Entorn sensible i mode de fallada dels components electrònics

En aquest article, s'estudien els modes de fallada i els mecanismes de fallada dels components electrònics i es donen els seus entorns sensibles per proporcionar alguna referència per al disseny de productes electrònics.
1. Modes de fallada dels components típics
Número de sèrie
Nom del component electrònic
Modes d'error relacionats amb el medi ambient
Estrès ambiental

1. Components electromecànics
La vibració provoca la ruptura per fatiga de les bobines i l'afluixament dels cables.
Vibració, xoc

2. Dispositius de microones semiconductors
L'alta temperatura i el xoc de temperatura condueixen a la delaminació a la interfície entre el material de l'envàs i el xip, i entre el material de l'envàs i la interfície del suport del xip del monòlit de microones segellat amb plàstic.
Alta temperatura, xoc de temperatura

3. Circuits integrats híbrids
El xoc condueix al trencament del substrat ceràmic, el xoc de temperatura condueix al trencament de l'elèctrode final del condensador i el cicle de temperatura condueix a una fallada de la soldadura.
Xoc, cicle de temperatura

4. Dispositius discrets i circuits integrats
Avaria tèrmica, fallada de soldadura de xips, fallada d'unió de plom interior, xoc que condueix a la ruptura de la capa de passivació.
Alta temperatura, xoc, vibració

5. Components resistius
Ruptura del substrat del nucli, ruptura de la pel·lícula resistiva, trencament del plom
Xoc, temperatura alta i baixa

6. Circuit a nivell de placa
Juntes de soldadura esquerdades, forats de coure fracturats.
Temperatura alta

7. Aspirador elèctric
Fractura per fatiga de fil calent.
Vibració
2, anàlisi típica del mecanisme de fallada dels components
El mode de fallada dels components electrònics no és un únic, només una part representativa de l'anàlisi del límit de tolerància ambiental sensible als components típics, per tal d'obtenir una conclusió més general.
2.1 Components electromecànics
Els components electromecànics típics inclouen connectors elèctrics, relés, etc. Els modes de fallada s'analitzen en profunditat amb l'estructura dels dos tipus de components respectivament.

1) Connectors elèctrics
Connector elèctric per la carcassa, l'aïllant i el cos de contacte de les tres unitats bàsiques, el mode de fallada es resumeix en fallada de contacte, fallada d'aïllament i fallada mecànica de les tres formes de fallada.La principal forma de fallada del connector elèctric per a la fallada de contacte, la fallada del seu rendiment: el contacte a la ruptura instantània i la resistència de contacte augmenta.Per als connectors elèctrics, a causa de l'existència de resistència de contacte i resistència del conductor del material, quan hi ha un flux de corrent a través del connector elèctric, la resistència de contacte i la resistència del conductor del material metàl·lic generaran calor Joule, la calor Joule augmentarà la calor, donant lloc a un augment de la calor. temperatura del punt de contacte, la temperatura del punt de contacte massa alta farà que la superfície de contacte del metall es suavitzi, es fongui o fins i tot bulli, però també augmentarà la resistència de contacte, provocant així una fallada de contacte..En el paper de l'entorn d'alta temperatura, les parts de contacte també apareixeran com a fenomen de fluència, fent que la pressió de contacte entre les parts de contacte disminueixi.Quan la pressió de contacte es redueix fins a cert punt, la resistència de contacte augmentarà bruscament i, finalment, provocarà un contacte elèctric deficient, donant lloc a una fallada de contacte.

D'altra banda, el connector elèctric en emmagatzematge, transport i treball estarà subjecte a una varietat de càrregues de vibració i forces d'impacte, quan la freqüència d'excitació de la càrrega de vibració externa i els connectors elèctrics propers a la freqüència inherent, faran que el connector elèctric ressoni. fenomen, el que fa que la bretxa entre les peces de contacte sigui més gran, la bretxa augmenta fins a cert punt, la pressió de contacte desapareixerà instantàniament, donant lloc a un contacte elèctric "ruptura instantània".En la vibració, la càrrega de xoc, el connector elèctric generarà estrès intern, quan l'estrès superi el límit de fluència del material, farà que el material es danyi i es fracturi;en el paper d'aquest estrès a llarg termini, el material també es produirà danys per fatiga i, finalment, provocarà fallades.

2) Relleu
Els relés electromagnètics es componen generalment de nuclis, bobines, armadures, contactes, canyes, etc.Sempre que s'afegeixi una determinada tensió als dos extrems de la bobina, un cert corrent fluirà a la bobina, produint així un efecte electromagnètic, l'armadura superarà la força d'atracció electromagnètica per tornar a la tracció de molla al nucli, que al seu torn impulsa els contactes mòbils de l'induït i els contactes estàtics (contactes normalment oberts) per tancar-se.Quan la bobina s'apaga, la força d'aspiració electromagnètica també desapareix, l'armadura tornarà a la posició original sota la força de reacció de la molla, de manera que el contacte mòbil i el contacte estàtic original (contacte normalment tancat) succionin.Aquesta succió i alliberament, aconseguint així el propòsit de conducció i tall en el circuit.
Els principals modes de fallada general dels relés electromagnètics són: el relé normalment obert, el relé normalment tancat, l'acció de la molla dinàmica del relé no compleix els requisits, el tancament del contacte després que els paràmetres elèctrics del relé superin els pobres.A causa de l'escassetat del procés de producció de relés electromagnètics, molts errors de relés electromagnètics en el procés de producció per establir la qualitat dels perills ocults, com ara el període d'alleujament de l'estrès mecànic, és massa curt, donant lloc a l'estructura mecànica després de la deformació de les peces de modelat, l'eliminació de residus no s'esgota. Com a resultat, la prova PIND ha fallat o fins i tot un fracàs, les proves de fàbrica i l'ús del cribratge no són estrictes, de manera que la fallada del dispositiu en ús, etc. És probable que l'entorn d'impacte provoqui una deformació plàstica dels contactes metàl·lics, donant lloc a una fallada del relé.En el disseny d'equips que contenen relés, cal centrar-se en l'adaptabilitat ambiental d'impacte a tenir en compte.

2.2 Components de microones semiconductors
Els dispositius semiconductors de microones són components fets de materials semiconductors compostos Ge, Si i III ~ V que operen a la banda de microones.S'utilitzen en equips electrònics com ara radars, sistemes de guerra electrònica i sistemes de comunicació per microones.L'embalatge de dispositius discrets de microones, a més de proporcionar connexions elèctriques i protecció mecànica i química per al nucli i els pins, el disseny i la selecció de la carcassa també han de tenir en compte l'impacte dels paràmetres paràsits de l'habitatge en les característiques de transmissió de microones del dispositiu.La carcassa del microones també forma part del circuit, que constitueix un circuit complet d'entrada i sortida.Per tant, la forma i l'estructura de la carcassa, la mida, el material dielèctric, la configuració del conductor, etc. han de coincidir amb les característiques de microones dels components i els aspectes d'aplicació del circuit.Aquests factors determinen paràmetres com ara la capacitat, la resistència del cable elèctric, la impedància característica i les pèrdues de conductor i dielèctric de la carcassa del tub.

Els modes i mecanismes de fallada ambientalment rellevants dels components de semiconductors de microones inclouen principalment la pica de metall de la porta i la degradació de les propietats resistives.L'aigüera metàl·lica de la porta es deu a la difusió tèrmicament accelerada del metall de la porta (Au) a GaAs, de manera que aquest mecanisme de fallada es produeix principalment durant les proves de vida accelerades o el funcionament a temperatura extremadament alta.La velocitat de difusió del metall de la porta (Au) en GaAs és una funció del coeficient de difusió del material del metall de la porta, la temperatura i el gradient de concentració del material.Per a una estructura de gelosia perfecta, el rendiment del dispositiu no es veu afectat per una velocitat de difusió molt lenta a temperatures normals de funcionament, però, la velocitat de difusió pot ser significativa quan els límits de partícules són grans o hi ha molts defectes superficials.Les resistències s'utilitzen habitualment en circuits integrats monolítics de microones per a circuits de retroalimentació, establint el punt de polarització dels dispositius actius, l'aïllament, la síntesi de potència o el final de l'acoblament, hi ha dues estructures de resistència: resistència de pel·lícula metàl·lica (TaN, NiCr) i GaAs lleugerament dopat. resistència de capa fina.Les proves mostren que la degradació de la resistència de NiCr causada per la humitat és el principal mecanisme de la seva fallada.

2.3 Circuits integrats híbrids
Circuits integrats híbrids tradicionals, segons la superfície del substrat de la cinta de guia de pel·lícula gruixuda, el procés de cinta de guia de pel·lícula fina es divideix en dues categories de circuits integrats híbrids de pel·lícula gruixuda i circuits integrats híbrids de pel·lícula fina: cert circuit de placa de circuit imprès petit (PCB), a causa del circuit imprès es troba en forma de pel·lícula a la superfície de la placa plana per formar un patró conductor, també classificat com a circuits integrats híbrids.Amb l'aparició de components multixip, aquest circuit integrat híbrid avançat, la seva estructura de cablejat multicapa única de substrat i la tecnologia de procés de forat passant, ha fet que els components es converteixin en un circuit integrat híbrid en una estructura d'interconnexió d'alta densitat sinònim del substrat utilitzat. en components multixip i inclouen: multicapa de pel·lícula prima, multicapa de pel·lícula gruixuda, co-cocció a alta temperatura, co-cocció a baixa temperatura, basat en silici, substrat multicapa de PCB, etc.

Els modes de fallada d'estrès ambiental dels circuits integrats híbrids inclouen principalment una fallada de circuit obert elèctric causada per esquerdes del substrat i fallades de soldadura entre components i conductors de pel·lícula gruixuda, components i conductors de pel·lícula fina, substrat i carcassa.Impacte mecànic de la caiguda del producte, xoc tèrmic de l'operació de soldadura, tensió addicional causada per la irregularitat de la deformació del substrat, esforç de tracció lateral per desajustament tèrmic entre el substrat i la carcassa metàl·lica i el material d'unió, tensió mecànica o concentració d'estrès tèrmic causada per defectes interns del substrat, danys potencials causada per la perforació del substrat i el tall del substrat microesquerdes locals, eventualment condueixen a una tensió mecànica externa superior a la resistència mecànica inherent del substrat ceràmic que El resultat és una fallada.

Les estructures de soldadura són susceptibles a tensions de cicle de temperatura repetides, que poden provocar fatiga tèrmica de la capa de soldadura, donant lloc a una reducció de la força d'unió i una major resistència tèrmica.Per a la classe de soldadura dúctil basada en estany, el paper de l'estrès cíclic de la temperatura condueix a la fatiga tèrmica de la capa de soldadura es deu al coeficient d'expansió tèrmica de les dues estructures connectades per la soldadura és inconsistent, és la deformació del desplaçament de la soldadura o la deformació de cisalla, després de repetidament, la capa de soldadura amb l'expansió i l'extensió de l'esquerda per fatiga, conduint finalment a la fallada per fatiga de la capa de soldadura.
2.4 Dispositius discrets i circuits integrats
Els dispositius discrets de semiconductors es divideixen en díodes, transistors bipolars, tubs d'efecte de camp MOS, tiristors i transistors bipolars de porta aïllada per grans categories.Els circuits integrats tenen una àmplia gamma d'aplicacions i es poden dividir en tres categories segons les seves funcions, és a dir, circuits integrats digitals, circuits integrats analògics i circuits integrats mixtes digital-analògics.

1) Dispositius discrets
Els dispositius discrets són de diversos tipus i tenen la seva pròpia especificitat a causa de les seves diferents funcions i processos, amb diferències significatives en el rendiment de la fallada.No obstant això, com a dispositius bàsics formats per processos semiconductors, hi ha certes similituds en la seva física de fallada.Els principals errors relacionats amb la mecànica externa i l'entorn natural són la ruptura tèrmica, l'allau dinàmica, la fallada de soldadura de xips i la fallada interna de la unió del plom.

Avaria tèrmica: l'avaria tèrmica o l'avaria secundària és el principal mecanisme de fallada que afecta els components de potència dels semiconductors, i la majoria dels danys durant l'ús estan relacionats amb el fenomen d'avaria secundària.La ruptura secundària es divideix en ruptura secundària de biaix directe i ruptura secundària de biaix invers.El primer està relacionat principalment amb les propietats tèrmiques pròpies del dispositiu, com la concentració de dopatge del dispositiu, la concentració intrínseca, etc., mentre que el segon està relacionat amb la multiplicació d'allaus de portadors a la regió de càrrega espacial (com ara prop del col·lector), tant dels quals sempre van acompanyats de la concentració de corrent a l'interior del dispositiu.En l'aplicació d'aquests components, s'ha de prestar especial atenció a la protecció tèrmica i la dissipació de la calor.

Allau dinàmica: durant l'aturada dinàmica deguda a forces externes o internes, el fenomen d'ionització col·lisional controlat pel corrent que es produeix a l'interior del dispositiu influït per la concentració de portador lliure provoca una allau dinàmica, que pot ocórrer en dispositius bipolars, díodes i IGBT.

Falla de soldadura del xip: el motiu principal és que el xip i la soldadura són materials diferents amb diferents coeficients d'expansió tèrmica, de manera que hi ha un desajust tèrmic a altes temperatures.A més, la presència de buits de soldadura augmenta la resistència tèrmica del dispositiu, empitjorant la dissipació de calor i formant punts calents a l'àrea local, augmentant la temperatura de la unió i provocant fallades relacionades amb la temperatura, com ara l'electromigració.

Falla d'unió del plom interior: fallada principalment per corrosió al punt d'unió, provocada per la corrosió de l'alumini causada per l'acció del vapor d'aigua, elements de clor, etc. en un entorn d'esprai de sal calent i humit.Fractura per fatiga dels cables d'unió d'alumini causada pel cicle de temperatura o vibració.El paquet IGBT al mòdul és de gran mida i, si s'instal·la de manera incorrecta, és molt fàcil provocar la concentració d'estrès, provocant una fractura per fatiga dels cables interns del mòdul.

2) Circuit integrat
El mecanisme de fallada dels circuits integrats i l'ús del medi ambient té una gran relació, humitat en un ambient humit, danys generats per electricitat estàtica o sobretensions elèctriques, ús massa elevat del text i ús de circuits integrats en un entorn de radiació sense radiació. El reforç de la resistència també pot provocar la fallada del dispositiu.

Efectes d'interfície relacionats amb l'alumini: en els dispositius electrònics amb materials basats en silici, la capa de SiO2 com a pel·lícula dielèctrica s'utilitza àmpliament, i l'alumini s'utilitza sovint com a material per a línies d'interconnexió, SiO2 i alumini a altes temperatures seran una reacció química, de manera que la capa d'alumini es torna prima, si la capa de SiO2 s'esgota a causa del consum de reacció, provocarà un contacte directe entre l'alumini i el silici.A més, el cable d'or i la línia d'interconnexió d'alumini o el cable d'unió d'alumini i la unió del cable de plom daurat de la carcassa del tub produiran un contacte amb la interfície Au-Al.A causa del potencial químic diferent d'aquests dos metalls, després d'un ús o emmagatzematge a llarg termini a altes temperatures per sobre de 200 ℃ es produiran una varietat de compostos intermetàl·lics, i a causa de les seves constants de gelosia i els coeficients d'expansió tèrmica són diferents, en el punt d'enllaç dins una gran tensió, la conductivitat es fa petita.

Corrosió de metal·lització: la línia de connexió d'alumini del xip és susceptible a la corrosió pel vapor d'aigua en un ambient calent i humit.A causa de la compensació de preus i la fàcil producció en massa, molts circuits integrats estan encapsulats amb resina, però, el vapor d'aigua pot passar a través de la resina per arribar a les interconnexions d'alumini, i les impureses introduïdes des de l'exterior o dissoltes a la resina actuen amb l'alumini metàl·lic per provocar corrosió de les interconnexions d'alumini.

L'efecte de delaminació causat pel vapor d'aigua: IC de plàstic és el circuit integrat encapsulat amb plàstic i altres materials de polímer de resina, a més de l'efecte de delaminació entre el material plàstic i el marc metàl·lic i el xip (conegut comunament com a efecte "crispetes"). com que el material de resina té les característiques d'adsorció de vapor d'aigua, l'efecte de delaminació causat per l'adsorció de vapor d'aigua també farà que el dispositiu falli..El mecanisme de fallada és la ràpida expansió de l'aigua en el material de segellat de plàstic a altes temperatures, de manera que la separació entre el plàstic i la seva fixació d'altres materials i, en casos greus, el cos de segellat de plàstic esclatarà.

2.5 Components resistius capacitius
1) Resistències
Les resistències comunes sense bobinatge es poden dividir en quatre tipus segons els diferents materials utilitzats en el cos de la resistència, és a dir, tipus d'aliatge, tipus de pel·lícula, tipus de pel·lícula gruixuda i tipus sintètic.Per a resistències fixes, els modes de fallada principals són circuit obert, deriva de paràmetres elèctrics, etc.;mentre que per als potenciòmetres, els principals modes de fallada són circuit obert, deriva de paràmetres elèctrics, augment del soroll, etc. L'entorn d'ús també provocarà un envelliment de la resistència, que té un gran impacte en la vida útil dels equips electrònics.

Oxidació: l'oxidació del cos de la resistència augmentarà el valor de la resistència i és el factor més important que causa l'envelliment de la resistència.Excepte els cossos de resistències fets de metalls preciosos i aliatges, tots els altres materials es veuran danyats per l'oxigen de l'aire.L'oxidació és un efecte a llarg termini i, quan la influència d'altres factors disminueixi gradualment, l'oxidació es convertirà en el factor principal i els ambients d'alta temperatura i humitat elevada acceleraran l'oxidació de les resistències.Per a resistències de precisió i resistències d'alt valor de resistència, la mesura fonamental per evitar l'oxidació és la protecció de segellat.Els materials de segellat han de ser materials inorgànics, com ara metall, ceràmica, vidre, etc. La capa protectora orgànica no pot prevenir completament la permeabilitat a la humitat i la permeabilitat a l'aire, i només pot tenir un paper retardador en l'oxidació i l'adsorció.

Envelliment de l'aglutinant: per a les resistències sintètiques orgàniques, l'envelliment de l'aglutinant orgànic és el principal factor que afecta l'estabilitat de la resistència.L'aglutinant orgànic és principalment una resina sintètica, que es transforma en un polímer termoendurible altament polimeritzat mitjançant tractament tèrmic durant el procés de fabricació de la resistència.El principal factor que causa l'envelliment del polímer és l'oxidació.Els radicals lliures generats per l'oxidació provoquen l'articulació dels enllaços moleculars del polímer, que cura encara més el polímer i el fa trencadís, donant lloc a pèrdua d'elasticitat i danys mecànics.El curat de l'aglutinant fa que la resistència es redueixi de volum, augmentant la pressió de contacte entre les partícules conductores i disminuint la resistència de contacte, donant lloc a una disminució de la resistència, però el dany mecànic a l'aglutinant també augmenta la resistència.En general, el curat de l'aglutinant es produeix abans, el dany mecànic es produeix després, de manera que el valor de la resistència de les resistències sintètiques orgàniques mostra el següent patró: una mica de disminució al començament de l'etapa, després augmenta, i hi ha una tendència d'augment.Atès que l'envelliment dels polímers està estretament relacionat amb la temperatura i la llum, les resistències sintètiques acceleraran l'envelliment en un ambient d'alta temperatura i una forta exposició a la llum.

Envelliment sota càrrega elèctrica: aplicar una càrrega a una resistència accelerarà el seu procés d'envelliment.Sota càrrega de corrent continu, l'acció electrolítica pot danyar les resistències de pel·lícula fina.L'electròlisi es produeix entre les ranures d'una resistència ranurada, i si el substrat de la resistència és un material ceràmic o de vidre que conté ions de metalls alcalins, els ions es mouen sota l'acció del camp elèctric entre les ranures.En un ambient humit, aquest procés es desenvolupa de manera més violenta.

2) Condensadors
Els modes de fallada dels condensadors són curtcircuit, circuit obert, degradació dels paràmetres elèctrics (incloent el canvi de capacitat, augment de la tangent de l'angle de pèrdua i disminució de la resistència d'aïllament), fuites de líquid i trencament de la corrosió del plom.

Curtcircuit: l'arc volador a la vora entre els pols a alta temperatura i baixa pressió d'aire provocarà un curtcircuit dels condensadors, a més, l'estrès mecànic, com ara el xoc extern, també provocarà un curtcircuit transitori del dielèctric.

Circuit obert: oxidació dels cables de plom i els contactes dels elèctrodes causada per un ambient humit i calent, donant lloc a una inaccessibilitat de baix nivell i una fractura per corrosió de la làmina de plom de l'ànode.
Degradació dels paràmetres elèctrics: Degradació dels paràmetres elèctrics a causa de la influència de l'ambient humit.

2.6 Circuits a nivell de placa
La placa de circuit imprès es compon principalment de substrat aïllant, cablejat metàl·lic i connectant diferents capes de cables, components de soldadura "coixinets".La seva funció principal és proporcionar un suport per a components electrònics i jugar el paper de connexions elèctriques i mecàniques.

El mode de fallada de la placa de circuit imprès inclou principalment soldadura deficient, circuit obert i curtcircuit, butllofes, delaminació de la placa d'esclat, corrosió o decoloració de la superfície de la placa, flexió de la placa.