În această lucrare, sunt studiate modurile de defecțiune și mecanismele de defecțiune ale componentelor electronice, iar mediile lor sensibile sunt date pentru a oferi o referință pentru proiectarea produselor electronice.
1. Moduri tipice de defectare a componentelor
Număr de serie
Denumirea componentei electronice
Moduri de defecțiune legate de mediu
Stresul mediului
1. Componente electromecanice
Vibrațiile provoacă ruperea prin oboseală a bobinelor și slăbirea cablurilor.
Vibrații, șoc
2. Dispozitive cu microunde semiconductoare
Socul de temperatură și temperatură ridicată duc la delaminarea la interfața dintre materialul ambalajului și cip și între materialul ambalajului și interfața suportului de cip a monolitului cu microunde sigilat cu plastic.
Temperatură ridicată, șoc de temperatură
3. Circuite integrate hibride
Șocul duce la crăparea substratului ceramic, șocul de temperatură duce la crăparea electrodului la capătul condensatorului, iar ciclul de temperatură duce la defectarea lipirii.
Șoc, ciclu de temperatură
4. Dispozitive discrete și circuite integrate
Defalcare termică, eșec la lipirea așchiilor, eșecul lipirii interioare a plumbului, șoc care duce la ruperea stratului de pasivare.
Temperatură ridicată, șoc, vibrații
5. Componente rezistive
Ruperea substratului miezului, ruperea filmului rezistiv, ruperea plumbului
Șoc, temperatură ridicată și scăzută
6. Circuit la nivel de placă
Îmbinări de lipire crăpate, găuri de cupru fracturate.
Temperatura ridicata
7. Aspirator electric
Ruptura de oboseală a firului fierbinte.
Vibrație
2, analiza mecanismului tipic de defecțiune a componentelor
Modul de defecțiune al componentelor electronice nu este un singur, ci doar o parte reprezentativă a componentelor tipice de analiză sensibilă a limitei de toleranță a mediului, pentru a obține o concluzie mai generală.
2.1 Componente electromecanice
Componentele electromecanice tipice includ conectori electrici, relee etc. Modurile de defectare sunt analizate în profunzime cu structura celor două tipuri de componente, respectiv.
1) Conectori electrici
Conector electric de carcasa, izolatorul și corpul de contact al celor trei unități de bază, modul de defecțiune este rezumat în defecțiunea contactului, defectarea izolației și defecțiunea mecanică a celor trei forme de defecțiune.Principala formă de defecțiune a conectorului electric pentru defectarea contactului, eșecul performanței acestuia: contactul la rupere instantanee și rezistența de contact crește.Pentru conectorii electrici, datorită existenței rezistenței de contact și a rezistenței conductorului materialului, atunci când există un flux de curent prin conectorul electric, rezistența de contact și rezistența conductorului materialului metalic vor genera căldură Joule, căldura Joule va crește căldura, rezultând o creștere a temperatura punctului de contact, temperatura prea mare a punctului de contact va face ca suprafața de contact a metalului să se înmoaie, să se topească sau chiar să fiarbă, dar și să crească rezistența de contact, declanșând astfel eșecul contactului..În rolul mediului de temperatură ridicată, părțile de contact vor apărea și un fenomen de fluaj, ceea ce face ca presiunea de contact între părțile de contact să scadă.Când presiunea de contact este redusă într-o anumită măsură, rezistența de contact va crește brusc și, în cele din urmă, va cauza un contact electric slab, ducând la defectarea contactului.
Pe de altă parte, conectorul electric în depozitare, transport și lucru va fi supus unei varietăți de sarcini de vibrație și forțe de impact, atunci când frecvența de excitare a sarcinii vibraționale externe și conectorii electrici aproape de frecvența inerentă, vor face rezonanța conectorului electric. fenomen, rezultând în spațiul dintre piesele de contact să devină mai mare, decalajul crește într-o anumită măsură, presiunea de contact va dispărea instantaneu, ducând la contactul electric „rupere instantanee”.La vibrații, sarcina de șoc, conectorul electric va genera stres intern, atunci când stresul depășește limita de curgere a materialului, va produce deteriorarea materialului și fractura;în rolul acestui stres pe termen lung, materialul va apărea, de asemenea, daune prin oboseală și, în cele din urmă, va provoca eșec.
2) Releu
Releele electromagnetice sunt în general compuse din miezuri, bobine, armături, contacte, lamele și așa mai departe.Atâta timp cât se adaugă o anumită tensiune la ambele capete ale bobinei, un anumit curent va curge în bobină, producând astfel un efect electromagnetic, armătura va depăși forța electromagnetică de atracție pentru a reveni la tracțiunea arcului către miez, care la rândul său, antrenează contactele mobile ale armăturii și contactele statice (contacte în mod normal deschise) să se închidă.Când bobina este oprită, forța de aspirație electromagnetică dispare, de asemenea, armătura va reveni la poziția inițială sub forța de reacție a arcului, astfel încât contactul în mișcare și contactul static original (contact normal închis) aspira.Această aspirație și eliberare, atingând astfel scopul de conducție și întrerupt în circuit.
Principalele moduri de defecțiune generală a releelor electromagnetice sunt: releul normal deschis, releul normal închis, acțiunea dinamică a arcului releului nu îndeplinește cerințele, închiderea contactului după ce parametrii electrici releului depășesc cei slabi.Datorită lipsei procesului de producție a releului electromagnetic, multe eșecuri ale releului electromagnetic în procesul de producție pentru a stabili calitatea pericolelor ascunse, cum ar fi perioada de reducere a stresului mecanic, este prea scurtă, ceea ce duce la structura mecanică după deformarea pieselor de turnare, îndepărtarea reziduurilor nu este epuizată rezultând în testul PIND eșuat sau chiar eșec, testarea din fabrică și utilizarea ecranului nu este strictă, astfel încât eșecul dispozitivului în utilizare, etc. Mediul de impact este probabil să provoace deformarea plastică a contactelor metalice, ducând la defectarea releului.În proiectarea echipamentelor care conțin relee, este necesar să ne concentrăm pe adaptabilitatea mediului de impact de luat în considerare.
2.2 Componente semiconductoare pentru microunde
Dispozitivele semiconductoare cu microunde sunt componente realizate din materiale semiconductoare compuse Ge, Si și III ~ V care funcționează în banda de microunde.Ele sunt utilizate în echipamente electronice, cum ar fi radare, sisteme de război electronic și sisteme de comunicații cu microunde.Ambalajul dispozitivului discret cu microunde, pe lângă furnizarea de conexiuni electrice și protecție mecanică și chimică pentru miez și pini, proiectarea și selectarea carcasei ar trebui să ia în considerare și impactul parametrilor paraziți ai carcasei asupra caracteristicilor de transmisie cu microunde ale dispozitivului.Carcasa cuptorului cu microunde este, de asemenea, o parte a circuitului, care el însuși constituie un circuit complet de intrare și ieșire.Prin urmare, forma și structura carcasei, dimensiunea, materialul dielectric, configurația conductorului etc. ar trebui să se potrivească cu caracteristicile de microunde ale componentelor și cu aspectele de aplicare a circuitului.Acești factori determină parametri cum ar fi capacitatea, rezistența conductorului electric, impedanța caracteristică și pierderile conductoare și dielectrice ale carcasei tubului.
Modurile și mecanismele de defectare relevante pentru mediu ale componentelor semiconductoarelor cu microunde includ în principal chiuveta metalică și degradarea proprietăților rezistive.Chiuveta de metal de poartă se datorează difuziei accelerate termic a metalului de poartă (Au) în GaAs, astfel încât acest mecanism de defecțiune apare în principal în timpul testelor de viață accelerată sau a funcționării la temperaturi extrem de ridicate.Viteza de difuzie a metalului de poartă (Au) în GaAs este o funcție a coeficientului de difuzie a materialului de poartă, a temperaturii și a gradientului de concentrație a materialului.Pentru o structură perfectă a rețelei, performanța dispozitivului nu este afectată de o rată de difuzie foarte lentă la temperaturi normale de funcționare, cu toate acestea, rata de difuzie poate fi semnificativă atunci când limitele particulelor sunt mari sau există multe defecte de suprafață.Rezistoarele sunt utilizate în mod obișnuit în circuitele integrate monolitice cu microunde pentru circuitele de feedback, stabilirea punctului de polarizare al dispozitivelor active, izolarea, sinteza puterii sau sfârșitul cuplarii, există două structuri de rezistență: rezistența filmului metalic (TaN, NiCr) și GaAs ușor dopat. rezistență la strat subțire.Testele arată că degradarea rezistenței NiCr cauzată de umiditate este principalul mecanism al eșecului acestuia.
2.3 Circuite integrate hibride
Circuite integrate hibride tradiționale, în funcție de suprafața substratului benzii de ghidare a filmului gros, procesul de bandă de ghidare a filmului subțire este împărțit în două categorii de circuite integrate hibride cu peliculă groasă și circuite integrate hibride cu film subțire: anumite circuite mici de placă de circuit imprimat (PCB), datorită circuitului imprimat este sub formă de film în suprafața plăcii plate pentru a forma un model conductiv, clasificat și ca circuite integrate hibride.Odată cu apariția componentelor cu mai multe cipuri, acest circuit integrat hibrid avansat, structura sa unică de cablare multistrat și tehnologia de proces prin orificiu traversant, a făcut ca componentele să devină un circuit integrat hibrid într-o structură de interconectare de înaltă densitate, sinonimă cu substratul utilizat. în componente multicip și includ: film subțire multistrat, film gros multistrat, co-ars la temperatură înaltă, co-ars la temperatură joasă, pe bază de siliciu, substrat multistrat PCB etc.
Modurile de defectare a stresului de mediu al circuitului integrat hibrid includ în principal defecțiunea circuitului deschis electric cauzată de fisurarea substratului și defecțiunea de sudare între componente și conductorii de film gros, componente și conductorii de film subțire, substrat și carcasă.Impact mecanic de la căderea produsului, șoc termic din operațiunea de lipire, tensiuni suplimentare cauzate de neuniformitatea deformarii substratului, tensiuni laterale de tracțiune din nepotrivirea termică dintre substrat și carcasa metalică și materialul de lipire, tensiuni mecanice sau concentrație de tensiuni termice cauzate de defecte interne ale substratului, potenţiale daune cauzate de găurirea substratului și de tăierea substratului micro fisurilor locale, duc în cele din urmă la o solicitare mecanică externă mai mare decât rezistența mecanică inerentă a substratului ceramic care Rezultatul este eșecul.
Structurile de lipit sunt susceptibile la tensiuni repetate de cicluri de temperatură, care pot duce la oboseala termică a stratului de lipit, rezultând o rezistență redusă a lipirii și o rezistență termică crescută.Pentru clasa de lipire ductilă pe bază de staniu, rolul tensiunii ciclice de temperatură duce la oboseala termică a stratului de lipit se datorează coeficientului de dilatare termică a celor două structuri conectate prin lipire este inconsecvent, este deformarea deplasării lipiturii sau deformarea prin forfecare, după ce în mod repetat, stratul de lipit cu expansiune fisura oboseală și extindere, ducând în cele din urmă la eșecul la oboseală a stratului de lipit.
2.4 Dispozitive discrete și circuite integrate
Dispozitivele discrete semiconductoare sunt împărțite în diode, tranzistoare bipolare, tuburi cu efect de câmp MOS, tiristoare și tranzistoare bipolare cu poartă izolată pe categorii largi.Circuitele integrate au o gamă largă de aplicații și pot fi împărțite în trei categorii în funcție de funcțiile lor, și anume circuite integrate digitale, circuite integrate analogice și circuite integrate mixte digital-analogic.
1) Dispozitive discrete
Dispozitivele discrete sunt de diferite tipuri și au propria lor specificitate datorită diferitelor funcții și procese, cu diferențe semnificative în performanța la defecțiuni.Cu toate acestea, ca dispozitive de bază formate prin procese semiconductoare, există anumite asemănări în fizica eșecului lor.Principalele defecțiuni legate de mecanica externă și de mediul natural sunt defectarea termică, avalanșa dinamică, defecțiunea de lipire a așchiilor și defecțiunea lipirii interne a plumbului.
Defalcare termică: Defecțiunea termică sau defecțiunea secundară este principalul mecanism de defecțiune care afectează componentele de putere semiconductoare, iar cea mai mare parte a daunelor în timpul utilizării este legată de fenomenul de defecțiune secundară.Defalcarea secundară este împărțită în defalcare secundară directă și defalcare secundară inversă.Prima este legată în principal de proprietățile termice proprii ale dispozitivului, cum ar fi concentrația de dopaj a dispozitivului, concentrația intrinsecă etc., în timp ce cea din urmă este legată de multiplicarea în avalanșă a purtătorilor din regiunea de încărcare spațială (cum ar fi lângă colector), atât dintre care sunt întotdeauna însoțite de concentrația de curent în interiorul dispozitivului.La aplicarea unor astfel de componente, trebuie acordată o atenție deosebită protecției termice și disipării căldurii.
Avalanșă dinamică: În timpul opririi dinamice din cauza forțelor externe sau interne, fenomenul de ionizare de coliziune controlat de curent care are loc în interiorul dispozitivului influențat de concentrația purtătorului liber provoacă o avalanșă dinamică, care poate apărea în dispozitivele bipolare, diode și IGBT.
Eșecul lipirii cipului: motivul principal este că cipul și lipirea sunt materiale diferite cu coeficienți diferiți de dilatare termică, deci există o nepotrivire termică la temperaturi ridicate.În plus, prezența golurilor de lipire crește rezistența termică a dispozitivului, înrăutățind disiparea căldurii și formând puncte fierbinți în zona locală, crescând temperatura joncțiunii și provocând defecțiuni legate de temperatură, cum ar fi electromigrarea.
Defecțiune interioară a legăturii plumbului: defecțiunea în principal la coroziune la punctul de lipire, declanșată de coroziunea aluminiului cauzată de acțiunea vaporilor de apă, a elementelor de clor etc. într-un mediu de pulverizare de sare fierbinte și umed.Ruptura prin oboseală a cablurilor de legătură din aluminiu cauzată de ciclul de temperatură sau vibrații.Pachetul IGBT din modul are dimensiuni mari, iar dacă este instalat într-un mod necorespunzător, este foarte ușor să provoace concentrarea tensiunilor, rezultând ruperea prin oboseală a cablurilor interne ale modulului.
2) Circuit integrat
Mecanismul de defectare a circuitelor integrate și utilizarea mediului are o relație excelentă, umiditatea într-un mediu umed, daune generate de electricitatea statică sau supratensiuni electrice, utilizarea prea mare a textului și utilizarea circuitelor integrate într-un mediu cu radiații fără radiații întărirea rezistenței poate provoca, de asemenea, defecțiunea dispozitivului.
Efecte de interfață legate de aluminiu: În dispozitivele electronice cu materiale pe bază de siliciu, stratul de SiO2 ca film dielectric este utilizat pe scară largă, iar aluminiul este adesea folosit ca material pentru liniile de interconectare, SiO2 și aluminiul la temperaturi ridicate vor fi o reacție chimică, astfel încât stratul de aluminiu devine subțire, dacă stratul de SiO2 este epuizat din cauza consumului de reacție, va provoca contact direct între aluminiu și siliciu.În plus, firul de plumb de aur și linia de interconectare din aluminiu sau firul de legătură din aluminiu și legarea firului de plumb placat cu aur al carcasei tubului va produce un contact de interfață Au-Al.Datorită potențialului chimic diferit al acestor două metale, după utilizarea pe termen lung sau depozitarea la temperaturi ridicate de peste 200 ℃ se vor produce o varietate de compuși intermetalici și, datorită constantelor lor retice și coeficienții de dilatare termică sunt diferiți, în punctul de legătură din la un stres mare, conductivitatea devine mică.
Coroziune prin metalizare: Linia de conectare din aluminiu de pe cip este susceptibilă la coroziune cu vaporii de apă într-un mediu cald și umed.Datorită compensației de preț și a producției în masă ușoare, multe circuite integrate sunt încapsulate cu rășină, totuși, vaporii de apă pot trece prin rășină pentru a ajunge la interconexiunile din aluminiu, iar impuritățile aduse din exterior sau dizolvate în rășină acționează cu aluminiul metalic pentru a provoca coroziunea interconexiunilor din aluminiu.
Efectul de delaminare cauzat de vaporii de apă: plastic IC este circuitul integrat încapsulat cu plastic și alte materiale polimerice rășini, în plus față de efectul de delaminare dintre materialul plastic și cadrul metalic și cip (cunoscut în mod obișnuit ca efectul „floricele de porumb”). deoarece materialul de rășină are caracteristicile de adsorbție a vaporilor de apă, efectul de delaminare cauzat de adsorbția vaporilor de apă va provoca, de asemenea, defectarea dispozitivului..Mecanismul de eșec este expansiunea rapidă a apei în materialul de etanșare din plastic la temperaturi ridicate, astfel încât separarea dintre plastic și atașarea sa de alte materiale și, în cazuri grave, corpul de etanșare din plastic va sparge.
2.5 Componente rezistive capacitive
1) Rezistoare
Rezistoarele comune fără înfășurare pot fi împărțite în patru tipuri în funcție de diferitele materiale utilizate în corpul rezistenței, și anume tipul de aliaj, tipul filmului, tipul filmului gros și tipul sintetic.Pentru rezistențele fixe, principalele moduri de defecțiune sunt circuit deschis, deriva parametrilor electrici etc.;în timp ce pentru potențiometre, principalele moduri de defecțiune sunt circuit deschis, deriva parametrilor electrici, creșterea zgomotului etc. Mediul de utilizare va duce, de asemenea, la îmbătrânirea rezistenței, ceea ce are un impact mare asupra duratei de viață a echipamentelor electronice.
Oxidare: Oxidarea corpului rezistenței va crește valoarea rezistenței și este cel mai important factor care cauzează îmbătrânirea rezistenței.Cu excepția corpurilor de rezistență din metale și aliaje prețioase, toate celelalte materiale vor fi deteriorate de oxigenul din aer.Oxidarea este un efect pe termen lung, iar atunci când influența altor factori se diminuează treptat, oxidarea va deveni factorul principal, iar mediile cu temperatură ridicată și umiditate ridicată vor accelera oxidarea rezistențelor.Pentru rezistențele de precizie și rezistențele cu valoare ridicată, măsura fundamentală pentru prevenirea oxidării este protecția de etanșare.Materialele de etanșare ar trebui să fie materiale anorganice, cum ar fi metalul, ceramica, sticlă etc. Stratul de protecție organic nu poate împiedica complet permeabilitatea la umiditate și permeabilitatea aerului și poate juca doar un rol de întârziere în oxidare și adsorbție.
Îmbătrânirea liantului: Pentru rezistențele sintetice organice, îmbătrânirea liantului organic este principalul factor care afectează stabilitatea rezistenței.Liantul organic este în principal o rășină sintetică, care este transformată într-un polimer termorigid foarte polimerizat prin tratament termic în timpul procesului de fabricație a rezistenței.Principalul factor care cauzează îmbătrânirea polimerului este oxidarea.Radicalii liberi generați de oxidare provoacă articularea legăturilor moleculare ale polimerului, care întărește și mai mult polimerul și îl face fragil, ducând la pierderea elasticității și deteriorarea mecanică.Întărirea liantului face ca rezistența să se micșoreze în volum, crescând presiunea de contact între particulele conductoare și scăzând rezistența de contact, rezultând o scădere a rezistenței, dar deteriorarea mecanică a liantului crește și rezistența.De obicei, întărirea liantului are loc înainte, deteriorarea mecanică are loc după, astfel încât valoarea rezistenței rezistențelor sintetice organice arată următorul model: un oarecare declin la începutul etapei, apoi se transformă în creștere și există o tendință de creștere.Deoarece îmbătrânirea polimerilor este strâns legată de temperatură și lumină, rezistențele sintetice vor accelera îmbătrânirea în condiții de temperatură ridicată și expunere puternică la lumină.
Îmbătrânirea sub sarcină electrică: Aplicarea unei sarcini la un rezistor va accelera procesul de îmbătrânire a acestuia.Sub sarcină DC, acțiunea electrolitică poate deteriora rezistențele de film subțire.Electroliza are loc între fantele unui rezistor cu fante, iar dacă substratul rezistenței este un material ceramic sau din sticlă care conține ioni de metale alcaline, ionii se mișcă sub acțiunea câmpului electric dintre fante.Într-un mediu umed, acest proces decurge mai violent.
2) Condensatoare
Modurile de defectare ale condensatoarelor sunt scurtcircuit, circuit deschis, degradarea parametrilor electrici (inclusiv modificarea capacității, creșterea tangentei unghiului de pierdere și scăderea rezistenței de izolație), scurgerea de lichid și ruperea coroziunii plumbului.
Scurtcircuit: Arcul de zbor de la marginea dintre poli la temperatură ridicată și presiune scăzută a aerului va duce la scurtcircuit al condensatorilor, în plus, stresul mecanic, cum ar fi șocul extern, va provoca, de asemenea, un scurtcircuit tranzitoriu al dielectricului.
Circuit deschis: Oxidarea firelor de plumb și a contactelor electrodului cauzată de mediul umed și fierbinte, rezultând inaccesibilitatea la nivel scăzut și ruperea coroziunii a foliei de plumb anod.
Degradarea parametrilor electrici: Degradarea parametrilor electrici datorita influentei mediului umed.
2.6 Circuite la nivel de placă
Placa de circuit imprimat este compusă în principal din substrat izolator, cabluri metalice și conectarea diferitelor straturi de fire, componente de lipire "tampoane".Rolul său principal este de a oferi un suport pentru componentele electronice și de a juca rolul de conexiuni electrice și mecanice.
Modul de defecțiune al plăcii de circuit imprimat include în principal lipire slabă, circuit deschis și scurtcircuit, bășici, delaminare a plăcii, coroziunea sau decolorarea suprafeței plăcii, îndoirea plăcii.
Ora postării: 21-nov-2022