lavína, porucha spájkovania čipu a porucha internej väzby elektródy.
Tepelná porucha: Tepelná porucha alebo sekundárna porucha je hlavným mechanizmom zlyhania ovplyvňujúcim polovodičové výkonové komponenty a väčšina poškodení počas používania súvisí s javom sekundárnej poruchy.Sekundárne členenie sa delí na sekundárne členenie podľa predsudkov a sekundárne členenie podľa spätnej odchýlky.Prvý súvisí najmä s vlastnými tepelnými vlastnosťami zariadenia, ako je koncentrácia dopingu v zariadení, vnútorná koncentrácia atď., zatiaľ čo druhý súvisí s lavínovým množením nosičov v oblasti priestorového náboja (napríklad v blízkosti kolektora), obe ktoré sú vždy sprevádzané koncentráciou prúdu vo vnútri zariadenia.Pri aplikácii takýchto komponentov je potrebné venovať osobitnú pozornosť tepelnej ochrane a odvodu tepla.
Dynamická lavína: Počas dynamického vypínania v dôsledku vonkajších alebo vnútorných síl, prúdom riadený jav zrážkovej ionizácie, ktorý sa vyskytuje vo vnútri zariadenia ovplyvnený koncentráciou voľného nosiča, spôsobí dynamickú lavínu, ktorá sa môže vyskytnúť v bipolárnych zariadeniach, diódach a IGBT.
Porucha spájkovania čipu: Hlavným dôvodom je, že čip a spájka sú rôzne materiály s rôznymi koeficientmi tepelnej rozťažnosti, takže pri vysokých teplotách dochádza k tepelnému nesúladu.Okrem toho prítomnosť dutín po spájke zvyšuje tepelný odpor zariadenia, čím sa zhoršuje rozptyl tepla a vytvárajú sa horúce miesta v miestnej oblasti, čím sa zvyšuje teplota spoja a dochádza k poruchám súvisiacim s teplotou, ako je napríklad elektromigrácia.
Porucha spojenia vnútorného olova: hlavne zlyhanie korózie v mieste spojenia, vyvolané koróziou hliníka spôsobenou pôsobením vodnej pary, prvkov chlóru atď. v horúcom a vlhkom prostredí soľnej hmly.Únavový lom hliníkových spojovacích vodičov spôsobený teplotným cyklom alebo vibráciami.Balík IGBT v module má veľké rozmery a ak je nainštalovaný nesprávnym spôsobom, je veľmi ľahké spôsobiť koncentráciu napätia, čo vedie k únavovému lomu vnútorných vývodov modulu.
2) Integrovaný obvod
Poruchový mechanizmus integrovaných obvodov a využitie prostredia má veľký vzťah, vlhkosť vo vlhkom prostredí, poškodenie generované statickou elektrinou alebo elektrickými prepätiami, príliš vysoké využitie textu a použitie integrovaných obvodov v radiačnom prostredí bez žiarenia zosilnenie odporu môže tiež spôsobiť poruchu zariadenia.
Efekty rozhrania súvisiace s hliníkom: V elektronických zariadeniach s materiálmi na báze kremíka sa široko používa vrstva SiO2 ako dielektrický film a hliník sa často používa ako materiál pre prepojovacie vedenia, SiO2 a hliník pri vysokých teplotách budú chemickou reakciou, takže vrstva hliníka sa stane tenšou, ak sa vrstva SiO2 vyčerpá v dôsledku spotreby reakcie, spôsobí priamy kontakt medzi hliníkom a kremíkom.Okrem toho zlatý olovený drôt a hliníkové prepojovacie vedenie alebo hliníkový spojovací drôt a spojenie pozláteného oloveného drôtu plášťa rúrky vytvorí kontakt rozhrania Au-Al.V dôsledku odlišného chemického potenciálu týchto dvoch kovov sa po dlhodobom používaní alebo skladovaní pri vysokých teplotách nad 200 ℃ vytvoria rôzne intermetalické zlúčeniny a vzhľadom na ich mriežkové konštanty a koeficienty tepelnej rozťažnosti sú rozdielne v mieste spojenia v rámci veľké napätie, vodivosť sa stáva malou.
Metalizačná korózia: Hliníkové spojovacie vedenie na čipe je v horúcom a vlhkom prostredí náchylné na koróziu vodnou parou.Kvôli cenovej kompenzácii a jednoduchej hromadnej výrobe je veľa integrovaných obvodov zapuzdrených živicou, avšak vodná para môže prechádzať živicou, aby sa dostala k hliníkovým prepojeniam, a nečistoty privedené zvonku alebo rozpustené v živici spolu s kovovým hliníkom spôsobujú korózia hliníkových prepojení.
Efekt delaminácie spôsobený vodnou parou: plastový IC je integrovaný obvod zapuzdrený plastom a inými živicovými polymérnymi materiálmi, okrem delaminačného efektu medzi plastovým materiálom a kovovým rámom a čipom (bežne známy ako efekt „popcorn“), pretože živicový materiál má vlastnosti adsorpcie vodnej pary, delaminačný efekt spôsobený adsorpciou vodnej pary tiež spôsobí zlyhanie zariadenia..Mechanizmus zlyhania je rýchla expanzia vody v plastovom tesniacom materiáli pri vysokých teplotách, takže oddelenie medzi plastom a jeho uchytením od iných materiálov a vo vážnych prípadoch praskne plastové tesniace teleso.
2.5 Kapacitné odporové súčiastky
1) Rezistory
Bežné nevinuté odpory možno rozdeliť do štyroch typov podľa rôznych materiálov použitých v tele odporu, a to typu zliatiny, typu filmu, typu hrubého filmu a syntetického typu.Pre pevné odpory sú hlavnými poruchovými režimami otvorený obvod, posun elektrických parametrov atď.;zatiaľ čo v prípade potenciometrov sú hlavnými poruchovými režimami otvorený obvod, posun elektrických parametrov, zvýšenie hluku atď. Prostredie používania tiež povedie k starnutiu odporu, čo má veľký vplyv na životnosť elektronických zariadení.
Oxidácia: Oxidácia telesa odporu zvýši hodnotu odporu a je najdôležitejším faktorom spôsobujúcim starnutie rezistora.Okrem odporových telies vyrobených z drahých kovov a zliatin všetky ostatné materiály poškodí vzdušný kyslík.Oxidácia je dlhodobý účinok a keď sa vplyv iných faktorov postupne zníži, hlavným faktorom sa stane oxidácia a prostredie s vysokou teplotou a vysokou vlhkosťou urýchli oxidáciu rezistorov.Pre presné rezistory a rezistory s vysokou hodnotou odporu je základným opatrením na zabránenie oxidácii ochrana tesnením.Tesniace materiály by mali byť anorganické materiály, ako je kov, keramika, sklo atď. Organická ochranná vrstva nemôže úplne zabrániť priepustnosti vlhkosti a priepustnosti vzduchu a môže hrať iba spomaľujúcu úlohu pri oxidácii a adsorpcii.
Starnutie spojiva: Pre organické syntetické rezistory je starnutie organického spojiva hlavným faktorom ovplyvňujúcim stabilitu rezistora.Organické spojivo je prevažne syntetická živica, ktorá sa tepelným spracovaním počas výrobného procesu rezistora premieňa na vysoko polymerizovaný termosetový polymér.Hlavným faktorom spôsobujúcim starnutie polyméru je oxidácia.Voľné radikály generované oxidáciou spôsobujú ohyb molekulárnych väzieb polyméru, čo ďalej vytvrdzuje polymér a robí ho krehkým, čo vedie k strate pružnosti a mechanickému poškodeniu.Vytvrdzovaním spojiva dochádza k zmršťovaniu rezistora v objeme, čím sa zvyšuje kontaktný tlak medzi vodivými časticami a znižuje sa prechodový odpor, čo má za následok zníženie odporu, ale aj mechanické poškodenie spojiva zvyšuje odpor.Zvyčajne k vytvrdzovaniu spojiva dochádza skôr, k mechanickému poškodeniu potom, takže hodnota odporu organických syntetických rezistorov vykazuje nasledujúci vzorec: určitý pokles na začiatku fázy, potom sa zvýši a je tu trend zvyšovania.Pretože starnutie polymérov úzko súvisí s teplotou a svetlom, syntetické rezistory urýchlia starnutie v prostredí s vysokou teplotou a silnému svetlu.
Starnutie pri elektrickej záťaži: Zaťaženie odporu urýchli proces starnutia.Pri jednosmernom zaťažení môže elektrolytické pôsobenie poškodiť tenkovrstvové rezistory.Elektrolýza prebieha medzi štrbinami štrbinového odporu a ak je substrátom odporu keramický alebo sklenený materiál obsahujúci ióny alkalických kovov, ióny sa pohybujú pôsobením elektrického poľa medzi štrbinami.Vo vlhkom prostredí tento proces prebieha búrlivejšie.
2) Kondenzátory
Poruchové režimy kondenzátorov sú skrat, prerušený obvod, zhoršenie elektrických parametrov (vrátane zmeny kapacity, zväčšenia tangens stratového uhla a zníženia izolačného odporu), únik kvapaliny a porušenie korózie olova.
Skrat: Letiaci oblúk na hrane medzi pólmi pri vysokej teplote a nízkom tlaku vzduchu povedie ku skratu kondenzátorov, okrem toho mechanické namáhanie, ako je vonkajší náraz, spôsobí aj prechodný skrat dielektrika.
Otvorený obvod: Oxidácia zvodových drôtov a kontaktov elektród spôsobená vlhkým a horúcim prostredím, čo vedie k nízkej úrovni nedostupnosti a koróznemu prasknutiu anódovej olovenej fólie.
Degradácia elektrických parametrov: Degradácia elektrických parametrov vplyvom vlhkého prostredia.
2.6 Obvody na úrovni dosky
Doska plošných spojov sa skladá hlavne z izolačného substrátu, kovového vedenia a spájania rôznych vrstiev vodičov, spájkovacích komponentov "podložiek".Jeho hlavnou úlohou je poskytnúť nosič pre elektronické súčiastky a zohrávať úlohu elektrických a mechanických spojení.
Poruchový režim dosky s plošnými spojmi zahŕňa najmä zlé spájkovanie, otvorený a skrat, pľuzgiere, delamináciu dosky prasknutím, koróziu alebo zmenu farby povrchu dosky, ohýbanie dosky
Čas odoslania: 21. novembra 2022