V tomto článku jsou studovány způsoby selhání a mechanismy selhání elektronických součástek a jsou uvedena jejich citlivá prostředí, aby poskytly určitý odkaz pro návrh elektronických produktů.
1. Typické způsoby selhání součástí
Sériové číslo
Název elektronické součástky
Režimy selhání související s prostředím
Environmentální stres
1. Elektromechanické součástky
Vibrace způsobují únavové lámání cívek a uvolňování kabelů.
Vibrace, šok
2. Polovodičová mikrovlnná zařízení
Vysoká teplota a teplotní šok vedou k delaminaci na rozhraní mezi materiálem obalu a čipem a mezi materiálem obalu a rozhraním držáku čipu plastem uzavřeného mikrovlnného monolitu.
Vysoká teplota, teplotní šok
3. Hybridní integrované obvody
Šok vede k prasknutí keramického substrátu, teplotní šok vede k prasknutí elektrody na konci kondenzátoru a teplotní cyklování vede k selhání pájky.
Šok, teplotní cyklus
4. Diskrétní zařízení a integrované obvody
Tepelný průraz, porucha pájení čipu, porucha spojení vnitřního vývodu, šok vedoucí k prasknutí pasivační vrstvy.
Vysoká teplota, otřesy, vibrace
5. Odporové součástky
Protržení substrátu jádra, protržení odporového filmu, rozbití olova
Šok, vysoká a nízká teplota
6. Obvod úrovně desky
Prasklé pájené spoje, prasklé měděné otvory.
Vysoká teplota
7. Elektrické vakuum
Únavový zlom horkého drátu.
Vibrace
2, typický mechanismus selhání komponent analýzy
Poruchový režim elektronických součástek není jedinou, pouze reprezentativní částí analýzy mezí tolerance typického prostředí citlivého na součástky, abychom získali obecnější závěr.
2.1 Elektromechanické součásti
Typické elektromechanické součásti zahrnují elektrické konektory, relé atd. Způsoby poruch jsou podrobně analyzovány se strukturou obou typů součástí.
1) Elektrické konektory
Elektrický konektor podle pláště, izolátoru a tělesa kontaktu tří základních jednotek, způsob poruchy je shrnut do poruchy kontaktu, poruchy izolace a mechanické poruchy tří forem poruchy.Hlavní forma selhání elektrického konektoru pro selhání kontaktu, selhání jeho výkonu: kontakt na okamžité přerušení a přechodový odpor se zvyšuje.U elektrických konektorů v důsledku existence přechodového odporu a odporu materiálového vodiče, když elektrickým konektorem protéká proud, kontaktní odpor a odpor vodiče kovového materiálu generují Jouleovo teplo, Jouleovo teplo zvyšuje teplo, což má za následek zvýšení teplota kontaktního bodu, příliš vysoká teplota kontaktního bodu způsobí, že kontaktní povrch kovu změkne, roztaví se nebo dokonce začne vařit, ale také zvýší přechodový odpor, což způsobí selhání kontaktu..V roli prostředí s vysokou teplotou se u kontaktních částí také objeví jev tečení, čímž se kontaktní tlak mezi kontaktními částmi snižuje.Když se kontaktní tlak do určité míry sníží, přechodový odpor prudce vzroste a nakonec způsobí špatný elektrický kontakt, což má za následek selhání kontaktu.
Na druhou stranu, elektrický konektor při skladování, přepravě a práci bude vystaven různým vibračním zatížením a nárazovým silám, kdy externí vibrační zátěžová frekvence buzení a elektrické konektory blízké vlastní frekvenci způsobí, že elektrický konektor bude rezonovat. jev, jehož výsledkem je, že se mezera mezi kontaktními kusy zvětší, mezera se do určité míry zvětší, kontaktní tlak okamžitě zmizí, což má za následek "okamžité přerušení elektrického kontaktu".Při vibracích, rázovém zatížení bude elektrický konektor generovat vnitřní napětí, když napětí překročí mez kluzu materiálu, způsobí poškození materiálu a prasknutí;v roli tohoto dlouhodobého namáhání dojde také k únavovému poškození materiálu a nakonec k porušení.
2) Relé
Elektromagnetická relé se obecně skládají z jader, cívek, armatur, kontaktů, jazýčků a tak dále.Dokud se na oba konce cívky přidá určité napětí, bude v cívce protékat určitý proud, čímž vznikne elektromagnetický efekt, kotva překoná elektromagnetickou přitažlivou sílu, aby se vrátila k tahu pružiny k jádru, což na oplátku pohání pohyblivé kontakty kotvy a statické kontakty (normálně otevřené kontakty) k uzavření.Po vypnutí cívky zmizí i elektromagnetická sací síla, kotva se pod reakční silou pružiny vrátí do původní polohy, takže pohyblivý kontakt a původní statický kontakt (normálně zavřený kontakt) nasají.Toto sání a uvolnění, čímž se dosáhne účelu vedení a odříznutí v okruhu.
Hlavní režimy celkového selhání elektromagnetických relé jsou: relé normálně otevřené, relé normálně sepnuté, dynamická pružina relé nesplňuje požadavky, sepnutí kontaktu poté, co elektrické parametry relé překročí špatné.Vzhledem k nedostatku výrobního procesu elektromagnetického relé, mnoho selhání elektromagnetického relé ve výrobním procesu položit kvalitu skrytých nebezpečí, jako je doba odlehčení mechanického namáhání je příliš krátká, což má za následek mechanickou strukturu po deformaci částí lisování, odstranění zbytků není vyčerpáno což má za následek selhání nebo dokonce selhání testu PIND, tovární testování a použití stínění není přísné, takže selhání zařízení při používání atd.. Nárazové prostředí pravděpodobně způsobí plastickou deformaci kovových kontaktů, což má za následek selhání relé.Při návrhu zařízení obsahujících relé je nutné se zaměřit na přizpůsobivost vlivu prostředí.
2.2 Polovodičové mikrovlnné součástky
Mikrovlnná polovodičová zařízení jsou součástky vyrobené z Ge, Si a III ~ V složených polovodičových materiálů, které pracují v mikrovlnném pásmu.Používají se v elektronických zařízeních, jako jsou radary, systémy elektronického boje a mikrovlnné komunikační systémy.Mikrovlnný diskrétní obal zařízení Kromě zajištění elektrických spojení a mechanické a chemické ochrany jádra a kolíků by při návrhu a výběru pouzdra měl být také zohledněn dopad parazitních parametrů pouzdra na vlastnosti mikrovlnného přenosu zařízení.Součástí obvodu je také mikrovlnné pouzdro, které samo o sobě tvoří kompletní vstupní a výstupní obvod.Proto by tvar a struktura pouzdra, velikost, dielektrický materiál, konfigurace vodičů atd. měly odpovídat mikrovlnným charakteristikám komponent a aspektům aplikace obvodu.Tyto faktory určují parametry, jako je kapacita, odpor elektrického vedení, charakteristická impedance a ztráty vodiče a dielektrika pouzdra elektronky.
Environmentálně relevantní způsoby selhání a mechanismy mikrovlnných polovodičových součástek zahrnují zejména záchyt kovu hradla a degradaci odporových vlastností.Kovový dřez hradla je způsoben tepelně urychlenou difúzí hradlového kovu (Au) do GaAs, takže k tomuto poruchovému mechanismu dochází zejména při zrychlených testech životnosti nebo extrémně vysokých teplotách.Rychlost difúze hradlového kovu (Au) do GaAs je funkcí difúzního koeficientu materiálu hradlového kovu, teploty a gradientu koncentrace materiálu.Pro dokonalou mřížkovou strukturu není výkon zařízení ovlivněn velmi pomalou rychlostí difúze při normálních provozních teplotách, nicméně rychlost difúze může být významná, když jsou hranice částic velké nebo existuje mnoho povrchových defektů.Rezistory se běžně používají v mikrovlnných monolitických integrovaných obvodech pro zpětnovazební obvody, nastavení bodu předpětí aktivních prvků, izolaci, výkonovou syntézu nebo konec vazby, existují dvě struktury odporu: odpor kovového filmu (TaN, NiCr) a lehce dotovaný GaAs odolnost tenké vrstvy.Testy ukazují, že degradace odolnosti NiCr způsobená vlhkostí je hlavním mechanismem jejího selhání.
2.3 Hybridní integrované obvody
Tradiční hybridní integrované obvody, podle povrchu substrátu tlustovrstvé vodicí pásky, proces tenké vodicí pásky je rozdělen do dvou kategorií tlustovrstvých hybridních integrovaných obvodů a tenkovrstvých hybridních integrovaných obvodů: určitý obvod malých desek s plošnými spoji (PCB), díky tištěnému obvodu je ve formě filmu na povrchu ploché desky, aby vytvořil vodivý vzor, také klasifikovaný jako hybridní integrované obvody.Se vznikem vícečipových komponentů se tento pokročilý hybridní integrovaný obvod, jeho unikátní vícevrstvá kabelová struktura a procesní technologie průchozích děr staly hybridním integrovaným obvodem v propojovací struktuře s vysokou hustotou, která je synonymem pro použitý substrát. ve vícečipových součástkách a zahrnují: vícevrstvý tenký film, vícevrstvý tlustý film, spoluvypalovaný při vysoké teplotě, spoluvypalovaný při nízké teplotě, na bázi křemíku, vícevrstvý substrát PCB atd.
Režimy selhání hybridního integrovaného obvodu způsobeného vlivem okolního prostředí zahrnují zejména selhání elektrického přerušeného obvodu způsobené prasknutím substrátu a selháním svařování mezi součástmi a tlustovrstvými vodiči, součástmi a tenkovrstvými vodiči, substrátem a pouzdrem.Mechanický náraz způsobený pádem produktu, tepelný šok při pájení, dodatečné napětí způsobené nerovnoměrností deformace substrátu, boční napětí v tahu způsobené tepelným nesouladem mezi substrátem a kovovým pouzdrem a spojovacím materiálem, mechanické napětí nebo koncentrace tepelného napětí způsobené vnitřními defekty substrátu, potenciální poškození způsobené vrtáním substrátu a řezáním substrátu lokálními mikrotrhlinkami, případně vedou k vnějšímu mechanickému namáhání většímu, než je vlastní mechanická pevnost keramického substrátu, což má za následek poruchu.
Pájené struktury jsou náchylné k opakovaným teplotním cyklickým namáháním, což může vést k tepelné únavě vrstvy pájky, což má za následek sníženou pevnost spoje a zvýšený tepelný odpor.U třídy tažné pájky na bázi cínu je role teplotního cyklického namáhání, která vede k tepelné únavě vrstvy pájky, způsobena tím, že koeficient tepelné roztažnosti dvou struktur spojených pájkou je nekonzistentní, je deformace posunutím pájky nebo smyková deformace, po opakovaném, pájecí vrstvě s roztažením a rozšířením únavových trhlin, případně vedoucím k únavovému porušení vrstvy pájky.
2.4 Diskrétní zařízení a integrované obvody
Polovodičová diskrétní zařízení se dělí na diody, bipolární tranzistory, elektronky s efektem pole MOS, tyristory a bipolární tranzistory s izolovaným hradlem podle širokých kategorií.Integrované obvody mají širokou škálu aplikací a lze je rozdělit do tří kategorií podle jejich funkcí, a to na digitální integrované obvody, analogové integrované obvody a smíšené digitálně-analogové integrované obvody.
1) Diskrétní zařízení
Diskrétní zařízení jsou různých typů a mají svou vlastní specifičnost vzhledem k jejich různým funkcím a procesům, s významnými rozdíly ve výkonu při selhání.Nicméně, jako základní zařízení tvořená polovodičovými procesy, existují určité podobnosti ve fyzice jejich poruch.Hlavními poruchami souvisejícími s vnější mechanikou a přírodním prostředím jsou tepelný průraz, dynamická lavina, porucha pájení čipu a porucha vnitřního spojení olova.
Tepelný průraz: Tepelný průraz nebo sekundární průraz je hlavním mechanismem selhání ovlivňujícím výkonové polovodičové komponenty a většina poškození během používání souvisí s jevem sekundárního průrazu.Sekundární členění se dělí na sekundární členění podle předsudků a sekundární členění se zpětným vychýlením.První souvisí především s vlastními tepelnými vlastnostmi zařízení, jako je koncentrace dopingu v zařízení, vlastní koncentrace atd., zatímco druhý souvisí s lavinovým množením nosičů v oblasti prostorového náboje (např. v blízkosti kolektoru), obojí které jsou vždy doprovázeny koncentrací proudu uvnitř zařízení.Při použití takových komponent by měla být věnována zvláštní pozornost tepelné ochraně a odvodu tepla.
Dynamická lavina: Během dynamického vypnutí vlivem vnějších nebo vnitřních sil proudem řízený jev kolizní ionizace, který se vyskytuje uvnitř zařízení ovlivněný koncentrací volného nosiče, způsobí dynamickou lavinu, která se může objevit u bipolárních zařízení, diod a IGBT.
Selhání pájky čipu: Hlavním důvodem je, že čip a pájka jsou různé materiály s různými koeficienty tepelné roztažnosti, takže při vysokých teplotách dochází k tepelnému nesouladu.Kromě toho přítomnost dutin po pájce zvyšuje tepelný odpor zařízení, což zhoršuje rozptyl tepla a tvoří horká místa v místní oblasti, zvyšuje teplotu spoje a způsobuje poruchy související s teplotou, jako je elektromigrace.
Porucha spojování vnitřního olova: hlavně porucha koroze v místě spoje, vyvolaná korozí hliníku způsobenou působením vodní páry, prvků chlóru atd. v horkém a vlhkém prostředí solné mlhy.Únavový lom hliníkových spojovacích vodičů způsobený teplotním cyklem nebo vibracemi.Balíček IGBT v modulu je rozměrově velký a pokud je instalován nesprávným způsobem, je velmi snadné způsobit koncentraci napětí, což má za následek únavový lom vnitřních vodičů modulu.
2) Integrovaný obvod
Poruchový mechanismus integrovaných obvodů a využití prostředí má velký vztah, vlhkost ve vlhkém prostředí, poškození vznikající statickou elektřinou nebo elektrickými rázy, příliš vysoké využití textu a použití integrovaných obvodů v radiačním prostředí bez záření Zpevnění odporu může také způsobit poruchu zařízení.
Efekty rozhraní související s hliníkem: V elektronických zařízeních s materiály na bázi křemíku se široce používá vrstva SiO2 jako dielektrický film a hliník se často používá jako materiál pro propojovací vedení, SiO2 a hliník při vysokých teplotách budou chemickou reakcí, takže hliníková vrstva ztenčí, pokud je vrstva SiO2 vyčerpána v důsledku spotřeby reakce, způsobí přímý kontakt mezi hliníkem a křemíkem.Kromě toho zlatý přívodní drát a hliníkové propojovací vedení nebo hliníkový spojovací drát a spojení pozlaceného přívodního drátu pláště trubky vytvoří kontakt rozhraní Au-Al.Vzhledem k odlišnému chemickému potenciálu těchto dvou kovů, po dlouhodobém používání nebo skladování při vysokých teplotách nad 200 ℃ budou produkovat různé intermetalické sloučeniny, a kvůli jejich mřížkovým konstantám a koeficientům tepelné roztažnosti jsou různé, v místě spojení uvnitř. při velkém namáhání se vodivost zmenší.
Metalizační koroze: Hliníkové spojovací vedení na čipu je v horkém a vlhkém prostředí náchylné ke korozi vodní párou.Vzhledem k cenovému vyrovnání a snadné hromadné výrobě je mnoho integrovaných obvodů zapouzdřeno pryskyřicí, nicméně vodní pára může procházet pryskyřicí a dosáhnout hliníkových propojení a nečistoty přiváděné zvenčí nebo rozpuštěné v pryskyřici působí s kovovým hliníkem a způsobují korozi hliníkových spojů.
Delaminační efekt způsobený vodní párou: plastový IC je integrovaný obvod zapouzdřený plastem a jinými pryskyřicovými polymerními materiály, navíc k delaminačnímu efektu mezi plastovým materiálem a kovovým rámem a čipem (běžně známý jako "popcorn" efekt), protože pryskyřičný materiál má vlastnosti adsorpce vodní páry, delaminační efekt způsobený adsorpcí vodní páry také způsobí selhání zařízení..Mechanismus selhání je rychlá expanze vody v plastovém těsnícím materiálu při vysokých teplotách, takže oddělení mezi plastem a jeho uchycením jiných materiálů a ve vážných případech dojde k prasknutí plastového těsnicího tělesa.
2.5 Kapacitní odporové součástky
1) Rezistory
Běžné nevinuté rezistory lze rozdělit do čtyř typů podle různých materiálů použitých v těle rezistoru, a to typu slitiny, typu fólie, typu tlusté vrstvy a syntetického typu.U pevných rezistorů jsou hlavními režimy poruchy otevřený obvod, posun elektrických parametrů atd.;zatímco u potenciometrů jsou hlavními poruchovými režimy otevřený obvod, posun elektrických parametrů, zvýšení hluku atd. Prostředí použití také povede ke stárnutí rezistoru, což má velký dopad na životnost elektronických zařízení.
Oxidace: Oxidace tělesa odporu zvýší hodnotu odporu a je nejdůležitějším faktorem způsobujícím stárnutí rezistoru.Kromě odporových těles vyrobených z drahých kovů a slitin všechny ostatní materiály poškodí vzdušný kyslík.Oxidace je dlouhodobý efekt, a když se postupně sníží vliv dalších faktorů, stane se hlavním faktorem oxidace a prostředí s vysokou teplotou a vysokou vlhkostí urychlí oxidaci rezistorů.U přesných rezistorů a rezistorů s vysokou hodnotou odporu je základním opatřením k zabránění oxidaci ochrana těsněním.Těsnicí materiály by měly být anorganické materiály, jako je kov, keramika, sklo atd. Organická ochranná vrstva nemůže zcela zabránit propustnosti vlhkosti a propustnosti vzduchu a může hrát pouze zpomalovací roli při oxidaci a adsorpci.
Stárnutí pojiva: U organických syntetických rezistorů je stárnutí organického pojiva hlavním faktorem ovlivňujícím stabilitu rezistoru.Organické pojivo je převážně syntetická pryskyřice, která se tepelným zpracováním během výrobního procesu rezistoru přeměňuje na vysoce polymerizovaný termosetový polymer.Hlavním faktorem způsobujícím stárnutí polymeru je oxidace.Volné radikály generované oxidací způsobují ohyb molekulárních vazeb polymeru, což dále vytvrzuje polymer a činí jej křehkým, což má za následek ztrátu elasticity a mechanické poškození.Vytvrzování pojiva způsobuje zmenšení objemu rezistoru, zvýšení kontaktního tlaku mezi vodivými částicemi a snížení přechodového odporu, což má za následek pokles odporu, ale mechanické poškození pojiva také zvyšuje odpor.Obvykle k vytvrzení pojiva dochází dříve, k mechanickému poškození dochází poté, takže hodnota odporu organických syntetických rezistorů vykazuje následující vzorec: na začátku fáze určitý pokles, pak se otočí ke zvýšení a je zde trend rostoucí.Vzhledem k tomu, že stárnutí polymerů úzce souvisí s teplotou a světlem, syntetické rezistory urychlí stárnutí v prostředí s vysokou teplotou a silném světle.
Stárnutí pod elektrickou zátěží: Přiložením zátěže na odpor se urychlí proces jeho stárnutí.Při stejnosměrném zatížení může elektrolytické působení poškodit tenkovrstvé rezistory.K elektrolýze dochází mezi štěrbinami štěrbinového odporu, a pokud je substrátem odporu keramický nebo skleněný materiál obsahující ionty alkalických kovů, pohybují se ionty působením elektrického pole mezi štěrbinami.Ve vlhkém prostředí tento proces probíhá prudčeji.
2) Kondenzátory
Poruchové režimy kondenzátorů jsou zkrat, otevřený obvod, zhoršení elektrických parametrů (včetně změny kapacity, zvýšení tečny ztrátového úhlu a snížení izolačního odporu), únik kapaliny a porušení koroze olova.
Zkrat: Letící oblouk na hraně mezi póly při vysoké teplotě a nízkém tlaku vzduchu povede ke zkratu kondenzátorů, navíc mechanické namáhání, jako je vnější ráz, také způsobí přechodný zkrat dielektrika.
Přerušený obvod: Oxidace přívodních vodičů a kontaktů elektrod způsobená vlhkým a horkým prostředím, což má za následek nízkou nepřístupnost a korozní prasknutí anodové olověné fólie.
Degradace elektrických parametrů: Degradace elektrických parametrů vlivem vlhkého prostředí.
2.6 Obvody na úrovni desky
Deska s plošnými spoji se skládá hlavně z izolačního substrátu, kovového vedení a spojování různých vrstev vodičů, pájecích součástek "podložek".Jeho hlavní úlohou je poskytovat nosič pro elektronické součástky a plnit roli elektrických a mechanických spojů.
Poruchový režim desky s plošnými spoji zahrnuje především špatné pájení, přerušení a zkrat, tvorbu puchýřů, prasklou delaminaci desky, korozi nebo změnu barvy povrchu desky, ohýbání desky
Čas odeslání: 21. listopadu 2022