V tem prispevku so preučeni načini odpovedi in mehanizmi odpovedi elektronskih komponent ter podana njihova občutljiva okolja, da se zagotovi nekaj referenc za načrtovanje elektronskih izdelkov
1. Tipični načini okvare komponent
Serijska številka
Ime elektronske komponente
Načini odpovedi, povezani z okoljem
Okoljski stres
1. Elektromehanske komponente
Vibracije povzročajo lomljenje tuljav zaradi utrujenosti in zrahljanje kablov.
Vibracije, udarci
2. polprevodniške mikrovalovne naprave
Visoka temperatura in temperaturni šok povzročita razslojevanje na vmesniku med materialom embalaže in čipom ter med materialom embalaže in vmesnikom držala čipa mikrovalovnega monolita, zaprtega s plastiko.
Visoka temperatura, temperaturni šok
3. Hibridna integrirana vezja
Šok povzroči pokanje keramične podlage, temperaturni šok povzroči pokanje končne elektrode kondenzatorja, nihanje temperature pa povzroči okvaro spajke.
Šok, temperaturni cikel
4. Diskretne naprave in integrirana vezja
Toplotna okvara, napaka pri spajkanju čipa, napaka pri povezovanju notranjega kabla, šok, ki povzroči pretrganje pasivacijske plasti.
Visoka temperatura, šok, vibracije
5. Uporovne komponente
Pretrganje substrata jedra, pretrganje uporovnega filma, prelom svinca
Šok, visoka in nizka temperatura
6. Vezje ravni plošče
Razpokani spajkalni spoji, zlomljene luknje iz bakra.
Visoka temperatura
7. Električni vakuum
Utrujenostni lom vroče žice.
Vibracije
2, Tipična analiza mehanizma odpovedi komponent
Način okvare elektronskih komponent ni en sam, le reprezentativen del mejne analize tolerance tipičnih komponent občutljivega okolja, da bi dobili bolj splošen zaključek.
2.1 Elektromehanske komponente
Tipične elektromehanske komponente vključujejo električne konektorje, releje itd. Načini napak so podrobno analizirani s strukturo obeh vrst komponent.
1) Električni priključki
Električni konektor z lupino, izolatorjem in kontaktnim telesom treh osnovnih enot, način okvare je povzet v okvaro kontakta, okvaro izolacije in mehansko okvaro treh oblik okvare.Glavna oblika okvare električnega konektorja za okvaro kontakta je neuspeh njegovega delovanja: stik ob trenutnem prelomu in kontaktni upor se poveča.Pri električnih konektorjih bo zaradi obstoja kontaktnega upora in upora materialnega prevodnika, ko tok teče skozi električni konektor, kontaktni upor in upornost prevodnika kovinskega materiala ustvarila Joulovo toploto, Joulova toplota bo povečala toploto, kar bo povzročilo povečanje temperatura kontaktne točke, previsoka temperatura kontaktne točke povzroči, da se kontaktna površina kovine zmehča, stopi ali celo zavre, hkrati pa poveča kontaktni upor, kar povzroči okvaro kontakta..V vlogi visokotemperaturnega okolja se bodo kontaktni deli pojavili tudi kot pojav lezenja, zaradi česar se bo kontaktni tlak med kontaktnimi deli zmanjšal.Ko se kontaktni tlak zmanjša do določene mere, se kontaktni upor močno poveča in na koncu povzroči slab električni kontakt, kar povzroči okvaro kontakta.
Po drugi strani pa bo električni konektor med skladiščenjem, transportom in delom podvržen različnim vibracijskim obremenitvam in udarnim silam, ko bo frekvenca vzbujanja zunanje vibracijske obremenitve in električni konektorji blizu inherentne frekvence povzročila resonanco električnega konektorja pojav, ki povzroči, da se vrzel med kontaktnimi kosi poveča, vrzel se do določene mere poveča, kontaktni tlak bo v trenutku izginil, kar ima za posledico "takojšnji prekinitev" električnega kontakta.Pri vibracijah, udarni obremenitvi bo električni konektor ustvaril notranjo napetost, ko bo napetost presegla mejo tečenja materiala, povzročila materialno škodo in zlom;v vlogi tega dolgotrajnega stresa se bo material pojavil tudi zaradi utrujenosti in na koncu povzročil okvaro.
2) Rele
Elektromagnetni releji so na splošno sestavljeni iz jeder, tuljav, armatur, kontaktov, jezičkov itd.Dokler je na obeh koncih tuljave dodana določena napetost, bo v tuljavi tekel določen tok, kar bo povzročilo elektromagnetni učinek, armatura bo premagala elektromagnetno silo privlačnosti, da se vrne k vzmetnemu vlečenju k jedru, kar po drugi strani zapre gibljive kontakte armature in statične kontakte (normalno odprte kontakte).Ko je tuljava izklopljena, tudi elektromagnetna sesalna sila izgine, armatura se pod reakcijsko silo vzmeti vrne v prvotni položaj, tako da se premikajoči kontakt in prvotni statični kontakt (normalno zaprt kontakt) sesata.To sesanje in sproščanje, s čimer se doseže namen prevodnosti in odreza v tokokrogu.
Glavni načini splošne okvare elektromagnetnih relejev so: rele normalno odprt, rele normalno zaprt, rele dinamično vzmetno delovanje ne izpolnjuje zahtev, zapiranje kontaktov po električnih parametrih releja presega slabe.Zaradi pomanjkanja proizvodnega procesa elektromagnetnega releja je veliko napak elektromagnetnega releja v proizvodnem procesu pri določanju kakovosti skritih nevarnosti, kot je obdobje razbremenitve mehanskih napetosti, prekratko, kar povzroči mehansko strukturo po deformaciji delov za oblikovanje, odstranitev ostankov ni izčrpana zaradi česar je test PIND neuspešen ali celo neuspešen, tovarniško testiranje in uporaba presejanja nista stroga, tako da neuspeh naprave v uporabi itd. Udarno okolje bo verjetno povzročilo plastično deformacijo kovinskih kontaktov, kar bo povzročilo okvaro releja.Pri načrtovanju opreme, ki vsebuje releje, se je treba osredotočiti na prilagodljivost okolja vpliva, ki ga je treba upoštevati.
2.2 Polprevodniške mikrovalovne komponente
Mikrovalovne polprevodniške naprave so komponente iz sestavljenih polprevodniških materialov Ge, Si in III ~ V, ki delujejo v mikrovalovnem pasu.Uporabljajo se v elektronski opremi, kot so radarji, sistemi za elektronsko bojevanje in mikrovalovni komunikacijski sistemi.Embalaža mikrovalovne diskretne naprave mora poleg zagotavljanja električnih povezav ter mehanske in kemične zaščite za jedro in nožice pri načrtovanju in izbiri ohišja upoštevati tudi vpliv parazitskih parametrov ohišja na lastnosti prenosa mikrovalov v napravi.Del vezja je tudi ohišje mikrovalovne pečice, ki samo sestavlja celotno vhodno in izhodno vezje.Zato se morajo oblika in struktura ohišja, velikost, dielektrični material, konfiguracija prevodnika itd. ujemati z mikrovalovnimi značilnostmi komponent in vidiki uporabe vezja.Ti dejavniki določajo parametre, kot so kapacitivnost, električni upor vodnika, karakteristična impedanca ter prevodniške in dielektrične izgube ohišja cevi.
Okoljsko pomembni načini odpovedi in mehanizmi mikrovalovnih polprevodniških komponent vključujejo predvsem ponor kovinskih vrat in degradacijo uporovnih lastnosti.Pogrezanje kovine vrat je posledica termično pospešene difuzije kovine vrat (Au) v GaAs, zato se ta mehanizem odpovedi pojavi predvsem med pospešenimi preskusi življenjske dobe ali delovanjem pri izjemno visokih temperaturah.Hitrost difuzije kovine vrat (Au) v GaAs je funkcija difuzijskega koeficienta materiala kovine vrat, temperature in gradienta koncentracije materiala.Za popolno mrežno strukturo na delovanje naprave ne vpliva zelo počasna stopnja difuzije pri normalnih delovnih temperaturah, vendar pa je lahko stopnja difuzije pomembna, če so meje delcev velike ali je veliko površinskih napak.Upori se običajno uporabljajo v mikrovalovnih monolitnih integriranih vezjih za povratna vezja, nastavitev točke pristranskosti aktivnih naprav, izolacijo, sintezo moči ali konec sklopitve, obstajata dve strukturi upora: upornost kovinskega filma (TaN, NiCr) in rahlo dopiran GaAs odpornost na tanko plast.Testi kažejo, da je degradacija odpornosti na NiCr, ki jo povzroča vlaga, glavni mehanizem njegove okvare.
2.3 Hibridna integrirana vezja
Tradicionalna hibridna integrirana vezja so glede na površino podlage debelega filmskega vodilnega traku postopek tankoslojnega vodilnega traku razdeljeni v dve kategoriji debeloplastnih hibridnih integriranih vezij in tankoslojnih hibridnih integriranih vezij: nekatera majhna tiskana vezja (PCB), vezje, ker je tiskano vezje v obliki filma na ravni površini plošče, da tvori prevodni vzorec, uvrščen tudi med hibridna integrirana vezja.S pojavom komponent z več čipi je to napredno hibridno integrirano vezje, njegova edinstvena večslojna struktura ožičenja substrata in procesna tehnologija skozi luknje omogočila, da so komponente postale hibridno integrirano vezje v strukturi medsebojnih povezav visoke gostote, ki je sinonim za uporabljeni substrat. v komponentah z več čipi in vključujejo: tankoslojni večplastni, debeloplastni večplastni, visokotemperaturni sosežig, nizkotemperaturni sosežig, na osnovi silicija, PCB večplastni substrat itd.
Načini okvare hibridnega integriranega vezja zaradi okoljskih obremenitev v glavnem vključujejo okvaro električnega odprtega tokokroga, ki jo povzroči razpokanje podlage in okvara varjenja med komponentami in debeloslojnimi prevodniki, komponentami in tankoplastnimi prevodniki, podlago in ohišjem.Mehanski vpliv zaradi padca izdelka, toplotni šok zaradi spajkanja, dodatna obremenitev zaradi neenakomernosti zvitosti podlage, bočna natezna napetost zaradi toplotnega neskladja med podlago in kovinskim ohišjem ter veznim materialom, mehanska obremenitev ali koncentracija toplotne obremenitve zaradi notranjih napak podlage, možna poškodba lokalne mikro razpoke, ki jih povzročajo vrtanje in rezanje substrata, sčasoma povzročijo zunanjo mehansko obremenitev, ki je večja od inherentne mehanske trdnosti keramične podlage, kar je posledica okvare.
Spajkalne strukture so dovzetne za ponavljajoče se temperaturne ciklične obremenitve, kar lahko povzroči toplotno utrujenost spajkalne plasti, kar ima za posledico zmanjšano trdnost lepljenja in povečano toplotno odpornost.Za razred duktilne spajke na osnovi kositra vloga temperaturnega cikličnega stresa vodi do toplotne utrujenosti spajkalne plasti, ker je koeficient toplotnega raztezanja dveh struktur, povezanih s spajko, nedosleden, je deformacija premika spajke ali strižna deformacija, po večkratnem širjenju in razširitvi spajkalne plasti zaradi utrujenosti razpoke, ki sčasoma vodi do utrujenosti odpovedi spajkalne plasti.
2.4 Diskretne naprave in integrirana vezja
Polprevodniške diskretne naprave so po širokih kategorijah razdeljene na diode, bipolarne tranzistorje, MOS elektronke z učinkom polja, tiristorje in bipolarne tranzistorje z izoliranimi vrati.Integrirana vezja imajo široko paleto aplikacij in jih lahko razdelimo v tri kategorije glede na njihove funkcije, in sicer digitalna integrirana vezja, analogna integrirana vezja in mešana digitalno-analogna integrirana vezja.
1) Diskretne naprave
Diskretne naprave so različnih vrst in imajo svojo specifičnost zaradi različnih funkcij in procesov, s precejšnjimi razlikami v delovanju pri okvari.Ker pa so osnovne naprave, ki jih tvorijo polprevodniški procesi, obstajajo nekatere podobnosti v njihovi fiziki okvar.Glavne okvare, povezane z zunanjo mehaniko in naravnim okoljem, so toplotna okvara, dinamični plaz, okvara pri spajkanju čipov in okvara notranje povezave svinca.
Toplotna okvara: Toplotna ali sekundarna okvara je glavni mehanizem odpovedi, ki vpliva na močnostne polprevodniške komponente, večina poškodb med uporabo pa je povezana s pojavom sekundarne razgradnje.Sekundarna razčlenitev je razdeljena na sekundarno razčlenitev s prednapetostjo in sekundarno razčlenitev z vzvratno pristranskostjo.Prvo je v glavnem povezano z lastnimi toplotnimi lastnostmi naprave, kot so koncentracija dopinga naprave, intrinzična koncentracija itd., medtem ko je drugo povezano z lavinskim množenjem nosilcev v območju prostorskega naboja (na primer v bližini zbiralnika), tako ki jih vedno spremlja koncentracija toka znotraj naprave.Pri uporabi takšnih komponent je treba posebno pozornost nameniti toplotni zaščiti in odvajanju toplote.
Dinamični plaz: med dinamičnim izklopom zaradi zunanjih ali notranjih sil, tokovno nadzorovan fenomen trkovne ionizacije, ki se pojavi znotraj naprave pod vplivom koncentracije prostih nosilcev, povzroči dinamični plaz, ki se lahko pojavi v bipolarnih napravah, diodah in IGBT.
Napaka pri spajkanju čipa: glavni razlog je, da sta čip in spajka različna materiala z različnimi koeficienti toplotnega raztezanja, zato pri visokih temperaturah pride do toplotnega neskladja.Poleg tega prisotnost spajkalnih praznin poveča toplotno odpornost naprave, poslabša odvajanje toplote in tvori vroče točke na lokalnem območju, zviša temperaturo spoja in povzroči okvare, povezane s temperaturo, kot je elektromigracija.
Notranja napaka pri povezovanju svinca: predvsem korozijska okvara na mestu spajanja, ki jo sproži korozija aluminija, ki jo povzroči delovanje vodne pare, klorovih elementov itd. v vročem in vlažnem okolju solnega pršila.Utrujen lom aluminijastih povezovalnih vodnikov zaradi temperaturnega cikla ali vibracij.IGBT v ohišju modula je velike velikosti in če je nameščen na nepravilen način, je zelo enostavno povzročiti koncentracijo napetosti, kar povzroči zlom zaradi utrujenosti notranjih vodnikov modula.
2) Integrirano vezje
Mehanizem odpovedi integriranih vezij in uporaba okolja ima odlično povezavo, vlaga v vlažnem okolju, poškodbe, ki jih povzroča statična elektrika ali električni udari, previsoka uporaba besedila in uporaba integriranih vezij v okolju brez sevanja. uporovna ojačitev lahko povzroči tudi okvaro naprave.
Vmesniški učinki, povezani z aluminijem: V elektronskih napravah z materiali na osnovi silicija se široko uporablja plast SiO2 kot dielektrični film, aluminij pa se pogosto uporablja kot material za medsebojne povezave, SiO2 in aluminij pri visokih temperaturah bosta kemična reakcija, tako da plast aluminija postane tanka, če je plast SiO2 osiromašena zaradi reakcijske porabe, povzroči neposreden stik med aluminijem in silicijem.Poleg tega bosta zlata svinčena žica in aluminijasta povezovalna linija ali aluminijasta vezna žica ter povezava pozlačene svinčene žice ohišja cevi ustvarila stik vmesnika Au-Al.Zaradi različnega kemičnega potenciala teh dveh kovin bo po dolgotrajni uporabi ali shranjevanju pri visokih temperaturah nad 200 ℃ nastala vrsta intermetalnih spojin, zaradi česar so njihove konstante mreže in koeficienti toplotnega raztezanja različni, v vezni točki znotraj velika napetost, postane prevodnost majhna.
Metalizirana korozija: Aluminijasta povezovalna linija na čipu je dovzetna za korozijo zaradi vodne pare v vročem in vlažnem okolju.Zaradi nizke cene in enostavne masovne proizvodnje je veliko integriranih vezij zavitih v smolo, vendar lahko vodna para prehaja skozi smolo, da doseže aluminijaste povezave, nečistoče, ki jih prinese od zunaj ali raztopljene v smoli, delujejo s kovinskim aluminijem in povzročijo korozija aluminijastih povezav.
Učinek razslojevanja, ki ga povzroča vodna para: plastični IC je integrirano vezje, zapakirano s plastiko in drugimi smolnimi polimernimi materiali, poleg učinka razslojevanja med plastičnim materialom ter kovinskim okvirjem in čipom (splošno znan kot učinek "pokovke") ker ima smolni material značilnosti adsorpcije vodne pare, bo učinek delaminacije, ki ga povzroči adsorpcija vodne pare, prav tako povzročil okvaro naprave..Mehanizem okvare je hitro širjenje vode v plastičnem tesnilnem materialu pri visokih temperaturah, tako da ločitev med plastiko in njeno pritrditvijo drugih materialov, v resnih primerih pa bo plastično tesnilno telo počilo.
2.5 Kapacitivne uporovne komponente
1) Upori
Običajne nenavitne upore lahko razdelimo na štiri vrste glede na različne materiale, uporabljene v ohišju upora, in sicer vrsto zlitine, vrsto filma, vrsto debelega filma in sintetično vrsto.Pri stalnih uporih so glavni načini odpovedi odprt tokokrog, premik električnih parametrov itd.;medtem ko so pri potenciometrih glavni načini okvare odprto vezje, odmik električnih parametrov, povečanje hrupa itd. Uporabno okolje bo povzročilo tudi staranje upora, kar ima velik vpliv na življenjsko dobo elektronske opreme.
Oksidacija: Oksidacija telesa upora bo povečala vrednost upora in je najpomembnejši dejavnik, ki povzroča staranje upora.Razen ohišij uporov iz plemenitih kovin in zlitin bo kisik v zraku poškodoval vse druge materiale.Oksidacija je dolgoročni učinek in ko se vpliv drugih dejavnikov postopoma zmanjša, bo oksidacija postala glavni dejavnik, visoka temperatura in visoka vlažnost pa bosta pospešila oksidacijo uporov.Za precizne upore in upore z visoko vrednostjo upora je temeljni ukrep za preprečevanje oksidacije tesnilna zaščita.Tesnilni materiali morajo biti anorganski materiali, kot so kovina, keramika, steklo itd. Organska zaščitna plast ne more popolnoma preprečiti prepustnosti vlage in zraka in ima lahko le zakasnitveno vlogo pri oksidaciji in adsorpciji.
Staranje veziva: Pri organskih sintetičnih uporih je staranje organskega veziva glavni dejavnik, ki vpliva na stabilnost upora.Organsko vezivo je predvsem sintetična smola, ki se s toplotno obdelavo med proizvodnim postopkom upora pretvori v visoko polimeriziran termoreaktiven polimer.Glavni dejavnik, ki povzroča staranje polimera, je oksidacija.Prosti radikali, ki nastanejo pri oksidaciji, povzročijo zvijanje molekularnih vezi polimera, kar dodatno strdi polimer in ga naredi krhkega, kar povzroči izgubo elastičnosti in mehanske poškodbe.Strjevanje veziva povzroči, da se upor prostorninsko skrči, poveča se kontaktni tlak med prevodnimi delci in zmanjša kontaktni upor, kar ima za posledico zmanjšanje upora, mehanske poškodbe veziva pa tudi povečajo upor.Običajno se vezivo strdi prej, mehanske poškodbe se pojavijo pozneje, tako da vrednost upora organskih sintetičnih uporov kaže naslednji vzorec: nekaj upada na začetku stopnje, nato se spremeni v povečanje in obstaja trend naraščanja.Ker je staranje polimerov tesno povezano s temperaturo in svetlobo, bodo sintetični upori pospešili staranje v okolju z visoko temperaturo in izpostavljenostjo močni svetlobi.
Staranje pod električno obremenitvijo: Obremenitev upora bo pospešila proces staranja.Pod enosmerno obremenitvijo lahko elektrolitsko delovanje poškoduje tankoslojne upore.Med režami upora z režami pride do elektrolize in če je substrat upora keramični ali stekleni material, ki vsebuje ione alkalijskih kovin, se ioni premikajo pod delovanjem električnega polja med režami.V vlažnem okolju ta proces poteka bolj burno.
2) Kondenzatorji
Načini okvare kondenzatorjev so kratek stik, odprt tokokrog, poslabšanje električnih parametrov (vključno s spremembo kapacitete, povečanjem tangente izgubnega kota in zmanjšanjem izolacijskega upora), uhajanje tekočine in zlom zaradi korozije svinca.
Kratek stik: Leteči lok na robu med poli pri visoki temperaturi in nizkem zračnem tlaku bo povzročil kratek stik kondenzatorjev, poleg tega bo mehanska obremenitev, kot je zunanji udar, povzročila tudi prehodni kratek stik dielektrika.
Odprto vezje: Oksidacija svinčenih žic in elektrodnih kontaktov zaradi vlažnega in vročega okolja, kar povzroči nedostopnost nizke ravni in korozijski zlom svinčene folije anode.
Degradacija električnih parametrov: Degradacija električnih parametrov zaradi vpliva vlažnega okolja.
2.6 Vezje na ravni plošče
Tiskano vezje je v glavnem sestavljeno iz izolacijskega substrata, kovinskega ožičenja in povezovalnih različnih plasti žic, "blazinic" za spajkalne komponente.Njegova glavna vloga je zagotoviti nosilec za elektronske komponente ter igrati vlogo električnih in mehanskih povezav.
Način okvare plošče s tiskanim vezjem vključuje predvsem slabo spajkanje, odprt in kratek stik, mehurje, počeno razslojevanje plošče, korozijo ali razbarvanje površine plošče, upogibanje plošče
Čas objave: 21. novembra 2022