В тази статия се изучават режимите на повреда и механизмите на повреда на електронните компоненти и са дадени техните чувствителни среди, за да се осигури някаква справка за проектирането на електронни продукти
1. Типични режими на отказ на компоненти
Сериен номер
Име на електронен компонент
Режими на отказ, свързани с околната среда
Стрес от околната среда
1. Електромеханични компоненти
Вибрацията причинява счупване на намотките от умора и разхлабване на кабелите.
Вибрация, удар
2. Полупроводникови микровълнови устройства
Високата температура и температурният шок водят до разслояване на интерфейса между материала на опаковката и чипа и между материала на опаковката и интерфейса на държача на чипа на запечатания с пластмаса микровълнов монолит.
Висока температура, температурен шок
3. Хибридни интегрални схеми
Ударът води до напукване на керамичния субстрат, температурният шок води до напукване на крайния електрод на кондензатора, а температурните цикли водят до повреда на спойка.
Шок, температурен цикъл
4. Дискретни устройства и интегрални схеми
Термична повреда, повреда при запояване на чип, повреда на вътрешното свързване на проводника, удар, водещ до разкъсване на пасивиращия слой.
Висока температура, удар, вибрации
5. Резистивни компоненти
Разкъсване на основния субстрат, разкъсване на резистивен филм, счупване на олово
Шок, висока и ниска температура
6. Верига на ниво платка
Напукани спойки, счупени медни отвори.
Висока температура
7. Електрически вакуум
Уморно счупване на гореща тел.
Вибрация
2, типичен анализ на механизма за отказ на компонент
Режимът на повреда на електронните компоненти не е единична, а само представителна част от анализа на границата на толерантност на типичните компоненти, чувствителна среда, за да се получи по-общо заключение.
2.1 Електромеханични компоненти
Типичните електромеханични компоненти включват електрически съединители, релета и т.н. Режимите на отказ се анализират задълбочено със структурата на двата вида компоненти съответно.
1) Електрически съединители
Електрически съединител от черупката, изолатора и контактното тяло на трите основни единици, режимът на повреда е обобщен в повреда на контакта, повреда на изолацията и механична повреда на трите форми на повреда.Основната форма на повреда на електрическия съединител за повреда на контакта, повреда на неговата производителност: контакт при мигновено прекъсване и контактно съпротивление се увеличава.За електрически съединители, поради наличието на контактно съпротивление и съпротивление на материалния проводник, когато има ток през електрическия съединител, контактното съпротивление и съпротивлението на проводника от метален материал ще генерират джаулова топлина, джаулова топлина ще увеличи топлината, което ще доведе до увеличаване на температура на контактната точка, твърде високата температура на контактната точка ще доведе до омекване, стопяване или дори кипене на контактната повърхност на метала, но също така ще увеличи контактното съпротивление, като по този начин ще предизвика повреда на контакта..В ролята на среда с висока температура контактните части също ще се появят като феномен на пълзене, което води до намаляване на контактното налягане между контактните части.Когато контактното налягане се намали до известна степен, контактното съпротивление ще се увеличи рязко и накрая ще причини лош електрически контакт, което ще доведе до повреда на контакта.
От друга страна, електрическият конектор при съхранение, транспортиране и работа ще бъде подложен на различни вибрационни натоварвания и ударни сили, когато честотата на възбуждане на външното вибрационно натоварване и електрическите конектори, близки до присъщата честота, ще направят електрическия конектор резонансен явление, в резултат на което пролуката между контактните части става по-голяма, пролуката се увеличава до известна степен, контактното налягане ще изчезне мигновено, което води до "незабавно прекъсване" на електрическия контакт.При вибрации, ударно натоварване, електрическият конектор ще генерира вътрешно напрежение, когато напрежението надвишава границата на провлачване на материала, ще доведе до повреда на материала и фрактура;в ролята на този дългосрочен стрес, материалът също ще настъпи увреждане от умора и накрая ще причини повреда.
2) Реле
Електромагнитните релета обикновено се състоят от сърцевини, бобини, арматури, контакти, тръстики и т.н.Докато определено напрежение се добавя към двата края на бобината, определен ток ще тече в бобината, като по този начин ще се получи електромагнитен ефект, арматурата ще преодолее електромагнитната сила на привличане, за да се върне към пружинното издърпване към ядрото, което на свой ред кара движещите се контакти на арматурата и статичните контакти (нормално отворени контакти) да се затворят.Когато бобината е изключена, електромагнитната смукателна сила също изчезва, арматурата ще се върне в първоначалното си положение под силата на реакция на пружината, така че движещият се контакт и оригиналният статичен контакт (нормално затворен контакт) засмукват.Това засмукване и освобождаване, като по този начин се постига целта на проводимостта и прекъсването във веригата.
Основните режими на цялостна повреда на електромагнитните релета са: релето е нормално отворено, релето е нормално затворено, динамичното действие на пружината на релето не отговаря на изискванията, затварянето на контакта, след като електрическите параметри на релето надвишават лошите.Поради недостига на производствения процес на електромагнитно реле, много електромагнитни релейни неизправности в производствения процес за поставяне на качеството на скрити опасности, като периодът на механично облекчаване на напрежението е твърде кратък, което води до механична структура след деформация на формовъчните части, отстраняването на остатъците не е изчерпано което води до неуспех или дори неуспех на PIND теста, фабричното тестване и използването на скрининг не е строго, така че отказът на устройството да се използва и т.н.. Ударната среда вероятно ще причини пластична деформация на металните контакти, което ще доведе до повреда на релето.При проектирането на оборудване, съдържащо релета, е необходимо да се съсредоточи върху адаптивността на въздействието на околната среда, която да се вземе предвид.
2.2 Полупроводникови микровълнови компоненти
Микровълновите полупроводникови устройства са компоненти, направени от Ge, Si и III ~ V съставни полупроводникови материали, които работят в микровълновата лента.Те се използват в електронно оборудване като радари, системи за електронна война и микровълнови комуникационни системи.Опаковката на дискретно микровълново устройство в допълнение към осигуряването на електрически връзки и механична и химическа защита за сърцевината и щифтовете, дизайнът и изборът на корпуса трябва също така да вземат предвид въздействието на паразитните параметри на корпуса върху характеристиките на микровълновото предаване на устройството.Корпусът на микровълновата печка също е част от веригата, която сама по себе си представлява пълна входна и изходна верига.Следователно формата и структурата на корпуса, размерът, диелектричният материал, конфигурацията на проводника и т.н. трябва да съответстват на микровълновите характеристики на компонентите и аспектите на приложението на веригата.Тези фактори определят параметри като капацитет, съпротивление на електрическия проводник, характеристичен импеданс и загуби на проводник и диелектрик на корпуса на тръбата.
Релевантните за околната среда режими на повреда и механизми на микровълнови полупроводникови компоненти включват главно потъване на метала на затвора и влошаване на резистивните свойства.Потъването на метала на затвора се дължи на термично ускорената дифузия на метала на затвора (Au) в GaAs, така че този механизъм на повреда възниква главно по време на ускорени тестове за живот или работа при изключително висока температура.Скоростта на дифузия на затворния метал (Au) в GaAs е функция на коефициента на дифузия на материала на затворния метал, температурата и градиента на концентрация на материала.За перфектна решетъчна структура производителността на устройството не се влияе от много бавна скорост на дифузия при нормални работни температури, но скоростта на дифузия може да бъде значителна, когато границите на частиците са големи или има много повърхностни дефекти.Резисторите обикновено се използват в микровълнови монолитни интегрални схеми за вериги за обратна връзка, определяне на точката на отклонение на активни устройства, изолация, синтез на мощност или край на свързване, има две структури на съпротивление: съпротивление на метален филм (TaN, NiCr) и леко легиран GaAs устойчивост на тънък слой.Тестовете показват, че влошаването на устойчивостта на NiCr, причинено от влажността, е основният механизъм за неговата повреда.
2.3 Хибридни интегрални схеми
Традиционните хибридни интегрални схеми, според повърхността на субстрата на дебелослойната водеща лента, процесът на тънкослойно направляваща лента е разделен на две категории дебелослойни хибридни интегрални схеми и тънкослойни хибридни интегрални схеми: някои малки печатни платки (PCB) верига, поради печатната схема е под формата на филм в плоската повърхност на платката, за да образува проводящ модел, също класифициран като хибридни интегрални схеми.С появата на многочипови компоненти, тази усъвършенствана хибридна интегрална схема, нейната уникална многослойна структура на окабеляване на субстрата и технология за процес през дупки, превърнаха компонентите в хибридна интегрална схема в структура на свързване с висока плътност, синоним на използвания субстрат в многочипови компоненти и включва: тънкослойно многослойно, дебелослойно многослойно, високотемпературно съвместно изпичане, нискотемпературно съвместно изпичане, базирано на силиций, PCB многослоен субстрат и др.
Режимите на повреда на хибридната интегрална схема при напрежение в околната среда включват основно повреда в отворена електрическа верига, причинена от напукване на субстрата и повреда на заваряване между компоненти и проводници с дебел слой, компоненти и проводници с тънък слой, субстрат и корпус.Механично въздействие от падане на продукта, термичен удар от операция на запояване, допълнителен стрес, причинен от неравномерност на изкривяването на субстрата, страничен стрес на опън от термично несъответствие между субстрата и металния корпус и свързващия материал, механичен стрес или концентрация на термичен стрес, причинени от вътрешни дефекти на субстрата, потенциална повреда причинени от пробиване на субстрата и рязане на субстрата локални микропукнатини, в крайна сметка водят до външно механично напрежение, по-голямо от присъщата механична якост на керамичния субстрат, което Резултатът е повреда.
Структурите на спойка са податливи на повтарящи се температурни циклични натоварвания, което може да доведе до термична умора на слоя спойка, което води до намалена якост на свързване и повишена термична устойчивост.За клас пластичен припой на базата на калай, ролята на температурния цикличен стрес води до термична умора на слоя припой се дължи на коефициента на топлинно разширение на двете структури, свързани от припоя, е непоследователен, дали е деформацията на изместване на спойката или деформацията на срязване, след многократно, слоят на спойка с разширяване и разширение на пукнатини от умора, което в крайна сметка води до повреда на слоя на спойка от умора.
2.4 Дискретни устройства и интегрални схеми
Полупроводниковите дискретни устройства се разделят на диоди, биполярни транзистори, MOS тръби с ефект на полето, тиристори и биполярни транзистори с изолиран затвор по широки категории.Интегралните схеми имат широк спектър от приложения и могат да бъдат разделени на три категории според техните функции, а именно цифрови интегрални схеми, аналогови интегрални схеми и смесени цифрово-аналогови интегрални схеми.
1) Дискретни устройства
Дискретните устройства са от различни видове и имат собствена специфика поради различните си функции и процеси, със значителни разлики в производителността при отказ.Въпреки това, тъй като основните устройства, образувани от полупроводникови процеси, има определени прилики в тяхната физика на отказ.Основните повреди, свързани с външната механика и естествената среда, са термичен пробив, динамична лавина, повреда при запояване на чип и повреда на вътрешно свързване на оловото.
Термична повреда: Термичната повреда или вторична повреда е основният механизъм на повреда, засягащ захранващите компоненти на полупроводниците, и по-голямата част от щетите по време на употреба са свързани с феномена на вторична повреда.Вторичната разбивка се разделя на вторична разбивка с преднаклоненост и вторична разбивка с обратна наклоненост.Първото е свързано главно със собствените топлинни свойства на устройството, като концентрация на допинг на устройството, присъща концентрация и т.н., докато второто е свързано с лавинообразното умножаване на носителите в областта на пространствения заряд (като близо до колектора), и двете от които винаги са придружени от концентрацията на ток вътре в устройството.При прилагането на такива компоненти трябва да се обърне специално внимание на термичната защита и разсейването на топлината.
Динамична лавина: По време на динамично изключване, дължащо се на външни или вътрешни сили, феноменът на сблъсък на йонизация, контролиран от тока, който възниква вътре в устройството, повлиян от концентрацията на свободния носител, причинява динамична лавина, която може да възникне в биполярни устройства, диоди и IGBT.
Повреда на спойка на чип: Основната причина е, че чипът и спойката са различни материали с различни коефициенти на топлинно разширение, така че има термично несъответствие при високи температури.В допълнение, наличието на кухини при запояване увеличава термичното съпротивление на устройството, влошавайки разсейването на топлината и образувайки горещи точки в локалната област, повишавайки температурата на свързване и причинявайки повреди, свързани с температурата, като възникване на електромиграция.
Нарушение на вътрешното свързване на оловото: главно разрушаване на корозия в точката на свързване, предизвикано от корозия на алуминия, причинена от действието на водни пари, хлорни елементи и т.н. в среда с гореща и влажна солена пръскачка.Счупване от умора на алуминиеви свързващи проводници, причинено от температурен цикъл или вибрации.IGBT в пакета на модула е голям по размер и ако е инсталиран по неправилен начин, е много лесно да се предизвика концентрация на напрежение, което води до счупване от умора на вътрешните проводници на модула.
2) Интегрална схема
Механизмът на повреда на интегралните схеми и използването на околната среда има голяма връзка, влага във влажна среда, щети, генерирани от статично електричество или електрически пренапрежения, твърде високо използване на текста и използване на интегрални схеми в радиационна среда без радиация съпротивителната армировка също може да причини повреда на устройството.
Интерфейсни ефекти, свързани с алуминий: В електронните устройства с материали на основата на силиций широко се използва слой SiO2 като диелектричен филм и алуминият често се използва като материал за линии за взаимно свързване, SiO2 и алуминият при високи температури ще бъдат химическа реакция, така че алуминиевият слой да стане тънък, ако слоят SiO2 е изчерпан поради консумация на реакция, това ще доведе до директен контакт между алуминий и силиций.В допълнение, златният оловен проводник и алуминиевата свързваща линия или алуминиевият свързващ проводник и свързването на позлатения оловен проводник на обвивката на тръбата ще произведат Au-Al интерфейсен контакт.Поради различния химичен потенциал на тези два метала, след продължителна употреба или съхранение при високи температури над 200 ℃ ще се получат различни интерметални съединения и поради техните константи на решетката и коефициентите на термично разширение са различни, в точката на свързване в рамките на голямо напрежение, проводимостта става малка.
Метализираща корозия: Алуминиевата свързваща линия на чипа е податлива на корозия от водна пара в гореща и влажна среда.Поради компенсирането на цената и лесното масово производство, много интегрални схеми са капсуловани със смола, но водната пара може да премине през смолата, за да достигне алуминиевите връзки, а примесите, внесени отвън или разтворени в смолата, действат с метален алуминий, за да причинят корозия на алуминиевите връзки.
Ефектът на разслояване, причинен от водна пара: пластмасовият IC е интегрална схема, капсулована с пластмаса и други смолисти полимерни материали, в допълнение към ефекта на разслояване между пластмасовия материал и металната рамка и чипа (известен като "ефект на пуканки") тъй като смолистият материал има характеристиките на адсорбция на водна пара, ефектът на разслояване, причинен от адсорбцията на водна пара, също ще доведе до повреда на устройството..Механизмът на повреда е бързото разширяване на водата в пластмасовия уплътнителен материал при високи температури, така че разделянето между пластмасата и нейното закрепване на други материали, а в сериозни случаи, пластмасовото уплътнително тяло ще се спука.
2.5 Капацитивни резистивни компоненти
1) Резистори
Обичайните резистори без навиване могат да бъдат разделени на четири типа според различните материали, използвани в тялото на резистора, а именно тип сплав, тип филм, тип дебел филм и синтетичен тип.За постоянните резистори основните режими на повреда са отворена верига, дрейф на електрическите параметри и др.;докато за потенциометрите основните режими на повреда са отворена верига, отклонение на електрическите параметри, увеличаване на шума и т.н. Средата на използване също ще доведе до стареене на резистора, което оказва голямо влияние върху живота на електронното оборудване.
Окисляване: Окисляването на тялото на резистора ще увеличи стойността на съпротивлението и е най-важният фактор, причиняващ стареене на резистора.С изключение на резисторните тела, направени от благородни метали и сплави, всички останали материали ще бъдат повредени от кислорода във въздуха.Окисляването е дългосрочен ефект и когато влиянието на други фактори постепенно намалява, окисляването ще стане основният фактор, а околната среда с висока температура и висока влажност ще ускори окисляването на резисторите.За прецизните резистори и резисторите с висока стойност на съпротивление, основната мярка за предотвратяване на окисляване е защитата от уплътняване.Уплътнителните материали трябва да бъдат неорганични материали, като метал, керамика, стъкло и др. Органичният защитен слой не може напълно да предотврати пропускливостта на влага и въздух и може да играе само забавяща роля при окисляването и адсорбцията.
Стареене на свързващото вещество: За органичните синтетични резистори стареенето на органичното свързващо вещество е основният фактор, влияещ върху стабилността на резистора.Органичното свързващо вещество е предимно синтетична смола, която се трансформира в силно полимеризиран термореактивен полимер чрез термична обработка по време на производствения процес на резистора.Основният фактор, причиняващ стареенето на полимера, е окисляването.Свободните радикали, генерирани от окисляването, причиняват шарнирно свързване на полимерните молекулни връзки, което допълнително втвърдява полимера и го прави чуплив, което води до загуба на еластичност и механични повреди.Втвърдяването на свързващото вещество кара резистора да се свие по обем, увеличавайки контактното налягане между проводящите частици и намалявайки контактното съпротивление, което води до намаляване на съпротивлението, но механичното увреждане на свързващото вещество също увеличава съпротивлението.Обикновено втвърдяването на свързващото вещество настъпва преди, механичните повреди настъпват след това, така че стойността на съпротивлението на органичните синтетични резистори показва следния модел: известен спад в началото на етапа, след това се обръща към увеличаване и има тенденция на нарастване.Тъй като стареенето на полимерите е тясно свързано с температурата и светлината, синтетичните резистори ще ускорят стареенето при висока температура на околната среда и силно излагане на светлина.
Стареене при електрически товар: Прилагането на товар към резистор ще ускори процеса на стареене.При натоварване с постоянен ток електролитното действие може да повреди тънкослойните резистори.Електролиза възниква между слотовете на резистор с прорези и ако субстратът на резистора е керамичен или стъклен материал, съдържащ йони на алкални метали, йоните се движат под действието на електрическото поле между слотовете.Във влажна среда този процес протича по-бурно.
2) Кондензатори
Режимите на повреда на кондензаторите са късо съединение, отворена верига, влошаване на електрическите параметри (включително промяна на капацитета, увеличаване на тангенса на ъгъла на загуба и намаляване на изолационното съпротивление), изтичане на течност и счупване от корозия на оловото.
Късо съединение: Летящата дъга на ръба между полюсите при висока температура и ниско въздушно налягане ще доведе до късо съединение на кондензаторите, освен това механичното напрежение като външен удар също ще причини преходно късо съединение на диелектрика.
Отворена верига: Окисляване на оловни проводници и електродни контакти, причинено от влажна и гореща среда, което води до недостъпност на ниско ниво и корозионно счупване на анодно оловно фолио.
Влошаване на електрическите параметри: Влошаване на електрическите параметри поради влиянието на влажна среда.
2.6 Схема на ниво платка
Печатната платка се състои главно от изолиращ субстрат, метално окабеляване и свързване на различни слоеве проводници, компоненти за запояване "подложки".Основната му роля е да осигури носител за електронни компоненти и да играе ролята на електрически и механични връзки.
Режимът на повреда на печатната платка включва главно лошо запояване, отворено и късо съединение, образуване на мехури, разслояване на платката, корозия или обезцветяване на повърхността на платката, огъване на платката
Време на публикуване: 21 ноември 2022 г